植物纤维类型及用量对土壤渗透性的影响

高晓颖，孙 冲

(1.山东科技大学 地球科学与工程学院， 山东 青岛 266590；2.中国海洋大学 环境科学与工程学院， 山东 青岛 266100)

近年来，我国基础设施建设迅速发展，在工程建设中难免要开挖大量边坡，破坏原有的植被覆盖层，产生边坡冲刷等水土流失现象。为实现坡面的防护同时恢复开挖边坡的生态环境，植被护坡技术应运而生。植被护坡是指用活的植物，单独用植物或者植物与土木工程措施和非生命的植物材料相结合，以减轻坡面的不稳定性和侵蚀[1]。而对于高陡岩质边坡，其坡面不具备植物生长的土壤条件，对此类边坡进行植被护坡时必须提供人工材料形成的基质层附着于坡面之上，植物才能正常生长。工程中常用的厚层基材喷射护坡技术就是通过配置合理的基质，在岩石边坡上营造一个既能保证植物正常生长又有一定自稳性的多孔稳定结构体。因此，选择合适的基质材料是喷射护坡工艺的核心，是决定护坡成败的关键。

日本曾采用纤维作为护坡基质材料用于岩质边坡的生态防护，以提高基质的稳定性，并开发出一系列的纤维土绿化工法。其所用纤维包括有机纤维、无机短纤维、连续纤维等。我国农业资源丰富，植物纤维更易获得，且成本低廉，因此，多选用秸秆、木屑等植物纤维作为护坡基质材料。植物纤维一般为农业生产的附属产品，取用方便，成本低廉。因其质量轻，可以减轻基质的重量，且对土体有一定的加筋作用，有利于基质的稳定。在岩土工程领域，使用纤维材料进行混凝土加固应用较为广泛，也有学者用棉花秸秆纤维提高陶粒混凝土试块的抗劈拉强度，延缓混凝土开裂[2-4]。而对于植被护坡工程，植物纤维还能作为有机质为植物后期生长提供养分。对于植物纤维在岩质边坡植被护坡中的应用已有相应研究，结果表明将植物纤维用作植被护坡的基质材料有利于提高基质的稳定性，降低坡面侵蚀，并且对基质的水分与养分保持有促进作用[5-11]。除此之外，也有将植物纤维编织成毯覆于边坡之上进行生态防护的研究[12-14]。

上述研究主要侧重于纤维的应用对边坡的稳定性与抗侵蚀性方面的影响，而为了保证边坡植物的长期稳定生存，水分的供应必不可少。若基质的配比合理，渗透性能良好，降雨护坡养护洒水后，水分能在较短时间内渗入基质中，获得更多可供植物利用的有效水。本文对比了不同植物纤维类型及用量对土壤的渗透性的影响，以期为岩石边坡植被护坡系统的水分平衡及控制提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本次试验所用土壤取自山东科技大学青岛校区校内笔架山西侧，土壤为黄色，基本参数见表1。

土样的颗粒级配曲线如图1所示。

表1 土样物理性质指标

图1土样的粒径级配曲线

本次试验所使用的黄土其塑性指数为10.6，介于10～17之间，属于粉质黏土，毛细性较好，且在取土样过程中发现，黄土较干燥时强度较高。

试验中所用秸秆、花生壳、木屑取自山东高密，经过清洗、晾晒、粉碎过筛后用作本次试验的基质添加材料。本次试验所用的秸秆纤维为玉米秸秆，长度为2 mm～5 mm，花生壳经过粉碎呈圆片状，直径约3 mm，木屑粉碎后呈粉末状。

1.2 试验设计

试验采用单因子试验设计，将秸秆、木屑及花生壳3种植物纤维作为单一影响因素加入到土壤中，研究不同植物纤维类型及用量对土壤的渗透性的影响，所有试验均设置3个重复。各纤维用量见表2。

1.3 试验方法

(1) 配制土样。按照试验设计所需的用量将黄土与植物纤维混合，搅拌均匀，按照所需含水率将水均匀喷洒于土样上，充分拌匀后装入盛土容器内盖紧，浸润一昼夜。

(2) 击实试验。将浸润后的土样取出，根据《土工试验方法标准》[15](GB/T 50123—1999)进行击实试验确定土样的最大干密度。

(3) 渗透试验

① 按照最大密度制备渗透试验试样。根据环刀容积及所需的(制样)干密度计算渗透试验土样所需的湿土量，将取出的湿土装入击实器进行分层击实，每种试样制作三个平行样。

② 试样饱和、进行试验。将制好的试样放入饱和器中进行饱和，对饱和后的土样进行渗透试验。具体实验步骤参照[12]进行。

2 试验结果与分析

2.1 纤维类型与用量对土壤渗透系数的影响

本研究采用渗透试验，测定饱和状态下基质的渗透系数。

根据试验结果绘制不同纤维类型与用量对黄土的渗透系数变化图，见图2—图5，因纤维密度较小，为方便分析，将纤维掺量换算成体积比表示。由图2，图3可知：在黄土中掺入花生壳与秸秆均能有效增大黄土的渗透系数。

图2 纤维(花生壳)用量与渗透系数的关系

图3 纤维(秸秆)用量与渗透系数的关系

图4 纤维(木屑)用量与渗透系数的关系

图5纤维类型对渗透系数的影响

由图2可知：花生壳的添加能有效提高黄土的饱和渗透系数，随着花生壳用量的增加，渗透系数逐渐增大，且呈现出明显的指数函数关系。纯黄土的饱和渗透系数为3.81×10-6cm/s，当掺入21%的花生壳后，渗透系数提高到2.99×10-5cm/s，是纯黄土的10倍，当花生壳掺入量提高到77%时，渗透系数提高到1.03×10-4cm/s，是纯黄土的100倍。

由图3可知：秸秆的添加能有效提高黄土的饱和渗透系数，当秸秆的掺入量达到一定量时，混合物的渗透系数随着秸秆用量的增加呈指数形式增加，不同的秸秆掺入量与渗透系数之间存在明显的指数函数关系。当秸秆含量增加到31%时，渗透系数增大到1.53×10-5cm/s，是纯黄土的10倍，当秸秆掺入量增加到67%时，渗透系数增大到5.19×10-4cm/s，是纯黄土的100倍；当秸秆掺入量增加到95%时，渗透系数增大到1.96×10-3cm/s，约为纯黄土的1000倍；秸秆含量超过80%后，渗透系数呈指数形式迅速增加。

试验中所采用的秸秆为长条状，花生壳为圆片状，与黄土混合后在土体中形成较为疏松的孔隙结构，增大了土体的透水性，渗透系数增加显著。

由图4可知：木屑的添加能在一定程度上提高混合物的渗透系数，但效果不明显。当木屑含量增加到26%时，混合物的渗透系数增大到2.01×10-5cm/s；但是当木屑含量增加到82%时，混合物的渗透系数减小到2.49×10-6cm/s，而纯木屑的饱和渗透系数为1.69×10-5cm/s。混合物的渗透系数并不随木屑含量的增加而增大，木屑的添加对黄土的渗透系数没有明显的改良作用。试验中所用的木屑为粉末状，与秸秆、花生壳相比，木屑与黄土混合后土体内部结构仍比较致密，无法像秸秆与花生壳一样在土体中形成较大的孔隙通道，水流不易透过，渗透性没有明显的增大。

图5对比了花生壳与秸秆的添加对渗透系数的影响。由图5可知：花生壳与秸秆的添加均能改善黄土的渗透系数，且其不同掺入量对渗透系数的增长呈明显的指数函数关系。但是对比两组数据发现，掺入量小于70%时，花生壳与秸秆的掺入对渗透系数的改良效果差距较小，但是掺入量超过70%后，秸秆的掺入对渗透系数的增加远大于花生壳。纯秸秆时渗透系数为2.76×10-3cm/s，而纯花生壳时渗透系数为6.47×10-4cm/s，远远低于纯秸秆的渗透系数。分析认为主要原因有两点：(1) 与花生壳相比，秸秆纤维呈细长条状更加松散使其更容易在土体中形成空隙，增加土壤的孔隙度，使水分能沿着孔隙通道迅速入渗；(2) 纯秸秆纤维渗透系数本身比花生壳高一个数量级。

因此，从渗透性方面考虑，秸秆对黄土的渗透性的改良效果最好。

2.2 纤维类型与用量对土壤最大干密度的影响

边坡土体在自重应力作用下发生滑动、塌陷等破坏，土体自重对边坡的稳定有重要影响。若基质的密度较小，则重量较轻，自重应力较小，边坡不易发生破坏，因此选择密度较小的基质有利于边坡的稳定。图6对比了3种不同的纤维(秸秆、木屑、花生壳)的添加对混合物的最大干密度的影响，随着纤维用量的增加，混合物的最大干密度均呈线性降低，3种纤维的添加都能有效地降低混合物的密度，减重效果相差不大。

图6不同纤维类型用量与干密度的关系

3 总 结

植物纤维的添加对基质混合物的渗透性与干密度均有较大影响，植物纤维能有效减轻混合物的重量，增加土壤的渗透性。通过对试验结果的分析得出以下结论：

(1) 秸秆和花生壳对于改良黄土渗透系数效果较好，随着掺入量增加秸秆的改良效果要优于花生壳。

(2) 木屑对黄土渗透系数改良作用不明显。

(3) 秸秆、花生壳、木屑对黄土密度降低效果明显，黄土密度随着三种纤维掺入呈线性下降。

(4) 添加适量植物纤维作为基质对客土有很好的改良效果，尤其是其对客土渗透性方面的改善有利于护坡植物的生存。

植物纤维作为一种随处可得的材料，其对基质性质的影响远不止以上四点；在试验过程中还发现，添加植物纤维的土体其持水性有所提高；相比纯土而言，添加植物纤维的土体蒸发量较低，能有效减小水分蒸发流失；然而持水性与保水性随着植物纤维掺入量如何变化、不同种纤维对于持水性与保水性的影响如何还需要通过试验进行进一步的研究。