植被混凝土邊坡泥沙侵蝕室內(nèi)試驗研究

李 燦，周海清,2，趙尚毅,2，王慶鑫，彭 岳

(1.陸軍勤務(wù)學(xué)院 軍事設(shè)施系 巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護重慶市重點實驗室, 重慶 401331；2.重慶科技學(xué)院， 重慶 401311； 3.中建隧道建設(shè)有限公司， 重慶 401147)

我國自改革開放以來，城鎮(zhèn)建設(shè)以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度迅猛，在早期建設(shè)中對保持生態(tài)環(huán)境不夠重視。進入21世紀以來，隨著國家政策的傾斜[1-2]以及人民環(huán)保意識的增強，在基礎(chǔ)建設(shè)工程中開始考慮生態(tài)恢復(fù)問題，特別是大量的邊坡工程，挖方填方導(dǎo)致大面積坡面呈裸露狀態(tài)，坡面顏色灰暗，十分影響城市景觀，若不加處理，生態(tài)恢復(fù)進程緩慢，在遭遇強降雨時水土流失嚴重，帶來不必要的經(jīng)濟損失。

針對邊坡防護及綠化問題，目前主要采取的生態(tài)防護技術(shù)有客土噴播技術(shù)、三維植被網(wǎng)技術(shù)、厚層基材技術(shù)、植生袋技術(shù)、植被混凝土技術(shù)等。特別的，對于巖質(zhì)邊坡而言，其立地條件差于土質(zhì)邊坡，缺乏植被生長的土壤和養(yǎng)分條件[3]，而且邊坡高度和坡面角一般較大，采用傳統(tǒng)的客土噴播技術(shù)難以滿足生態(tài)防護的要求。因此，針對巖質(zhì)邊坡的特點，開發(fā)出了植被混凝土技術(shù)，該技術(shù)是一種噴混植生護坡方法，將膠結(jié)材料、植生土、草種、有機質(zhì)腐植質(zhì)按一定比例混合后配置混凝土拌合物，再采用液壓噴播技術(shù)噴播于裸露的巖質(zhì)邊坡，形成一層具有一定強度、抗侵蝕性，并且能夠穩(wěn)定附著于巖石表面的綠化基材，具有施工簡便、機械化程度高、材料來源廣、成本低、安全性好的優(yōu)點[4]。

植被混凝土技術(shù)在21世紀初最初由許文年[5]提出，發(fā)展十余年來許多學(xué)者對其基材配比、力學(xué)特性、根-土相互作用、肥力水平、降堿改良等方面展開了大量研究。如Kim等[6]將基質(zhì)中的水泥替換成非燒結(jié)無機粘結(jié)劑，研究了其力學(xué)特性和抗凍性能；Xu等[7]研究了水泥含量對狗牙根萌發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)水泥含量為8%時利于植物的生長。黃曉樂等[8]通過對含有狗牙根和紫花苜蓿的植被混凝土進行直剪試驗，結(jié)果表明基材粘聚力隨土層深度增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢；Wu等[9]研究了水泥含量對基質(zhì)pH的影響，結(jié)果表明pH值隨著水泥增加而增加，同時植物生長能夠改善pH環(huán)境。王宇等[10]研究了植被混凝土在巖石邊坡和混凝土邊坡上應(yīng)用的肥力差異，得出混凝土邊坡肥力水平在速效磷 、堿解氮方面明顯高于巖石邊坡，兩者植被生長差異的主要因素是含水率的結(jié)論。謝清華等[11]通過研究不同濃度的降堿溶液對植生基材的pH值影響，提出一種可將pH值快速降低的復(fù)合降堿技術(shù)。

由于植被混凝中的水泥膠結(jié)劑能夠較大程度上加固坡面，坡面抗沖刷性能優(yōu)越，但是上述研究者忽視了其施工初期水泥固化能力還未完全發(fā)揮，即邊坡處于普通客土邊坡到植被混凝土固化邊坡的過渡狀態(tài)，在該狀態(tài)下，邊坡若遇強降雨，極有可能因坡面抗沖刷能力不足導(dǎo)致坡面侵蝕破壞嚴重，從而影響工程，造成一定經(jīng)濟損失。

目前，在所能查到的文獻中，僅楊奇等[12]針對植被混凝土試塊進行了沖刷試驗，但試塊試驗僅能反應(yīng)材質(zhì)本身性質(zhì)，而在實際工程中，是一個坡面在接受雨水沖刷，考慮的因素包括坡長、坡率、坡面的完整度等，因此開展模擬實際坡面的植被混凝土邊坡模型進行沖刷試驗十分有必要。通過室內(nèi)沖刷試驗，能夠詳細記錄坡面的泥沙侵蝕，分析侵蝕狀態(tài)，最終在沖刷方面為工程中的植被混凝土邊坡施工初期作出一定的理論指導(dǎo)。

1 室內(nèi)模型試驗

1.1 試驗裝置

試驗裝置采用自主設(shè)計的邊坡模型試驗車，如圖1(a)所示，試驗車主要由車體、導(dǎo)流槽、模型框、降雨裝置組成。車體斜杠支撐于擋板上，通過調(diào)節(jié)支撐位置可改變斜桿坡率，從而調(diào)整邊坡坡率。導(dǎo)流槽安裝于模型框下部，嵌入一部分于車體內(nèi)，保證沖刷泥沙與雨水全部通過導(dǎo)流槽，在導(dǎo)流槽下方放置水桶進行收集。模型框為2 cm厚木板制作而成，為一面具有開口的木框，內(nèi)框尺寸為0.8 m×1.2 m×0.1 m，為了模擬巖質(zhì)邊坡的實際坡面狀態(tài)，在框內(nèi)鋪設(shè)一層細石混凝土，混凝土表面拉毛處理。降雨裝置主要由橡膠管與銅噴頭組合連接構(gòu)成，木支架和鐵絲網(wǎng)用于固定降雨裝置，降雨裝置示意圖見圖1(b)。

圖1 試驗裝置

1.2 試驗方案

1) 降雨強度。試驗降雨強度的選取根據(jù)重慶當?shù)氐谋┯陱姸裙酱_定，按照規(guī)范[13]要求合理取值后，計算得出標準單位下暴雨強度為409.26 L/s·hm2，根據(jù)室內(nèi)試驗實際坡面的尺寸進行單位換算得到2.4 L/min。

2) 邊坡材料。植被混凝土基材配比采用許文年[14]和劉大翔[15]提出的配合比，水泥8%，有機質(zhì)6%，均為干土的質(zhì)量分數(shù)，考慮到本次試驗針對植被混凝土邊坡施工初期，植物還未生長，因此在基材中不添加如綠化添加劑等對植物后續(xù)生長有利的微量添加劑。

試驗用土采用學(xué)校后山取得的沙壤土，曬干磨碎后過2 mm篩備用。水泥采用425#型普通硅酸鹽水泥。有機質(zhì)采用木材廠加工剩下的碎木屑。

3) 邊坡制作。將干土、水泥和有機質(zhì)混合拌勻，根據(jù)含水率30%添加水，用調(diào)土工具拌和后放入彩條布中，浸潤8 h。到達浸潤時間后，按分層壓實的方法將土體鋪于模型框內(nèi)，土層后5 cm，分5次鋪設(shè)壓實。養(yǎng)護時間24 h用于模擬邊坡施工初期的狀態(tài)。

4) 降雨及數(shù)據(jù)收集。設(shè)計降雨歷時共60 min，每過10 min停一次，將水桶取出后編號，共6組，每次暫停時間不宜過長。降雨完成后，將每組水桶靜置24 h后小心分離泥沙與雨水，將未分離干凈的混合物放入烘箱中烘干，最后稱取干土重量，即獲得各組的泥沙侵蝕量數(shù)據(jù)。

5) 試驗分組。為了考察不同坡度和不同降雨強度對植被混凝土邊坡坡面侵蝕的影響，分別設(shè)計3種坡率和降雨強度。將暴雨強度公式推導(dǎo)出的降雨強度上下浮動20%用以分別模擬大雨和大暴雨，3種降雨強度為：1.9 L/min、2.4 L/min、2.9 L/min，3種坡率為1∶0.75、1∶1、1∶1.25。具體試驗分組見表1。

表1 試驗分組

2 試驗結(jié)果

2.1 坡面侵蝕

裸露坡面的侵蝕破壞由于沒有防護措施，其破壞程度相比于施工后期植物生長后的坡面侵蝕[16]要嚴重許多，分析其發(fā)展過程十分有必要。選取工況5試驗組分析坡面侵蝕過程，坡面侵蝕如圖2所示。在降雨初始過程中，最先發(fā)生雨滴濺蝕，雨滴由于其自由下落的動能對坡面產(chǎn)生撞擊作用，將表層土體沖散，形成細小的濺蝕坑，是坡面侵蝕的開始階段。當降雨強度大于入滲速度時，雨水在坡面形成漫流，漫流能夠帶走坡面淺層的浮土，形成層狀面蝕。由于坡面存在地形的微起伏，加之雨滴濺蝕產(chǎn)生的濺蝕坑，漫流開始產(chǎn)生差異性侵蝕，之后逐漸形成具有明顯流路的股狀水流，在水流的沖刷下，形成細溝，細溝在水流持續(xù)沖刷下逐漸發(fā)育。

最終坡面在降雨歷時60 min后，坡面整體呈現(xiàn)層狀面蝕，面蝕鱗片狀現(xiàn)象明顯，在坡面右下部有幾條細溝，細溝發(fā)育處于初始階段，深度不超過3 mm。從坡面侵蝕的角度來看，植被混凝土邊坡施工初期在遭遇強降雨工況時，能夠有效抵抗雨水沖刷，減小水土流失，是具有良好的抗雨水沖刷性能的邊坡生態(tài)防護方法。

圖2 坡面侵蝕

2.2 泥沙侵蝕累計量與降雨歷時關(guān)系

根據(jù)試驗統(tǒng)計的數(shù)據(jù)繪制泥沙侵蝕累計量與降雨歷時的關(guān)系曲線圖，如圖3所示。從圖中能夠發(fā)現(xiàn)，泥沙侵蝕累計量隨著降雨歷時的增加而增加，在降雨歷時初期，即0～10 min降雨階段，泥沙侵蝕累積量增加速度相比于降雨后期快很多，主要原因是降雨初期的雨滴濺蝕將表層浮土沖散，坡面形成漫流后將大量浮土帶走，加之水泥固化作用在養(yǎng)護 24 h階段還比較弱，邊坡表層土體固化效果差，同時在邊坡壓實過程中可能出現(xiàn)壓實不均的現(xiàn)象，該現(xiàn)象與水泥表層固化效果差共同導(dǎo)致降雨前期泥沙侵蝕量大。

在降雨后期，泥沙侵蝕累計量的增加速率在不同工況下均有不同程度的減緩，對于降雨強度2.9 L/min工況下的3組邊坡其減緩趨勢不明顯，特別是在工況9邊坡中，泥沙侵蝕累積量與降雨歷時基本呈線性增加的關(guān)系。

為了便于描述植被混凝土邊坡泥沙侵蝕累積量與降雨歷時的關(guān)系，將試驗結(jié)果進行非線性擬合，通過多次嘗試，最終選定擬合公式：y=a+bln(x+c)，在該擬合式下，決定系數(shù)均大于0.98，擬合結(jié)果較好，能充分反應(yīng)泥沙侵蝕累計量與降雨歷時的關(guān)系。擬合結(jié)果見圖4，表2為相關(guān)數(shù)據(jù)。由于本次室內(nèi)試驗降雨歷時最大為60 min，60 min后的侵蝕量與降雨歷時關(guān)系由公式：y=a+bln(x+c)表示準確性還需要進一步驗證，因此擬合公式中x取值范圍：0≤x≤60。

圖3 泥沙侵蝕累計量與降雨歷時關(guān)系曲線

圖4 泥沙侵蝕累計量與降雨歷時關(guān)系擬合曲線

表2 回歸分析

2.3 降雨強度和坡度對泥沙侵蝕量的影響

以降雨強度為橫坐標，降雨歷時60 min下的泥沙侵蝕量為縱坐標繪制曲線圖，如圖5(a)所示。從圖5中可以看出：隨著降雨強度的增加，泥沙侵蝕量增加，其增加趨勢是先快后慢，曲線呈外凸型。同時對試驗數(shù)據(jù)進行線性擬合，擬合曲線見圖5(b)，式(1)為擬合公式。

圖5 泥沙侵蝕量與降雨強度的關(guān)系曲線

擬合結(jié)果決定系數(shù)均大于0.87，能較好的反應(yīng)泥沙侵蝕量與降雨強度的關(guān)系，在擬合公式中，x的取值范圍為本次試驗所涉及到的降雨強度，即1.9≤x≤2.9。

坡率1∶0.75：y=-30.04+120.6x，R2=0.872 09

坡率1∶1：y=-20.57+97x，R2=0.916 81

坡率1∶1.25：y=-84.73+113.5x，R2=0.974 59

(1)

以坡率為橫坐標，降雨歷時60 min下的泥沙侵蝕量為縱坐標繪制曲線圖，如圖6(a)所示。從圖6中可以看出，隨著坡率的增加，泥沙侵蝕量增加，總體呈線性發(fā)展關(guān)系，在降雨強度2.9 L/min工況下，泥沙侵蝕量隨著坡率增加其增加速率先慢后快，曲線呈內(nèi)凹型；在降雨強度1.9 L/min工況下，泥沙侵蝕量隨著坡率增加其增加速率先快后慢，曲線呈外凸型；在降雨強度1.9 L/min工況下，兩者關(guān)系基本為線性增加。在本次試驗中，泥沙侵蝕量與坡度呈正相關(guān)關(guān)系，該試驗結(jié)果與Zingg[17]和湯立群[18]的結(jié)果一致，兩人分別在實測資料與計算模型中得到侵蝕量與坡度呈正比關(guān)系的結(jié)論。而在大量實測邊坡坡面沖刷過程中，存在臨界坡度，即在某一坡度范圍內(nèi)，泥沙侵蝕量與坡度呈正比，當邊坡超過某坡度值后，侵蝕量又與坡度呈反比，該坡度值即為臨界坡度[19]。

圖6 泥沙侵蝕量與坡率的關(guān)系曲線

臨界坡度的影響因子繁多，臨界坡度的變化范圍較大。在本次室內(nèi)模型試驗中，最大坡率為1∶0.75，即坡度53°，在該坡度范圍內(nèi)，泥沙侵蝕量與坡率呈正相關(guān)關(guān)系，說明植被混凝土邊坡臨界坡度應(yīng)該出現(xiàn)在53°以上，具體數(shù)值還需進一步研究確定。如通過設(shè)置多組坡度值實測出侵蝕量—坡度曲線的拐點的方法來確定臨界坡度，但該拐點只能近視視作臨界坡度，精確度不高；也可通過理論推導(dǎo)，在能量守恒定律和水力學(xué)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)臨界坡度公式，公式推導(dǎo)的局限性是變量多，取值難以明確，而植被混凝土邊坡相關(guān)沖刷參數(shù)還沒有可靠的經(jīng)驗值以供參考，為了明確針對植被混凝土邊坡的臨界坡度，需要開展下一步試驗獲取變量參數(shù)，如坡面糙率，滲透系數(shù)等。

為了量化表述泥沙侵蝕量與坡率的關(guān)系，對試驗數(shù)據(jù)進行線性擬合，擬合曲線見圖6(b)，式(2)為擬合公式。

擬合結(jié)果決定系數(shù)均大于0.92，能較好的反應(yīng)泥沙侵蝕量與坡率的關(guān)系，在擬合公式中，x的取值范圍為本次試驗所涉及的坡率，即0.8≤x≤1.33。

降雨強度1.9L/min：

y=36.95+116.37x，R2=0.967 51

降雨強度2.4 L/min：

y=69.06+156.37x，R2=0.997 97

降雨強度2.9 L/min：

y=127.29+135.57x，R2=0.929 00

(2)

3 結(jié)論

1) 植被混凝土邊坡坡面侵蝕破壞主要停留在層狀面蝕階段，鱗片狀現(xiàn)象明顯。坡面下方局部區(qū)域存在細溝侵蝕，且發(fā)育速度較慢，細溝深度不超過3 mm。

2) 泥沙侵蝕累計量在降雨初期，其增加速度明顯快于降雨后期，在降雨后期，其增加速度逐漸減緩。采用擬合式y(tǒng)=a+bln(x+c)對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，決定系數(shù)大于0.98，能很好反應(yīng)在不同工況下泥沙侵蝕累計量與降雨歷時的關(guān)系。

3) 泥沙侵蝕量隨著坡率和降雨強度的增加而增加，使用線性表達式y(tǒng)=a+bx能較好表達泥沙侵蝕量與兩者的關(guān)系。在試驗所涉及的坡率中，沒有出現(xiàn)臨界坡度，其值取值應(yīng)該大于53°。