王廣月，王 艷，徐 妮

（山東大學 土建與水利學院，濟南250061）

三維土工網(wǎng)防護邊坡侵蝕特性的試驗研究

王廣月，王 艷，徐 妮

（山東大學 土建與水利學院，濟南250061）

為了揭示三維土工網(wǎng)防護坡面侵蝕規(guī)律，利用室內模擬放水沖刷試驗，定量研究了不同坡度（5°，10°，15°，20°，25°，30°）、不同流量（1 m3/h，1.5 m3/h，2 m3/h）條件下，三維土工網(wǎng)防護坡面的侵蝕過程及侵蝕特征。結果表明：（1）累積侵蝕量隨坡度和流量的增大而增大，且沖刷最初10 min內得到的侵蝕量占侵蝕總量的70%左右，而沖刷末期的坡面流含沙率僅在0.01～0.04 g/cm3內波動；（2）隨著坡度增大，累積侵蝕量的貢獻率增大，流量對累積侵蝕量起主導作用，在大流量沖刷的條件下，流量對累積侵蝕量的貢獻率比流量較小時更加顯著；（3）累積侵蝕量與坡度呈正相關的冪函數(shù)關系，相關性顯著；（4）三維土工網(wǎng)防護邊坡的坡面流為紊流，累積侵蝕量與雷諾系數(shù)的關系可以表示為：M=0.186Re0.672，相關系數(shù)R2=0.9429。

三維土工網(wǎng)墊；坡面流；土壤侵蝕

三維土工網(wǎng)防護邊坡是將三維土工網(wǎng)墊與植被相結合而形成的一種新型生態(tài)護坡形式。網(wǎng)墊的上下層面與土體相互作用，產生的摩擦力能提高坡面的穩(wěn)定性。網(wǎng)墊的網(wǎng)包層將種植土與植物種子固定于邊坡表層，為植被的生長提供必要的條件。受到水流沖刷時，由于網(wǎng)墊上表面的凹凸起伏，坡面流的流向被不斷改變，沿程能量損失逐漸增大，起到了較好的消能作用，減輕了水流對坡面的沖蝕，在目前的工程建設中得到越來越廣泛的應用。

國內外在坡面土壤侵蝕方面開展了較全面深入的研究，取得了豐富而寶貴的經(jīng)驗和成果[1-11]，為從水流水動力學過程方面研究三維土工網(wǎng)防護坡面侵蝕產沙過程奠定了基礎。近年來，我國在生態(tài)護坡方面的研究發(fā)展速度較快，并取得了一系列有益的研究成果。肖衡林等[12]比較系統(tǒng)地對三維土工網(wǎng)的設計力學指標進行了分析，從流體力學、工程力學等方面系統(tǒng)研究了網(wǎng)墊的強度公式，通過不同坡度下的沖刷試驗得到了合理的網(wǎng)墊開口尺寸，在一定程度上解決了三維土工網(wǎng)墊的設計指標問題，并提出了三維土工網(wǎng)墊植草護坡技術的施工程序和技術要點；王廣月等[13]采用極限平衡法建立了降雨條件下防護邊坡穩(wěn)定性分析模型，并通過模擬計算分析了土體含水率、邊坡角度、鉚釘間距、格室坡長、坡面沖刷和格室深度對其穩(wěn)定性的影響；劉曉路等[14]針對邊坡坡度對網(wǎng)墊的要求，不同地區(qū)草種的選擇和生態(tài)防護體系的養(yǎng)護等影響三維土工網(wǎng)護坡效果的因素進行了全面的分析；陳人豪等[15]詳細分析了邊坡角度、水流量、鋪沙量和沖刷時間等對三維固土網(wǎng)墊防水沖刷性能的影響，進而對邊坡角度、沖刷時間、鋪沙量和水流量等因素對各種三維土工網(wǎng)墊的影響進行了比較全面的研究。然而，上述研究主要側重于坡體穩(wěn)定、水土保持功效、養(yǎng)護和水土流失的環(huán)境影響評價方面，而忽略了坡面侵蝕問題。鑒于此，本文主要針對三維土工網(wǎng)坡面的結構特征，通過室內放水沖刷模擬試驗，揭示三維土工網(wǎng)防護坡面土壤侵蝕過程，闡明不同坡度、不同流量條件下，三維土工網(wǎng)坡面侵蝕動力與侵蝕產沙的關系，以期發(fā)展這類特殊坡面流動的侵蝕特點和規(guī)律，為科學設計三維土工網(wǎng)防護邊坡提供科學依據(jù)和技術支撐。

1 試驗設備與方案設計

試驗采用規(guī)格為5.6 m×1.0 m×0.5 m自制有機玻璃水槽，并配置導軌式液壓變坡系統(tǒng)，使水槽坡度可在0°～45°變化。沖刷供水系統(tǒng)由蓄水池、定水頭水箱、穩(wěn)流槽等多個部分組成。其中穩(wěn)流槽設置在水槽頂端，其內按順序設置了20 cm高的無孔鋼擋板、50 cm高的鏤空大孔鋼擋板以及50 cm高的鏤空小孔鋼擋板，用以消除水流的局部紊動。沖刷流量從電磁流量計上直接讀出，并可通過閥門組控制大小。

試驗采用型號為EM3的三維土工網(wǎng)墊，其規(guī)格為：厚度18 mm，寬度1 m，拉伸負荷大于3.2 k N/m，延伸率為70%。為還原土質邊坡實際性狀及保證三維土工網(wǎng)墊在同一水平面上，在鋪設網(wǎng)墊之前先在水槽內分層填入15 cm厚的土并用水準尺找平。鋪設時，保證網(wǎng)墊端正、緊貼坡面，每隔50 cm設置一行U型錨釘，每行3個，等距分布。固定好網(wǎng)墊后，均勻覆土，每平方米覆土量以重量控制。用木條將土刮入并充滿網(wǎng)墊網(wǎng)包，壓實后清除浮土，整平坡面。試驗使用濟南長清地區(qū)的砂質粉土，通過室內標準擊實試驗可測得該土的最大干密度為1.853 g/cm3，最佳含水率為13.8%。通過密度計法測得試驗用粉土的顆粒級配，所得數(shù)據(jù)列于表1。

表1 試驗用砂質粉土的顆粒級配

試驗中，坡面流流速的測量采用高錳酸鉀示蹤法，每2 min測定一次流速，采用在坡面上、中、下3處分別測定流速取三者均值的方法。為確定坡面流含砂率每1 min接取500 ml左右的渾水試樣，用量筒精確測定其體積，用電子天平秤其質量，最后用置換法換算出各試樣的含砂率。在沖刷的過程中還需測定坡面流水面寬度及觀測三維土工網(wǎng)墊的出露情況，在沖刷結束后，測定沖刷深度。

試驗采用1，1.5，2 m3/h共3個沖刷變化流量和5°，10°，15°，20°，25°，30°共6個變化坡度，共進行18組試驗，每次試驗持續(xù)沖刷30 min。

2 結果與分析

2.1 坡面流侵蝕的基本特性

圖1為三維土工網(wǎng)防護邊坡沖刷初期和末期的坡面狀況。由于三維土工網(wǎng)墊的作用，邊坡表現(xiàn)出特殊的土壤侵蝕特性。沖刷初期，由于坡面存在一定數(shù)量的浮土，泥沙顆粒極易啟動被搬運，導致沖刷初期階段，坡面流的含沙率較大，且坡面較為平整，三維網(wǎng)墊幾乎還未出露在坡面上。坡面流所受阻力較小，有較多的能量用于侵蝕、搬運坡面土體。隨著坡面流沖刷的進行，網(wǎng)墊內土顆粒由于受到網(wǎng)墊的束縛作用難以被沖出，雖然沖刷初期坡面流含沙率較大，但是存在急劇下降現(xiàn)象。隨著時間的推移，三維土工網(wǎng)墊外的土進一步被坡面流挾帶、搬運，導致網(wǎng)墊網(wǎng)包層幾乎完全出露在邊坡表面，坡面流阻力系數(shù)不斷增大，侵蝕難度不斷增強。在沖刷的末期，流域內網(wǎng)外土體幾乎已全部被搬運，流量相同、坡度不同試驗條件下的任一坡面流所具有的能量都不能使網(wǎng)包內的大部分土體克服網(wǎng)包束縛被搬運，所以此時段內的含沙率極小。沖刷的最后5 min所得的坡面流試樣含沙率僅為0.01～0.04 g/cm3，且多數(shù)為0.02 g/cm3，此時肉眼幾乎不能辨認坡面流是否含沙。

2.2 累積侵蝕量變化規(guī)律

在不同流量、不同坡度下測量泥沙含量，計算得到3個流量下不同坡度的累積含沙量變化，由圖2可知，3個試驗流量條件下，不同坡度的累積侵蝕量隨沖刷的進行而不斷增大，且具有較為一致的變化規(guī)律：沖刷最初的7 min內，累積侵蝕量增長迅速；隨著沖刷的進行，累積侵蝕量增加逐漸減緩；沖刷末期，由于坡面流含砂率幾乎為零，累積侵蝕量的增長極其緩慢；同一流量下，在相同的時間內，泥沙累積侵蝕量隨坡度增大而增大。

圖1 沖刷初期、末期坡面流

圖2 不同流量、不同坡度條件下累計侵蝕量隨時間的變化

2.3 累積侵蝕量在各沖刷時間段內的比例

由表2可知，在不同坡度和流量的試驗條件下，前10 min內的累積侵蝕量占總侵蝕量的70%左右。沖刷初期，在坡度為10°，流量為2 m3/h的試驗條件下，累積侵蝕量占總侵蝕量的78.51%，是整個試驗中對應的最大值；在坡度為5°，流量為1.5 m3/h的試驗條件下，該數(shù)值為61.33%，是整個試驗中對應的最小值。11～20 min內的累積侵蝕量占總侵蝕量的20%左右。在坡度為5°，流量為1.5 m3/h的試驗條件下，該數(shù)值為22.80%，是整個試驗中對應的最大值；在坡度為10°，流量為2 m3/h的試驗條件下，該數(shù)值僅為12.13%，是整個試驗中對應的最小值。21～30 min內的累積侵蝕量占總侵蝕量的10%左右。分析原因認為：沖刷初期，邊坡表面具有較多可蝕土壤顆粒，較容易被水流沖刷，使得累積侵蝕量迅速增長；隨著沖刷歷時的增加，邊坡表面易被沖刷的土壤顆粒多數(shù)已被侵蝕，相對初期較大的累積侵蝕量增長速度有較大減緩，坡面被沖刷下來的土壤顆粒主要來自三維土工網(wǎng)墊外的凹處部分；沖刷末期，三維土工網(wǎng)墊外的土顆粒多數(shù)已被侵蝕，而網(wǎng)包內的土顆粒由于網(wǎng)墊的包裹作用不容易被水流沖出，導致累計侵蝕量增長緩慢。進一步說明三維土工網(wǎng)的存在將坡面流對邊坡的侵蝕阻滯在面狀侵蝕階段，使得每分鐘對應的侵蝕量隨沖刷的進行而減小，并在沖刷末期趨于穩(wěn)定。

表2 各時間段內累計侵蝕量

2.4 沖刷流量、坡度對坡面侵蝕產沙量的貢獻率

坡度和流量的變化會導致侵蝕效果的不同，兩者對侵蝕量的影響采用計算貢獻率[16]的方法進行量化。分別以1 m3/h為流量基準、5°為坡度基準對1 m3/h和1.5 m3/h沖刷流量以及1 m3/h和2 m3/h沖刷流量作用下各坡度和流量變化對累積侵蝕量的貢獻率進行分析，具體計算方法見表3、表4。

由表3、表4可見，當流量由1 m3/h增大到1.5 m3/h，坡度增大對累積侵蝕量的貢獻率總體呈增大趨勢，但流量對累積侵蝕量的變化起主導作用，流量變化對累積侵蝕量變化的最小貢獻率為51.81%；當流量由1 m3/h增大到2 m3/h時，仍然存在隨著坡度增大，累積侵蝕量的貢獻率增大、流量對累積侵蝕量起主導作用的規(guī)律，且流量對累積侵蝕量的貢獻率比流量較小時更加顯著，流量由1 m3/h增大到2 m3/h時，流量對累積侵蝕量的貢獻率最小值達到69.03%。分析原因認為：由于三維土工網(wǎng)墊的護坡作用，邊坡在遭遇沖刷侵蝕時，坡度對累積侵蝕量的影響大大減弱。坡面流能夠挾帶的泥沙多數(shù)為邊坡表面上、三維土工網(wǎng)墊外的坡面土體。雖然隨著坡度的增大，能夠轉化成動能的坡面流勢能有所增大，但其增大程度不足以主導累積侵蝕量的變化。而沖刷流量變化時，導致坡面徑流量激增，坡面流水深增加且紊動性變強，坡面流對邊坡表面的剪切力和剝蝕作用變大。對于經(jīng)過坡面流沖刷、土體穩(wěn)定性變差的坡面，流量變大對其的侵蝕作用存在放大效應，造成坡度變化對累積侵蝕量的影響被掩蓋。

表3 流量為1 m3/h和1.5 m3/h試驗條件下各坡度、沖刷流量對侵蝕的貢獻率

表4 流量為1 m3/h和2 m3/h試驗條件下各坡度、沖刷流量對侵蝕的貢獻率

2.5 累積侵蝕量與坡度的關系

根據(jù)試驗所得數(shù)據(jù)，得出三維土工網(wǎng)防護邊坡累積侵蝕量與坡度的關系。從圖3中可看出：坡度是影響邊坡侵蝕的主要因素之一。邊坡存在坡面流的情況下，坡度較小時，隨著坡度的增加，坡面流水深減小、流速增大，挾帶泥沙的水流和坡面相互作用增強。所以坡度的增大，不僅使坡面流勢能轉化成動能的部分增大，而且也使坡面流有效切應力增大，侵蝕量隨之增大。對1，1.5，2 m3/h沖刷流量下，各坡度與對應的累積侵蝕量進行曲線擬和，結果表明：累積侵蝕與水力坡降呈正相關的冪函數(shù)關系，即累積侵蝕量隨坡度的增大而增加，擬合結果見表5。

2.6 累積侵蝕量與雷諾系數(shù)的關系

采用包含坡面粗糙度的繞流雷諾系數(shù)來分析坡面流流態(tài)，其公式為

式中：u為坡面流平均流速（m/s）；R為坡面絕對粗糙度（m），在本次試驗中取沖刷深度；ν為運動粘滯系數(shù)（cm2/s）。

表5 累積侵蝕量和坡度間關系的擬和結果

圖4給出了坡面累計侵蝕量隨雷諾系數(shù)的變化規(guī)律，可以看出：試驗中雷諾系數(shù)在1 198～10 529范圍內變化，均大于臨界雷諾系數(shù)500，即三維土工網(wǎng)防護邊坡的坡面流為紊流。流態(tài)為紊流時，一般流體流速較大，流場中存在許多漩渦，流線幾乎不可辨認。雷諾系數(shù)越大，由紊動產生的附加切應力越大，坡面流對邊坡的侵蝕作用也越強烈。對累積侵蝕量和雷諾系數(shù)進行冪函數(shù)擬和，可得到M=0186Re0.672，相關系數(shù)R2=0.9429，見圖4。以此可以說明，坡面流流態(tài)對邊坡累積侵蝕量的影響顯著。

圖3 累積侵蝕量與坡度的關系

圖4 累積侵蝕量和雷諾系數(shù)的關系

3 結論

（1）沖刷初期，坡面流含有大量泥沙。在沖刷過程中，泥沙含量急劇下降，且在沖刷末期基本達到穩(wěn)定。在任何坡度、任何流量下，沖刷末期的含沙率在0.01～0.04 g/cm3波動。（2）累積侵蝕量隨坡度和流量的增大而增大，且沖刷最初10 min內得到的侵蝕量占侵蝕總量的70%左右。（3）坡面侵蝕產沙過程中，隨著流量和坡度增大，累積侵蝕量的貢獻率增大，但流量對累積侵蝕量起主導作用，尤其流量較大時更加顯著。（4）累積侵蝕量與坡度呈正相關的冪函數(shù)關系，相關性顯著；三維土工網(wǎng)防護邊坡的坡面流為紊流，累積侵蝕量與雷諾系數(shù)的關系可以表示為：M=0186Re0.672，相關系數(shù)R2=0.9429。（5）侵蝕土壤的顆粒分布和顆粒分布隨時間的變化規(guī)律，尚需開展一系列相關試驗研究。

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Test and Study on Erosion Characteristics of 3D Geonet Protection Slope

WANG Guangyue，WANG Yan，XU Ni
（School of Civil and Hydraulic Engineering，Shandong University，Ji′nan250061，China）

Aming to explore the erosion charateristic of 3D geonet protection slope，we quantitatively tested the erosion process and erosion characteristics of 3D geonet protection slope based on laboratory simulation runoff scouring experiments under the different slope gradients（5°，10°，15°，20°，25°，30°）and the different flow discharges（1 m3/h，1.5 m3/h，2 m3/h）.The experimental results show that：（1）cumulated erosion increases with the increase of slope gradients and flow discharges，at the same time，the amount of erosion occurring in the first 10 minutes takes up 70%of the total，while the sand content of overland flow fluctuates within 0.01～0.04 g/cm3at the end of scouring period；（2）the contribution rate of cumulated erosion increases with the increase of slope gradient，while the flow discharge plays a leading role in the process；under the condition of large flow discharge，the flow discharge contribution rate of cumulated erosion is more significant than the small flow discharge；（3）the relation between cumulated erosion and slope gradients significantly follows the power function；（4）the overland flow pattern of 3D geonet protection slope is turbulent flow，and the relationship between cumulated erosion and Reynolds number can be described as：M=0.186Re0.672（R2=0.9429）.

3D geomat；overland flow；soil erosion

TV131;S157

A

1005-3409（2017）01-0079-05

2016-01-04

2016-03-04

國家自然科學基金“三維土工網(wǎng)防護邊坡坡面流特性及侵蝕動力機制研究”（11372165）

王廣月（1963—），男，山東菏澤人，教授，主要從事土工合成材料應用及生態(tài)邊坡坡面侵蝕動力機制研究。E-mail：wgyue＠sdu.edu.cn