董楚寧，周 曾*，陳文猛，金 秋，錢(qián) 鈞，龔 政

(1.江蘇省海岸海洋資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境安全重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇 南京 210098； 2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098； 3.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017； 4.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210098)

1 研究背景

江蘇沿海墾區(qū)土壤具備高鹽分、低植被覆蓋度的特點(diǎn)，土壤顆粒以粗粉砂和細(xì)砂為主，土壤有機(jī)質(zhì)含量低，結(jié)構(gòu)性較差，在夏季長(zhǎng)歷時(shí)強(qiáng)降雨條件下極易發(fā)生水力侵蝕，為改善墾區(qū)水土流失問(wèn)題，現(xiàn)考慮引用加筋植草型生態(tài)護(hù)坡技術(shù)來(lái)對(duì)墾區(qū)渠道邊坡進(jìn)行坡面生態(tài)防護(hù)[1-2]。加筋植草型生態(tài)護(hù)坡技術(shù)是指在原有植被覆蓋基礎(chǔ)上，對(duì)植被根系加筋，維持植被根系穩(wěn)定的同時(shí)，更好地穩(wěn)固泥沙顆粒，從而提高邊坡抗侵蝕性[3-4]。其優(yōu)勢(shì)在于其開(kāi)放性和保護(hù)生物多樣性，對(duì)于生物的棲息環(huán)境影響較小，能夠給工程應(yīng)用區(qū)域提供更加合理的生物配置，同時(shí)促進(jìn)水生態(tài)系統(tǒng)的平衡和自我修復(fù)，也能夠滿足對(duì)改善渠道邊坡土壤條件及環(huán)境問(wèn)題的需求[5-6]。

加筋植草型生態(tài)護(hù)坡防護(hù)機(jī)制在于通過(guò)地表以上植被削弱雨滴擊濺及徑流紊動(dòng)，增大坡面水力糙度，減小水流流速降低坡面沖刷，水土保護(hù)毯與根系、土壤緊密結(jié)合，提高坡面土壤抗剪強(qiáng)度，從而提高邊坡穩(wěn)定性[7-9]。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)加筋生態(tài)護(hù)坡水力特性的研究已有很多成果，通過(guò)大量物理模型及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)分析抗剪抗沖性能來(lái)探討坡面達(dá)到侵蝕狀態(tài)時(shí)最大徑流流速及土壤-根系-材料復(fù)合體抗剪強(qiáng)度閾值等，但現(xiàn)有研究針對(duì)加筋生態(tài)護(hù)坡產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律及減流減沙特性的成果仍較少[10-12]。在天然降雨條件下，降雨歷時(shí)，降雨強(qiáng)度等均是隨機(jī)、不規(guī)律的[13]，為更好地探討降雨條件下生態(tài)護(hù)坡水力侵蝕規(guī)律及減流減沙效應(yīng)，驗(yàn)證加筋植草型生態(tài)護(hù)坡在江蘇沿海墾區(qū)的適用性及其水土防護(hù)的優(yōu)越性，本文采用室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)，分別研究持續(xù)性降雨、變雨強(qiáng)降雨、間歇性降雨條件下水力侵蝕規(guī)律；設(shè)計(jì)不同工況下試驗(yàn)組次，對(duì)比分析不同護(hù)坡類型及天然裸坡產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)在江蘇省水利科學(xué)研究院沿海降雨大廳試驗(yàn)基地完成，降雨大廳內(nèi)所采用的人工降雨模擬裝置主要由供水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和管道系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)可在15 m×8 m的面積內(nèi)完成降雨作業(yè)。其中降雨噴頭距變角度鋼槽高度約20 m，共分為3個(gè)降雨區(qū)域，每個(gè)降雨區(qū)域均可獨(dú)立操控，降雨強(qiáng)度在20～180 mm/h范圍內(nèi)變化，可設(shè)置微雨、小雨、中雨、大雨、暴雨及組合降雨強(qiáng)度。該套人工降雨試驗(yàn)設(shè)備可模擬98%近似度自然降雨，本試驗(yàn)應(yīng)用變角度鋼槽來(lái)模擬自然狀態(tài)下墾區(qū)渠道邊坡，由千斤頂驅(qū)動(dòng)調(diào)整鋼槽角度在0°～30°變化直至滿足試驗(yàn)需求，鋼槽尺寸為4 m×2 m×0.5 m。變角度鋼槽頂端設(shè)有直徑5 cm的出水口，用來(lái)連接水土流失測(cè)量?jī)x并監(jiān)測(cè)徑流量及流失泥沙數(shù)據(jù)。

本試驗(yàn)研究背景區(qū)域位于江蘇沿海墾區(qū)，墾區(qū)土壤含鹽量較高，因此植被選擇上考慮耐鹽植被，最終選擇狗牙根，狗牙根植被耐鹽性較好，具有發(fā)達(dá)的根狀莖和細(xì)長(zhǎng)的匍匐莖，匍匐莖在坡面上穿插交織，能夠很好得固定表層土體。坡面以上莖葉部分，可增大水力糙率，減小徑流水體近底水流流速，狗牙根根系埋深在土壤中，可通過(guò)蒸騰作用吸收土體水分，進(jìn)而在土體內(nèi)部產(chǎn)生吸力，有利于維持土體穩(wěn)定。狗牙根植被播種到萌芽約7 d，生長(zhǎng)發(fā)育成熟約50 d。

Enkamat?型材料是一種由聚酰胺單絲纖維制成的三維網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)形式材料，對(duì)環(huán)境無(wú)毒害，耐紫外線、耐化學(xué)攻擊，具有超過(guò)95%的孔隙率，由于其三維開(kāi)孔結(jié)構(gòu)和較高的孔隙率，可以阻滯泥沙顆粒的移動(dòng)，確保表面表面填土的整體性和穩(wěn)定性，同時(shí)Enkamat?型材料也能創(chuàng)造有利于狗牙根草種發(fā)芽的微觀環(huán)境，促進(jìn)植被快速生長(zhǎng)發(fā)育，在邊坡形成根系-材料復(fù)合防護(hù)體系。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置持續(xù)性降雨、間歇性降雨及變降雨強(qiáng)度3組對(duì)照試驗(yàn)，坡度均設(shè)置為25°，其中持續(xù)性降雨設(shè)置降雨歷時(shí)90 min，降雨強(qiáng)度160 mm/h；間歇性降雨單組試驗(yàn)分3次進(jìn)行，試驗(yàn)總歷時(shí)150 min，降雨強(qiáng)度120 mm/h，每次降雨30 min，每次降雨時(shí)間的間隔均為30 min；變降雨強(qiáng)度試驗(yàn)依次設(shè)置160 mm/h、80 mm/h、120 mm/h降雨強(qiáng)度交替試驗(yàn)，單個(gè)降雨強(qiáng)度下模擬降雨歷時(shí)30 min，本組實(shí)驗(yàn)總歷時(shí)90 min，試驗(yàn)每隔5 min記錄徑流含沙量及泥沙侵蝕量，分析徑流含沙量及泥沙累積侵蝕量隨降雨歷時(shí)變化規(guī)律。

對(duì)比試驗(yàn)統(tǒng)一設(shè)置降雨強(qiáng)度為120 mm/h，坡度統(tǒng)一調(diào)整至25°，共使用7臺(tái)變角度鋼槽，裝置表面材料鋪設(shè)情況分別為Enkamat?7220+植被，Enkamat?7020+植被，Enkamat?7220+植被根系，Enkamat?7020+植被根系，僅植被，僅根系，裸坡。共設(shè)置7組對(duì)比試驗(yàn)，從邊坡表面沖刷情況、徑流含沙量及泥沙累計(jì)侵蝕量、減流抗沖刷特性幾個(gè)方面對(duì)比分析，驗(yàn)證Enkamat?材料結(jié)合植被的水土防護(hù)效果。

3 結(jié)果分析

3.1 不同降雨條件下泥沙濃度變化

分析圖1試驗(yàn)結(jié)果，持續(xù)性降雨條件下，徑流含沙量先隨降雨歷時(shí)增大而增大，因降雨強(qiáng)度較大，大量坡面泥沙發(fā)生起動(dòng)，懸浮在水體中，泥沙濃度上升趨勢(shì)很明顯，在25 min時(shí)上升至峰值。隨著模擬降雨的繼續(xù)進(jìn)行，泥沙濃度曲線回落并發(fā)生波動(dòng)，整體呈下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)樵趶?qiáng)降雨條件下，坡面泥沙侵蝕方式發(fā)生改變，大量原邊坡表面泥沙懸浮在水體中被徑流搬運(yùn)，新露出的泥沙層較原表面松散泥沙更難被侵蝕，導(dǎo)致坡面泥沙供給能力降低，因此泥沙濃度整體呈下降趨勢(shì)，隨著侵蝕過(guò)程的繼續(xù)，在降雨后期階段，強(qiáng)烈的坡面局部沖刷則是泥沙濃度發(fā)生波動(dòng)的主要因素，由于坡面泥沙發(fā)生大量侵蝕，坡面局部由Enkamat?型材料露出，增強(qiáng)了對(duì)徑流的阻滯作用，這也是泥沙濃度整體下降的原因。

變雨強(qiáng)降雨條件下，前期泥沙濃度同樣先突然上升，達(dá)到峰值后發(fā)生回落，曲線變化趨勢(shì)與持續(xù)性降雨保持一致。而在30 min后，因降雨強(qiáng)度由160 mm/h突然降低至80 mm/h，泥沙濃度下對(duì)隨降雨強(qiáng)度變化響應(yīng)很強(qiáng)烈，30～35 min泥沙濃度有明顯下降趨勢(shì)。由于Enkamat?型生態(tài)護(hù)坡具有良好的蓄水效應(yīng)，此時(shí)邊坡仍處于飽和入滲條件，而降雨強(qiáng)度降低，導(dǎo)致坡面徑流量及徑流紊動(dòng)條件減弱，徑流挾沙能力下降，因此在30～60 min降雨階段，徑流泥沙含沙量在較低的數(shù)值附近波動(dòng)。當(dāng)降雨歷時(shí)60 min后，增大降雨強(qiáng)度至120 mm/h，泥沙濃度先整體下降，說(shuō)明在該階段，坡面侵蝕方式發(fā)生變化，隨著新的侵蝕過(guò)程繼續(xù)發(fā)生，泥沙濃度再次升高，達(dá)到峰值后回落，并且在120 mm/h降雨強(qiáng)度下達(dá)到的峰值遠(yuǎn)超過(guò)80 mm/h降雨強(qiáng)度下泥沙濃度峰值。

分析間歇性模擬降雨試驗(yàn)結(jié)果，可看出該組試驗(yàn)單次降雨過(guò)程中，泥沙濃度隨降雨歷時(shí)變化趨勢(shì)與前組試驗(yàn)趨勢(shì)保持一致，也是先上升后回落。而在65 min時(shí)觀測(cè)到泥沙濃度數(shù)值比30 min時(shí)僅略有下降，且大于5 min時(shí)泥沙濃度值，原因在于Enkamat?型生態(tài)護(hù)坡具有良好的蓄水效應(yīng)，因此，即使每2次試驗(yàn)時(shí)間間隔30 min，在第2次降雨時(shí)，仍可很快達(dá)到邊坡滲透條件，產(chǎn)生徑流從而發(fā)生坡面侵蝕。觀察3次試驗(yàn)?zāi)嗌碀舛茸兓?guī)律，第1次試驗(yàn)和第2次試驗(yàn)?zāi)嗌碀舛确逯迪嗖畈淮?，而?次試驗(yàn)?zāi)嗌碀舛冗h(yuǎn)小于前2次，原因也在于坡面侵蝕方式發(fā)生了變化。

圖1 泥沙濃度隨降雨歷時(shí)變化規(guī)律

3.2 不同降雨條件下泥沙侵蝕量變化

分析圖2試驗(yàn)結(jié)果，在持續(xù)性降雨條件下，降雨泥沙侵蝕量隨降雨歷時(shí)而增大，但隨著降雨歷時(shí)的繼續(xù)，因降雨強(qiáng)度較大，坡面侵蝕方式會(huì)逐漸發(fā)生改變，泥沙侵蝕量增大幅度略減小。

變雨強(qiáng)降雨條件下，坡面泥沙侵蝕量隨降雨強(qiáng)度增加整體呈增大趨勢(shì)，且泥沙侵蝕量增大幅度對(duì)降雨強(qiáng)度改變的響應(yīng)較強(qiáng)烈，在80 mm/h降雨階段，泥沙侵蝕量增大幅度明顯降低，而在120 mm/h降雨階段下，泥沙侵蝕量侵蝕增加幅度又隨著降雨強(qiáng)度增大而升高。

在間歇性降雨條件下，單組中3次試驗(yàn)?zāi)嗌城治g量均隨降雨歷時(shí)增大而增大，單次試驗(yàn)始末泥沙侵蝕量差值分別為4.13 kg、5.05 kg、2.11 kg，可看出第3次泥沙侵蝕量差值小于前2次。結(jié)合圖1中泥沙濃度變化趨勢(shì)，第3次試驗(yàn)中泥沙濃度整體較前2次降低，驗(yàn)證了第3次試驗(yàn)?zāi)嗌城治g量差值最小的原因是坡面侵蝕方式發(fā)生改變，泥沙供給能力降低，表面泥沙在該階段較難沖刷，所以在第3次降雨試驗(yàn)中，泥沙侵蝕量增大速率減緩。

圖2 泥沙侵蝕量隨降雨歷時(shí)變化規(guī)律

3.3 坡面沖刷情況對(duì)比

由于Enkamat?材料與狗牙根植被同土壤的有機(jī)結(jié)合，提高了邊坡截流能力和保水能力，從開(kāi)始降雨約3 min后，達(dá)到邊坡土壤滲透條件產(chǎn)生表面徑流，有Enkamat?材料及植被組合防護(hù)的邊坡表面徑流分布相對(duì)均勻，水流流速因植被阻滯作用而減小，水體紊動(dòng)較弱，在降雨過(guò)程前中期未產(chǎn)生劇烈的局部沖刷，直至降雨后期產(chǎn)生局部沖刷，坡腳處侵蝕最嚴(yán)重，存在Enkamat?材料出露現(xiàn)象，但整體侵蝕情況不是特別劇烈。

未施加任何防護(hù)措施的裸坡在降雨條件下，雨滴直接作用在邊坡表面，起動(dòng)了部分表面泥沙顆粒，隨著較大降雨強(qiáng)度下降雨過(guò)程的進(jìn)行，很快(約120 s)坡面開(kāi)始產(chǎn)生徑流，徑流流速隨著降雨歷時(shí)增大而加快，且邊坡表層土壤含水率增大至飽和后，土壤特性發(fā)生變化，抗剪強(qiáng)度降低，而徑流量及徑流水深逐漸增加，徑流對(duì)邊坡表面的沖刷越來(lái)越劇烈，隨著降雨過(guò)程的繼續(xù)，坡面發(fā)生嚴(yán)重的局部沖刷，如下圖因局部沖刷產(chǎn)生了3條明顯的溝，坡面受到嚴(yán)重侵蝕。2種工況最終沖刷結(jié)果對(duì)比,見(jiàn)圖3。

圖3 生態(tài)護(hù)坡及裸坡工況下最終沖刷結(jié)果對(duì)比圖

3.4 不同工況下徑流含沙量變化

設(shè)置坡度25°，降雨強(qiáng)度120 mm/h，分析組不同布置工況下徑流水體含沙量隨降雨歷時(shí)變化趨勢(shì)如圖4所示，Enkamat?7020及Enkamat?7220型生態(tài)護(hù)坡工況下徑流含沙量隨時(shí)間變化趨勢(shì)相對(duì)平穩(wěn)，其他幾組工況條件下徑流含沙量降雨前期迅速增高后，達(dá)到峰值后趨于平穩(wěn)，整體均略有下降，峰值處裸坡條件下徑流含沙量整體約是Enkamat?型生態(tài)護(hù)坡4.5倍，且始終遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他工況。

在降雨進(jìn)行20 min后，除Enkamat?7220及7020型生態(tài)護(hù)坡工況，其他5組工況下徑流含沙量均回落，其中裸坡工況下徑流含沙量回落較顯著，這是因?yàn)槁闫鹿r在降雨20 min后坡面侵蝕方式發(fā)生了改變，坡面泥沙供給能力降低。在僅保持植被根系條件下，徑流含沙量與裸坡工況差值較大，原因狗牙根根系具有固土作用，提高了土壤的穩(wěn)定性。對(duì)比Enkamat?7020及7220+根系工況與僅種植狗牙根植被工況，三者徑流量變化趨勢(shì)及差值相差不大，這說(shuō)明Enkamat?材料本身也具有固土作用，能夠提高邊坡穩(wěn)定性。

圖4 不同工況下徑流含沙量隨時(shí)間變化規(guī)律

3.5 不同工況下泥沙侵蝕量變化

設(shè)置坡度25°，降雨強(qiáng)度120 mm/h，分析組不同布置工況下泥沙侵蝕量隨降雨歷時(shí)變化趨勢(shì)，分析各工況下徑流含沙量隨時(shí)間變化規(guī)律如圖5所示，7組工況在整個(gè)試驗(yàn)降雨過(guò)程中，隨著降雨過(guò)程的繼續(xù)，泥沙侵蝕量始終保持增大趨勢(shì)，裸坡工況在降雨前期泥沙侵蝕量增大幅度最大，在降雨后10 min階段，Enkamat?7220及7020型生態(tài)護(hù)坡工況泥沙侵蝕量增加趨勢(shì)變緩，說(shuō)明Enkamat?型生態(tài)護(hù)坡主要侵蝕階段在降雨過(guò)程的前中期。Enkamat?7220型生態(tài)護(hù)坡最終泥沙侵蝕量略高于Enkamat?7220型工況，這說(shuō)明 Enkamat?7220型生態(tài)護(hù)坡防護(hù)效果整體略好于Enkamat?7020，而Enkamat?型生態(tài)護(hù)坡最終泥沙侵蝕量約為裸坡工況最終泥沙侵蝕總量30%，這很好地驗(yàn)證了Enkamat?型生態(tài)護(hù)坡在固土、提高邊坡穩(wěn)定性上具有良好效果。

圖5 不同工況下泥沙侵蝕量隨降雨歷時(shí)變化規(guī)率

3.6 減流特性

本組試驗(yàn)對(duì)照裸坡及Enkamat?型生態(tài)護(hù)坡，控制坡度25°，降雨強(qiáng)度120 mm/h，降雨量80 mm下做沖刷對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)水土流失儀監(jiān)測(cè)整個(gè)降雨過(guò)程中累積徑流量隨時(shí)間變化規(guī)律。

圖6 不同工況下徑流量隨降雨歷時(shí)變化規(guī)率

表1 不同工況下前20min泥沙侵蝕量占總侵蝕量百分比

分析圖6結(jié)果可看出：不同工況下，徑流量均隨降雨歷時(shí)增大而增大。而在30 min降雨過(guò)程結(jié)束時(shí)，不同工況下坡面產(chǎn)流情況差別較大。其中裸坡產(chǎn)流量約為僅種植植被護(hù)坡2倍，這體現(xiàn)了植被生態(tài)護(hù)坡的保水能力，裸坡產(chǎn)流量約為Enkamat?型生態(tài)護(hù)坡6倍，說(shuō)明植被—材料—土壤三者的結(jié)合，更好得發(fā)揮出生態(tài)護(hù)坡的蓄水截流特性。

3.7 減沙特性

本組試驗(yàn)對(duì)照裸坡及Enkamat?型生態(tài)護(hù)坡，控制坡度25°，降雨強(qiáng)度120 mm/h，降雨量80 mm下做沖刷對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)合圖4，各組工況下徑流含沙量在降雨歷時(shí)20 min后呈降低趨勢(shì)，將本組試驗(yàn)前20 min泥沙侵蝕量占總泥沙侵蝕量百分比結(jié)果列于表1。

分析表1中數(shù)據(jù)，暴雨條件下，降雨歷時(shí)進(jìn)行至20 min時(shí)，各工況坡面泥沙侵蝕量幾乎均占總泥沙侵蝕量70%以上，坡面泥沙流失過(guò)程主要發(fā)生在降雨中期前。20 min后至降雨結(jié)束，各工況下泥沙侵蝕量占總坡面泥沙流失量比重約8 %～30 %，這是因?yàn)樵诒┯陾l件下，降雨后期階段坡面侵蝕方式發(fā)生了變化。而該時(shí)刻各工況泥沙侵蝕量相差較大，說(shuō)明不同水土防護(hù)措施的布置，影響坡面侵蝕過(guò)程，侵蝕方式發(fā)生改變的階段也不同。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)模擬降雨沖刷試驗(yàn)，對(duì)比不同降雨條件及不同工況下邊坡產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律，驗(yàn)證了加筋生態(tài)護(hù)坡在江蘇沿海墾區(qū)的適用性及水土保持效果的優(yōu)越性，為墾區(qū)生態(tài)軟防護(hù)工程提供了理論依據(jù)，最終得出以下結(jié)論：

(1)降雨強(qiáng)度的改變影響Enkamat?型生態(tài)護(hù)坡坡面侵蝕過(guò)程，坡面從較弱侵蝕逐漸向局部強(qiáng)烈沖刷過(guò)渡，會(huì)逐漸伴隨產(chǎn)生新的侵蝕方式；

(2)Enkamat?材料本身也具有對(duì)于表層泥沙顆粒的穩(wěn)固作用，Enkamat?型生態(tài)護(hù)坡在降雨過(guò)

程中徑流含沙量隨降雨歷時(shí)增大而升高，后略下降并趨于平穩(wěn)；

(3)Enkamat?型生態(tài)護(hù)坡主要侵蝕階段仍在前中期，Enkamat?7220型生態(tài)護(hù)坡防護(hù)效果略好于Enkamat?7020，Enkamat?型生態(tài)護(hù)坡最終泥沙侵蝕量約為裸坡工況最終泥沙侵蝕總量30%，說(shuō)明Enkamat?型材料具有很好的水土防護(hù)效果；

(4)降雨量相同情況下，Enkamat?型生態(tài)護(hù)坡由于其良好的蓄水效應(yīng)減少了坡面徑流量，坡面產(chǎn)流量約為裸坡條件下17%；

(5)變降雨強(qiáng)度試驗(yàn)及間歇性降雨試驗(yàn)很好地驗(yàn)證了降雨強(qiáng)度影響坡面侵蝕方式，也反映出Enkamat?型生態(tài)護(hù)坡具有很好的蓄水特性。