基于有机材料-三维植生毯技术的黄土边坡抗降雨侵蚀试验研究

2020-12-08曾坤翔钟玉健

人民珠江 2020年12期

姚凯，曾坤翔，钟玉健，任童

(1.山西省交通环境保护中心站，山西太原 030032；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059)

随着西部大开发，导致众多不可避免的开挖工程破坏了原有的植被覆盖，形成了大量裸露的黄土坡面，产生了突出的水土流失现象，加剧了生态系统的退化。因此如何快速恢复黄土坡面的生态环境，实现绿色坡面防护，成为众多学者关注的焦点。利用三维植生毯护坡技术进行坡面生态防护，在国内已有大量工程经验[1-5]，而利用有机材料改良边坡土体，控制坡面侵蚀，目前也取得了一定的成果[6-15]，国外比较成熟的产品有ISS、EN-1，国内对采用有机材料改良坡面表土的研究还处在起步阶段：南京大学采用自主研发的STW型生态土壤稳定剂成功应用于宁淮高速公路边坡，并对比了从日本引进的2种生态土壤稳定剂(JP710和JP720)，得出上述3种土壤固化剂既能稳定土壤，防止水土流失，又能促进植物生长，美化环境的结论；刘瑾等[8]自主研发了PAS高分子稳定剂，对植被生长无任何不良影响，反而能提高土体的保温性和透气性，帮助植被的生长和发育，减缓表面径流和雨水冲刷。但利用有机加固材料和三维植生毯共同护坡的研究较少，有机材料与三维植生毯联合护坡，可把黄土坡面防护看作是长期的过程，前期主要依靠有机材料固化护坡，后期主要依靠三维植生毯护坡，两者结合对提高黄土抗降雨侵蚀能力具有重要的意义。

本文在采用自主研发的黄土加固有机材料的基础上，结合生态上的考虑，提出了有机材料-三维植生毯联合防护黄土边坡技术。通过人工模拟降雨试验，分析了有机材料-三维植生毯护坡和有机材料固化护坡对土壤侵蚀特征和坡面产流产沙的影响，并对其抗侵蚀能力进行了评价。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验用土为陕西延安地区Q3黄土；试验有机材料为成都理工大学自主研发的双聚双交联土壤固化剂，是由2种有机溶液和2种无机溶液通过混合形成的复合型材料，外观为透明的无色水溶液，无刺激性气味，无毒无害，表观黏度为16～17 mPa·s。试验使用的有机材料-三维植生毯是选用根系发达且易于繁殖的高羊茅，在成都理工大学校外空地培育而成，其培育工序为：坪床清理→铺设三维植被网→覆土(黄土中按一定比例加入有机材料、泥炭土、有机肥，拌和均匀)→播种→养护。培育完成后的有机材料-三维植生毯结构断面见图1。

图1 有机材料-三维植生毯结构断面

1.2 试验装置

本次试验在中科院成都山地灾害与环境研究所的试验箱内进行，该系统主要由模型箱、降雨系统和仪器测量采集系统组成。

1.2.1模型箱

模型箱整体由钢板焊接而成，底部的钢板是不透水的，前端无任何约束，顶部是敞开的，便于接受降雨，其他三面是可视化的钢化玻璃。模型箱长、宽、高分别为3.0、2.0、1.2 m，四脚带可移动的万向轮。

1.2.2降雨系统

本实验的降雨系统设计主要由4部分构成，分别为：①水箱；②雨量系统控制箱；③作为动力系统的压力泵；④36个喷头及支撑它们的钢骨架。

降雨系统通过水箱储水，由动力泵将水抽到喷头进行降雨。雨量筒可实时采集雨强数据，并且同步传输到雨量系统控制箱。雨强的调节控制，可以通过改变泵的压力实现，调节范围为30～180 mm/h。

1.2.3仪器测量系统

测量系统包括传感器测量系统、三维激光扫描测量系统、视频监测系统和数据采集系统。

传感器系统包括含水率传感器、孔隙水压力传感器、地表倾斜仪。数据采集系统为东华DHDAS。

三维激光扫描测量系统：试验过程中，主要采用三维激光扫描仪对坡面降雨前后进行扫描，仪器型号为Optech IRRIS-3D，其激光发射频率为2 500～3 500 Hz，测程远，精度高，是专业的三维建模工具。

视频监测系统：在模型正前方放置一台高清摄像机。录制整个试验过程中的坡面侵蚀发育过程。

1.3 试验设计

本模型箱下端设有出水口，每2 min用塑料桶收集1次径流泥沙样。结束试验后，量测径流体积，径流泥沙沉淀一段时间后，放在烘箱中直至恒重，通过烘干法计算含沙量来估算坡面径流泥沙过程。

1.3.1有机材料固化坡面人工降雨试验

试验设计有机材料掺量为黄土质量18%，土壤前期含水量设为20%，填土厚度为10 cm，养护龄期为28 d。设计试验坡度为55°，降雨强度为150 mm/h，降雨时间为60 min，以相应的裸露坡面作为对照。(图2左半部分为有机材料固化坡面，右半部分为裸露坡面)。

图2 有机材料固化黄土坡面

1.3.2有机材料-三维植生毯坡面人工降雨试验

使用有机材料-三维植生毯护坡，待植生毯生长28 d后进行试验。试验设计有机材料掺量为黄土质量18%，根据黄土高原侵蚀性暴雨标准(I5=1.52 mm/min)，试验设计降雨强度(90、120、150 mm/h)，分别相当于I5的1倍、1.32倍、1.67倍。坡度为55°，降雨时间为60 min，以相应的裸露坡面作为对照(图3左半部分为有机材料-三维植生毯坡面，以下简称为植生毯坡面，右半部分为裸露坡面)。

图3 有机材料-三维植生毯黄土坡面

1.4 试验内容

a)试验土体前期处理。根据模型箱容积和控制容重计算出装填土量。配置含水率时，把称好的土壤倒在抖土布上，摊开后均匀洒水，反复2～3次，使得称量好的土和水初步混合。再由两人抖动抖土布，一段时间后停止抖土，捏碎其中的大块，再次抖动，反复2～3次，土水混合物基本达到了均匀，可以用来铺设边坡。

b)边坡铺设。按每层10 cm的方式，在模型箱中间砌砖两侧同时进行铺设。铺设边坡的外轮廓应稍稍超过粘贴在钢化玻璃上的透明胶布所绘轮廓，便于边坡铺设压实后，沿着该透明胶布所绘轮廓来削坡，以形成要求的坡度。同时削坡完成后必须清理模型箱内多余土体，使之不影响含沙量等参数的测定。生态修复坡面与有机材料固化坡面不同的是将三维土工网铺设在边坡上，铺设时三维网应保持端正，紧贴坡面，没有悬空、歪斜及皱裙，然后在三维土工网上均匀覆土。最后将草皮按照从边坡顶部到边坡底部的顺序进行铺设，在坡顶及坡边缘铺设时，草皮应嵌入坡顶预设的沟槽内。然后用U形钉在草皮四角固定。待草皮完全生长至三维网下，形成三维植被网加筋草皮后方可进行试验。

c)传感器埋设。铺设边坡时，每夯实一层后，均应根据传感器布置图埋设相应的传感器，在传感器埋入过程中，确保传感器位置的土壤夯实，传感器与土体完全接触。

d)三维激光扫描测量系统及视频监测系统布置。土体堆填完毕，传感器埋设成功后调试设备并在有效降雨区域内摆放量筒，最后在模型箱正前方安放高清摄像机和三维激光扫描仪器。

1.5 试验测定方法

a)径流量、侵蚀含沙量的测定。开始试验后，每2 min在模型箱下端出水口，用塑料桶收集1次径流泥沙样。结束试验后，量测径流体积，径流泥沙沉淀一段时间后，放在烘箱中直至恒重，通过烘干法计算含沙量来估算坡面径流泥沙过程。

b)孔隙水压力与土体含水率采集。为了测试黄土边坡在不同深度下孔隙水压力和含水率的变化，在土体内埋设孔隙水压力传感器4个，含水率传感器16个。含水率传感器在土体中分2层埋设，第一层在边坡表面以下10 cm处，第二层在边坡表面以下20 cm处，孔隙水压力传感器在边坡表面以下20 cm处埋设。含水率传感器编号分别为MC1-1至MC1-8，MC2-1至MC2-8，孔隙水压传感器编号为PWP1#至PWP4#。具体布设见图4。

图4 传感器布置

c)边坡表层位移采集。为了便于将地表位移与地面以下孔压和含水率物理参数结合起来分析比较，真实地反映土体表层及内部侵蚀破坏现象，在土体表面安放了8个地表倾斜仪子机来测定边坡表层位移。地表位移计与孔压和含水率传感器的安放位置在垂直方向上成一条直线(图4)，编号分别为TST1、TST2、TST3、TST4、TST5、TST6、TST7、TST8。

d)侵蚀沟形态的测定。完成降雨试验后，获取侵蚀沟数量，通过测尺手动测量坡面侵蚀沟长度，并沿着每条侵蚀沟沟头，按每5 cm测量一次宽和深，同时拍照的方式进行工作。

2 试验结果及分析

2.1 有机材料固化坡面抗侵蚀能力

2.1.1有机材料对坡面土壤侵蚀特征的影响

图5为150 mm/h降雨强度下裸露坡面和有机材料固化坡面的侵蚀发育，清晰地显示出了坡面侵蚀强弱的区域，其侵蚀深度数值可以通过颜色柱反映。由图5可知，裸露坡面侵蚀范围大，主要为纵向走势，侵蚀深度在0.05～0.15 m之间。而有机材料固化坡面侵蚀特征不明显，表现为坡面基本无沟蚀产生，表面形成少量的侵蚀坑。说明有机材料能阻止黄土坡面细沟的产生和发育，削弱坡面径流侵蚀土体的能力，提高其稳定性。

注：虚线左侧为有机材料固化坡面，右侧为裸露坡面。

2.1.2有机材料对坡面产流产沙的影响

由图6可知，随降雨时间增加，有机材料固化坡面径流强度在40 min前呈现递增趋势，在40 min后径流强度大小相对稳定，维持在5.0～6.0 L/min。比较平均径流强度可知，与裸露坡面径流强度平均值(3.91 L/min)相比，有机材料固化坡面径流强度平均值(4.56 L/min)增加了16.62%。由图7可知，有机材料固化坡面含沙量随降雨时间的变化曲线近似水平，而裸露坡面含沙量随降雨时间增加先急剧增长，后趋于平缓。与裸露坡面含沙量平均值(521.40 kg/m3)相比，有机材料固化坡面含沙量平均值(51.92 kg/m3)减少了90.00%。说明加入有机材料后能有效减少在降雨侵蚀下黄土坡面流沙的产量，提高黄土边坡稳定性。

图7 有机材料固化坡面和裸露坡面径流含沙量随降雨时间变化

2.2 有机材料-三维植生毯坡面抗侵蚀能力

2.2.1有机材料-三维植生毯对坡面土壤侵蚀特征的影响

图8是三维激光扫描数据处理后得到的不同降雨强度下有机材料-三维植生毯坡面和裸露坡面侵蚀发育图，清晰地显示出了坡面侵蚀的区域分布及强度。对于裸露坡面，90 mm/h降雨强度下，坡面侵蚀主要发育在坡体左侧和中心，侵蚀深度在0.04～0.06 m之间；120 mm/h 降雨强度下，坡面侵蚀主要发育在坡体左侧和右侧，侵蚀范围增大，侵蚀深度在0.05～0.15 m之间；150 mm/h 降雨强度下，坡面侵蚀主要发育在坡体顶部和右侧，侵蚀范围最大，侵蚀深度在0.05～0.15 m之间。说明降雨强度越大，坡面侵蚀越发育。而对于有机材料-三维植生毯坡面，在3种降雨强度下，由于植生毯的保护，没有观察到坡面发生溅蚀作用，有少数的土颗粒在片蚀作用下剥落，在降雨过程坡面没有出现大的破坏。以上结果表明，有机材料-三维植生毯坡面抗侵蚀能力相比裸露坡面明显提高，表现为几乎无坡面侵蚀发育，坡体稳定性较好。

a) 90 mm/h降雨强度

b) 120 mm/h降雨强度

c) 150 mm/h降雨强度

2.2.2有机材料-三维植生毯对坡面产流的影响

从图9—11可以看出，不同降雨强度下有机材料-三维植生毯坡面径流强度随降雨时间的变化与裸露坡面这一过程基本类似，整体上皆随降雨时间先急剧增加，后缓慢递增或趋于平缓。不同的是，比较径流过程波动程度和径流量，有机材料-三维植生毯坡面均小于裸露坡面，说明有机材料-三维植生毯坡面通过阻止径流过程来减少径流。

当降雨强度为90 mm/h时，有机材料-三维植生毯坡面和裸露坡面的径流过程类似，均呈现出降雨30 min内持续增加，30 min后增速放缓的状态。30 min后植生毯坡面径流强度维持在2.0～2.5 L/min，裸露坡面维持在2.5～3.0 L/min。对比平均径流强度，有机材料-三维植生毯坡面径流强度平均值为1.79 L/min，与裸露坡面径流强度平均值2.30 L/min相比减少了22.17%。

当降雨强度增大到120 mm/h时，有机材料-三维植生毯和裸露坡面均呈现出降雨40 min内急速增加，40 min后趋于稳定的状态，相比90 mm/h时径流量均有所增大，径流的波动有不同程度的增加，且裸露坡面波动更为剧烈。此时有机材料-三维植生毯、裸露坡面的径流强度平均值为2.36、3.12 L/min，是90 mm/h时对应边坡产流的1.32倍、1.36倍。从不同类型护坡的径流强度平均值上看，裸露坡面是有机材料-三维植生毯坡面的1.32倍。

当降雨强度增大到150 mm/h时，径流的波动程度进一步加剧，有机材料-三维植生毯坡面和裸露坡面均呈现出降雨50 min内急速增加，50 min后趋于稳定的状态。此时有机材料-三维植生毯坡面、裸露坡面的径流强度平均值为3.10、3.79 L/min，是120 mm/h时对应边坡产流的1.31倍、1.21倍。而从不同类型护坡的径流强度平均值上看，裸露坡面是有机材料-三维植生毯坡面的1.22倍。

图9 90 mm/h雨强下坡面径流强度随降雨时间变化

图10 120 mm/h雨强下坡面径流强度随降雨时间变化

图11 150 mm/h雨强下坡面径流强度随降雨时间变化

2.2.3有机材料-三维植生毯对坡面产沙的影响

从图12—14可以看出，不同降雨强度下，裸露坡面含沙量总体上呈随降雨时间的延长先急速递增，后缓慢递增或趋于稳定的状态。有机材料-三维植生毯(以下简称植生毯)坡面含沙量随降雨时间的变化曲线近似水平。90 mm/h时，裸露坡面含沙量平均值为303.28 kg/m3，有机材料-三维植生毯坡面含沙量平均值为32.24 kg/m3；120 mm/h时，裸露坡面含沙量平均值为429.37 kg/m3，有机材料-三维植生毯坡面含沙量平均值为43.02 kg/m3；150 mm/h时，裸露坡面含沙量平均值为515.25 kg/m3，有机材料-三维植生毯坡面含沙量平均值为51.62 kg/m3；生态修复坡面泥沙流失量远小于裸露坡面，与裸露坡面相比，90 mm/h时含沙量减少了89.37%，120 mm/h时含沙量减少了89.98%，150 mm/h时含沙量减少了89.98%。这是因为有机材料-三维植生毯坡面上草被不断生长壮大的根系和三维土工合成网有机结合，同时有机材料与黄土颗粒的联结增强，使其固土能力增强。

图12 90 mm/h雨强下坡面径流含沙量随降雨时间变化

图13 120 mm/h雨强下坡面径流含沙量随降雨时间变化

图14 150 mm/h雨强下坡面径流含沙量随降雨时间变化

2.3 水沙效应对比

有机材料固化坡面和有机材料-植生毯(以下简称植生毯)坡面的水沙效应结果列于表1，其中裸露坡面A表示有机材料固化坡面的对照组，裸露坡面B表示植生毯坡面的对照组。由表1可知，裸露坡面A和裸露坡面B的累积径流量和累积产沙量相近，所存在差异属于试验正常误差。结果表明，植生毯坡面的累计径流量较裸露坡面下降了18.17%，而有机材料坡面径流量较裸露坡面增加了16.73%，且植生毯坡面与有机材料坡面产沙总量远低于裸露坡面，分别为裸露坡面的7.3%和10.1%。

植生毯上植物生长一方面能有效增加土壤孔隙性和渗水性，改善土壤理化性质，另一方面植物茎叶的叶面起到分流与机械阻挡作用，可以减缓径流流速，改变径流形态，增加坡面糙率，从而提升土壤入渗率，降低径流强度，随之降低了含沙量。而有机材料掺入后与黄土颗粒表面发生作用，会形成具有膜结构的网络，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。因此掺入有机材料后，边坡土体雨水入渗能力显著降低，就会出现径流强度大于裸露坡面的现象。同时有机材料固化坡面坚硬光滑，粗糙度变小，径流阻力受到削弱，基本无沟蚀发生，就会出现含沙量显著低于裸露坡面的现象。

表1 各坡面的抗侵蚀能力

不同坡面情况下的人工降雨试验结果见图15、16。相比单纯使用有机材料护坡护坡，有机材料-三维植生毯技术可把坡面防护分为2个过程，前期移植的有机材料-三维植生毯根系还不够发达，入土深度还不足，有机材料未降解，主要依靠有机材料固化护坡；后期随着有机材料降解，主要依靠三维植生毯护坡。有机材料不会抑制草皮生长，有机材料-三维植生毯护坡技术在提高黄土边坡坡面抗侵蚀能力和化学与生态结合方面，防护效果更好。