姚 凱

（山西省交通環(huán)境保護中心站（有限公司），山西 太原 030032）

黃土是一種顆粒較小且結(jié)構(gòu)疏松的粉狀顆粒物質(zhì)，其透水性較強，具有獨特的沉陷性質(zhì)，遇水結(jié)構(gòu)易破壞，可迅速崩解，容易受到自然環(huán)境的侵蝕。在公路建設中大量的開挖、取土和棄土棄渣，不可避免地對公路沿線原有的生態(tài)環(huán)境造成一定的破壞，尤其是黃土地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)黃土邊坡坡面受雨水沖刷形成沖溝甚至失穩(wěn)的情況，需要進行邊坡防護處理。目前對公路邊坡多采用錨桿框格梁、拱形護坡等工程防護形式與植生袋、客土噴播等生態(tài)防護形式相結(jié)合的方法[1-2]。公路邊坡生態(tài)防護雖然取得了一定的成效，但抗沖刷性能差的狀況時有發(fā)生，如黃土濕陷、坍塌、泥石流等。國內(nèi)外學者普遍采用土壤固化與植被加筋技術相結(jié)合的方法進行淺層固坡防護，并對邊坡侵蝕過程和影響邊坡抗雨水沖刷能力的因素做了較多研究，通過理論分析及模擬研究，發(fā)現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的原因及降雨、坡比等主要影響因素[3-6]。

3S-OER植被生態(tài)防護技術是針對邊坡生態(tài)防護和修復的技術難點，通過土壤生境系統(tǒng)（Soil Habitat System）、植物群落系統(tǒng)（Plant Community System）和物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)（Substance Cycle System）的構(gòu)建，形成的一項自維持、自循環(huán)的完整植被生態(tài)系統(tǒng)。3S-OER植被生態(tài)防護技術在我國多個省市、多種氣候、多個領域得到廣泛應用，受到業(yè)主、政府、專家、社會和輿論一致好評?，F(xiàn)階段，該技術已十分成熟，在多個地區(qū)多種環(huán)境中成功應用，并得到進一步推廣。

以右玉至平魯高速公路（以下簡稱右平高速）為研究對象，針對干旱寒冷黃土地區(qū)抗沖刷性差的特點，運用3S-OER植被生態(tài)防護技術，通過模擬降雨試驗，從坡面含水率、營養(yǎng)成分及水土流失量、抗沖刷指數(shù)等方面測定抗沖刷效果，為黃土干旱寒冷地區(qū)公路邊坡防護提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

右平高速起于山西省朔州市右玉縣右衛(wèi)鎮(zhèn)，終止于朔州市平魯區(qū)，平均海拔1 000 m，屬于晉北溫帶寒冷半干旱氣候區(qū)。該區(qū)域年平均氣溫為3.6℃～7.3℃，最低平均溫度-14.9℃～-9.4℃，降雨分布差異較大，多集中于夏季，年均降水量421.2 mm，春季與冬季降雨較少，最大風力可達到9級，氣候干旱寒冷。

2 試驗準備

2.1 設備與場地

a）試驗場地 人工模擬降雨試驗在國家環(huán)境保護創(chuàng)面生態(tài)修復工程技術中心與交通部公路交通科學研究院環(huán)境中心合作實驗室降雨智能化模擬大廳進行，大廳總面積680 m2，其中有效降雨面積達384 m2，能夠?qū)崿F(xiàn)在不同改良土、格構(gòu)形式、雨強、降雨歷時、坡比等條件組合情況下的降雨模擬試驗。

b）模擬降雨設備 模擬降雨設備主要包括流量控制系統(tǒng)、下噴式降雨系統(tǒng)、降雨廢水處理系統(tǒng)和降雨模擬軟件控制系統(tǒng)等，能夠?qū)崿F(xiàn)全部操作過程的計算機降雨智能化模擬系統(tǒng)的全程控制，以及降雨數(shù)據(jù)記錄功能。降雨試驗是在6個獨立的試驗區(qū)域內(nèi)完成，試驗區(qū)可任意組合，單個試驗區(qū)面積為10 m×3.5 m，實際降雨面積35 m2。

c）坡面模型設備 邊坡模型采用高強并防腐處理的鐵板焊接而成，規(guī)格長3 000 mm×寬750 mm×深500 mm，模型包含氣動支撐桿、模型槽、導水槽、集水桶等部分。氣動支撐桿用于支撐邊坡模型，最大可調(diào)坡度為60°，該次試驗采用坡度45°進行研究；集水桶用于收集沖蝕的泥流，定量分析侵蝕程度。

d）其他設備 攪拌噴播機、貨車等。

2.2 模擬材料

a）試驗用土 取自右平高速公路黃土邊坡，共計6 m3，土壤容重1.4 g/cm3。

b）生態(tài)修復材料 針對右平高速邊坡研究得出的生態(tài)修復基材優(yōu)選配方一、優(yōu)選配方二，主要由基質(zhì)、微生物、纖維等組成。

c）種子 采用工程所選植物及配比，主要為紫花苜蓿、胡枝子、高羊茅等物種。

2.3 邊坡模型

a）邊坡基層構(gòu)建 將不同類型基材按配方進行攪拌配置?；|(zhì)層按照1 m3土壤添加100 kg復配基材，種子層配比與基質(zhì)層配比相同，該次試驗未對微生物活動對土壤抗侵蝕性能做深入研究。

b）邊坡模型制作 使用噴播機模擬工程施工，邊坡按照坡度45°、坡比1∶1設計試驗，共制作邊坡模型3組，試驗設計包含對照組、配方一、配方二，并各設置2組平行試驗模型，共計制作邊坡模型6個。試驗模擬3種不同坡面，即黃土邊坡坡面（不添加基材），Y-0；添加基材配方一，Y-1；添加基材配方二，Y-2。每種坡面設置3組進行試驗，即，模擬邊坡對照組：Y-01、Y-02、Y-03；配方一：Y-11、Y-12、Y-13；配方二：Y-21、Y-22、Y-23。3組試驗在不同降雨強度下進行。邊坡模型詳情如表1所示。

2.4 雨強設置

根據(jù)國家氣象局雨強相關標準規(guī)定，大雨級別：降雨量25.0～49.9 mm/24 h；暴雨級別：降雨量50.0～99.9 mm/24 h；大暴雨級別：降雨量100.0～249.9 mm/24 h。試驗設置3個不同雨強級別38 mm/d、76 mm/d、152 mm/d，24 h降雨次數(shù)設置20次，降雨時長10 min，降雨間隔5 min。

2.5 檢測指標

a）水土流失量 將模擬降雨時沖刷下來的泥水收集、烘干、稱重。

b）營養(yǎng)流失量 測試徑流桶中總氮、總磷、總鉀等營養(yǎng)成分的流失量。

c）邊坡含水率 試驗結(jié)束后立即對邊坡進行取樣、烘干、稱重并計算含水率。

d）坡面沖刷指數(shù) 描述計算邊坡坡面的沖刷性能。指數(shù)范圍在0～1之間，指數(shù)越大，表明抗沖刷能力越弱。

式中：Lr為坡面沖刷指數(shù)；Ab為檢測邊坡坡面被沖刷面積，m2；Aa為檢測邊坡坡面面積，m2；Ag、lc、Ad分別表示溝蝕面積、裂縫長度、基材與坡面剝離面積。

3 結(jié)果分析

模擬邊坡對照組：Y-01、Y-02、Y-03；配方一：Y-11、Y-12、Y-13；配方二：Y-21、Y-22、Y-23在坡度45°不同雨強下水土流失量、營養(yǎng)成分損失、邊坡含水率及坡面沖刷指數(shù)變化結(jié)果見表2。

3.1 水土流失量分析

由表2可知，隨著雨強的逐漸增大，對照組邊坡的抗沖刷性越來越差。對照組在雨強為38 mm/d時，坡面面蝕溝大量分布，邊坡水土流失量較大；當雨強為76 mm/d時，第12次降雨后坡面開始出現(xiàn)連片狀細溝沖蝕和裂縫，水土流失嚴重，土壤養(yǎng)分大量流失；在雨強為152 mm/d時第7次降雨后，坡面下半部分開始滑動，邊坡逐漸垮塌。隨著雨強的逐漸增大，配方一的邊坡抗沖刷性變化較小。當雨強達到76 mm/d時，坡面有輕微的水土流失，但不會對坡面產(chǎn)生明顯的侵蝕。當雨強為152 mm/d時，在降雨結(jié)束后坡面出現(xiàn)多處雨蝕小坑，并出現(xiàn)面溝蝕群。隨著雨強的逐漸增大，配方二的邊坡沒有任何變化，只有輕微的水土流失和土壤養(yǎng)分流失。

表2 模擬邊坡不同雨強下各項指標檢測結(jié)果數(shù)據(jù)表

由圖1可知，3組模擬邊坡的水土流失量都隨著雨強的增大而增加，對照組尤為明顯。而基材邊坡當雨強達到152 mm/d時，水土流失量也明顯增大。

圖1 不同基材坡面不同雨強的水土流失量

如表3所示，通過方差分析發(fā)現(xiàn)，水土流失在不同雨強間存在顯著差異。通過對不同降雨強度下水土流失量的計算分析，F(xiàn)基材=50.05，F(xiàn)基材>Fcrit，即配方一和配方二之間存在顯著差異。

表3 不同基材不同降雨強度的水土流失方差分析結(jié)果

3.2 營養(yǎng)成分流失量分析

3.2.1 總氮流失量分析

從圖2中可以看出，隨著降雨強度的增大，對照組的總氮流失量最大，其次為配方一，配方二的總氮流失量最小。從總體上看，隨著降雨強度的增大，總氮流失量增加。

圖2 不同基材不同降雨強度下的總氮流失量

通過對38 mm/d和76 mm/d降雨強度下對照組和各個配方的總氮流失量進行方差分析（表4），結(jié)果顯示，F(xiàn)配方=10.13，小于Fcrit配方=19；F雨強=18.07，小于Fcrit雨強=18.51，說明在38 mm/d和76 mm/d降雨強度下，配方與對照之間的總氮流失量沒有顯著差異，不同雨強之間對坡面土壤的總氮流失量也沒有顯著差異，即中小降雨強度對不同基材坡面土壤中總氮流失量的影響不明顯。

表4 38 mm/d和76 mm/d降雨強度下各個配方的總氮流失量方差分析表

通過對兩個配方的3個降雨強度下的總氮流失量進行方差分析（表5），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩個配方之間差異顯著，配方二在不同降雨強度下的土壤總氮流失量明顯小于配方一，說明配方二在強降雨下的固氮效果明顯，且不同雨強間的土壤總氮流失量差異顯著。

表5 兩配方的3個降雨強度下的土壤總氮流失量方差分析表

3.2.2 總磷流失量分析

從圖3中可以看出，隨著雨強的逐漸增大，總磷流失量也逐漸增加，尤其是對照組的總磷流失量增加明顯。在雨強為38 mm/d時，配方一的總磷流失量最?。辉谟陱姙?6 mm/d和152 mm/d時，配方二的總磷流失量最小。對照組與配方的總磷流失量比較發(fā)現(xiàn)，對照組的總磷流失量最大，配方二總磷流失量最小。

圖3 不同基材不同雨強的總磷流失量

通過對38 mm/d和76 mm/d降雨強度下對照組和各個配方的總磷流失量進行方差分析（表6），結(jié)果顯示，F(xiàn)配方=3.88，小于Fcrit配方=19；F雨強=1.46，小于Fcrit雨強=18.51，說明在38 mm/d和76 mm/d降雨強度下，配方組與對照組之間的總磷流失量沒有顯著差異，不同雨強之間對坡面土壤的總磷流失量也沒有顯著差異。

表6 38 mm/d和76 mm/d降雨強度下各個配方的總磷流失量方差分析表

通過對兩個配方的3個降雨強度下的總磷流失量進行方差分析（表7），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，配方與雨強之間對坡面土壤的總磷流失量沒有顯著差異。

表7 兩配方的3個降雨強度下的土壤總磷流失量方差分析表

3.2.3 總鉀流失量分析

由圖4可知，隨著雨強的逐漸增大，總鉀流失量總體增大。在不同雨強下，對照組總鉀流失量最大，配方一次之，配方二最小。隨著降雨量的增大，基材總鉀流失量變化不明顯，其中配方一的總鉀流失量略呈增加趨勢，配方二的總鉀流失量在76 mm/d時較小。

圖4 不同基材不同雨強的總鉀流失量

通過對38 mm/d和76 mm/d降雨強度下對照組和各個配方的總鉀流失量進行方差分析（表8），結(jié)果顯示配方、雨強之間沒有顯著差異。

表8 38 mm/d和76 mm/d降雨強度下各個配方的總磷流失量方差分析表

通過對兩個配方的3個降雨強度下的總鉀流失量進行方差分析（表9），結(jié)果顯示，F(xiàn)配方=25.85，大于Fcrit配方=18.51；F雨強=3.70，小于Fcrit雨強=19，說明在小、中、強降雨強度下，配方對降雨侵蝕中土壤的總鉀流失量差異顯著，尤其是配方二的效果最好。但不同雨強的坡面土壤總鉀流失量差異不顯著。

表9 兩配方的3個降雨強度下的土壤總鉀流失量方差分析表

3.3 邊坡含水率分析

從圖5中可以看出，隨著雨強的逐漸增大，邊坡土壤的土壤含水率略有減小。在不同雨強下，對照組的土壤含水率最小，其次為配方一，配方二最大，說明配方二的土壤吸水性較好。

圖5 不同基材不同雨強的土壤含水率

通過對不同降雨強度下對照組和各個配方的土壤含水率進行方差分析，結(jié)果顯示配方、雨強之間沒有顯著差異。通過對兩個配方的3個降雨強度下的土壤含水率進行方差分析（表10），結(jié)果顯示，F(xiàn)配方=35.69，大于Fcrit配方=18.51；F雨強=21.38，大于Fcrit雨強=19，說明不同雨強下的坡面土壤含水率差異明顯；在小、中、強降雨強度下，配方對降雨侵蝕中土壤含水率差異顯著，且配方二的效果最好。

表10 兩配方的3個降雨強度下的土壤含水率方差分析表

3.4 坡面沖刷指數(shù)計算分析

從表11可以看出，模擬大雨級別降雨強度試驗時，第4次降雨開始后，對照組Y-01坡面開始出現(xiàn)濺蝕；持續(xù)進行至第14次降雨時，模擬坡面已大面積沖蝕損壞，坡面土壤層剝落嚴重，坡面徑流水匯集部位出現(xiàn)淺細沖溝群；降雨結(jié)束后觀察，試驗組Y-11和Y-21邊坡模型坡面未見明顯變化。

表11 模擬邊坡不同雨強下的坡面沖刷狀況統(tǒng)計表

模擬暴雨級別降雨強度試驗時，對照組Y-02坡面在降雨初期很快形成徑流水，坡腳處接水器水體渾濁，坡面表層沖蝕量較大，降雨進行至12次后觀察，邊坡模型中部出現(xiàn)一條橫向裂紋，降雨結(jié)束后觀察，裂紋長度約0.75 m，寬2.5 cm，深約5 cm，同時，坡面出現(xiàn)大量沖蝕溝，每條沖蝕溝在坡腳處堆積形成大小不等沖積扇；試驗組Y-12邊坡模型坡面出現(xiàn)濺蝕，坡面未見明顯基材剝落，未見明顯沖溝，整體坡面基本完好；試驗組Y-22坡面未見明顯變化，坡腳接水器相對較清。

模擬大暴雨級別降雨強度試驗時，對照組Y-03邊坡在模擬降雨進行第6次時，坡面沖溝密集且橫向發(fā)展連成一片，坡面開始出現(xiàn)嚴重沖刷面，坡腳處匯集大量沖刷表土；當降雨持續(xù)進行到第11次時坡面尤其是下部坡面嚴重剝蝕，坡腳處積水變軟；模擬降雨持續(xù)到第17次時，坡面中下部出現(xiàn)滑動；降雨結(jié)束后不久，坡體出現(xiàn)嚴重滑塌。試驗組Y-13，坡面出現(xiàn)淺細沖蝕溝，降雨結(jié)束觀察坡面出現(xiàn)多處雨蝕小坑，坡面出現(xiàn)多條明顯淺細沖蝕溝，坡腳處存有少量基材堆積。試驗組Y-23，坡面未見明顯沖蝕情況，坡面基材無明顯剝蝕，坡面整體穩(wěn)定。

4 結(jié)論

a）針對右平高速公路黃土邊坡，運用3S-OER生態(tài)防護技術，通過構(gòu)建邊坡模型進行模擬降雨沖刷試驗，驗證邊坡植生層抗沖刷性能。試驗結(jié)果表明，3S-OER生態(tài)防護技術能有效提高邊坡抗雨水沖刷與侵蝕能力，隨著降雨強度和歷時增加，抗雨蝕效果明顯。

b）黃土質(zhì)地邊坡在大雨級別降雨，且邊坡無任何人工防護措施情況下，降雨后，坡面面蝕損壞嚴重，水土流失、土壤養(yǎng)分損失嚴重，更難以抵抗瞬時暴雨甚至大暴雨沖刷。建議黃土質(zhì)地邊坡一經(jīng)開挖應及時進行坡面防雨措施防護，避免長時間自然狀況暴露。

c）模擬試驗表明添加配方一、配方二人工植生層，均能有效改善邊坡抗雨水沖刷與侵蝕能力。模擬降雨強度增加到大暴雨強度后，配方二構(gòu)建植生層坡面抗雨蝕能力凸顯，且降雨強度越大和歷時越長配方二基質(zhì)層效果越明顯。