植被混凝土边坡泥沙侵蚀室内试验研究

李 灿，周海清,2，赵尚毅,2，王庆鑫，彭 岳

(1.陆军勤务学院 军事设施系 岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室, 重庆 401331；2.重庆科技学院， 重庆 401311； 3.中建隧道建设有限公司， 重庆 401147)

我国自改革开放以来，城镇建设以及基础设施建设速度迅猛，在早期建设中对保持生态环境不够重视。进入21世纪以来，随着国家政策的倾斜[1-2]以及人民环保意识的增强，在基础建设工程中开始考虑生态恢复问题，特别是大量的边坡工程，挖方填方导致大面积坡面呈裸露状态，坡面颜色灰暗，十分影响城市景观，若不加处理，生态恢复进程缓慢，在遭遇强降雨时水土流失严重，带来不必要的经济损失。

针对边坡防护及绿化问题，目前主要采取的生态防护技术有客土喷播技术、三维植被网技术、厚层基材技术、植生袋技术、植被混凝土技术等。特别的，对于岩质边坡而言，其立地条件差于土质边坡，缺乏植被生长的土壤和养分条件[3]，而且边坡高度和坡面角一般较大，采用传统的客土喷播技术难以满足生态防护的要求。因此，针对岩质边坡的特点，开发出了植被混凝土技术，该技术是一种喷混植生护坡方法，将胶结材料、植生土、草种、有机质腐植质按一定比例混合后配置混凝土拌合物，再采用液压喷播技术喷播于裸露的岩质边坡，形成一层具有一定强度、抗侵蚀性，并且能够稳定附着于岩石表面的绿化基材，具有施工简便、机械化程度高、材料来源广、成本低、安全性好的优点[4]。

植被混凝土技术在21世纪初最初由许文年[5]提出，发展十余年来许多学者对其基材配比、力学特性、根-土相互作用、肥力水平、降碱改良等方面展开了大量研究。如Kim等[6]将基质中的水泥替换成非烧结无机粘结剂，研究了其力学特性和抗冻性能；Xu等[7]研究了水泥含量对狗牙根萌发的影响，发现水泥含量为8%时利于植物的生长。黄晓乐等[8]通过对含有狗牙根和紫花苜蓿的植被混凝土进行直剪试验，结果表明基材粘聚力随土层深度增加呈现先增加后减少的趋势；Wu等[9]研究了水泥含量对基质pH的影响，结果表明pH值随着水泥增加而增加，同时植物生长能够改善pH环境。王宇等[10]研究了植被混凝土在岩石边坡和混凝土边坡上应用的肥力差异，得出混凝土边坡肥力水平在速效磷 、碱解氮方面明显高于岩石边坡，两者植被生长差异的主要因素是含水率的结论。谢清华等[11]通过研究不同浓度的降碱溶液对植生基材的pH值影响，提出一种可将pH值快速降低的复合降碱技术。

由于植被混凝中的水泥胶结剂能够较大程度上加固坡面，坡面抗冲刷性能优越，但是上述研究者忽视了其施工初期水泥固化能力还未完全发挥，即边坡处于普通客土边坡到植被混凝土固化边坡的过渡状态，在该状态下，边坡若遇强降雨，极有可能因坡面抗冲刷能力不足导致坡面侵蚀破坏严重，从而影响工程，造成一定经济损失。

目前，在所能查到的文献中，仅杨奇等[12]针对植被混凝土试块进行了冲刷试验，但试块试验仅能反应材质本身性质，而在实际工程中，是一个坡面在接受雨水冲刷，考虑的因素包括坡长、坡率、坡面的完整度等，因此开展模拟实际坡面的植被混凝土边坡模型进行冲刷试验十分有必要。通过室内冲刷试验，能够详细记录坡面的泥沙侵蚀，分析侵蚀状态，最终在冲刷方面为工程中的植被混凝土边坡施工初期作出一定的理论指导。

1 室内模型试验

1.1 试验装置

试验装置采用自主设计的边坡模型试验车，如图1(a)所示，试验车主要由车体、导流槽、模型框、降雨装置组成。车体斜杠支撑于挡板上，通过调节支撑位置可改变斜杆坡率，从而调整边坡坡率。导流槽安装于模型框下部，嵌入一部分于车体内，保证冲刷泥沙与雨水全部通过导流槽，在导流槽下方放置水桶进行收集。模型框为2 cm厚木板制作而成，为一面具有开口的木框，内框尺寸为0.8 m×1.2 m×0.1 m，为了模拟岩质边坡的实际坡面状态，在框内铺设一层细石混凝土，混凝土表面拉毛处理。降雨装置主要由橡胶管与铜喷头组合连接构成，木支架和铁丝网用于固定降雨装置，降雨装置示意图见图1(b)。

图1 试验装置

1.2 试验方案

1) 降雨强度。试验降雨强度的选取根据重庆当地的暴雨强度公式确定，按照规范[13]要求合理取值后，计算得出标准单位下暴雨强度为409.26 L/s·hm2，根据室内试验实际坡面的尺寸进行单位换算得到2.4 L/min。

2) 边坡材料。植被混凝土基材配比采用许文年[14]和刘大翔[15]提出的配合比，水泥8%，有机质6%，均为干土的质量分数，考虑到本次试验针对植被混凝土边坡施工初期，植物还未生长，因此在基材中不添加如绿化添加剂等对植物后续生长有利的微量添加剂。

试验用土采用学校后山取得的沙壤土，晒干磨碎后过2 mm筛备用。水泥采用425#型普通硅酸盐水泥。有机质采用木材厂加工剩下的碎木屑。

3) 边坡制作。将干土、水泥和有机质混合拌匀，根据含水率30%添加水，用调土工具拌和后放入彩条布中，浸润8 h。到达浸润时间后，按分层压实的方法将土体铺于模型框内，土层后5 cm，分5次铺设压实。养护时间24 h用于模拟边坡施工初期的状态。

4) 降雨及数据收集。设计降雨历时共60 min，每过10 min停一次，将水桶取出后编号，共6组，每次暂停时间不宜过长。降雨完成后，将每组水桶静置24 h后小心分离泥沙与雨水，将未分离干净的混合物放入烘箱中烘干，最后称取干土重量，即获得各组的泥沙侵蚀量数据。

5) 试验分组。为了考察不同坡度和不同降雨强度对植被混凝土边坡坡面侵蚀的影响，分别设计3种坡率和降雨强度。将暴雨强度公式推导出的降雨强度上下浮动20%用以分别模拟大雨和大暴雨，3种降雨强度为：1.9 L/min、2.4 L/min、2.9 L/min，3种坡率为1∶0.75、1∶1、1∶1.25。具体试验分组见表1。

表1 试验分组

2 试验结果

2.1 坡面侵蚀

裸露坡面的侵蚀破坏由于没有防护措施，其破坏程度相比于施工后期植物生长后的坡面侵蚀[16]要严重许多，分析其发展过程十分有必要。选取工况5试验组分析坡面侵蚀过程，坡面侵蚀如图2所示。在降雨初始过程中，最先发生雨滴溅蚀，雨滴由于其自由下落的动能对坡面产生撞击作用，将表层土体冲散，形成细小的溅蚀坑，是坡面侵蚀的开始阶段。当降雨强度大于入渗速度时，雨水在坡面形成漫流，漫流能够带走坡面浅层的浮土，形成层状面蚀。由于坡面存在地形的微起伏，加之雨滴溅蚀产生的溅蚀坑，漫流开始产生差异性侵蚀，之后逐渐形成具有明显流路的股状水流，在水流的冲刷下，形成细沟，细沟在水流持续冲刷下逐渐发育。

最终坡面在降雨历时60 min后，坡面整体呈现层状面蚀，面蚀鳞片状现象明显，在坡面右下部有几条细沟，细沟发育处于初始阶段，深度不超过3 mm。从坡面侵蚀的角度来看，植被混凝土边坡施工初期在遭遇强降雨工况时，能够有效抵抗雨水冲刷，减小水土流失，是具有良好的抗雨水冲刷性能的边坡生态防护方法。

图2 坡面侵蚀

2.2 泥沙侵蚀累计量与降雨历时关系

根据试验统计的数据绘制泥沙侵蚀累计量与降雨历时的关系曲线图，如图3所示。从图中能够发现，泥沙侵蚀累计量随着降雨历时的增加而增加，在降雨历时初期，即0～10 min降雨阶段，泥沙侵蚀累积量增加速度相比于降雨后期快很多，主要原因是降雨初期的雨滴溅蚀将表层浮土冲散，坡面形成漫流后将大量浮土带走，加之水泥固化作用在养护 24 h阶段还比较弱，边坡表层土体固化效果差，同时在边坡压实过程中可能出现压实不均的现象，该现象与水泥表层固化效果差共同导致降雨前期泥沙侵蚀量大。

在降雨后期，泥沙侵蚀累计量的增加速率在不同工况下均有不同程度的减缓，对于降雨强度2.9 L/min工况下的3组边坡其减缓趋势不明显，特别是在工况9边坡中，泥沙侵蚀累积量与降雨历时基本呈线性增加的关系。

为了便于描述植被混凝土边坡泥沙侵蚀累积量与降雨历时的关系，将试验结果进行非线性拟合，通过多次尝试，最终选定拟合公式：y=a+bln(x+c)，在该拟合式下，决定系数均大于0.98，拟合结果较好，能充分反应泥沙侵蚀累计量与降雨历时的关系。拟合结果见图4，表2为相关数据。由于本次室内试验降雨历时最大为60 min，60 min后的侵蚀量与降雨历时关系由公式：y=a+bln(x+c)表示准确性还需要进一步验证，因此拟合公式中x取值范围：0≤x≤60。

图3 泥沙侵蚀累计量与降雨历时关系曲线

图4 泥沙侵蚀累计量与降雨历时关系拟合曲线

表2 回归分析

2.3 降雨强度和坡度对泥沙侵蚀量的影响

以降雨强度为横坐标，降雨历时60 min下的泥沙侵蚀量为纵坐标绘制曲线图，如图5(a)所示。从图5中可以看出：随着降雨强度的增加，泥沙侵蚀量增加，其增加趋势是先快后慢，曲线呈外凸型。同时对试验数据进行线性拟合，拟合曲线见图5(b)，式(1)为拟合公式。

图5 泥沙侵蚀量与降雨强度的关系曲线

拟合结果决定系数均大于0.87，能较好的反应泥沙侵蚀量与降雨强度的关系，在拟合公式中，x的取值范围为本次试验所涉及到的降雨强度，即1.9≤x≤2.9。

坡率1∶0.75：y=-30.04+120.6x，R2=0.872 09

坡率1∶1：y=-20.57+97x，R2=0.916 81

坡率1∶1.25：y=-84.73+113.5x，R2=0.974 59

(1)

以坡率为横坐标，降雨历时60 min下的泥沙侵蚀量为纵坐标绘制曲线图，如图6(a)所示。从图6中可以看出，随着坡率的增加，泥沙侵蚀量增加，总体呈线性发展关系，在降雨强度2.9 L/min工况下，泥沙侵蚀量随着坡率增加其增加速率先慢后快，曲线呈内凹型；在降雨强度1.9 L/min工况下，泥沙侵蚀量随着坡率增加其增加速率先快后慢，曲线呈外凸型；在降雨强度1.9 L/min工况下，两者关系基本为线性增加。在本次试验中，泥沙侵蚀量与坡度呈正相关关系，该试验结果与Zingg[17]和汤立群[18]的结果一致，两人分别在实测资料与计算模型中得到侵蚀量与坡度呈正比关系的结论。而在大量实测边坡坡面冲刷过程中，存在临界坡度，即在某一坡度范围内，泥沙侵蚀量与坡度呈正比，当边坡超过某坡度值后，侵蚀量又与坡度呈反比，该坡度值即为临界坡度[19]。

图6 泥沙侵蚀量与坡率的关系曲线

临界坡度的影响因子繁多，临界坡度的变化范围较大。在本次室内模型试验中，最大坡率为1∶0.75，即坡度53°，在该坡度范围内，泥沙侵蚀量与坡率呈正相关关系，说明植被混凝土边坡临界坡度应该出现在53°以上，具体数值还需进一步研究确定。如通过设置多组坡度值实测出侵蚀量—坡度曲线的拐点的方法来确定临界坡度，但该拐点只能近视视作临界坡度，精确度不高；也可通过理论推导，在能量守恒定律和水力学的基础上推导临界坡度公式，公式推导的局限性是变量多，取值难以明确，而植被混凝土边坡相关冲刷参数还没有可靠的经验值以供参考，为了明确针对植被混凝土边坡的临界坡度，需要开展下一步试验获取变量参数，如坡面糙率，渗透系数等。

为了量化表述泥沙侵蚀量与坡率的关系，对试验数据进行线性拟合，拟合曲线见图6(b)，式(2)为拟合公式。

拟合结果决定系数均大于0.92，能较好的反应泥沙侵蚀量与坡率的关系，在拟合公式中，x的取值范围为本次试验所涉及的坡率，即0.8≤x≤1.33。

降雨强度1.9L/min：

y=36.95+116.37x，R2=0.967 51

降雨强度2.4 L/min：

y=69.06+156.37x，R2=0.997 97

降雨强度2.9 L/min：

y=127.29+135.57x，R2=0.929 00

(2)

3 结论

1) 植被混凝土边坡坡面侵蚀破坏主要停留在层状面蚀阶段，鳞片状现象明显。坡面下方局部区域存在细沟侵蚀，且发育速度较慢，细沟深度不超过3 mm。

2) 泥沙侵蚀累计量在降雨初期，其增加速度明显快于降雨后期，在降雨后期，其增加速度逐渐减缓。采用拟合式y=a+bln(x+c)对试验数据进行回归分析，决定系数大于0.98，能很好反应在不同工况下泥沙侵蚀累计量与降雨历时的关系。

3) 泥沙侵蚀量随着坡率和降雨强度的增加而增加，使用线性表达式y=a+bx能较好表达泥沙侵蚀量与两者的关系。在试验所涉及的坡率中，没有出现临界坡度，其值取值应该大于53°。