聚丙烯纤维加筋黄土边坡防护原位测试及改进策略

徐志平　贾卓龙　晏长根　王逸凡

摘 要：为了给加筋黄土边坡防护技术的大面积推广提供理论依据和参考，对聚丙烯纤维加筋黄土防护边坡的土壤含水率及边坡形态进行了持续６ 个月的原位测试，结果表明：聚丙烯纤维加筋黄土具有良好的边坡防护效果，加筋黄土防护边坡土壤含水率总体趋于稳定，不同土层土壤含水率平均变异系数比原状边坡降低１０．８９％，这得益于加筋黄土防护层形态总体维持完整，能够长期抵抗降雨、干湿循环、冻融循环等不利外部环境的持续影响；然而，聚丙烯纤维加筋黄土防护边坡上植被生长缓慢，且防护层与原状土体易分异脱离。提出了对加筋黄土进行保水改良、采用快速植生的多功能层设计和可操作性强的材料物理防脱技术等加筋黄土防护边坡的改进策略。

关键词：黄土边坡防护；聚丙烯纤维；加筋黄土；原位测试；土壤含水率；改进策略

中图分类号：Ｓ１５７．２ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０４．０１８

引用格式：徐志平，贾卓龙，晏长根，等．聚丙烯纤维加筋黄土边坡防护原位测试及改进策略［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（４）：１１１－１１６．

近年来，各类工程建设在黄土高原地区形成了大量黄土边坡。这些黄土边坡易发生浅层破坏，在极端降雨等情况下，不仅会诱发边坡灾害性变化，而且可能造成大范围的水土流失，甚至会增加黄河下游的防洪压力［１－４］ 。为预防黄土边坡浅层破坏，国内外学者开展了大量的边坡防护研究［５］ 。聚丙烯纤维作为新型边坡防护材料受到相关学者的关注，如：李广信等［６］ 、唐朝生等［７］ 、Ｃｏｎｓｏｌｉ 等［８］ 通过对聚丙烯纤维加筋软土进行力学试验，认为聚丙烯纤维可以有效增强土体韧性和力学强度；荣德政等［９］ 、Ｙａｎ 等［１０］ 通过研究聚丙烯纤维加筋技术对土坯的改性效果，指出聚丙烯纤维能明显抑制干湿或冻融循环条件下土体开裂；安宁等［１１］ 、卢浩等［１２］ 通过研究聚丙烯纤维加筋黄土抗剪强度、耐崩解性、阻渗特性和抗冲刷能力，指出聚丙烯纤维加筋黄土的抗蚀性得到了提升。不难看出，聚丙烯纤维加筋黄土因优良的力学强度、耐久性和抗蚀性而在边坡防护领域具有广阔的应用前景。然而，上述研究多基于室内试验，对聚丙烯纤维加筋黄土边坡防护时效性的原位试验较少。为此，本文以聚丙烯纤维加筋黄土（简称加筋黄土）为研究对象，基于原位长时序测试结果，分析加筋黄土对边坡的长期防护效果，总结边坡防护实践中存在的问题并提出相应的改进策略，以期为加筋黄土边坡防护技术的大面积推广提供理论依据和参考。

１ 原位测试概况

１．１ 测试边坡

原位测试在陕西省延安市安塞区南沟村进行，测试地点属暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候区，气候变化受季风环流影响呈现四季分明的特征，年平均气温９．５ ℃，年最低气温－２３．０ ℃，年最高气温３８．３℃，年平均降水量５２７ ｍｍ（主要集中在７—９ 月）。

测试边坡为古滑坡开挖形成的四级黄土路堑边坡。该边坡前期为穴种黑麦草边坡，穴种黑麦草尽管取得一定的生态效果，但仍存在明显的土壤侵蚀现象，主要表现为细沟侵蚀与片状侵蚀（见图１），极易因受强降雨、干湿循环、冻融循环等外营力作用而发生持续恶化，进而威胁边坡的整体稳定。采用Ｂｅｔｔｅｒｓｉｚｅ ２０００型激光粒度分析仪对该边坡黄土进行颗粒级配分析，结果见图２。

对边坡基本物理参数进行测试表明，土壤含水率为１２％，最佳含水率为１４％，密度为１．３８ ｇ／ ｃｍ３，最大干密度为１．６ ｇ／ ｃｍ３，液限为２５．２％，塑限为１７．５％。

１．２ 边坡防护材料

测试选用的边坡防护材料为加筋黄土，由当地黄土、水和聚丙烯纤维混合而成，其中：黄土直接从测试场地采集；聚丙烯纤维为束状单丝，长度为１５ ｍｍ，直径为０．０４８ ｍｍ，密度为０．９１ ｇ／ ｃｍ３。为了取得较好的抗蚀性，３ 种原材料的质量比依据前期室内试验结果［１１］ 进行设置，具体为干土∶ 水∶ 聚丙烯纤维＝ １ ∶０．１４１ ∶ ０．００５。加筋黄土与素黄土的抗蚀性指标见表１。

１．３ 原位测试方案

原位测试于２０１８－０８－１２ 至２０１９－０２－１２ 进行。在选定的黄土路堑边坡上布设加筋黄土防护边坡和原状边坡两类原位测试小区（见图３），测试小区尺寸为长１３．３ ｍ、宽１．６ ｍ，其中：加筋黄土防护边坡小区采用人工抹面法将防护材料在３６ ｄ 内分批、分层涂在边坡之上，涂层厚度为５ ｃｍ，用于测试其抗蚀性；原状边坡小区用于对比分析。在边坡上撒播黑麦草籽。在边坡顶部及底部平台上开挖截水沟，以拦截雨水及径流并引入排水沟。

每个小区设置３ 个监测位置，分别位于离坡脚２．００、６．６５、１１．３０ ｍ 处，每个监测位置布设４ 个测点（测点间距为２５ ｃｍ），每个测点埋设土壤水分传感器（垂直于边坡埋设深度分别为１０、２５、４０、６０ ｃｍ），传感器型号为ＭＳ１０，其量程（体积含水率）为０～５０％，测量精度为±２％。采用软硬件集成的边坡水分无线监测系统（如图４ 所示）进行长时序监测，所有监测数据均可通过ＭＣＵ 系列传输模块以ＧＰＲＳ 方式远程传输至网络端云平台和手机端ＡＰＰ，以供实时查看、下载和图４ 边坡水分无线監测系统示意处理。此外，在测试边坡附近空旷地段安装ＪＳＰ －０５型翻斗式雨量计，监测大气降水情况，其测量精度为０．２ ｍｍ。

２ 测试结果及分析

２．１ 边坡水分时空动态特征

图５、图６ 分别为原状边坡、加筋黄土防护边坡各测点的土壤体积含水率测试结果。测试期累计降雨量为１４０．６ ｍｍ，其中：８—９ 月降雨量较大，最大日降雨量为２０１８－０８－２０ 的２３．２ ｍｍ，土壤水分变化主要受降雨影响；１０ 月及以后的降雨量较少、降雨强度明显减弱，土壤水分变化主要受气温影响。在相同气候条件下，两类边坡的土壤含水率均呈现秋季逐渐降低的变化趋势，表层土壤水分蒸发速率高于深层土壤水分蒸发速率，但两类边坡的土壤含水率波动及其影响深度存在明显差异，总体来看，原状边坡土壤含水率波动比加筋黄土防护边坡土壤含水率波动更为剧烈，以边坡上段表层（深度为１０ ｃｍ）为例，原状边坡土壤含水率波动范围为３．５０％～１５．１９％，加筋黄土防护边坡土壤含水率波动范围为６．６８％～１５．１０％。其原因是加筋黄土防护边坡的透水性较差、耐久性良好，能长期有效地阻止水分渗入，避免土壤含水率发生剧烈波动［１３］ 。

２．２ 边坡水分时空异质性分析

为了定量分析两类边坡不同土层土壤含水率的异质性，将边坡上、中、下段的土壤含水率进行均值化处理，并采用经典统计方法计算不同深度土壤含水率的极大值、极小值、平均值、标准差和变异系数［１４］ ，并根据变异系数ＣＶ判别变异水平：０％≤ＣＶ ＜１０％，弱变异；１０％≤ＣＶ ＜１００％，中等变异；１００％ ≤ＣＶ，强变异。

表２ 为两类边坡不同深度土壤含水率统计。两类边坡土壤含水率均呈现对深度的依赖性，即平均含水率均随深度增大而提高，变异系数随深度增大而减小。对比两类边坡平均土壤含水率可知，两类边坡土壤含水率在深度为０～２５ ｃｍ 范围内差异较大，主要原因是加筋黄土透水性较差，土壤水分补给主要依赖于坡体内部水分的渗透，如１０～２５ ｃｍ 土层的水分向表层（深度０～１０ ｍｍ）迁移，导致含水率较原状边坡的低。对比两类边坡土壤含水率变异系数可知，在深度为０～６０ｃｍ 范围内，原状边坡、加筋黄土防护边坡土壤含水率变异系数分别介于６．１５％ ～２３．４２％、５．８４％ ～１５．３８％，平均变异系数分别为１１．６６％、１０．３９％，均属中等变异水平，加筋黄土使得变异系数降低了１０．８９％。两类边坡０～２５ ｃｍ 土层土壤含水率均表现出中等变异水平，深度＞２５ ｃｍ 时两者变异水平均变为弱变异。值得注意的是，原状边坡０～１０ ｃｍ 土层土壤含水率表现出较高的变异水平（ＣＶ ＝２３．４２％），说明原状边坡土壤含水率容易受降雨、气温等环境因素影响，而加筋黄土对边坡有很好的保护作用。

２．３ 边坡形态时变劣化特征

图７ 为测试期加筋黄土防护边坡的演化情况。加筋黄土防护边坡在自然条件下表现出优异的抗蚀能力：加筋黄土防护层的形态总体保持完整，仅有轻微的纵向冲刷侵蚀痕迹，没有产生明显的剥落、片蚀或侵蚀细沟。这可以根据纤维的交织搭接效应来解释，纤维交织搭接可有效增强土壤颗粒之间的联系，抑制降雨、干湿循环、冻融循环等恶劣环境因素导致的土体裂隙发育［１０］ 。加筋黄土防护层涂抹完成６ 个月后（测试期末），逐渐长出零星分布的植被，说明加筋黄土材料不会影响植被生长与生态环境重构，可应用于黄土边坡生态治理。然而，在加筋黄土保水性能不足［１５］ 、秋冬季降水量有限及天气寒冷等情况下，上述植被萌芽、生长与覆盖边坡进程较为缓慢，无法满足各类工程建设对于生态恢复的实际需求，有必要对加筋黄土防护边坡进行改进和优化。

３ 加筋黄土防护边坡的改进策略

上述原位测试结果表明，在加筋黄土的长期保护作用下，边坡基体含水率总体趋于稳定，可有效避免土壤含水率剧烈变化诱发冲沟、剥落等边坡浅层病害［１６］ 。然而，在工程实践中发现，加筋黄土边坡防护的生态恢复效果并不理想，且加筋防护层容易脱落，有必要对其改进，以进一步提升水土保持效果。

３．１ 对加筋黄土进行保水改良

由于加筋黄土的物理加固机制决定了其水理性质方面存在不足，无法保持水分，不利于边坡覆盖植被的持续发育，因此基于低碳绿色理念对加筋黄土材料进行保水改良。

当前，不断涌现的低碳绿色土壤改良剂及改良方法如植物胶［１７－１８］ 、纳米水性黏合剂［１９］ 、微生物诱导碳化［２０］ 等，可尝试用于改良加筋黄土材料，以期提升抗侵蚀性能和水分保持能力。以瓜尔豆胶（一种可持续再生、保水性能优良的水溶性植物胶）掺入加筋黄土形成胶－筋固化黄土边坡（模型）为例［１５］ ，其与加筋黄土防护边坡（模型）露天放置１２０ ｄ 后植被生长情况对比见图８，与加筋黄土防护边坡相比，胶－筋固化黄土边坡的植被覆盖率提升１９２．１％，累计冲刷量降低５６．３％，表明瓜尔豆胶对加筋黄土进行保水促生改良具有可行性和有效性。

３．２ 采用快速植生的多功能层设计

边坡防护材料一般具备优良的工程性能，但这也意味着植被破土出苗难度增大，往往不利于植被快速覆盖整个边坡［２１］ 。对此，采用多功能层设计是一种切实可行的解决思路。

边坡防护多功能层设计是根据不同边坡防护材料的性能特点，在边坡上设置多种不同厚度的功能层，各功能层在不同层次发挥自身优点，达到提高防护效果、减少水土流失和促进植物快速生长的综合治理效果。如：何剑平等［２２］ 将防护基质土按成分和作业顺序分为基层和面层，并通过分层设计来缩短绿植出苗及覆盖时间，控制生产及养护成本；刘慧等［２３］ 采用基层与植生层双层设计进行植草护坡现场试验，证实其应用效果良好，植被萌芽率与覆盖度高，且能有效抵御恶劣气候的影响。基于双功能层设计理念，可将胶－筋固化黄土当作基层材料，厚度为８～１０ ｃｍ，以充分发挥其优良的抗蚀性和保水能力；在基层材料上涂抹一层营养草籽层，营养草籽层可采用土壤、植物种子、泥炭土、黏合剂、保湿剂、椰壳纤维等材料混合，厚度为１～３ ｃｍ，以加速植物萌芽、生长和覆蓋边坡。需要强调的是，相关施工工作宜在春夏季节进行。

３．３ 采用可操作性强的材料物理防脱技术

边坡防护材料与边坡原状土体的物理、力学和水理性质不同，使得两者接触面成为二元体结构薄弱面，边坡防护材料在长期服役过程中易沿接触面产生局部脱落，影响其对边坡生态防护的可靠性、安全性和长效性。对此，有关学者已开展二元体防脱研究，提出了原状土体接触面拉毛、刻槽、挂网等物理防脱措施，如：惠冰等［２４］ 研究了刻槽深度、刻槽宽度和刻槽间距等对界面抗剪强度的影响，发现适当的参数组合可显著地提高接触面强度；Ｈａｉｄｏ 等［２５］ 研究表明，接触面凹槽可增强其两侧岩土体的互锁效果、有效提升界面强度、防止两侧岩土体分离；巩宁等［２６］ 研究表明，挂网与锚杆结合的防护层固定方法可防止防护层滑移脱落，边坡植被覆盖率高达９８％；徐志平等［２７］ 研发了新型边坡处理装置，借助该装置使边坡形成有规律分布的锥状孔，将胶－筋固化材料喷入锥状孔内，在整个边坡形成的“防护钉板层”刚度大、变形协调性好，该方法具有结构简单、成本较低、可操作性强等优点。

４ 结束语

历时６ 个月的原位测试结果表明：聚丙烯纤维加筋黄土具有良好的边坡防护效果，加筋黄土防护边坡土壤含水率总体上趋于稳定，不同土层土壤含水率平均变异系数比原状边坡降低１０．８９％，这得益于加筋黄土防护层形态总体维持完整，能够长期抵抗降雨、干湿循环、冻融循环等不利外部环境的持续影响；然而，聚丙烯纤维加筋黄土防护边坡上植被生长缓慢，且防护层与原状土体易分异脱离。对此，提出了对加筋黄土进行保水改良、采用快速植生的多功能层设计和可操作性强的材料物理防脱技术等加筋黄土防护边坡的改进策略。

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【责任编辑 张智民】

基金项目：国家自然科学基金资助项目（４２０７７２６５）；中铁第一勘察设计院集团有限公司技术开发项目（院科１７－２６）