楊 奇，丁 瑜，許文年，楊 平

(1．三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌443002;2．三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌443002;3．三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌443002)

(責(zé)任編輯 孫占鋒)

近年來，國內(nèi)外各種災(zāi)害發(fā)生都比較頻繁。在國內(nèi)，我們經(jīng)歷了地震、泥石流等諸多地質(zhì)災(zāi)害。在眾多地質(zhì)災(zāi)害中，很多都與邊坡穩(wěn)定性有關(guān)，因此邊坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理以及相應(yīng)的防護(hù)治理措施已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的一個(gè)熱點(diǎn)。由于對(duì)環(huán)境綠化要求的提高，邊坡治理已由過去單一的加固向加固及環(huán)保綠化一體化發(fā)展。在這種發(fā)展趨勢下，植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)也逐漸發(fā)展起來。植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)是采用特定的混凝土配方和種子配方，對(duì)巖石邊坡進(jìn)行防護(hù)和綠化的新技術(shù)［1］。邊坡受雨水沖刷方面的研究，前人已經(jīng)做了大量的工作［2-5］，但由于植被混凝土應(yīng)用于邊坡防護(hù)的時(shí)間不長，針對(duì)植被混凝土抗雨水沖刷性能方面的研究還比較少，前人對(duì)邊坡沖刷方面的研究多集中在土質(zhì)邊坡。對(duì)植被混凝土抗沖刷性能的研究，我們可以借鑒前人研究巖土邊坡抗沖刷時(shí)所用的基本理論和方法。土的沖刷是一個(gè)極其復(fù)雜的物理過程(甚至還涉及到化學(xué)、生物過程)，受許多自然因素的制約(如氣候、地形、地質(zhì)、土質(zhì)和植被等)，同時(shí)又受人類活動(dòng)的干擾，各種因素之間存在著錯(cuò)綜復(fù)雜的相互關(guān)系［6］。土壤沖刷的影響因素一般有降雨的濺蝕力、徑流量的大小、土粒分離的難易程度、水流沖刷攜帶泥沙的能力等，這些因素影響力的大小又取決于雨滴的動(dòng)能、雨滴數(shù)量及降雨強(qiáng)度、地質(zhì)、土質(zhì)類型及結(jié)構(gòu)、坡度、植被、土壤含水量以及各種形式的水流因素(如流速、流量)等特征值［6］。植被混凝土的沖刷除了受上述一些因素影響外，還受加入水泥的量等其他因素的影響。植被混凝土沖刷研究中的一個(gè)根本性問題是定量研究，也就是對(duì)植被混凝土的沖刷量做出評(píng)估與預(yù)測。本試驗(yàn)通過分析比較植被混凝土在不同的水泥含量和齡期下的侵蝕模數(shù)，了解植被混凝土沖刷侵蝕量與各因素之間的關(guān)系，為進(jìn)一步弄清植被混凝土的侵蝕機(jī)理、抗沖刷能力及推廣使用提供一定理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料和方法

由于本試驗(yàn)不針對(duì)某個(gè)具體工程，因此試驗(yàn)用土(沙壤土)就近取自三峽大學(xué)生命科學(xué)樓后面的山上，取回后將土?xí)窀桑孟鹌ゅN或木錘搗碎，并通過2 mm篩子篩分，放入泡沫箱中待用;水泥采用宜昌華新水泥廠生產(chǎn)的普通水泥(強(qiáng)度等級(jí)為32．5)，植被混凝土添加劑采用三峽大學(xué)綠野環(huán)保工程有限公司添加劑廠生產(chǎn)的專利產(chǎn)品LY-2 型混凝土綠化添加劑，試驗(yàn)用水采用自來水。試驗(yàn)設(shè)備包括磅秤、電子天平、砝碼天平、鐵鍬、稱量桶、水桶、水瓢、拌合臺(tái)、振搗棒、10 cm×10 cm×10 cm 試驗(yàn)?zāi)＞摺⒔涤昴M系統(tǒng)、1 L 容積的燒杯、與水平面成70°的支架。試驗(yàn)內(nèi)容包括制作水泥含量(此處水泥含量是指水泥與土的質(zhì)量比，并非水泥在植被混凝土基材中所占的比例)分別為4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%的9 組植被混凝土試塊，各組試塊的成分及配比見表1。

表1 各植被混凝土試塊成分及配比

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2．1 水泥含量對(duì)植被混凝土侵蝕量的影響

在植被混凝土試塊中，除去變異系數(shù)大于0．3 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其他各組數(shù)據(jù)取同一組試驗(yàn)樣塊的平均值。得出侵蝕模數(shù)數(shù)據(jù)，由這些的數(shù)據(jù)可分別做出植被混凝土基材在不同降雨強(qiáng)度、防護(hù)天數(shù)情況下的侵蝕量與水泥含量的關(guān)系曲線如圖1—4。

通過分析對(duì)比圖1—4 可以得知，基材的沖刷量隨著植被混凝土中所加入水泥量的增加而減少;對(duì)于某一水泥含量的植被混凝土來說，隨著齡期的增長，其抗沖刷能力也明顯增強(qiáng)。在雨強(qiáng)較小時(shí)，基材侵蝕量雖然隨著水泥含量的增加而減少，但兩者之間的線性關(guān)系并不明顯。當(dāng)雨強(qiáng)從80 mm/h 到140 mm/h 逐漸增大時(shí)，侵蝕量與水泥含量之間的線性關(guān)系逐漸明顯。

2．2 雨強(qiáng)對(duì)植被混凝土侵蝕量的影響

本試驗(yàn)中各組試塊水泥含量從4%到12%不等，在探究雨強(qiáng)對(duì)植被混凝土侵蝕量的影響時(shí)，選取水泥含量為8%的試驗(yàn)組數(shù)據(jù)加以分析(其他水泥含量的植被混凝土基材侵蝕量隨雨強(qiáng)的變化趨勢與此類似)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作出水泥含量為8%時(shí)植被混凝土基材侵蝕模數(shù)與雨強(qiáng)關(guān)系曲線如圖5。

圖5 植被混凝土基材侵蝕模數(shù)—雨強(qiáng)關(guān)系曲線

從圖5 中可以看出，在雨強(qiáng)小于120 mm/h 時(shí)，侵蝕模數(shù)和雨強(qiáng)之間呈簡單線性關(guān)系，當(dāng)雨強(qiáng)大于120 mm/h 時(shí)，侵蝕模數(shù)顯著增加，可以認(rèn)為此時(shí)降雨產(chǎn)生的徑流對(duì)坡面植被混凝土的沖刷超過某一臨界值。當(dāng)水泥的含量較低時(shí)，植被混凝土的主要成分還是土，而植被混凝土中的沙壤土孔隙率大，比較疏松，土顆粒之間的黏聚力比較小，因而很少形成黏聚團(tuán)體結(jié)構(gòu)。水泥含量提高后，水泥在其中充當(dāng)膠凝材料，使得土壤孔隙率降低，土顆粒之間的黏聚力也顯著提高，且土壤中出現(xiàn)了黏聚團(tuán)體。對(duì)于圖5 中植被混凝土基材侵蝕模數(shù)隨雨強(qiáng)的變化曲線，可以這樣來理解:在雨強(qiáng)小于120 mm/h 時(shí)，植被混凝土表面的較細(xì)顆粒在雨水徑流沖刷作用下被帶起而流失，雨強(qiáng)增大，產(chǎn)生的徑流沖刷作用也隨著增大，因此植被混凝土基材侵蝕模數(shù)和雨強(qiáng)之間呈簡單的一次線性關(guān)系，但此時(shí)雨強(qiáng)產(chǎn)生的徑流沖刷作用不足以帶動(dòng)粒徑較大且相互之間黏聚力也較大的黏聚團(tuán)體結(jié)構(gòu);當(dāng)雨強(qiáng)大于120 mm/h 時(shí)，此時(shí)雨強(qiáng)產(chǎn)生的徑流沖刷作用能夠帶動(dòng)這些黏聚團(tuán)體，因此雨強(qiáng)超過120 mm/h 時(shí)植被混凝土的沖刷侵蝕作用加劇。在試驗(yàn)過程中從支架底部收集到的植被混凝土基材沖刷物也能說明這一點(diǎn)，在雨強(qiáng)較小(小于120 mm/h)時(shí)，被沖下來的都是比較細(xì)的顆粒，在雨強(qiáng)較大(大于120 mm/h)時(shí)，被沖下來的不再只是細(xì)顆粒，而是黏結(jié)在一起的細(xì)顆粒群。

3 結(jié)論與建議

3．1 結(jié) 論

(1)植被混凝土基材的抗沖刷能力隨著水泥含量的增加而顯著提高。如果單從基材抗沖刷能力來看，提高植被混凝土中水泥的含量對(duì)其是有利的，但植被混凝土還涉及到植物生態(tài)學(xué)等諸多方面，水泥含量太高會(huì)使基材pH 值增大，堿性環(huán)境會(huì)影響植被混凝土中種子的萌發(fā)及生長，而且水泥含量過高會(huì)導(dǎo)致土壤板結(jié)成塊，植被很難長出;水泥含量較低時(shí)，對(duì)種子萌發(fā)及植被生長來說是有利的，但其抗沖性能又不能滿足防護(hù)要求，因此實(shí)際工程應(yīng)用中需綜合考慮各方面因素來確定合適的水泥含量，目前一般采用的水泥含量為8% ～10%。

(2)由于邊坡坡度對(duì)植被混凝土的沖刷也有一定的影響，因此在工程應(yīng)用中要結(jié)合具體情況，坡度相對(duì)較緩時(shí)可以適當(dāng)降低水泥含量，坡度較陡時(shí)在滿足植被生長要求的前提下可適當(dāng)提高水泥含量。

(3)降雨是沖刷的動(dòng)力因素，對(duì)植被混凝土的沖刷有著非常重要的影響，因此了解治理邊坡所在地區(qū)的水文氣象特征也非常重要。植被混凝土養(yǎng)護(hù)初期的抗沖刷能力相對(duì)較弱，因此采用植被混凝土進(jìn)行邊坡防護(hù)時(shí)，其施工不宜在暴雨多發(fā)季節(jié)進(jìn)行。另外，考慮到植被混凝土中種子萌發(fā)的問題，在低溫條件下施工要采取相應(yīng)的保溫措施。

3．2 建 議

(1)本試驗(yàn)雖然在室內(nèi)模擬了不同水泥含量的植被混凝土在不同齡期和雨強(qiáng)作用下的沖刷過程，但試驗(yàn)僅僅只是對(duì)植被混凝土基材的沖刷做了一個(gè)初步的研究，沒有全面考慮植被覆蓋度對(duì)沖刷的影響，而是簡單地認(rèn)為由于植被的存在使得基材沖刷只受降雨徑流的影響，雨水的濺擊作用于植被混凝土上的植被，對(duì)基材的影響忽略不計(jì)。在植被覆蓋度足夠大時(shí)，降雨的濺擊作用對(duì)基材的影響很小可以忽略不計(jì)，但由于植被的存在，使得坡面水流的流態(tài)，水流所受的阻力以及泥沙的起動(dòng)和終止等問題變得非常復(fù)雜，有關(guān)植被對(duì)這些方面的影響本試驗(yàn)未有考慮和研究。

(2)由于是室內(nèi)試驗(yàn)，所以試驗(yàn)過程中所做的植被混凝土試塊不可能很大，這對(duì)沖刷試驗(yàn)的效果也有一定的影響，天然邊坡受降雨沖刷時(shí)可能出現(xiàn)的沖溝在室內(nèi)試驗(yàn)中也不明顯。因此，研究植被混凝土防護(hù)邊坡在降雨作用下的沖刷侵蝕時(shí)，采用野外原位試驗(yàn)可能會(huì)取得更好的效果。

［1］許文年，土鐵橋，葉建軍．巖石邊坡護(hù)坡綠化技術(shù)應(yīng)用研究［J］．水利水電技術(shù)，2002，33(7):35-36，40．

［2］周佩華，武春龍．黃土高原土壤抗沖性的試驗(yàn)方法探討［J］．水土保持學(xué)報(bào)，1993，7(1):29-34．

［3］吳普特，周佩華．地表坡度與薄層水流侵蝕關(guān)系的研究［J］．水土保持通報(bào)，1993，13(3):1-5．

［4］吳普特，周佩華，鄭世清．黃土丘陵溝壑區(qū)(Ⅲ)土壤抗沖性研究——以天水站為例［J］．水土保持學(xué)報(bào)，1993，7(3):20-25．

［5］朱顯謨．黃土高原水蝕的主要類型及其有關(guān)因素［J］．水土保持通報(bào)，1981，1(4):1-9．

［6］李凱，王昌賢，楊興武．邊坡沖刷量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型［J］．交通科技與經(jīng)濟(jì)，2009，11(6):77-78．