馬新涌

(山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心棘洪灘水庫管理站，山東 青島 266109)

1 概述

我國土地遼闊，河流資源豐富，為了合理利用水資源，我國大力發(fā)展水利水電工程，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與防洪效果。庫岸邊坡作為工程中的重要設(shè)施，為了解其不同條件下的性能表現(xiàn)，需要準(zhǔn)確的性能預(yù)測模型。水土流失是常見的庫岸邊坡侵蝕破壞形式，在降雨沖刷的作用下，未經(jīng)處理的邊坡土體會受到嚴(yán)重的侵蝕作用[1- 5]。土工格室是常見且經(jīng)濟(jì)環(huán)保的邊坡加固方式[6- 7]，研究其對邊坡抗沖刷性能的加固作用尤為重要。

抗沖刷性能是邊坡的重要性能，是其對水土流失的抗性體現(xiàn)，已有諸多學(xué)者對此種性能做出研究。安寧[8]等，對聚丙烯纖維加固后的黃土邊坡的抗沖刷性能進(jìn)行了降雨模型試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，聚丙烯纖維對黃土邊坡的抗沖刷性能有良好增強(qiáng)效果，最多可使沖刷速率降低90.4%。尉紅彬[9]等，利用室內(nèi)降雨試驗(yàn)對土石邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，試驗(yàn)中采用三種土工網(wǎng)對邊坡進(jìn)行加固，通過試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)了不同坡度下土工網(wǎng)對抗沖刷性能的加固規(guī)律。馬少坤[10]等，以防滲護(hù)壁材料對膨脹土進(jìn)行加固，并研究了其降雨-蒸發(fā)條件下的抗沖刷性能，結(jié)果表明該材料具有良好的防侵蝕破壞作用。

由于目前土工格室加固邊坡的抗沖刷性能研究較少，并且大多都集中于試驗(yàn)研究，無法對邊坡運(yùn)行時的抗沖刷性能作出預(yù)測。為此，本文建立了降雨沖刷邊坡侵蝕模型，以實(shí)際工程中的庫岸邊坡數(shù)據(jù)，采用此模型研究了不同參數(shù)下邊坡抗沖刷性能的表現(xiàn)。

2 邊坡土工格室加固抗沖刷性機(jī)理

2.1 降雨沖刷邊坡侵蝕模型建立

根據(jù)曼寧公式，在降雨初期土壤未達(dá)到飽和狀態(tài)時，邊坡中土壤入滲率處于不斷減小的狀態(tài)，當(dāng)降雨強(qiáng)度大于土壤入滲率時，邊坡表面開始出現(xiàn)坡面流，其流量方程如式(1)所示：

(1)

式中，q—坡面流流量；h—水流深度；x—坡面中一點(diǎn)方向沿下坡距離,m；P—降雨強(qiáng)度,m/s；t—時間,s；n—曼寧粗糙系數(shù)；θ—坡面角度；i—土壤入滲率,m/s；S0=sinθ—坡面坡度。

坡面流中分為坡面細(xì)溝上的集中流、細(xì)溝下的片流，集中流會對細(xì)溝造成侵蝕，片流會對泥沙以及土壤顆粒進(jìn)行產(chǎn)生搬運(yùn)作用。參考穩(wěn)態(tài)泥沙連續(xù)方程，對邊坡土壤侵蝕作用進(jìn)行描述，以邊坡土壤剪切力作為臨界點(diǎn)，當(dāng)坡面流剪切力大于土壤剪切力時即認(rèn)為發(fā)生了土壤侵蝕。結(jié)合前文所述的流量q與水流深度h，建立土壤侵蝕流失量模型：

(2)

式中，G—土壤流失量，kg/(s·m)；Te—細(xì)溝間的泥沙搬運(yùn)量，kg/(s·m)；Kr—細(xì)溝可蝕性參數(shù)，s/m；Ce—植被覆蓋參數(shù)；Se—土壤粗糙度參數(shù)；Rs—溝間距，m；Ki—細(xì)溝間可蝕性參數(shù)，kg·s·m-4；w—細(xì)溝寬度，m；τf—水流剪切力，Pa；τc—臨界土壤剪切力，Pa。

由于土工格室在土壤下的結(jié)構(gòu)以及作用與植物殘留物相似，均對土壤應(yīng)力與抗侵蝕性能有增強(qiáng)作用，現(xiàn)將土工格室視為植物殘留物，考慮其對細(xì)溝侵蝕作用的折減效應(yīng)，參考植物殘留物的折減系數(shù)對土壤抗侵蝕作用進(jìn)行修正，焊距為40cm與60cm的土工格室修正系數(shù)分別為0.422和0.648。

由于土工格室在降雨的沖刷作用下，一些局部表面會突出地表，造成土體表面不規(guī)則，會對坡面流造成影響，進(jìn)而導(dǎo)致土壤侵蝕作用發(fā)生改變?，F(xiàn)引入隨機(jī)粗糙度(PR)，對這種現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)整：

(3)

式中，zi—第i個樣點(diǎn)的高程，N—樣本數(shù)，zm—所有樣點(diǎn)的高程平均值。

突出高度為3cm時，焊距為40cm與60cm的隨機(jī)粗糙度分別為0.7021和0.6531。根據(jù)隨機(jī)粗糙度對土壤臨界剪切力進(jìn)行修正，將修正后的臨界剪切力與細(xì)溝侵蝕力代入式(2)，得出土工格室加固下邊坡抗沖刷計(jì)算方法，以此對比裸露邊坡下的土壤流失量，可得到土工格室對土壤抗沖刷的加固作用?；谏鲜龇椒?，本文參考WEPP模型建立降雨沖刷邊坡侵蝕模型。

2.2 模型驗(yàn)證

以實(shí)際邊坡試驗(yàn)數(shù)據(jù)對2.1節(jié)中的模型進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)際試驗(yàn)參數(shù)如下：試驗(yàn)槽尺寸：長5.4m，寬1.5m，下部深0.6m，上部深1.2m；利用不同進(jìn)水量模擬不同降雨條件；試驗(yàn)對土體進(jìn)行40min累計(jì)沖刷后進(jìn)行沖蝕降低率測量計(jì)算。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)與模型的對比情況見表1。

由表1可知，模型對實(shí)際實(shí)驗(yàn)的擬合較為準(zhǔn)確。由于格室焊炬的增大會導(dǎo)致試驗(yàn)中土壤局部格室的突出，而模型中對該種現(xiàn)象的修正值是固定的，在實(shí)際試驗(yàn)中局部突出變化較大時，該現(xiàn)象會造成一定的模擬誤差。試驗(yàn)中未指定的邊坡表面情況、土體壓實(shí)度等因素也會造成模擬值與實(shí)際測試值間的差異。

表1 邊坡抗沖刷性模型驗(yàn)證

3 土工格室加固邊坡抗沖刷性參數(shù)研究

3.1 工程概況

某庫岸邊坡工程概況如下：邊坡土壤參數(shù)如表2所示，相對高差為500～600m，距離水壩約136.4km。1200m高程以上的邊坡坡度平均為25°～45°，1200m高程以下為22°～25°，存在較多級緩坡。將工程中裸露邊坡、單土工格室與植生土工格室三種加固方式分別稱為工況1、工況2和工況3。

3.2 降雨參數(shù)研究

降雨作用下，邊坡在土壤飽和后會發(fā)生坡面流與細(xì)溝間泥沙轉(zhuǎn)移作用，降雨條件對邊坡侵蝕作用會產(chǎn)生較大影響。本節(jié)內(nèi)容對不同降雨參數(shù)下邊坡侵蝕作用進(jìn)行參數(shù)研究，分為以下兩種情況：(1)固定降雨量，參數(shù)如下：降雨量固定為40mm；降雨強(qiáng)度分別為1.33、0.67、0.44、0.33、0.27、0.22、0.17、0.13mm/min；(2)固定降雨強(qiáng)度，參數(shù)如下：降雨強(qiáng)度固定為0.33mm/min，降雨歷時分別為：0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0h。

對于新型的設(shè)備的導(dǎo)入以及相關(guān)的技術(shù)的運(yùn)用，需要大量的資金和投入使用，推動施工現(xiàn)場的效率的提升以及要需要建立相關(guān)的信息技術(shù)的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)和研發(fā)機(jī)構(gòu)需要相關(guān)的技術(shù)人員對其新型設(shè)備進(jìn)行深入的探討和分析，掌握其利用規(guī)律以及設(shè)備使用的最大化效用，在全面提升企業(yè)施工的工程進(jìn)度和節(jié)省成本方面扮演著重要作用，也是對現(xiàn)場的施工人員提出了一個更高的要求，加強(qiáng)對相關(guān)的設(shè)備的技術(shù)參數(shù)方面的學(xué)習(xí)以及相應(yīng)的規(guī)范使用設(shè)備的手法等方面的學(xué)習(xí)與宣導(dǎo)，讓全員形成一種自主學(xué)習(xí)和自主發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力，全面提升施工的工作效率和企業(yè)方面的效益。

(1)不同降雨強(qiáng)度下邊坡抗沖刷性能表現(xiàn)如圖1所示。

圖1 不同降雨強(qiáng)度下邊坡抗沖刷指標(biāo)變化

由圖1可知，隨著降雨強(qiáng)度的增大，三種工況下的徑流量與土壤流失量均呈增大趨勢，降雨強(qiáng)度增大對邊坡侵蝕有增強(qiáng)作用。由圖1(a)可知，土工格室與裸露邊坡的徑流量增大趨勢十分接近，而植生土工格室可以明顯降低邊坡徑流量。結(jié)合圖1(b)，單土工格室雖對徑流量的影響較小，但對土壤流失量有一定的減緩作用，可降低19%～37%的土壤流失量。土工格室植草對土壤流失量有顯著減緩作用，當(dāng)降雨強(qiáng)度增大到1.0以上時，雖土工格室植草僅減少徑流量較少，但仍可使土壤流失量降低90%以上。說明降低邊坡土壤流失量主要是土工格室與植草所構(gòu)成的體系對土壤的加固作用，徑流量對其影響不大。

(2)不同降雨歷時下邊坡抗沖刷性能表現(xiàn)如圖2所示。

表2 土壤參數(shù)

圖2 不同降雨歷時下邊坡抗沖刷指標(biāo)變化

由圖2可知，與降雨強(qiáng)度類似，隨著降雨歷時的增長，徑流量與土壤流失量均呈上升趨勢。單土工格室對徑流量幾乎無影響，對土壤流失量降低30%左右。植生土工格室對徑流量有一定的減緩作用，對土壤流失量有顯著減緩作用，可減少80%～95%的土壤流失量。綜合考慮降雨強(qiáng)度與降雨歷時作用下的邊坡抗沖刷表現(xiàn)，植生土工格室均有良好的減緩?fù)寥懒魇Я康淖饔谩?/p>

3.3 邊坡參數(shù)研究

分別研究坡度與坡長對邊坡抗沖刷性能的影響，不同坡度與坡長下邊坡抗沖刷性能表現(xiàn)分別如圖3—4所示。

由圖3可知，坡度的降低對徑流量幾乎無影響，對土壤流失量有一定的減緩作用。這可能是由于邊坡減緩并不能減少坡面流量，但可以緩解坡面流的沖刷作用，進(jìn)而減少了邊坡的土壤流失量。坡度的減緩對單土工格室加固的邊坡土壤流失量有一定的減緩作用，而土工格室植草邊坡幾乎不受坡度的影響，土壤流失量始終保持在較低水平。

由圖4可知，與坡度相似，坡長的變化對邊坡徑流量的影響可以忽略不計(jì)，三種工況下徑流量均保持穩(wěn)定，植生土工格室對徑流量緩解作用最大。坡長對邊坡土壤流失量有一定的影響，隨著坡長的增大，工況1與工況2的土壤流失量均呈上升趨勢，但土工格室加固邊坡上升趨勢較緩。隨著邊坡長度的增大，邊坡表面流的沖刷時間會隨之增長，導(dǎo)致邊坡受到更持久沖刷侵蝕作用，進(jìn)而導(dǎo)致土壤流失量增大。植生土工格室?guī)缀醪皇芷麻L變化的影響，其加固后的邊坡在坡長5～12.5m間土壤流失量均保持在較低的水平。

圖4 不同坡長下邊坡抗沖刷指標(biāo)變化

3.4 植生參數(shù)研究

由前文可知，植生土工格室對邊坡抗沖刷性能有良好的增強(qiáng)效果，本節(jié)內(nèi)容研究了植物種類與植物覆蓋度對植生土工格室的抗沖刷性能的影響。植生土工格室的植物種類為高羊茅與黑麥草，植物種類與植物覆蓋度對邊坡抗沖刷性能的影響如圖5所示。

由圖5可知，不同植物種類植生的土工格室對邊坡徑流量有較大影響，高羊茅植生土工格室相較于黑麥草植生土工格室對徑流量降低了10%～25%。這可能是由于高羊茅單株的莖葉較寬，分蘗數(shù)較多，對邊坡徑流有較好的減緩作用。植物覆蓋率對植生土工格室加固邊坡的土壤流失量有很大影響，當(dāng)植物覆蓋率達(dá)到60%時，兩種植物種類均可使土壤流失量維持在0.005kg/m2以下。隨著植物覆蓋率的增大，土壤流失量呈降低趨勢，兩種植生土工格室90%植物覆蓋率與10%植物覆蓋率相比，土壤流失量分別降低了94%與97%。

圖5 不同植生土工格室下邊坡抗沖刷指標(biāo)變化

4 結(jié)論

考慮土工格室加固后邊坡受沖刷時的侵蝕作用特點(diǎn)，建立了邊坡抗沖刷性能模型，并考慮土工格室特點(diǎn)，對模型進(jìn)行修正。以實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證，上述研究主要獲得以下主要結(jié)論：

(1)單土工格室對邊坡抗沖刷性能的增強(qiáng)作用較低，最多僅可將土壤流失量降低約30%，對徑流量幾乎無影響。

(2)植生土工格室對邊坡抗沖刷性能在覆蓋率為60%以上時有很強(qiáng)的加固作用，可將邊坡土壤流失量降低至0.005kg/m2以下。

(3)本研究模型考慮了多種條件的作用，并具有較高的準(zhǔn)確性，但對壓實(shí)度、土工格室埋深考慮較為欠缺，后續(xù)研究可對此予以關(guān)注。