余 飛, 夏 棟, 劉文景, 夏 露, 許文年

(1.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心, 湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學(xué) 生物與制藥學(xué)院,湖北 宜昌 443002; 3.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院, 湖北 宜昌 443002; 4.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院, 湖北 宜昌 443002)

工程建設(shè)中經(jīng)常會形成大量裸露邊坡，這些裸露邊坡因其環(huán)境惡劣，缺乏維持植被生長的必要條件，難以恢復(fù)到原有生態(tài)水平[1]。隨著人們對環(huán)境保護(hù)重視程度的逐漸提高，巖質(zhì)邊坡護(hù)坡技術(shù)也在不斷完善，傳統(tǒng)護(hù)坡技術(shù)(如噴混凝土、水泥抹面、漿砌片石等)，生態(tài)環(huán)境效益較差[2]，已無法滿足人們的生態(tài)景觀需要。因此，植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)應(yīng)時(shí)而生，現(xiàn)已發(fā)展為生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。

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，對邊坡進(jìn)行防護(hù)和綠化的一項(xiàng)綜合環(huán)保技術(shù)，其技術(shù)核心是生態(tài)改良劑，該技術(shù)根據(jù)邊坡特點(diǎn)來確定水泥、土、有機(jī)質(zhì)、保水劑、長效肥、生態(tài)改良劑及植物種子的配比，將以上各組分混合攪拌均勻即為植被混凝土，通過噴播機(jī)將拌和好的植被混凝土噴射到邊坡上，形成植被混凝土坡面，既能達(dá)到力學(xué)防護(hù)要求，又能營造良好的植物生長環(huán)境，自發(fā)明以來，已被廣泛用于各類植被恢復(fù)工程中[3-4]。目前，對植被混凝土的研究主要在基材配比[5-6]、力學(xué)特征[7-8]、養(yǎng)分等[9-10]方面，對其侵蝕方面的研究還比較少。土壤侵蝕是在土壤和降雨徑流共同作用下發(fā)生的侵蝕—搬運(yùn)—輸移—再搬運(yùn)的過程[11]。楊奇等[12]通過制作含有不同比例水泥的植被混凝土試塊，從基材配比角度研究不同降雨強(qiáng)度下植被混凝土抗沖刷性能；李燦等[13]通過模擬真實(shí)的植被混凝土坡面，構(gòu)筑邊坡模型進(jìn)行室內(nèi)沖刷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)植被混凝土坡面侵蝕主要為層狀面蝕，局部為細(xì)溝侵蝕，侵蝕量與降雨強(qiáng)度、坡率呈線性關(guān)系，各因素對植被混凝土邊坡侵蝕模數(shù)影響的顯著性高低為：降雨強(qiáng)度>降雨歷時(shí)>坡率[14]。關(guān)于土壤侵蝕，國內(nèi)外研究者已做過大量研究，并且在坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙及侵蝕動力過程等方面取得了豐碩的成果[15-17]。本試驗(yàn)參考土壤改良劑、纖維加筋在防治水土流失方面的應(yīng)用，選取外摻料聚丙烯酰胺(PAM)、生物炭、棕櫚纖維，對植被混凝土坡面流水動力學(xué)特征與侵蝕模數(shù)進(jìn)行研究。

開展人工模擬降雨條件下植被混凝土坡面流水動力學(xué)特征的研究，既可以幫助人們了解植被混凝土坡面侵蝕過程的內(nèi)在機(jī)制，同時(shí)對高陡巖質(zhì)邊坡地區(qū)植被混凝土外摻料的選用具有重要指導(dǎo)意義?？紤]到工程所在地區(qū)氣候存在差異，本試驗(yàn)設(shè)置60，90，120 mm/h這3種降雨強(qiáng)度，模擬植被混凝土邊坡養(yǎng)護(hù)初期遭遇不同強(qiáng)度暴雨的工況。植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)主要針對45°以上高陡邊坡，本試驗(yàn)以60°邊坡為例，不針對某一具體工程，根據(jù)不同降雨強(qiáng)度、外摻料條件下的產(chǎn)流產(chǎn)沙及水動力學(xué)參數(shù)，研究植被混凝土坡面流水動力學(xué)特征及其與侵蝕模數(shù)的關(guān)系，了解各因素對植被混凝土抗蝕能力的影響，以期在降雨侵蝕方面為植被混凝土的推廣使用及配方改進(jìn)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用種植土為宜昌市郊區(qū)的黃棕壤，采于2019年7月；水泥為普通硅酸鹽水泥(P.O 42.5)；鋸末為木材廠白楊樹鋸末，試驗(yàn)前已曬干；植被混凝土生態(tài)改良劑為湖北潤智生態(tài)科技公司專利產(chǎn)品，呈粉末狀；有機(jī)肥為助邦生物有機(jī)肥，呈粉末狀；聚丙烯酰胺(PAM)為陰離子型，其分子量為1.50×107；生物炭過200目篩；棕櫚纖維在試驗(yàn)前已剪為3 cm長的小段。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院模擬降雨場地進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間為2019年8—9月。實(shí)際工程中是整個(gè)邊坡受到雨水沖刷，邊坡較高，坡度較陡，不利于直接對邊坡侵蝕過程進(jìn)行研究，因此構(gòu)筑模型進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)十分必要，能夠詳細(xì)觀測坡面泥沙侵蝕。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D1。箱體內(nèi)尺寸為：長150 cm×寬67 cm×高20 cm，箱體坡度可調(diào)節(jié)范圍為0°～70°，匯水槽為活動連接式。試驗(yàn)采用NLJY-09-2型組合側(cè)噴式人工模擬降雨裝置，噴頭高6 m，雨滴實(shí)際降落高度為4.5 m，達(dá)到和自然降雨類似的直徑與終點(diǎn)速度，降雨均勻度在90%以上。本次試驗(yàn)以60°邊坡為例，探究植被混凝土邊坡在養(yǎng)護(hù)初期遭遇暴雨時(shí)坡面水動力學(xué)及侵蝕特征，共設(shè)有4組試驗(yàn)，1組為無任何外摻料的現(xiàn)有基材(對照組)，基材配比見表1。其余3組分別在現(xiàn)有基材中摻入PAM、生物炭和棕櫚纖維(試驗(yàn)組)，摻量均為0.4%。每次降雨試驗(yàn)重復(fù)3次，單次降雨歷時(shí)30 min，設(shè)定3種降雨強(qiáng)度(60，90，120 mm/h)，總計(jì)降雨36場。在箱體底部按照規(guī)范噴射已經(jīng)拌和好的植被混凝土生態(tài)基材[18]，其中基層厚度為8 cm，面層厚度為2 cm，噴射完成后覆蓋無紡布養(yǎng)護(hù) 24 h，開始正式試驗(yàn)。正式降雨之前進(jìn)行降雨強(qiáng)度的率定，降雨過程中測定水流溫度、流速。坡面產(chǎn)流后，收集降雨產(chǎn)生的全部徑流樣，對徑流樣進(jìn)行稱重并分離出其中的泥沙樣，泥沙樣烘干后的重量作為土壤侵蝕量，徑流樣減去泥沙干重后即為徑流量。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

表1 植被混凝土基材配比

1.3 水動力學(xué)參數(shù)計(jì)算方式

(1) 流速。

表層流速需要乘以修正系數(shù)才能得出坡面平均流速[19]，計(jì)算公式為：

V平均=αV表層

(1)

式中：V平均為坡面水流平均速度(m/s);α為修正系數(shù),取0.67;V表層為坡面表層水流速度(m/s)。

(2) 水深。

h=Q/(T·V平均·d)

(2)

式中：h為坡面水深(m);Q為降雨過程中的總徑流量(m3);T為降雨總歷時(shí)(s);d為過水?dāng)嗝鎸挾?m)。

(3) 雷諾數(shù)。

Re=V平均R/γ

(3)

式中：Re為雷諾數(shù);R為水力半徑,約等于坡面水深(h/m);γ為運(yùn)動粘滯系數(shù)(m2/s),γ=0.017 75/(1+0.033 7t+0.000 221t2);t為水溫(℃)。

(4) 弗勞德數(shù)。

(4)

式中：Fr為弗勞德數(shù);g為重力加速度,取9.8 m/s2。

(5) 阻力系數(shù)。

本試驗(yàn)采用Darcy-Weisbach阻力系數(shù)對坡面阻力進(jìn)行計(jì)算，公式為：

(5)

式中：f為阻力系數(shù);J為徑流能坡,其值為J=sinθ,θ為坡度。

(6) 水流剪切力。

τ=ρRJ

(6)

式中：τ為水流剪切力(Pa);ρ為水流容重,取值10 000 N/m3。

(7) 水流功率。

ω=τV平均

(7)

式中：ω為水流功(W/m2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡面土壤侵蝕量與水流剪切力

如圖2所示，隨著降雨強(qiáng)度增加，土壤侵蝕量增大。在3種降雨強(qiáng)度下，各坡面土壤侵蝕量大小均為：生物炭>無添加>棕櫚纖維>PAM。降雨強(qiáng)度為60 mm/h和90 mm/h時(shí)，4種坡面土壤侵蝕量差異顯著，降雨強(qiáng)度為120 mm/h時(shí)，添加生物炭的坡面土壤侵蝕量顯著高于其他3種坡面，添加PAM與棕櫚纖維的坡面土壤侵蝕量差異不顯著，且均顯著低于無添加坡面。添加棕櫚纖維的坡面在雨強(qiáng)為120 mm/h時(shí)土壤侵蝕量顯著高于雨強(qiáng)為60 mm/h和90 mm/h時(shí)，后兩者差異不顯著，其他3種坡面在不同降雨強(qiáng)度下，各自的土壤侵蝕量差異均顯著。在處理組中，添加PAM的植被混凝土坡面抗侵蝕能力最強(qiáng)，可以減少侵蝕泥沙量69.7%～90.0%。

坡面流在運(yùn)動過程中沿坡面梯度方向上產(chǎn)生的作用力即為水流剪切力，由公式(6)可知，τ與R成正比，本試驗(yàn)中產(chǎn)生的坡面薄層流水力半徑R近似等于徑流深度h，因此水流剪切力呈現(xiàn)出與徑流水深相同的規(guī)律，即處理組水流剪切力較對照組減少12.9%～53.3%，與對照組水流剪切力差異顯著。

2.2 坡面流流態(tài)

對各試驗(yàn)條件下植被混凝土坡面流雷諾數(shù)與弗勞德數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以此來分析坡面流流態(tài)，結(jié)果見表2。隨著降雨強(qiáng)度增大，添加不同外摻料的4組試驗(yàn)雷諾數(shù)均呈增大趨勢，在相同降雨強(qiáng)度下，添加PAM、生物炭、棕櫚纖維的3個(gè)處理組雷諾數(shù)分別是對照組的0.97～1.57，1.15～1.55，1.16～1.52倍，且各試驗(yàn)條件下雷諾數(shù)均小于500，說明坡面流為層流；隨著降雨強(qiáng)度增大，無添加處理組與添加棕櫚纖維處理組弗勞德數(shù)呈先減小再增大的趨勢，添加聚丙烯酰胺與添加生物炭的處理組呈逐漸增大的趨勢，對照組弗勞德數(shù)均小于1，說明對照組坡面流為緩流，處理組弗勞德數(shù)均大于1，說明處理組坡面流為急流。由此可見，添加外摻料對坡面流流態(tài)有顯著影響，外摻料減小了坡面表層粗糙度，從而使坡面流紊動程度隨之降低。

注：采用單因素ANOVA分析，不同大寫字母表示同一降雨強(qiáng)度、不同外摻料條件下差異顯著(α=0.05)，不同小寫字母表示同一外摻料、不同降雨強(qiáng)度條件下差異顯著(α=0.05)，下同。

表2 不同降雨強(qiáng)度及外摻料條件下坡面流雷諾數(shù)Re與弗勞德數(shù)Fr

2.3 坡面流平均流速和平均徑流深度

對各試驗(yàn)條件下植被混凝土坡面平均流速和平均徑流深度進(jìn)行分析(圖3)，結(jié)果表明，隨著降雨強(qiáng)度增大，4種不同外摻料條件的坡面流速均有增加。不同降雨強(qiáng)度下，添加聚丙烯酰胺、生物炭、棕櫚纖維的坡面(處理組)流速較無添加坡面增加73.4%～126.1%，與無添加坡面(對照組)流速差異顯著，處理組徑流深度較對照組減少12.9%～53.3%，與對照組徑流深度差異顯著。處理組坡面在外摻料與基材共同作用下，表面粗糙度較低，受雨滴擊濺及上方來水共同影響，表面大顆粒團(tuán)聚體被進(jìn)一步打散，坡面光滑程度高于對照組，水流受到的阻力較小，因而坡面流流速較大，而徑流深度較小。

圖3 不同降雨強(qiáng)度及外摻料條件下的坡面流流速與徑流深度

2.4 不同處理下坡面阻力系數(shù)與水流功率

各試驗(yàn)條件下植被混凝土坡面阻力系數(shù)分析結(jié)果見圖4。對照組無添加坡面阻力系數(shù)顯著高于試驗(yàn)組阻力系數(shù)，是試驗(yàn)組的3.4～9.8倍。坡面流阻力反映的是外界影響因素對坡面薄層水流阻滯能力的大小，影響因素包括土壤顆粒、降雨、礫石、植被等[20]。在處理組中受外摻料影響，表層基材顆粒較細(xì)，坡面整體較為光滑，對坡面流產(chǎn)生的阻力較小，顯著低于對照組坡面阻力。水流功率指單位面積水體勢能隨著時(shí)間的變化率，由水流功率分析結(jié)果可知，隨著降雨強(qiáng)度增加，試驗(yàn)組與對照組坡面流水流功率也逐漸增大，對照組水流功率始終低于試驗(yàn)組，且差異顯著，僅在降雨強(qiáng)度為120 mm/h時(shí)，出現(xiàn)添加聚丙烯酰胺的處理組坡面水流功率與對照組無顯著差異。添加外摻料導(dǎo)致試驗(yàn)組坡面流流速較大，因而水體勢能隨時(shí)間變化較快，導(dǎo)致試驗(yàn)組水流功率高于對照組。

圖4 不同降雨強(qiáng)度及外摻料條件下的坡面流阻力系數(shù)與水流功率

2.5 植被混凝土坡面土壤侵蝕量與水動力學(xué)參數(shù)的關(guān)系

基于本研究前面4種不同坡面水動力學(xué)參數(shù)及土壤侵蝕量間的差異，若將添加4種外摻料的不同坡面放在一起，它們的某些特殊屬性可能被掩蓋，因此按照外摻料類型對土壤侵蝕量和水動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行擬合(表3)，3種降雨強(qiáng)度下各有3個(gè)重復(fù)，共9個(gè)樣本。結(jié)果表明，在4種坡面上，流速、雷諾數(shù)、水流功率與土壤侵蝕量始終呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，且除了添加棕櫚纖維的坡面上流速與土壤侵蝕量的相關(guān)關(guān)系，其他均呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)。有研究者認(rèn)為水流剪切力可以很好的評價(jià)坡面流的侵蝕能力[21-22]，然而本次試驗(yàn)中4種坡面上水流剪切力與土壤侵蝕量的相關(guān)性差異規(guī)律各不相同，無添加坡面上水流剪切力與土壤侵蝕量呈極顯著正相關(guān)，在添加棕櫚纖維的坡面上呈顯著正相關(guān)，在添加生物炭的坡面上雖呈正相關(guān)卻無顯著性，而在添加聚丙烯酰胺的坡面上則呈負(fù)相關(guān)，因此本次試驗(yàn)中水流剪切力無法作為評價(jià)植被混凝土坡面流侵蝕能力的指標(biāo)。4種坡面上阻力系數(shù)與土壤侵蝕量始終呈負(fù)相關(guān)，且在添加聚丙烯酰胺與添加生物炭的坡面上呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表3 土壤侵蝕量(E)與水動力學(xué)參數(shù)的回歸分析

表中雷諾數(shù)、水流功率與土壤侵蝕量始終呈極顯著正相關(guān)，可作為判別人工暴雨條件下植被混凝土坡面土壤侵蝕量的指標(biāo)，這與許多學(xué)者的研究結(jié)果類似，郭太龍等[17]通過對黃土坡面水力學(xué)特征參數(shù)與土壤侵蝕量間關(guān)系進(jìn)行研究，認(rèn)為雷諾數(shù)是可判別黃土坡面土壤侵蝕累計(jì)泥沙總量的一個(gè)較好的指標(biāo)； Abrahams等[23]，Zhang等[24]中都有將水流功率作為評價(jià)坡面流侵蝕能力的指標(biāo)。

3 討 論

本文針對添加不同外摻料的植被混凝土坡面，分析在模擬降雨條件下植被混凝土坡面水動力學(xué)特征以及各個(gè)水動力學(xué)參數(shù)與土壤侵蝕量之間的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)可以通過水動力學(xué)參數(shù)的變化來解釋外摻料對植被混凝土侵蝕的影響。

聚丙烯酰胺在土壤中溶解后，會形成絲狀黏絮物質(zhì)，具有較強(qiáng)的黏結(jié)力，可以連接多個(gè)土壤顆粒，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[25]。在降雨初期，雨滴會對表層土壤顆粒進(jìn)行打擊，使團(tuán)聚體崩解，產(chǎn)生一些細(xì)小顆粒，這些細(xì)小顆粒被聚丙烯酰胺捕獲之后會填充堵塞在土壤表面的空隙，使得土壤表面粗糙度降低，坡面相比對照組較為光滑，阻力系數(shù)小。所以，添加聚丙烯酰胺的坡面流速較大，并且在降雨強(qiáng)度相同時(shí)，徑流深度相對小，而水流剪切力是徑流深度和坡度的函數(shù)，受徑流深度的影響，水流剪切力也較小。由于土壤侵蝕量與水流剪切力呈正相關(guān)，聚丙烯酰胺的存在，減小了水流剪切力，同時(shí)增加了土壤穩(wěn)定性，進(jìn)而使得土壤侵蝕量減小。

生物炭具有降低土壤容重、吸附性強(qiáng)等特性，作為土壤改良劑已有許多研究[26]，添加到植被混凝土之后，在降雨初期雨滴擊濺產(chǎn)生的細(xì)小顆粒被生物炭吸附之后，會堵塞土壤表層的孔隙，使得表層較為光滑，阻力系數(shù)變小，因而流速較大，而徑流深度較小，水流剪切力也呈現(xiàn)出與添加聚丙烯酰胺的坡面相似的結(jié)果。但生物炭會使土壤結(jié)構(gòu)更為疏松，在降雨的作用下土壤崩解為較小的單元，被徑流帶走，造成更大的侵蝕，這與葉麗麗等[27]添加生物炭沒有提高土壤抗破碎能力的研究結(jié)果相符。

棕櫚纖維加筋可以提高植被混凝土基材抗剪強(qiáng)度[7]，本次試驗(yàn)添加的為3 cm的棕櫚纖維小段，纖維過長會增大土體的孔隙率，降低土體強(qiáng)度[28]，在基材中加入棕櫚纖維之后，纖維均勻分布于基材中，基材與粗糙的纖維表面會產(chǎn)生較大的摩擦力，土粒與纖維之間會產(chǎn)生黏結(jié)力。當(dāng)受到降雨打擊時(shí)，對照組坡面土壤容易被打散，坡面破碎程度較高，而添加棕櫚纖維的坡面強(qiáng)度高，不易被打散，受雨滴擊濺及上方來水沖刷產(chǎn)生的土粒較少，侵蝕量低于對照組，坡面較對照組更為平整，因而坡面流速較大，徑流深度較小，水流剪切力與試驗(yàn)組其他坡面結(jié)果相似。

在本研究中，用雷諾數(shù)與弗勞德數(shù)兩個(gè)指標(biāo)代替平均流速和平均徑流深度的單獨(dú)作用。從研究結(jié)果來看，各組坡面的徑流流態(tài)始終是以層流的形式存在，紊動性較小，對照組坡面為緩層流，試驗(yàn)組坡面基本都為急層流。水流剪切力受流速與徑流深度的共同影響，在結(jié)果上表現(xiàn)為試驗(yàn)組水流功率幾乎都顯著高于對照組，僅在降雨強(qiáng)度為120 mm/h時(shí)，出現(xiàn)添加聚丙烯酰胺的處理組坡面水流功率與對照組無顯著差異，而對照組各處理之間的差異關(guān)系不明顯。植被混凝土坡面在養(yǎng)護(hù)初期，生物炭尚未與基材結(jié)合形成穩(wěn)定的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，并且生物炭使土壤結(jié)構(gòu)更為疏松，此時(shí)棕櫚纖維已經(jīng)起到了物理加筋的作用，聚丙烯酰胺在土壤水分作用下形成的絲狀黏絮物質(zhì)也已發(fā)揮其黏結(jié)作用，棕櫚纖維與聚丙烯酰胺因自身物理化學(xué)性質(zhì)的不同，在抗侵蝕能力大小上存在差異，最終4組試驗(yàn)土壤侵蝕量大小表現(xiàn)為：生物炭>無添加>棕櫚纖維>聚丙烯酰胺。

4 結(jié) 論

研究不同外摻料對暴雨條件下植被混凝土坡面侵蝕水動力學(xué)特征的影響， 對高陡巖質(zhì)邊坡地區(qū)植被混凝土配方的改進(jìn)提供理論依據(jù)。本次試驗(yàn)得出以下結(jié)論。

(1) 添加聚丙烯酰胺、生物炭、棕櫚纖維可以降低植被混凝土坡面粗糙度，增大坡面流速，減小徑流深度，并且水流剪切力、阻力系數(shù)也相對無外摻料坡面小，而水流功率較無外摻料坡面大。

(2) 隨著降雨強(qiáng)度增加，添加不同外摻料的植被混凝土坡面土壤侵蝕量、流速、水流功率、雷諾數(shù)均呈增大的趨勢。

(3) 雷諾數(shù)、水流功率與植被混凝土坡面土壤侵蝕量始終呈極顯著正相關(guān)。

(4) 添加聚丙烯酰胺與棕櫚纖維可以減少植被混凝土坡面土壤侵蝕量，且聚丙烯酰胺的效果優(yōu)于棕櫚纖維。