3S-OER生态防护技术在公路边坡抗冲刷应用研究

2021-10-28姚凯

山西交通科技 2021年4期

姚凯

（山西省交通环境保护中心站（有限公司），山西太原 030032）

黄土是一种颗粒较小且结构疏松的粉状颗粒物质，其透水性较强，具有独特的沉陷性质，遇水结构易破坏，可迅速崩解，容易受到自然环境的侵蚀。在公路建设中大量的开挖、取土和弃土弃渣，不可避免地对公路沿线原有的生态环境造成一定的破坏，尤其是黄土地区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，需要进行边坡防护处理。目前对公路边坡多采用锚杆框格梁、拱形护坡等工程防护形式与植生袋、客土喷播等生态防护形式相结合的方法[1-2]。公路边坡生态防护虽然取得了一定的成效，但抗冲刷性能差的状况时有发生，如黄土湿陷、坍塌、泥石流等。国内外学者普遍采用土壤固化与植被加筋技术相结合的方法进行浅层固坡防护，并对边坡侵蚀过程和影响边坡抗雨水冲刷能力的因素做了较多研究，通过理论分析及模拟研究，发现边坡失稳的原因及降雨、坡比等主要影响因素[3-6]。

3S-OER植被生态防护技术是针对边坡生态防护和修复的技术难点，通过土壤生境系统（Soil Habitat System）、植物群落系统（Plant Community System）和物质循环系统（Substance Cycle System）的构建，形成的一项自维持、自循环的完整植被生态系统。3S-OER植被生态防护技术在我国多个省市、多种气候、多个领域得到广泛应用，受到业主、政府、专家、社会和舆论一致好评。现阶段，该技术已十分成熟，在多个地区多种环境中成功应用，并得到进一步推广。

以右玉至平鲁高速公路（以下简称右平高速）为研究对象，针对干旱寒冷黄土地区抗冲刷性差的特点，运用3S-OER植被生态防护技术，通过模拟降雨试验，从坡面含水率、营养成分及水土流失量、抗冲刷指数等方面测定抗冲刷效果，为黄土干旱寒冷地区公路边坡防护提供借鉴。

1 研究区概况

右平高速起于山西省朔州市右玉县右卫镇，终止于朔州市平鲁区，平均海拔1 000 m，属于晋北温带寒冷半干旱气候区。该区域年平均气温为3.6℃～7.3℃，最低平均温度-14.9℃～-9.4℃，降雨分布差异较大，多集中于夏季，年均降水量421.2 mm，春季与冬季降雨较少，最大风力可达到9级，气候干旱寒冷。

2 试验准备

2.1 设备与场地

a）试验场地人工模拟降雨试验在国家环境保护创面生态修复工程技术中心与交通部公路交通科学研究院环境中心合作实验室降雨智能化模拟大厅进行，大厅总面积680 m2，其中有效降雨面积达384 m2，能够实现在不同改良土、格构形式、雨强、降雨历时、坡比等条件组合情况下的降雨模拟试验。

b）模拟降雨设备模拟降雨设备主要包括流量控制系统、下喷式降雨系统、降雨废水处理系统和降雨模拟软件控制系统等，能够实现全部操作过程的计算机降雨智能化模拟系统的全程控制，以及降雨数据记录功能。降雨试验是在6个独立的试验区域内完成，试验区可任意组合，单个试验区面积为10 m×3.5 m，实际降雨面积35 m2。

c）坡面模型设备边坡模型采用高强并防腐处理的铁板焊接而成，规格长3 000 mm×宽750 mm×深500 mm，模型包含气动支撑杆、模型槽、导水槽、集水桶等部分。气动支撑杆用于支撑边坡模型，最大可调坡度为60°，该次试验采用坡度45°进行研究；集水桶用于收集冲蚀的泥流，定量分析侵蚀程度。

d）其他设备搅拌喷播机、货车等。

2.2 模拟材料

a）试验用土取自右平高速公路黄土边坡，共计6 m3，土壤容重1.4 g/cm3。

b）生态修复材料针对右平高速边坡研究得出的生态修复基材优选配方一、优选配方二，主要由基质、微生物、纤维等组成。

c）种子采用工程所选植物及配比，主要为紫花苜蓿、胡枝子、高羊茅等物种。

2.3 边坡模型

a）边坡基层构建将不同类型基材按配方进行搅拌配置。基质层按照1 m3土壤添加100 kg复配基材，种子层配比与基质层配比相同，该次试验未对微生物活动对土壤抗侵蚀性能做深入研究。

b）边坡模型制作使用喷播机模拟工程施工，边坡按照坡度45°、坡比1∶1设计试验，共制作边坡模型3组，试验设计包含对照组、配方一、配方二，并各设置2组平行试验模型，共计制作边坡模型6个。试验模拟3种不同坡面，即黄土边坡坡面（不添加基材），Y-0；添加基材配方一，Y-1；添加基材配方二，Y-2。每种坡面设置3组进行试验，即，模拟边坡对照组：Y-01、Y-02、Y-03；配方一：Y-11、Y-12、Y-13；配方二：Y-21、Y-22、Y-23。3组试验在不同降雨强度下进行。边坡模型详情如表1所示。

2.4 雨强设置

根据国家气象局雨强相关标准规定，大雨级别：降雨量25.0～49.9 mm/24 h；暴雨级别：降雨量50.0～99.9 mm/24 h；大暴雨级别：降雨量100.0～249.9 mm/24 h。试验设置3个不同雨强级别38 mm/d、76 mm/d、152 mm/d，24 h降雨次数设置20次，降雨时长10 min，降雨间隔5 min。

2.5 检测指标

a）水土流失量将模拟降雨时冲刷下来的泥水收集、烘干、称重。

b）营养流失量测试径流桶中总氮、总磷、总钾等营养成分的流失量。

c）边坡含水率试验结束后立即对边坡进行取样、烘干、称重并计算含水率。

d）坡面冲刷指数描述计算边坡坡面的冲刷性能。指数范围在0～1之间，指数越大，表明抗冲刷能力越弱。

式中：Lr为坡面冲刷指数；Ab为检测边坡坡面被冲刷面积，m2；Aa为检测边坡坡面面积，m2；Ag、lc、Ad分别表示沟蚀面积、裂缝长度、基材与坡面剥离面积。

3 结果分析

模拟边坡对照组：Y-01、Y-02、Y-03；配方一：Y-11、Y-12、Y-13；配方二：Y-21、Y-22、Y-23在坡度45°不同雨强下水土流失量、营养成分损失、边坡含水率及坡面冲刷指数变化结果见表2。

3.1 水土流失量分析

由表2可知，随着雨强的逐渐增大，对照组边坡的抗冲刷性越来越差。对照组在雨强为38 mm/d时，坡面面蚀沟大量分布，边坡水土流失量较大；当雨强为76 mm/d时，第12次降雨后坡面开始出现连片状细沟冲蚀和裂缝，水土流失严重，土壤养分大量流失；在雨强为152 mm/d时第7次降雨后，坡面下半部分开始滑动，边坡逐渐垮塌。随着雨强的逐渐增大，配方一的边坡抗冲刷性变化较小。当雨强达到76 mm/d时，坡面有轻微的水土流失，但不会对坡面产生明显的侵蚀。当雨强为152 mm/d时，在降雨结束后坡面出现多处雨蚀小坑，并出现面沟蚀群。随着雨强的逐渐增大，配方二的边坡没有任何变化，只有轻微的水土流失和土壤养分流失。

表2 模拟边坡不同雨强下各项指标检测结果数据表

由图1可知，3组模拟边坡的水土流失量都随着雨强的增大而增加，对照组尤为明显。而基材边坡当雨强达到152 mm/d时，水土流失量也明显增大。

图1 不同基材坡面不同雨强的水土流失量

如表3所示，通过方差分析发现，水土流失在不同雨强间存在显著差异。通过对不同降雨强度下水土流失量的计算分析，F基材=50.05，F基材>Fcrit，即配方一和配方二之间存在显著差异。

表3 不同基材不同降雨强度的水土流失方差分析结果

3.2 营养成分流失量分析

3.2.1 总氮流失量分析

从图2中可以看出，随着降雨强度的增大，对照组的总氮流失量最大，其次为配方一，配方二的总氮流失量最小。从总体上看，随着降雨强度的增大，总氮流失量增加。

图2 不同基材不同降雨强度下的总氮流失量

通过对38 mm/d和76 mm/d降雨强度下对照组和各个配方的总氮流失量进行方差分析（表4），结果显示，F配方=10.13，小于Fcrit配方=19；F雨强=18.07，小于Fcrit雨强=18.51，说明在38 mm/d和76 mm/d降雨强度下，配方与对照之间的总氮流失量没有显著差异，不同雨强之间对坡面土壤的总氮流失量也没有显著差异，即中小降雨强度对不同基材坡面土壤中总氮流失量的影响不明显。

表4 38 mm/d和76 mm/d降雨强度下各个配方的总氮流失量方差分析表

通过对两个配方的3个降雨强度下的总氮流失量进行方差分析（表5），结果发现，两个配方之间差异显著，配方二在不同降雨强度下的土壤总氮流失量明显小于配方一，说明配方二在强降雨下的固氮效果明显，且不同雨强间的土壤总氮流失量差异显著。

表5 两配方的3个降雨强度下的土壤总氮流失量方差分析表

3.2.2 总磷流失量分析

从图3中可以看出，随着雨强的逐渐增大，总磷流失量也逐渐增加，尤其是对照组的总磷流失量增加明显。在雨强为38 mm/d时，配方一的总磷流失量最小；在雨强为76 mm/d和152 mm/d时，配方二的总磷流失量最小。对照组与配方的总磷流失量比较发现，对照组的总磷流失量最大，配方二总磷流失量最小。

图3 不同基材不同雨强的总磷流失量

通过对38 mm/d和76 mm/d降雨强度下对照组和各个配方的总磷流失量进行方差分析（表6），结果显示，F配方=3.88，小于Fcrit配方=19；F雨强=1.46，小于Fcrit雨强=18.51，说明在38 mm/d和76 mm/d降雨强度下，配方组与对照组之间的总磷流失量没有显著差异，不同雨强之间对坡面土壤的总磷流失量也没有显著差异。

表6 38 mm/d和76 mm/d降雨强度下各个配方的总磷流失量方差分析表

通过对两个配方的3个降雨强度下的总磷流失量进行方差分析（表7），结果发现，配方与雨强之间对坡面土壤的总磷流失量没有显著差异。

表7 两配方的3个降雨强度下的土壤总磷流失量方差分析表

3.2.3 总钾流失量分析

由图4可知，随着雨强的逐渐增大，总钾流失量总体增大。在不同雨强下，对照组总钾流失量最大，配方一次之，配方二最小。随着降雨量的增大，基材总钾流失量变化不明显，其中配方一的总钾流失量略呈增加趋势，配方二的总钾流失量在76 mm/d时较小。

图4 不同基材不同雨强的总钾流失量

通过对38 mm/d和76 mm/d降雨强度下对照组和各个配方的总钾流失量进行方差分析（表8），结果显示配方、雨强之间没有显著差异。

表8 38 mm/d和76 mm/d降雨强度下各个配方的总磷流失量方差分析表

通过对两个配方的3个降雨强度下的总钾流失量进行方差分析（表9），结果显示，F配方=25.85，大于Fcrit配方=18.51；F雨强=3.70，小于Fcrit雨强=19，说明在小、中、强降雨强度下，配方对降雨侵蚀中土壤的总钾流失量差异显著，尤其是配方二的效果最好。但不同雨强的坡面土壤总钾流失量差异不显著。

表9 两配方的3个降雨强度下的土壤总钾流失量方差分析表

3.3 边坡含水率分析

从图5中可以看出，随着雨强的逐渐增大，边坡土壤的土壤含水率略有减小。在不同雨强下，对照组的土壤含水率最小，其次为配方一，配方二最大，说明配方二的土壤吸水性较好。

图5 不同基材不同雨强的土壤含水率

通过对不同降雨强度下对照组和各个配方的土壤含水率进行方差分析，结果显示配方、雨强之间没有显著差异。通过对两个配方的3个降雨强度下的土壤含水率进行方差分析（表10），结果显示，F配方=35.69，大于Fcrit配方=18.51；F雨强=21.38，大于Fcrit雨强=19，说明不同雨强下的坡面土壤含水率差异明显；在小、中、强降雨强度下，配方对降雨侵蚀中土壤含水率差异显著，且配方二的效果最好。

表10 两配方的3个降雨强度下的土壤含水率方差分析表

3.4 坡面冲刷指数计算分析

从表11可以看出，模拟大雨级别降雨强度试验时，第4次降雨开始后，对照组Y-01坡面开始出现溅蚀；持续进行至第14次降雨时，模拟坡面已大面积冲蚀损坏，坡面土壤层剥落严重，坡面径流水汇集部位出现浅细冲沟群；降雨结束后观察，试验组Y-11和Y-21边坡模型坡面未见明显变化。

表11 模拟边坡不同雨强下的坡面冲刷状况统计表

模拟暴雨级别降雨强度试验时，对照组Y-02坡面在降雨初期很快形成径流水，坡脚处接水器水体浑浊，坡面表层冲蚀量较大，降雨进行至12次后观察，边坡模型中部出现一条横向裂纹，降雨结束后观察，裂纹长度约0.75 m，宽2.5 cm，深约5 cm，同时，坡面出现大量冲蚀沟，每条冲蚀沟在坡脚处堆积形成大小不等冲积扇；试验组Y-12边坡模型坡面出现溅蚀，坡面未见明显基材剥落，未见明显冲沟，整体坡面基本完好；试验组Y-22坡面未见明显变化，坡脚接水器相对较清。

模拟大暴雨级别降雨强度试验时，对照组Y-03边坡在模拟降雨进行第6次时，坡面冲沟密集且横向发展连成一片，坡面开始出现严重冲刷面，坡脚处汇集大量冲刷表土；当降雨持续进行到第11次时坡面尤其是下部坡面严重剥蚀，坡脚处积水变软；模拟降雨持续到第17次时，坡面中下部出现滑动；降雨结束后不久，坡体出现严重滑塌。试验组Y-13，坡面出现浅细冲蚀沟，降雨结束观察坡面出现多处雨蚀小坑，坡面出现多条明显浅细冲蚀沟，坡脚处存有少量基材堆积。试验组Y-23，坡面未见明显冲蚀情况，坡面基材无明显剥蚀，坡面整体稳定。