新型高分子材料固化黄土边坡的抗冲刷试验

2018-12-27王银梅徐鹏飞

中国地质灾害与防治学报 2018年6期

王银梅,徐鹏飞

(太原理工大学水利科学与工程学院,山西太原 030024)

引言

黄土高原地形破碎，暴雨集中且雨量大；黄土地区广泛分布的黄土，颗粒细,土质松软，结构疏松、富含可溶性矿物质成分，具有遇水结构容易破坏，迅速崩解的特性，所以经常出现黄土边坡坡面受雨水冲刷形成冲沟甚至失稳的情况，通常需要进行边坡防护处理。

黄土边坡坡面防护的工程护坡方式因为存在缺陷，逐渐被其它新方法所取代，土壤改良技术和生态护坡新技术已经成为边坡防护的发展方向。土壤固化剂，具有价格便宜、使用方便和性能稳定等诸多优势，应用到道路路基、水利和渠道防渗等基础设施建设中已比较普及。由于固化剂的固土性能及其使用条件和方法的研究还不够成熟，目前运用土壤改良技术进行工程边坡防护尚处于试验研究阶段，虽也取得了一些成果[1-6]，但利用土壤固化剂加固边坡土体，使固化后的边坡既具有足够的抗冲刷性能，植被又能较好生长方面的研究相对较少，因而限制了固化剂在边坡方面的实际应用，所以用于边坡防护的土固化材料开发与研究越来越受到重视。

本文根据已有的试验成果和工程实际，采用新型高分子材料SH固化剂固化黄土，利用室内装置人工模拟边坡顶端来流冲刷，试验研究黄土边坡施加SH后，边坡坡面的产流产沙变化特征，探讨SH固化黄土及植草固土相结合的方法对提高边坡抗冲刷性的防护效果，旨在为SH固化剂在边坡防护工程中的应用提供科学依据和理论指导。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验用土为山西太原地区Q2黄土，属低液限粉质黏土；固化剂由兰州大学提供，为固含量5%的高分子材料SH；北方型多年生宽叶黑麦草草种[7]。

1.2 试验设计

人工模拟边坡试验装置主要由供水设备和冲刷土槽等部分组成(图1、图2)。试验时，用流量计和开关控制供水流量。水流顺着衔接管道进入到溢流箱内，通过溢流箱的缓冲作用，水流薄而均匀的进入冲刷土槽。溢流箱的溢流口必须与土槽顶部上边缘相连接，并处于同一水平面上，模拟坡面汇水过程。土槽的末端设有出水口，盛接从坡面上冲刷下来的水土，便于测定径流量和含沙量。

图1 冲刷试验装置示意图Fig.1 Sketch map of erosion experimental device1.接样桶；2.土槽；3.径流面；4.土槽垫块；5.静水溢流箱；6.输水软管；7.恒压贮水箱；8.贮水箱支架；9.流量计；10.流量计垫块；11.溢流箱垫块。

图2 室内模型照片Fig.2 Indoor model photos

根据试验目的，在参考SH固化黄土和黄土冲刷试验成果[7-8]的基础上，设计本次试验的主要参数如下：人工自制简易木质冲刷模型槽尺寸2 m×0.5 m×0.5 m，土槽坡度固定为45°，土压实度90%， SH掺量为6%和10%，放水流量分别是100 L/h、200 L/h、400 L/h。当SH掺量为变量时，放水流量取200 L/h；当放水流量为变量时，SH掺量定为10%。不施加SH的黄土坡面作为对照。

1.2.1固化土坡面冲刷试验

先把按配比称量拌和好的SH固化黄土分层填入冲刷土槽内，厚度为40 cm。由于SH的固化特点是固化试样干燥时强度趋于最大[9]，所以需待固化黄土风干(28 d)后进行冲刷试验，冲刷时间为30 min，试验过程中观察坡面冲刷产流产沙特性。具体为5 min内，每1 min收集1次径流泥沙样，随后每隔3 min取样，试验结束后用烘干法测定泥沙量。

1.2.2SH固化植草护坡冲刷试验

先将黑麦草种子用温水浸泡12 h。按压实度90%进行冲刷土槽内分层填土，在最后一层土上均匀撒上黑麦草种子，并铺盖一层覆土，轻轻压实后往坡面洒水，等黑麦草出芽后，再往坡面均匀喷洒10%的SH稀释液。黑麦草生长过程中每1～2 d浇一次水，待黑麦草生长一个月后进行放水冲刷，放水流量为200 L/h。

2 试验结果及分析

2.1 SH固化黄土坡面产流产沙

2.1.1SH掺量对坡面产流产沙变化的影响

SH固化黄土坡面径流量、径流产沙量随时间的变化曲线分别如图3、图4所示。

图3 坡面径流量随时间变化曲线Fig.3 The curves of runoff change with time

图4 径流含沙量随时间变化曲线Fig.4 The curves of sediment content change with time

由图3可知，黄土边坡(对照)径流量变化较大，掺量为6%和10%的SH固化黄土坡面的径流量变化规律较相似，即在冲刷前5 min内，径流量均不断增加，5 min后坡面的径流量逐渐趋于稳定。掺入6%、10%SH坡面径流量平均值分别为3.11和2.92 L/min，与黄土坡面径流量平均值2.81 L/min相比分别增加了3.91%和10.68%。

图4中SH固化黄土坡面的径流含沙量比黄土坡面的降低较多，6%和10%SH固化黄土坡面的径流含沙量低于黄土坡面(对照)90.4%和95.7%。说明加入SH固化剂后，黄土抗冲刷性能有了显著提高，SH掺量越大，坡面径流含沙量越小。

2.1.2放水流量对边坡坡面径流产沙的影响

不同放水流量条件下，SH固化坡面径流量、径流含沙量随时间的变化曲线如图5、图6所示。

图5 径流量与时间关系Fig.5 The relationship between runoff and time

图6 含沙量与时间关系Fig.6 The relationship between sediment content and time

可以看出，不同放水流量下SH固化黄土坡面径流量均随时间小幅变化，而径流含沙量则有较大波动；而放水流量增大，坡面径流量和径流含沙量增加，表明坡面的产流产沙量明显受到放水流量影响。

2.2 SH与黑麦草结合边坡的抗冲蚀性能

2.2.1SH与黑麦草结合坡面产流产沙

SH固化植草防护时坡面产流和径流含沙量的对比如图7、图8所示。

图7 固化植草坡面径流量过程曲线Fig.7 The process curves of runoff on solidified and grassed slope

图8 固化植草坡面径流含沙量过程曲线Fig.8 The process curves of sediment content on solidified and grassed slope

图7中黄土坡面和SH固化植草坡面的径流量变化幅度均较大，而SH固化坡面的径流量变化较小，基本处于稳定状态。这是由于黄土坡面在冲刷过程中，不断出现冲蚀沟，冲蚀沟及泥沙的作用使得其径流量不断变化；SH固化黄土坡面坚硬光滑，粗糙度减小，径流阻力减弱，很少产生沟蚀；而SH固化植草坡面在初期的径流量比黄土和SH固化黄土坡面都小，是坡面上黑麦草的茎杆对水流产生了一定的阻力，黑麦草增大了坡面的粗糙率并吸收了坡面水分所致。

图8显示，SH固化植草坡面与SH固土坡面的含沙量过程曲线几乎一致，随时间的变化均很小，含沙量也小，但与对照的黄土坡面相差较大。

2.2.2水沙效应对比

SH固化黄土和SH固化植草调控坡面的水沙效应结果列于表1。

表1 各坡面的抗冲刷能力Table 1 Comparison of erosion resistance on different slopes

SH固化植草坡面的径流总量较SH固化黄土和黄土坡面为低，产沙总量则与SH固化相近，较黄土坡面降低约97%。

由于 SH掺入后与黄土颗粒表面发生交联，形成具有膜性能的网络，改变了黄土的结构，黄土颗粒间联结增强，起到加固黄土的作用[9]。因此SH固化后边坡土体渗透性明显降低，坡面上径流总量会比素黄土的大，黑麦草的生长，使得坡体的孔隙度和渗透性增大，坡面土体内部渗透水分增加，其坡面上径流总量反而有所减小。黑麦草经过一个月的生长，其生长状况良好，茎杆和叶面减缓了水流，坡面粗糙度增大，有效地减缓了水流的冲刷，且流速降低；黑麦草根系入土较深，根系起到了固土作用，故产沙总量显著减小，抗冲刷性能显著增强。

不同坡面情况下的冲刷试验结果如图9所示。

图9 不同坡面条件下的冲刷试验照片Fig.9 Photos showing the erosion test results under different slope conditions

2.2.3与CONAID、EN-1等固化剂结果比较

文献[4]用4 种固化剂固化陕西杨陵黄土边坡，与素土坡面对照产流产沙情况，得到了加入CONAID，LUKANG，SSA和EN-1后，不论固化剂掺量多少，坡面径流量与素土相比变化小，即掺量对径流量影响不大；坡面含沙量较素土显著减小，抗冲刷性明显增强；CONAID、LUKANG 和 EN-1 固化土坡面含沙量随固化剂掺量的增加而减小，SSA 则随固化剂掺量增加而增大的研究结果，业已说明采用合适的固化剂可以提高黄土边坡坡面抗冲刷性能。

经与文献[4]的研究结果对比，发现新型高分子材料SH固化剂与EN-1有大致相同的固化效果。0.01%和 0.1%的EN-1固化土坡面含沙量低于对照坡面 38.8%和 52.15%，而6%和10%SH固化黄土坡面的径流含沙量低于对照坡面90.4%和95.7%，SH较EN-1固化后坡面径流含沙量减小更为明显，SH可以用于黄土边坡抗冲刷加固；EN-1 和 LUKANG 固化剂对黑麦草生长影响较小，CONAID 和 SSA 固化剂对黑麦草生长有一定抑制作用，而SH固化不会抑制植物生长，SH固化植草护坡技术对提高黄土边坡坡面抗冲刷性更为有效。