黄土高陡塬坡降雨侵蚀机制及生态防治技术

2022-12-19杨涛李明俐孙东朱存金张文

科学技术与工程 2022年32期

杨涛，李明俐，孙东，朱存金，张文

(1.四川省地矿局成都水文地质工程地质中心, 成都 610081；2.四川省地质灾害防治工程技术研究中心, 成都 610081；3.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, 成都 610059；4.中国地质科学院探矿工艺研究所，成都 611734)

研究区位于延安市，地处陕西省北部黄土高原地区，此处生态环境脆弱且气候干燥。黄土极强的水敏性和脆弱的结构性是灾变之源，降雨是主要的灾变诱发因素[1-2]，其中，雨滴溅蚀作用和汇流冲刷均会造成大面积水土流失或导致湿陷沉降、滑坡、溃散性失稳等黄土重大灾变[3]。

通过人工降雨试验具有可充分研究降雨过程中水土耦合作用及侵蚀过程的优势条件，近年来已成为有关黄土的研究热点[4-6]，用来探明降雨过程中“三场”(形变场，渗流场，应力场)的时间-空间动态发展演化过程和规律[7-9]。人工降雨试验通常在可视化钢结构的试验槽内进行，长宽比较大，水箱，喷头，数显仪，水泵支架管线组成的降雨控制系统能满足雨强，冲击能量，雨滴分布密度的要求[10]。同时土体内布设孔隙水压力和含水率传感器，流量计，流速仪，数据采集仪箱等设备，重点研究不同工况，不同初始条件下，黄土在降雨条件下的侵蚀作用或获得滑坡启动的临界判据[11]。通过上述试验，中外学者已取得以下成果：降雨入渗过程中，土体含水量增加，基质吸力降低，剪切波速降低土颗粒有效应力降低。这些多物理量监测数据有助于建立非饱和土含水率-吸力-剪切模量之间的关系[12]。Wang等[13]通过不排水条件下的三轴和直剪试验，发现黄土饱和是产生研究区滑坡灾变的重要因素，而非气体裹入。Bryan等[14]通过试验揭示了坡长对径流、渗流和细沟发育的影响规律。裴向军等[15]采用改性CMC材料对含区公路边坡粉砂土拌合加固，结果显示改性CMC材料拌合后的岩土体表面具有较强的渗析胶结与吸附胶结作用，按一定浓度就地拌合原状土，形成12～15 cm固化层可对土质斜坡起到加固、防渗与抗冲蚀作用，同时采用降雨冲刷试验研究加固土抗冲蚀性能，结果表明改性钠羧甲基纤维素(CMC)加固土边坡冲刷在 120 mm/min 雨强冲刷60 min，无沟蚀产生，产砂量近于0。

为此，现通过室内模拟试验，揭示降雨对黄土坡面侵蚀灾变动态演化规律，精细刻画地表变形和降雨强度间响应关系，在此基础上从“控水”角度出发，对比分析新型材料黄土改良技术在黄土高陡塬坡防控侵蚀中的应用效果。

1 研究区介绍

选取的灾害防控示范区位于陕北延安市安塞县小南沟的黄土塬坡，地处黄土高原腹地，东经109°19′25″，北纬36°36′0″，海拔1 070 m，属黄土高原丘陵沟壑区，年平均降水量500 mm，主要集中在5—9月，年最高气温达38 ℃，最低气温-23 ℃，属于干旱气候条件，出露地层主要有N3红黏土和连续第四系黄土，研究场地通过深度为2 m的取样判别主要为Q4全新世黄土原状土样。研究区之前采取对高边坡进行人工挖方形成多级台地并进行平整处理(图1)，每级台地长度120～150 m，坡高约13 m，坡度为55°，并种植紫穗槐，但图2可见前期这种单一护坡方式的抗侵蚀效果并不明显，加之排水沟堵塞致排水不畅，坡体表面出现多条雨水冲蚀细沟(宽度5～10 cm，最大深度12 cm)。

图1 人工挖方治理高边坡

图2 塬坡表面侵蚀作用明显

2 人工降雨试验

2.1 试验装置

人工降雨试验在模型槽内进行，尺寸3.0 m(长)×2.0 m(宽)×1.2 m(高)，槽体为钢结构支撑，两个侧立面及背板为可视钢化玻璃，便于观察雨水入渗过程及浸润线深度，前端开放无约束。人工降雨系统由36个喷头组成，雨强可调节的范围为30～180 mm/h。孔隙水压力传感器(探头型号 HM91G-2-V2-F3-W1)与含水率传感器与数据采集箱端口相连，采集到的电信号传输至电脑，坡体表面加装地表倾斜仪。传感器分3层布设，共计30个，布设图如图3所示。孔隙水压力与体积含水率采集频次为10 s/次，地表倾斜仪采集频次为每6 s/次，降雨持续时间应直至坡体发生破坏结束，若未发生破坏，时间应大于2 h。

图3 传感器埋设位置

2.2 试验材料

试验材料选用原状土现场取回，室内土工试验[包括：筛分黏粒含量、三轴试验内聚力C、内摩擦角φ、直剪试验内聚力C、内摩擦角φ及土常规(包括测比重Gs、干密度ρd、孔隙比e)]获得黄土基本物理力学参数(表1)。试验模型采用分层夯实的方法进行堆坡，保证与实地相符的密实度，坡度(50°)与初始含水率，左侧土体上覆拌入新型固化剂的黄土开展对比试验(厚度为1 cm)，人工降雨物理模拟实验缩尺比例为20∶1。颗分马尔文曲线如图4所示。

表1 黄土的物理力学指标

图4 研究区黄土粒径分布曲线

主要采用Van Grnuchten(VG)最常用的模型来重构试验土体的水-土特征曲线[16-23]。试验中的土水特征曲线(SWCC)可以通过基质吸力与体积含水率的耦合来重建。图5为干密度1.38 g/cm3压实黄土的脱湿水土特征曲线(SWCCS)，由室内1.5×103kPa 压力板仪测得。相应地，该压实黄土的进气值约9.1 kPa，饱和体积含水率约为45.2%。

α、n为拟合参数

θ=θr+(θs-θr)[1+(0.053ψ)2.398]0.715，

R2=0.991 18

(1)

式(1)中：θ为体积含水率；ψ为基质吸力；θs为饱和含水率；θr为残余含水率。

2.3 新材料及新型黄土护坡工艺

本文试验采取新工艺与新型黄土固化剂相结合的方法进行护坡。新型黄土固化剂简称SJ材料，属双聚材料，是一种由两种有机物和两种无机交联剂合成的高分子聚合物，分别记为A、B、C、D，其中，B、C为有机物，分别具有锁水性和强度性质，A、D分别为B、C的催化剂。基本性质和联结作用方式如表2、图6所示。双聚材料这种可无限稀释的固化剂与土体拌合后形成加固黄土，它的吸水膨胀性使得降雨入渗受阻，随着材料掺量不断提高(不低于20%)时，加固黄土吸水性增强，同时黏聚力也显著增加，但膨胀力不足以破坏膜结构强度，团聚体仍能保持较高强度，从而提高了黄土抗崩解性能。

表2 试验用材料性质

图6 聚合物交联方式示意图

新工艺选用耐寒耐旱的高羊茅草种，首先在试验田铲刮尺寸为30 mm×30 mm的完整草皮方块，叠放运输到达试验场地后，对坡体左侧加固后土体表面进行挂网(土工布)，然后铺设草皮，并用土钉进行固定，养护7 d，扎根牢固后开始试验，以缩短试验周期。

2.4 试验计划与分组

试验坡度设置为55°(与现场多级塬坡坡度一致)，纵坡比降，设置4种雨强分别模拟小雨(60 mm/h)、中雨(90、120 mm/h)、大雨(150 mm/h)，采用左侧坡体表面加入固化剂或固化剂与草被相结合的方式进行护坡，双聚材料掺量比18%(改良剂与干土的质量比)，右侧坡体表层未加固，来模拟天然坡体，并开展以下5组对比试验(表3)，以便对比分析并探明不同雨强条件对黄土坡面的侵蚀效应，物理力学参数与降雨的响应关系及不同护坡方式的护坡效果(图7)。

图7 试验开始前堆好的坡面

表3 人工降雨试验分组

3 试验结果分析

3.1 土体应力理论分析

土中应力由土骨架(有效应力)及水气(孔隙水压力，孔隙气压力)共同承担，孔隙气压力与孔隙水压力的差值为基质吸力，源自毛细与短程吸附的综合作用。降雨入渗后，孔隙水压力上升，孔隙气压力与基质吸力减小，抗剪强度降低。早期最具代表性的非饱和土有效应力原理由Bishop等[24]提出，Bishop抗剪强度公式为

τf=c′+[(σ-ua)f+χf(ua-uw)f]tanφ

(2)

式(2)中：τf为抗剪强度；c′为黏聚力；φ为内摩擦角；σ为总应力；uw为孔隙水压力;ua为孔隙气压力；(ua-uw)f为基质吸力；χf为有效应力参数，其值取决于饱和度，当土体完全干燥或饱和时，χf分别为0和1，当土体处于这两种极端状态时，式(2)就简化为经典的有效应力表达式。

3.2 人工降雨条件下侵蚀过程及护坡效应

坡面侵蚀速率与雨强呈正相关，5组不同雨强条件下的坡面侵蚀方式类似，侵蚀速率不同，选取第4组实验揭示雨水对黄土坡面的侵蚀过程，由于该组实验雨强最大，右侧无草被，可观察到最明显的侵蚀现象，其他4组实验现象在此不再赘述，图8为不同时刻实验过程现象图。降雨开始后，右侧坡体底部和顶部首出现了局部破坏[图8(b)]，随强降雨的不断进行，坡体前缘的局部破坏向上发展形成溯源侵蚀趋势，同时右侧后缘的张拉裂缝不断扩张，下蚀与侧蚀作用明显，侵蚀量不断增加，通过测量右侧透明钢化玻璃的浸润线深度，得到150 mm/h雨强条件下，渗透速率为0.33 cm/min。左侧坡表黄土加入了双聚材料，降雨过程中坡脚无明显浑浊水流，护坡抗侵蚀效果明显。图9为降雨结束后的激光扫描图。

T为时间

图9 3D激光扫描图

3.3 孔隙水压力与体积含水率

由于第1组实验降雨量为60 mm/h的小雨，仅在PWP-1处(未加固土体浅层上部)产生有效孔隙水压力，在降雨持续3 min 40 s时迅速增加至峰值11.81 kPa，而后基本保持稳定，其他传感器位置未产生有效孔隙水压力。体积含水率在降雨入渗过程中逐渐增大，但增幅不大，最大值为18.38%(MC-2)，如图10(a)所示。

第2组实验降雨量为90 mm/h(中雨)，左侧土体进行加固处理并铺设草皮(图7)，浅层坡体底部在降雨持续进行到00：52：10 s时迅速增加至 43.2 kPa，PWP-2、PWP-3在降雨过程中逐渐增加，增幅不大，最后分别达到最大值11.8 kPa与8.3 kPa，其他位置未产生有效孔隙水压力。初始体积含水率约为17.1，随降雨进行，最先增加的是MC-3传感器，并达到了所有传感器中的最大值24.97%，降雨长达1 h，只有MC-13, MC-16传感器未发生明显变化，通过侧面浸润线的变化也可印证降雨未入渗至土体20 cm深度的位置[图10(b)]。

第3组实验由于降雨量增大(120 mm/h)，10个测点中有6个位置(PWP-1、PWP-3、PWP-4、PWP-5、PWP-6、PWP-9)产生了有效孔隙水压力，其中位于同一位置不同深度的PWP-1、PWP-5分别达到16.94 kPa, 10.56 kPa，且埋设于10 cm处的PWP-1的数值大于20 cm处的PWP-5。10 cm处的体积含水率传感器开始增加的时间点早于20 cm处的含水率传感器，左侧表层土体掺入黄土改良剂并铺设草皮，坡底含水率高于坡顶(MC-4>MC-1，MC-12>MC-9)，可见进行草皮移植后，土体的疏水性增强，而右侧坡体由于雨强大且上方有60 cm的平台，顶部坡面和平台共同接受降雨，坡顶的体积含水率大于坡脚。其中MC-4增至31%，MC-13高达32.3%[图10(c)]。

第4组实验在降雨初期，土体存在基质吸力，随降雨进行，基质吸力逐渐消散[25]。在降雨持续 12 min 和14 min后，PWP-4及PWP-2测得的孔隙水压力分别增至11.87 kPa和28.86 kPa，并维持稳定。体积含水率在初始条件下存在较大差异，MC-1增至29%，位于坡体左侧的MC-4、MC-9、MC-12与初始含水率对比，未发生明显变化，表明用双聚材料改良后的土体具有低渗性。MC-6在强降雨条件下高达37.7%，土体接近饱和状态[图10(d)]。

第5组实验土体多处产生孔隙水压力，PWP-1处最先增加并达到最大值32.4 kPa，体积含水率均发生了增加，最大值达到29.03%(MC-4)。该组实验含水率与第4组相比，右侧土体中双聚材料保证低渗性的同时，草皮移植增加了表层土体的通透性，尤其根系扎入土体后为降雨入渗提供通道，降雨入渗形成优先[26]。其次，草皮为雨滴溅蚀作用提供缓冲，草皮与根系的共同作用使得含水率增加，但与右侧未加固土体的含水率对比，含水率开始增加的时间点明显滞后，说明入渗速率明显减慢，在相同降雨条件下(150 mm/h)，护坡后土体与未加固土体达到的含水率极大值相差近10%[图10(e)]。

图10 5组试验的孔隙水压力与体积含水率

3.4 岩土体物理力学参数与降雨及地表变形的响应关系

通过以上数据分析，可总结出以下坡体内部物理力学参数与降雨强度及地表侵蚀之间的响应关系：降雨强度与含水率呈正相关，降雨强度越大，体积含水率越大，如第4组实验在150 mm/h降雨条件下土体接近饱和状态。孔隙水压力增加的速率高于体积含水率，可在2 min之内迅速增加至峰值。右侧未加固土体含水率和孔隙水压力增加的时间点早于左侧加固土体含水率和孔隙水压力增加的时间点，结合水槽两侧通过钢化玻璃观察到的雨水浸润线变化，印证了双聚材料明显降低了雨水的入渗速率。地表倾斜仪是自主开发的地表测斜传感器，精度0.002 5°[10]，当坡表土体发生侵蚀，地表倾斜仪数据发生突变，雨强越大，发生突变所需时间越短。

4 讨论

草皮移栽技术已经被成功应用于室内物理模拟试验；草皮能够快速扎根土壤并与新型黄土固化剂成功结合在一起。一方面可无限稀释的低易损材料的使用减少了雨水入渗，形成了高强度的聚合体，达到了护坡和抗侵蚀的目的；另一方面，移栽草皮减弱了雨水溅蚀。考虑到研究区处于干旱脆弱的生态环境区，有关边坡防护的研究还需在其他生态退化修复区域场地进一步开展；根据研究结果，可以从以下几个方面改进和扩展。

(1)从生物多样性角度出发，可以进一步优化种子选择，将一种草本植物(高羊茅)的室内试验改良为容易管护的灌木(如豆科灌木、紫穗槐等)相结合。灌木种皮吸水后膨胀而变黏，具备根瘤菌固氮潜力，在土壤中易存活，同时具有较强的适应性和对贫瘠土壤的耐受性。此外，灌木的根系深度可达2 m，发达的根系对土壤团聚起到较大作用，能够更有效地实现护坡防蚀。

(2)在新的试验中，野外试验方法类似于室内物理模拟试验，首先对坡面土体进行耙削，去除硬化表层土体，进行坡面整平处理，然后将双聚材料加固的黄土平均布置于整平后的坡体上，根据野外试验尺寸放大效应，将室内植草试验用的土工布替换为抗拉强度较高的镀锌钢丝网，用直径6 mm的钢钉锚固铁丝网。或者采用机械喷播草籽等进一步优化播种方式，从而节约成本，之后通过喷灌和少量施肥养护草本及灌木生长，养护期一般为1个月。

(3)所研制的新型固化剂具有较强的吸附性和胶结性，与黄土混合填补土壤颗粒内部空隙，在土壤中起到天然水泥的作用。固化后的黄土颗粒不易解体，具备很好的抗风蚀性能。理论上随着黄土改性剂的掺入，改性黄土的强度更高，抗崩解性能更好。但是强度太大将限制上覆植物生长，在保障植物正常生长的同时，如何确定土壤较低的渗透系数是关键，通过混合比试验，得到18%(改性剂与干土的质量比)为最佳改性剂添加比例。在研究区域内，土壤的渗透性较低，因此可以采用双聚材料来提高土壤的强度和保水性，利用泥炭土和有机培土剂提高土壤的渗透性，使得坡面土壤既能固化又能生长植被。