生态护坡基材降雨试验研究

2022-04-20弓晓飞申雪姣郭威

低温建筑技术 2022年3期

弓晓飞，申雪姣，郭威

（河南省地质矿产勘查开发局第二地质矿产调查院，郑州 450001）

0 引言

随着我国城市化进程的加速，矿产资源开采行业快速发展，规模也不断扩张。但随着我国经济结构调整，“绿水青山就是金山银山”的理念深入人心。矿山开采，尤其是采石场露天开采带来的环境问题越发引起人们的重视。露天采矿除了引发地质灾害、造成水土流失、水土污染、自然景观破坏等问题［1］，遗留的岩质边坡难以自然或人工修复也是亟待解决的问题。

经过长期的研究和实践，发展了多种生态边坡修复技术方法，目前常用的生态边坡修复方法有阶梯式复绿法、喷播基材复绿法、直接培土法等［2］。喷播技术常应用于岩质边坡的绿化与生态恢复，其研究多集中于基材的强度、抗侵蚀性、养分等方面［3-5］，而对于植物赖以生存的水分研究较少，尤其是在降雨量少的地区，喷播植被常因缺乏水分而难以达到预期绿化效果或难以维持长期效果。因此对于喷播技术中基材水分平衡的研究具有重要意义。

国内外关于生态护坡降雨入渗等方面的研究目前已取得一些成果。张俊云等［6］采用模拟岩石坡面进行厚层基材喷射植被护坡实验，研究了有机质及保水剂含量对基材混合物水分常数的影响。张涛等［7］通过人工降雨实验研究了不同压实度、坡度和降雨强度对矿山边坡水土流失的影响。李绍才等［8］通过现场定位观测试验，研究护坡土壤的水分变化。李守升［9］研究了不同因素影响下黄土边坡水分入渗深度和坡体内水分分布规律。

试验拟建立室内不同工况下的生态护坡模型，在模型上模拟一定强度的人工降雨，观察边坡模型从接受降雨到逐渐侵润的发展过程，通过试验监测仪器同步监测土体内含水率和产流量的变化，分析生态护坡基材的有机土含量、厚度、以及边坡坡比对生态护坡基材含水率和产流量的影响，为基材喷播技术的研究提供一些参考。

1 试验设计与方法

1.1 试验方案

按照统计学正交试验的原则，试验考虑了基材的厚度、有机土含量以及边坡坡比3个因素，由此原则按统计学原理，设计了正交试验共9组，试验组数及内容见表1。

表1 降雨正交试验

1.2 试验材料

种植土选取焦作市解放区办事处龙寺村山区地表层以下20～50cm深度范围内的土壤，土壤类型为粉质粘土，黄褐色，硬塑状态，以粘粒及粉粒为主。除去土壤中大颗粒的石块和植物的根系，烘干后过2mm筛，制备成含水率为12%的土料。有机土选用泥炭土。每次试验完之后利用试验室的烘箱烘干，再次碾碎后投入下一次试验使用。

1.3 试验模型

借鉴前人的室内模型降雨试验的尺寸，结合试验要求设计边坡模型，因生态护坡基材覆盖在较完整的岩质边坡上，因此不考虑水分渗入岩质边坡的情况，先堆岩质边坡的模型，再在岩质边坡模型上堆生态护坡模型。结合现有的研究现状和工程实例，取岩质边坡的坡比为1：1.25、1：1以及1：0.75，基材厚度为10、12、14cm，有机土的含量按体积比，分别取0%、10%、20%。岩质边坡模型的后缘高度统一为40cm，后缘长度为10cm，边坡宽度为50cm。模型立体图尺寸示意见图1（以坡比1：1、基材厚度为10cm的模型为例）。

图1 降雨试验边坡模型示意（单位：cm）

1.4 试验设备

1.4.1 降雨设备

试验根据需求自行设计制作了人工降雨装置，模拟的降雨强度为80mm。人工降雨装置要保证在试验过程中降雨均匀落在模型表面，并且同一次降雨过程中降雨强度保持稳定不变。

1.4.2 试验模型槽

降雨试验的模型槽由有机玻璃以及不锈钢架组成。模型内部长2m，高80cm，宽50cm。在长度方向的有机玻璃上别用槽不锈钢管钢加固以保证结构强度和稳定见图2。

图2 降雨试验模型

1.4.3 水分监测设备

为了监测降雨过程中生态护坡基材的含水率变化。试验选择采用TS-12V-A1E水分及土壤监测设备，测量数据为体积含水率。在坡体中部埋设设备传感器，可输出一定时间间隔的土体含水率。土壤水分仪监测探头布置见图3。

图3 土壤水分仪监测探头布置（单位：cm）

1.4.4 数据采集仪

试验采用欧美地大生产的DT-85G数据采集仪进行体积含水率的测定。将水分监测仪按仪器规范进行连接调试后在连接电脑上即可进行数据采集，采集频率为10s一次。

2 试验结果与分析

2.1 基材含水率分析

降雨初期坡面土体较干硬，随着降雨过程的持续进行，土体含水率逐渐增大，土体变湿变软，表层土体经历硬塑-可塑-流动状态的变化，坡面土体饱和后，产生坡面径流，径流的冲蚀作用使坡体表面形成冲蚀沟，甚至坡面局部破坏。根据数据采集仪收集到的结果绘制基材含水率随时间变化曲线图见图4。

图4 含水率随时间变化曲线

由图4可以看出，由于试验过程中产生的误差，监测点测出的初始含水率是不相同的，但在降雨过程中，监测点所测的含水率变化趋势大致相同。在降雨开始后的前5min，含水率变化不明显，坡面中部的含水率5min左右后开始增长，并呈现出增长速率逐渐加快-放缓-平稳的趋势，随着降雨的入渗，坡面各处含水率逐渐增长到一定峰值后趋于平稳。可见降雨对边坡含水率的变化影响很明显。

以增长达到平稳后的基材含水率作为试验结果，进行极差分析。Ki表示某一因素上水平号为i时所对应的试验结果的算术平均值，试验结果分析见表2。

表2 正交试验结果分析

根据表2可知，坡比、基材厚度、基材有机质含量对一定雨强下基材所能达到的含水率的影响程度为：坡比>基材有机质含量>基材厚度，3个因素对基材所能达到的含水率影响的敏感性大小依次为：坡比>基材有机质含量>基材厚度。由于不同基材厚度条件下实验结果数值接近，考虑误差因素，不再分析基材厚度对基材含水率的影响。为了直观反映坡比和有机土含量对基材含水率的影响，以因素水平作为横坐标，Ki值作为纵坐标，做出各因素对基材含水率的影响趋势图见图5。

图5 坡比、有机土含量对基材含水率的影响趋势

由图5可以看出，基材含水率随坡比增大而减小，这是由于随着坡比增大，径流流速增大，雨水的入渗时间减少，入渗量与基材含水率也随之变小；有机土含量在0%～10%区间，含水率变化不明显，有机土含量在10%～20%区间，基材含水率随基材内有机土的含量增大而增大，基材内有机土的含量越高，基材内孔隙率就越大，降雨的入渗能力就越强，监测到的最终含水率就越大。