工程堆积体坡面工程措施减流减沙效应

2023-02-20吕鑫

水利科技与经济 2023年2期

吕鑫

(淄博市河湖长制保障服务中心，山东淄博 255000)

上世纪90年代开始，随着城市生产建设活动的日益加剧，由城市生产建设活动形成的建筑堆积体日益聚集，其土壤侵蚀已逐步对“海绵城市”构成全新的环境威胁[1]，是人为水土流失的主要源头之一。工程堆积体一般具有土壤结构疏松、有机质含量低等特点[2]，对外部侵蚀媒介的抵抗力较差，降雨导致堆积体表层土壤物质分离和输移，促进细沟或切沟的发生发育，极易引发滑坡、崩塌、泥石泥等严重的地质灾害，导致城市环境质量下降。因此，研究城市生产与建设工程堆积体的坡面治理对策及效果,对城市生态文明建设与社会经济可持续发展都具有重要的工程指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

湖南省从1990年代开始启动城市的生态环境治理工作，前后经过大规模开发平土区水土流失整治、因裸露破坏的山体缺口区生态环境综合整治以及主要饮用水来源的水库流域生态环境保持综合治理等3个阶段，水土侵蚀面积已由1995年的184.99km2减少至39.17km2。2019年，由于人为活动所导致的水土侵蚀面积已达33.86km2，占水土流失总面积的86.44%，具有显著的人为属性，是城市水土流失的典型代表。

室内人工模拟降水的实验用土来源于湖南省某典型的道路工程或山体边坡，然后运输至武汉长江科学院利用土壤侵蚀工程模拟降水的实验大厅，通过烘干法检测土容重和含水率，再利用重铬酸钾容量法检测土有机质浓度。实验用土容重、pH值、土地有机质含量和机械成分见表1。

表1 试验用土基本性质

1.2 试验设计

调研对象中的工程堆积体数量351个，坡度在15°～48°之间。其中，15°～25°占48.48%，25°～35°占33.33%，>35°占18.19%。依据现场观测和长沙市多年自然降雨气象资料[3]，长沙市降雨强度为0.458～3.669mm/min。因此，本次室内人工模拟降雨试验坡度设置为20°和30°，降雨强度为1.45、2.56和3.33mm/min(分别对应90、150和200mm/h，其中150和200mm/h的降雨强度代表长沙市短时强降雨)，产流开始后的降雨历时为35min，侵蚀槽尺寸设计为3m×2m×0.45m(长×宽×高)，降雨高度6m，见图1。

图1 室内模拟降雨装置及水土保持临时措施布设

每场试验的操作步骤如下：①水平放置侵蚀槽，将土体按每层5cm分层装入侵蚀槽。②土体表面用木质板微扫找平后，用彩条布进行覆盖；将5个降雨筒依次布置于侵蚀沟4个角落和侵蚀沟的中央部位，用以率定暴雨强度；降水强度率定后，立即移除彩条布。③在试验前1d进行预降水30min(降雨强度为0.5mm/min)，使得每次试验土壤初始含水率保持一致，然后运用液压装置将侵蚀槽坡度调整至设计坡度。④依据试验设计，在坡脚处布设土袋拦挡措施，由坡脚部位开始向坡顶方向进行的密目网苫盖工作，苫盖覆盖率约为苫盖面与侵蚀沟总面积的比率。⑤开始降雨，在产流开始时，根据不同时间节点用测量筒从腐蚀槽出口处接落下的跑泥沙样，用KMnO4溶液和秒表测量坡面流速，将流速测量地点设在腐蚀槽的中央部位，测量高度约为50cm。⑥将接取的落下跑泥沙样放置24h后，去除表面上的清液，放入107℃的烘箱内烘干24h。

1.3 数据分析

1)径流率。公式如下：

(1)

式中：Rr为径流率，L/min；RQ为给定时段内的径流量，L；t为给定时间，min。

2)侵蚀速率[4]。公式如下：

(2)

式中：SLR为最大腐蚀速度，g/(m2·min)；Ms为在指定时间段内的最大腐蚀量，g；d为斜坡表面长度，m；L为斜坡表面直径，m。

3)累积侵蚀量。公式如下：

(3)

式中：M为累积侵蚀量，g；Msi为i时间段内的侵蚀量，g。

4)减流减沙效应[5]。公式如下：

(4)

(5)

式中：RE、SE分别为在不同水土条件保持临时措施下的减流和降沙效果，%；Rt和St分别为在各种水土保持等临时措施下工程堆积体的径流率(L/min)和侵蚀速率(g/m2·min)；Rb和Sb分别为裸土边坡的径流率(L/min)和侵蚀速率(g/m2·min)。

使用Excel 2019工具进行大数据分析，或使用Origin 8.5进行大数据分析绘图。

2 结果与分析

2.1 工程堆积体坡面径流率变化特征

图2为单一水土保持临时措施下工程堆积体坡面径流率变化情况。砂质壤土堆积体在降雨初期入渗较大，当降雨力度逐渐大于入渗速度后，逐渐形成坡面雨水径流。由于产流时间的增大，在裸土、临时拦挡措施以及100%苫盖措施下的斜坡表层径流速度率变化趋势均呈现以下3个阶段：迅速上升、减缓上升和趋于稳定。但在不同坡度和降雨的强烈程度下，3种条件下堆积体坡面径流率数值有所不同。

图2 单一水土保持临时措施下工程堆积体坡面径流率变化

当坡度为20°且降雨强度为1.45、2.56和3.33mm/min时，裸土、临时拦挡及临时苫盖措施下的工程堆积体坡面径流稳定期平均径流率变化范围分别为4.45～12.89、2.75～9.92和2.74～14.62L/min。拦挡和苫盖措施下，工程堆积体平均径流率较裸土条件降低幅度分别为38.22%、23.05%、22.46%和38.34%、22.46%、-20.59%，降低幅度为负值表示临时措施下平均径流率大于裸土条件。表明临时拦挡和苫盖措施随着降雨强度的增大，减流效应逐渐减弱；同时，在中小降雨强度下，临时拦挡和苫盖措施减流效应大体相当。

当坡度为30°且降雨强度为1.45、2.56和3.33mm/min时，裸土、临时拦挡及临时苫盖措施下的工程堆积体坡面径流稳定期平均径流率变化范围分别为5.33～18.63、5.69～17.27和5.02～15.19L/min。拦挡和苫盖措施下，工程堆积体平均径流率较裸土条件降低幅度分别为-6.84%、-1.54%、7.32%和5.86%、1.62%、18.47%。表明工程堆积体坡度大于30°时，单一临时拦挡或苫盖措施减流效应不佳。

图3为水土保持临时拦挡+苫盖措施下工程堆积体坡面径流率变化；表2为临时拦挡+苫盖措施产流稳定期平均径流率及其较裸土条件降低幅度值。当临时拦挡+苫盖措施下，工程堆积体坡度为20°且降雨强度为1.45mm/min时，临时拦挡+苫盖坡面径流率随产流时间也表现为迅速增大、缓慢增大及趋于稳定3个阶段，产流稳定期平均径流率较裸土条件降低幅度为29.36%～42.05%，稳定期坡面平均径流率随着降雨强度减流效应明显，且BC100%条件下随减流坡度的增大而增大。

图 3 临时拦挡+苫盖措施下工程堆积体坡面径流率变化

表2 临时拦挡+苫盖措施产流稳定期平均径流率及其较裸土变化情况

2.2 工程堆积体坡面流速变化特征

图4为裸土及水土保持临时措施下工程堆积体坡面产流稳定期平均流速情况。两种坡度下，裸土坡面平均流速均随着降雨强度的增大而线性增大。就临时拦挡措施而言，除坡度为30°且降雨强度为2.56mm/min外，不同坡度和降雨强度下临时拦挡措施堆积体坡面平均流速均小于裸土条件，降低幅度范围为18.71%～36.64%，表明临时拦挡措施具有一定的削减坡面流速效应。当坡度为20°且降雨强度分别为1.45、2.56、3.33mm/min时，100%苫盖措施下堆积体坡面平均流速较裸土条件降低幅度分别为49.65%、52.04%和55.76%；当坡度为30°时，其降低幅度分别为29.68%、30.98%和50.25%，均呈现递增趋势。表明当降雨强度小于3.33mm/min，100%苫盖措施削减坡面流速效应随着降雨强度的增大而增强，且与临时拦挡措施相比，100%苫盖措施削减坡面流速效应更加明显。

注：不同小写字母代表各处理间差异显著(P<0.05)。

3 讨论

3.1 不同水土保持临时措施减流减沙效应作用原理

本试验研究结果表明，不同水土保持临时措施包括临时拦挡、临时苫盖及临时拦挡+不同覆盖率的苫盖措施，均具有一定的减流减沙效应。其中，拦挡措施减流效应并不明显，这是因为由土袋子形成的拦挡措施布设在坡脚处，堆积体坡面依然处于裸露状态，拦挡措施降低坡面流速效果仅仅体现在增加了坡脚处的入渗。在产流中期时，坡表面径流携沙至坡脚，粒径较小的泥沙颗粒经由土袋的裂隙随水流排出至侵蚀沟，较大粒径的颗粒则被截留于拦挡侧，并构成颗粒骨架，使产流后期较细小的粒径也被截留，大部分泥沙淤积在拦挡侧，并慢慢达到拦挡高程，形成土埂，导致产流中后期的冲刷速度在到达峰值后慢慢下降，并趋于稳定。

3.2 水土保持临时措施与植物措施和工程措施减流减沙效应对比分析

在相同试验条件下(坡度30°)，与降雨强度1.2mm/min时已有植物措施下工程堆积体减流减沙效应结果对比可知，本文降雨强度为1.45mm/min时，临时拦挡及临时苫盖平均减流效应分别低于苜蓿植物措施的8.3～11.1倍及8.4～21.7倍，平均减沙效应分别低于苜蓿植物措施的3.7～5.5倍及0.8～1.2倍，临时苫盖措施在减沙效应方面较为接近于苜蓿植物措施。临时拦挡+50%以上的苫盖措施减流低于苜蓿植物措施的9.2～15.8倍，而减沙效应与苜蓿植物措施相当(低于苜蓿植物措施0.2～1.1倍)。与工程措施相比，水平沟类工程措施在放水流量30L/min下的减流减沙效应分别是临时拦挡、苫盖措施及临时拦挡+50%以上苫盖措施的1.6～245.6倍、0.3～26.3倍及0.3～18.6倍，工程措施减流减沙效应更加明显。尽管这些水土保持的临时措施降流减沙效果远不及基础工程建设措施和植物保护措施，但结合本文研究结果，水土保持临时措施减沙效应依然显著(P<0.05)。