不同加固技術在散粒體斜坡表層的應用對比研究

楊晴雯，裴向軍，吳夢秋，常志璐

(成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

散粒體斜坡是重力堆積于坡腳、達到動態(tài)臨界平衡的碎石堆。該類斜坡最大特點是自然休止角鑲嵌堆積、結構松散和缺少膠結物，其堆積成因主要有地震、風化、人類活動等，廣泛發(fā)育于高山峽谷區(qū)公路和河流沿線[1]，尤其在我國四川盆地向青藏高原過渡地帶及新疆天山、昆侖山等高寒、干旱半干旱地區(qū)大量發(fā)育[2]。在外界擾動下，如地震、降雨沖刷、風吹及人畜活動等，散粒體均可能發(fā)生大面積移動，掩埋道路甚至堵塞河床，造成極大經(jīng)濟損失。

國內外現(xiàn)有散粒體斜坡防治措施多以攔擋和錨固為主[3]；攔擋類被動防治，可能由于散粒體持續(xù)堆積造成的土壓力增加或碎石越頂造成措施失效，因而主動防護穩(wěn)固散粒體獲得了越來越多的研究。常用的主動防護有格構[4]，格構錨桿(索)穿過滑動面使錨固段位于穩(wěn)定可靠地層中[5]，達到護坡的效果。

從20世紀30年代開始國內外進行植物與護坡構筑物或土工材料配合的坡面防護技術，如綠化墻、框格綠化法、土工網(wǎng)袋、植被型生態(tài)混凝土等的大量試驗和理論研究[6-7]，并應用于大規(guī)模公路生物工程建設。研究表明植物對土體的水力學作用[8]，植物根系對土體的加筋作用[9]、深根錨固作用[10-12]，莖葉減少坡面徑流作用[13]使得綠化護坡得以實施。吳淑安等[14]以濺蝕量、貫入深度和崩解程度指標來反映土壤抗蝕性，通過試驗發(fā)現(xiàn)具有植物根系的土壤崩解速率遠比無根系或缺少根系的土壤崩解速率慢；蔡強國等[15]將植物護坡的原因歸結于植被能增加覆蓋，減緩坡度，減小水流的泥沙攜帶能力。

現(xiàn)如今，使用環(huán)保土壤加固材料對表層土性能進行改良的研究也在發(fā)展，如采用改性聚乙烯醇(SH)[16]、聚醋酸乙酯(STW)[17]、高模數(shù)硅酸鉀(PS)[18]、沙嵩膠[19]等對沙土、黃土、粉土和普通壤土中的一種或多種的力學和理化性能進行改善。但以上方法用于塊石粒徑較大、黏粒含量較低的散粒體斜坡的嘗試還較少。鈉羧甲基纖維素(CMC)是一種天然有機物，溶于水且具有黏度高、穩(wěn)定性好、膠結力強的特點，多用于農(nóng)田土壤改良[20]、河岸邊坡防護[21]。李元元等[22]利用風洞試驗發(fā)現(xiàn)聚丙烯酰胺(PAM)防治沙黃土表面風蝕的效果較好，而CMC在防治風積沙風蝕效果較好。此外，Abu-Zreig[23]研究發(fā)現(xiàn)PAM還能有效控制坡面徑流沖刷和水土流失。成都理工大學自主改良研發(fā)了一種有機環(huán)保聚合混合物——改性鈉羧甲基纖維素(M-CMC)，其可溶于水，溶液有黏性，無色無味。由于聚合物分子量大，吸附作用強；分子鏈上攜帶大量親水基團羧甲基(—CH2COONa)使其易溶于水，形成水凝膠。試驗發(fā)現(xiàn)[24]，M-CMC與砂土混合后，土壤強度和防滲性能都得到明顯改良，且隨材料摻量增加，強度增加，滲透系數(shù)(K)減小。材料摻量為0.325%(材料粉末與干土質量百分比)時，土體內摩擦角和滲透系數(shù)達到最優(yōu)值46°和2×10-5cm/s，強度相比未加固土增長了近1倍，滲透系數(shù)為未加固土的1/10。此外，加固土也表現(xiàn)出良好的抗崩解性和吸水持水性，用于邊坡表層具有較好的抗沖蝕效果。材料已在我國西北多個沙土、粉土質邊坡中成功應用，護坡效果明顯。

因此，本文選擇了傳統(tǒng)的菱形格構生態(tài)護坡和三維網(wǎng)生態(tài)護坡技術和新型土壤改良材料生態(tài)加固技術，對四川理縣某散粒體斜坡進行加固處理，并輔之生態(tài)植草。通過模擬降雨沖刷，研究不同護坡技術對散粒體斜坡的防護效果。

1 試驗設計方案

1.1 試驗區(qū)概況

四川省阿壩藏族羌族自治州位于龍門山構造帶高山峽谷區(qū)，降雨較充沛，集中在5—9月，年均降雨量達610 mm。受2008年“5.12”汶川地震影響，區(qū)內形成大量散粒體斜坡。試驗場地位于州內理縣境內，雜谷腦河左岸某散粒體斜坡中部。斜坡寬約50 m，長約35 m，坡度約30°，有少量稀疏雜草覆蓋，斜坡表層沒有明顯沖溝，左側有一條開挖的排水通道(圖1)。試驗區(qū)為寬約20 m，長約10 m的矩形，均分為四塊(圖1)。斜坡基巖為板巖，坡腳露頭揭示地震前散粒堆積層粒徑均質堆積，地震后散粒體分層堆積明顯(圖2)；震后粒級大于震前，新堆積層結構更松散，雨季受降雨沖刷和上升河水浸泡，發(fā)生局部溜滑。

圖1 試驗區(qū)全貌圖Fig.1 A close-up view of the study area

1.2 邊坡模型試驗所用土質

試驗區(qū)天然碎石土碎石含量大于30%，大塊石會妨礙M-CMC材料與土的攪拌，阻礙土壤向三維網(wǎng)墊中填充，因此，試驗所用土均是將天然碎石土統(tǒng)一過孔徑0.05 m篩，天然密度為1.4×103kg/m3，天然含水率約5%(圖2)。

圖2 散粒體篩分曲線Fig.2 Sieving curve of granular soil

1.3 加固措施設計

首先對試驗區(qū)進行平整，處理后坡度約為28°。將試驗區(qū)劃為10 m×4.5 m(長×寬)的四個區(qū)，從左向右分別為M-CMC材料護坡區(qū)(A區(qū))，格構護坡區(qū)(B區(qū))，天然坡(C區(qū))、三維網(wǎng)護坡區(qū)(D區(qū))。在A、B和D方式材料預算相同時，各方案技術要求及施工方法如下：

A區(qū)：材料包括M-CMC溶液與椰纖維。植物纖維可以提高土壤抗拉強度，減緩大面積處理中表層土失水開裂[25]。具體步驟是將M-CMC溶液、植物纖維與試驗用土均勻混合，形成“加固土漿”，鋪于坡表，表層播撒草籽后抹平，設計加固土厚度為0.15 m。加固土中M-CMC∶土粒(散粒體)∶水為0.325∶100∶25；植物纖維長度1～3 mm，直徑0.5～1 mm，摻量為0.5%(與干土的質量百分比)。

B區(qū)：采用菱形格構形式，無錨桿。首先用C325水泥加河沙制成混凝土料，而后將混凝土料澆注成梁并嵌置于試驗區(qū)邊坡中形成格構網(wǎng)。格構梁斷面寬0.2 m，斷面高0.2 m，格構間距為1.5 m。試驗用土混合草籽加水拌合后填充在格構間。

C區(qū)：天然斜坡僅需在坡表播撒混合草籽(草籽提前與干燥的沙子混合便于播撒)，表面灑水養(yǎng)護。

D區(qū)：三維網(wǎng)采用的是合成物-聚酯土工格柵，韌性強，孔隙度達90%，孔隙中可充填土壤、沙礫和細石，促進植物根系生長[26]。網(wǎng)墊鋪設前先整平坡表以保證三維網(wǎng)墊，緊貼坡面，每隔0.5 m設置一行U型錨釘。固定好網(wǎng)墊后，單位面積均勻覆土(試驗用土)，充滿網(wǎng)墊后壓實清除浮土。

各試驗小區(qū)草籽均為紫花苜蓿、高原茅和多花木蘭的混合草種，其主要特點為發(fā)芽時間短、抗寒耐旱、根莖粗壯，可作牲畜牧草；四個試驗場地草籽播撒密度相同，為30 g/m2。

從邊坡處理結束至沖刷試驗前是邊坡穩(wěn)定期和草籽生長期，該階段為60 d。

1.4 試驗方案及測試指標

研究M-CMC加固、三維網(wǎng)、格構、天然邊坡在有雨滴作用和無雨滴作用下的土壤侵蝕特征，需考慮雨滴對地表的打擊的人工降雨方式和不考慮雨滴打擊作用的放水沖刷方式。各個區(qū)域依次進行降雨沖刷，然后依次進行放水沖刷，各個區(qū)域的雨量和放水量完全相等。

(1)沖刷試驗裝置由抽水泵、流量計、水管、噴頭(僅降雨中使用)組成(圖3)，水箱(放水沖刷中使用)，水箱中水頭恒定[27]，水源來自雜谷腦河?，F(xiàn)場首先進行的是降雨沖刷試驗，設計雨強為0.2 mm/min，降雨持續(xù)150 min；放水沖刷設計流量為45 L/min，持續(xù)時間30 min，降雨量30 mm。

圖3 沖刷試驗裝置Fig.3 Apparatus of the erosion test

(2)試驗區(qū)域中部不同埋深(表面以下0.05 m和表面以下0.15 m——加固層與天然層分界處)埋設水分傳感器，監(jiān)測降雨和放水沖刷過程中，土壤含水率(W)變化；坡腳修建泥沙收集槽，間隔5 min測算產(chǎn)砂量(Q)，高清攝像機實時拍攝試驗區(qū)侵蝕變化。

(3)統(tǒng)計沖刷試驗前后植被覆蓋率(S1)，測算沖刷后植被倒伏率(S2)。

2 坡面沖刷試驗結果對比分析

2.1 坡面水土流失特征

圖4(a)和(b)分別是降雨沖刷和放水沖刷后加固邊坡表層沖蝕特性。降雨試驗后，M-CMC加固邊坡坡面幾乎沒有沖蝕痕跡，雨水前期以下滲作用為主，后期以表面徑流沖刷為主，集水槽中水質較清澈，含沙量低，無粗粒塊石；格構加固區(qū)沖溝發(fā)育不明顯，但表面侵蝕較嚴重，大量泥沙塊石分散在格構馬道上；而天然邊坡上部區(qū)域大塊石多，雨水下滲快，下部區(qū)域常年生植被發(fā)育，沖刷不顯著，雨水主要沿坡面對角方向沖刷；三維網(wǎng)加固區(qū)雨水以下滲為主，表面沖刷較弱。降雨后期天然邊坡、格構加固區(qū)及三維網(wǎng)加固區(qū)前緣坡腳有水流滲出，掏蝕坡腳。

放水沖刷后M-CMC加固區(qū)水流侵蝕不明顯，但由于徑流量增加，集水槽水流溢出沖刷坡腳；格構加固區(qū)和三維網(wǎng)加固區(qū)侵蝕、搬運加劇，其中格構梁埋設處沖刷掏蝕尤其嚴重(圖4b)，格構梁底部“架空”；三維網(wǎng)加固區(qū)表層土流失嚴重，綠色網(wǎng)墊裸露(4b)；天然邊坡沖溝加寬加深。

圖4 沖刷試驗結果Fig.4 Final picture of the erosion test

圖5 降雨沖刷產(chǎn)沙量隨時間變化Fig.5 Soil loss by rainfall with time

降雨沖刷和放水沖刷試驗結束后各區(qū)域坡腳集水槽中產(chǎn)沙量隨降雨時間的變化見圖5～6。M-CMC加固區(qū)不管是降雨沖刷還是放水沖刷過程中產(chǎn)沙量都近乎為0，表現(xiàn)出很好的防沖效果。而格構加固和三維網(wǎng)加固不管在降雨沖刷還是放水沖刷中產(chǎn)沙量均大于天然邊坡產(chǎn)沙量：降雨結束后最終產(chǎn)沙量較小，不超過0.5 kg；放水沖刷產(chǎn)沙量直線攀升，總量大于15 kg。降雨沖刷時格構加固區(qū)產(chǎn)沙量大于三維網(wǎng)加固區(qū)；而放水沖刷時22 min前格構區(qū)產(chǎn)沙量先低于三維網(wǎng)區(qū)，但最終產(chǎn)沙量仍大于三維網(wǎng)區(qū)。對于散粒體斜坡，長時間普通降雨條件下，雨強稍大于雨水下滲速度，表面沖刷侵蝕較弱，侵蝕量較??；而短時強降雨時，雨強遠大于雨水下滲速度，表面徑流增多，沖刷加強，侵蝕量就會增大。

2.2 水流入滲特征

對比圖4(a)和(b)可知，散粒體斜坡普通降雨很難形成徑流，主要以下滲為主，而強徑流沖刷作用下才會出現(xiàn)明顯土壤流失。長期降雨及放水沖刷過程后，格構加固區(qū)、三維網(wǎng)加固區(qū)和自然區(qū)坡腳斷面上會有水流滲出，掏蝕坡腳；而M-CMC材料加固層未顯示出明顯的滲出特性。

含水率表征了土層的滲透特性和持水性，淺層含水率變化越小(圖7a)，深層含水量增長越快(圖7b)，表明雨水下滲越快，土壤持水性越低；反之，淺層含水率變化越大，深層含水率增加越慢，表明土壤下滲較慢，土壤持水性越高。圖7中M-CMC加固和三維網(wǎng)加固位于主坐標軸，天然斜坡和格構加固位于次坐標軸。

圖7(a)顯示未經(jīng)處理的天然試驗區(qū)降雨2 min后淺層含水率快速增加至7%，后基本保持不變，而深層含水量在降雨4 min后快速增加至10%，降雨4～70 min波動變化后達到穩(wěn)定含水率13%。70 min后深層含水率不再變化，淺層滲流通道完全打開達到穩(wěn)定，表明天然散粒體斜坡表層土層結構疏松，透水性強，雨水下滲量大；而深層相對密實，具有一定持水性，也表明當雨水下滲量達到土壤最大持水能力后繼續(xù)降雨便不會引起含水量變化，而是沿前緣滲出。

圖7 降雨沖刷作用下各邊坡不同深度含水量變化Fig.7 Effect of eroding time on change in moisture content of different slopes

格構加固試驗區(qū)淺層和深層含水率變化基本一致，而深層含水率變化滯后于淺層。降雨初期(約第12～15 分鐘內)淺層和深層含水率緩慢增長致5%，而后(第17～22 分鐘內)淺層和深層含水率分別快速增長至18%(淺層)和22%(深層)，在第22～37分鐘含水率維持不變，而后快速下降至10%(淺層)和7%(深層)，不斷循環(huán)反復。且該區(qū)深層含水率在90 min后達到穩(wěn)定，說明淺層到深層的入滲通道此時完全連通。淺層含水率極大值基本不變，深層含水率極大值不斷減小。從加固結構分析，格構區(qū)含水率變化與格構梁分布阻擋有很大關系。格構加固需要將縱橫交錯的格構梁埋于散粒體內部以穩(wěn)定坡體物質，橫梁隔斷水流滲流通道。雨水下滲使得土壤含水率增加，當水流穿越格構橫梁后含水率降低。

三維網(wǎng)加固區(qū)土壤含水率變化特征與天然斜坡最為相似，不同的是淺層和深層含水率均低于天然區(qū)。主要原因為：三維網(wǎng)淺層傳感器位于回填堆積體內，回填物結構較松散，透水性好；而深層傳感器位于原始邊坡的表層，土層相對致密；故三維網(wǎng)深層土最終含水率與天然土淺層含水率相近。而90 min后深層含水率幾乎穩(wěn)定，此時從淺層到深層的滲流通道完全打開并達到穩(wěn)定。

材料加固區(qū)淺層和深層含水率均隨降雨時間的增加而緩慢均勻增加，未出現(xiàn)如格構和三維網(wǎng)加固區(qū)的波動變化。降雨結束后淺層含水率增加約4.5%，達到13%，深層增長約1.5%，達到6.5%。且該區(qū)淺層土壤含水率始終大于深層，表明M-CMC加固層土壤滲透性明顯降低，雨水下滲作用減弱，而持水能力增強。

此外，通過比較發(fā)現(xiàn)：天然邊坡深層含水率最快達到穩(wěn)定，其次是格構加固區(qū)和三維網(wǎng)加固區(qū)，最晚為M-CMC加固區(qū)，可推知天然邊坡土滲透性大于格構和三維網(wǎng)加固土，大于M-CMC加固土。從各試驗段初始含水量(圖8)可以看出，M-CMC加固區(qū)表層含水率高于其他區(qū)，也表明了M-CMC加固土持水性較好；淺層土持水性增強，有助于減緩深層含水率的增加，進一步減弱水流深部滲流。

圖8 試驗后各邊坡最終含水量Fig.8 Final moisture content of different slopes

放水沖刷過程中水土流失較大，格構區(qū)、天然邊坡及三維網(wǎng)區(qū)埋置的大量傳感器被沖出，數(shù)據(jù)采集不完整，故未進行討論。

2.3 植被破壞特征對比分析

降雨沖刷試驗后各加固區(qū)坡面侵蝕搬運較輕微，故植被破壞率也較低，而放水沖刷試驗前后植被破壞增加(圖9)。沖刷試驗前材料加固區(qū)植被密度明顯大于其余三個區(qū)，格構防護區(qū)和三維網(wǎng)防護區(qū)相近，均大于天然邊坡。

圖9 沖刷前后植被生長密度及倒伏率Fig.9 Density and lodging rate of vegetation growth

沖刷試驗后，M-CMC加固邊坡(A區(qū))侵蝕輕微，植物基本無倒伏(圖10a)；另兩種加固邊坡侵蝕嚴重，植被根系裸露，植株殘留在坡表(圖10b)。格構加固區(qū)植被倒伏率約65%，三維網(wǎng)加固區(qū)植被倒伏率約52%。各加固區(qū)植被存活率與坡面抗沖刷侵蝕相一致，說明土壤抗沖蝕性對初期植被生長影響較大。

圖10 試驗后坡表植被狀態(tài)Fig.10 Current vegetation situation at the end of test

3 加固邊坡作用機制對比分析

長期一般降雨和短期大暴雨條件下，M-CMC加固區(qū)表現(xiàn)出較好的抗沖蝕性，格構加固區(qū)及三維網(wǎng)加固區(qū)相對來說土壤搬運更明顯，而天然邊坡由于現(xiàn)場有利條件(原生植被)限制，表現(xiàn)出較小的侵蝕、搬運。植被根系對于散粒體斜坡抗沖刷侵蝕具有較好的改善作用。

從加固機理看，M-CMC從散粒體自身性質著手，增加顆粒間膠結作用，提高土壤內摩擦角和黏聚力[23]，改善散粒體自身因缺乏細粒組分和膠結礦物而結構松散，應用于坡表，提高斜坡表層抗沖蝕能力。此外，土壤滲透性降低，持水性增強，能減緩水流入滲，提高斜坡降雨工況下的穩(wěn)定性。表層土抗侵蝕性能增強利于植被生長。

格構加固邊坡主要是格構梁在邊坡巖土體產(chǎn)生相對位移時發(fā)揮摩擦阻力作用[5]，而水流沖刷時格構梁也能形成階梯降低水流梯度，減緩沖刷。一般降雨時，雨水能緩慢入滲，表面的徑流沖刷較弱；但集中強降雨過程中，雨水下滲增加，超過土壤通道容量，表面徑流增強，侵蝕加劇，植被沖刷破壞嚴重，存活率低，將會影響后期植草護坡。

天然邊坡是表層原生植被減緩雨水擊打及雨水入滲，降低坡面徑流，根系與土壤相互交織形成網(wǎng)狀結構，增強土壤抗沖性能。但由于散粒體顆粒級配不均，天然植被發(fā)育不均且較少，植草護坡作用受限。

三維網(wǎng)加固邊坡是網(wǎng)墊的上下層面與土體相互作用，產(chǎn)生的摩擦能提高坡面的穩(wěn)定性，且網(wǎng)墊面上的凹凸起伏也能降低坡面流能量，減輕坡面侵蝕[25]。一般降雨時，雖然由于三維網(wǎng)墊幾乎未出露在坡面上，坡面流所受的阻力較小，有較多的能量用于侵蝕、搬運坡面土體，但由于散粒體碎石、粗礫石較多，膠結性差，顆粒排列疏松，雨水下滲快，故表面沖刷產(chǎn)沙量較低。但隨著沖刷流量增加，網(wǎng)墊外的土隨著坡面流沖刷的進行被搬運，導致網(wǎng)墊層裸露，坡面流阻力增加，侵蝕減弱，產(chǎn)沙量降低。由于網(wǎng)墊層的保護，土壤侵蝕、搬運低于格構加固區(qū)，同時植被沖刷破壞程度低于格構加固區(qū)，可以提高后期植草護坡效果。

綜上所述，采用提高土體膠結作用降低雨水入滲的方式(M-CMC加固)和降低坡面流能量、增強坡面阻力(三維網(wǎng)加固)的方式能較好地減緩坡面侵蝕和泥沙搬運，結合植草護坡可以達到長期穩(wěn)定的效果。

由于M-CMC材料是一種有機水溶液，主要通過高分子與土顆粒間的電荷吸附和分子間作用力實現(xiàn)土壤膠結，起到防滲防沖蝕的效果，促進表層植被生長，有利于邊坡自我修復和長期防護。如果土壤中以大塊石為主，細粒含量較少，孔隙增大，則材料與土壤間作用會減弱，土壤與材料間膠結作用減弱，土壤防滲性和水穩(wěn)性均得不到有效改良，雨水大量下滲影響邊坡穩(wěn)定性和表層植被生長。因此，該加固方式應用前，需提前了解碎石土級配，小范圍檢測應用效果。如果確實因大塊石的存在產(chǎn)生了不利效果，可以多種方式相結合的方式進行邊坡加固。比如下層天然碎石土采用注漿加固，表層土過篩后使用M-CMC材料加固；或是下層天然碎石土采用三維網(wǎng)加固，表層過篩土使用M-CMC材料加固；將大塊石的影響削弱，從而實現(xiàn)邊坡的整體加固。

4 結論

(1)M-CMC材料加固散粒土在水流沖蝕作用下流失少，抗侵蝕效果更好，土壤蓄水能力增強，植被自然生長密度和沖刷后存活率大于其他區(qū)域，顯示良好的膠結結構和生態(tài)適宜性。植被的加筋防沖刷和水力作用能增強邊坡穩(wěn)定性，因此M-CMC材料加固邊坡后期護坡作用將極大可能優(yōu)于三維網(wǎng)加固邊坡和格構加固邊坡。

(2)三維網(wǎng)護坡由于填充土自身結構松散，膠結差，沖刷前期抗侵蝕性能差；三維網(wǎng)網(wǎng)墊能改變水流流動方向，削減坡面流能力，后期防沖性能較好。

(3)格構梁能減緩水流流速，減少表面沖刷。但格構護坡由于表面開放，強沖刷下抗侵蝕性差。