植被混凝土抗雨水沖刷性能試驗研究

楊 奇，丁 瑜，許文年，楊 平

(1．三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌443002;2．三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌443002;3．三峽大學 三峽庫區地質災害教育部重點實驗室，湖北 宜昌443002)

(責任編輯 孫占鋒)

近年來，國內外各種災害發生都比較頻繁。在國內，我們經歷了地震、泥石流等諸多地質災害。在眾多地質災害中，很多都與邊坡穩定性有關，因此邊坡地質災害的發生機理以及相應的防護治理措施已成為國內外學者研究的一個熱點。由于對環境綠化要求的提高，邊坡治理已由過去單一的加固向加固及環保綠化一體化發展。在這種發展趨勢下，植被混凝土生態防護技術也逐漸發展起來。植被混凝土生態防護技術是采用特定的混凝土配方和種子配方，對巖石邊坡進行防護和綠化的新技術［1］。邊坡受雨水沖刷方面的研究，前人已經做了大量的工作［2-5］，但由于植被混凝土應用于邊坡防護的時間不長，針對植被混凝土抗雨水沖刷性能方面的研究還比較少，前人對邊坡沖刷方面的研究多集中在土質邊坡。對植被混凝土抗沖刷性能的研究，我們可以借鑒前人研究巖土邊坡抗沖刷時所用的基本理論和方法。土的沖刷是一個極其復雜的物理過程(甚至還涉及到化學、生物過程)，受許多自然因素的制約(如氣候、地形、地質、土質和植被等)，同時又受人類活動的干擾，各種因素之間存在著錯綜復雜的相互關系［6］。土壤沖刷的影響因素一般有降雨的濺蝕力、徑流量的大小、土粒分離的難易程度、水流沖刷攜帶泥沙的能力等，這些因素影響力的大小又取決于雨滴的動能、雨滴數量及降雨強度、地質、土質類型及結構、坡度、植被、土壤含水量以及各種形式的水流因素(如流速、流量)等特征值［6］。植被混凝土的沖刷除了受上述一些因素影響外，還受加入水泥的量等其他因素的影響。植被混凝土沖刷研究中的一個根本性問題是定量研究，也就是對植被混凝土的沖刷量做出評估與預測。本試驗通過分析比較植被混凝土在不同的水泥含量和齡期下的侵蝕模數，了解植被混凝土沖刷侵蝕量與各因素之間的關系，為進一步弄清植被混凝土的侵蝕機理、抗沖刷能力及推廣使用提供一定理論基礎。

1 試驗材料和方法

由于本試驗不針對某個具體工程，因此試驗用土(沙壤土)就近取自三峽大學生命科學樓后面的山上，取回后將土曬干，用橡皮錘或木錘搗碎，并通過2 mm篩子篩分，放入泡沫箱中待用;水泥采用宜昌華新水泥廠生產的普通水泥(強度等級為32．5)，植被混凝土添加劑采用三峽大學綠野環保工程有限公司添加劑廠生產的專利產品LY-2 型混凝土綠化添加劑，試驗用水采用自來水。試驗設備包括磅秤、電子天平、砝碼天平、鐵鍬、稱量桶、水桶、水瓢、拌合臺、振搗棒、10 cm×10 cm×10 cm 試驗模具、降雨模擬系統、1 L 容積的燒杯、與水平面成70°的支架。試驗內容包括制作水泥含量(此處水泥含量是指水泥與土的質量比，并非水泥在植被混凝土基材中所占的比例)分別為4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%的9 組植被混凝土試塊，各組試塊的成分及配比見表1。

表1 各植被混凝土試塊成分及配比

2 試驗數據分析

2．1 水泥含量對植被混凝土侵蝕量的影響

在植被混凝土試塊中，除去變異系數大于0．3 的試驗數據，其他各組數據取同一組試驗樣塊的平均值。得出侵蝕模數數據，由這些的數據可分別做出植被混凝土基材在不同降雨強度、防護天數情況下的侵蝕量與水泥含量的關系曲線如圖1—4。

通過分析對比圖1—4 可以得知，基材的沖刷量隨著植被混凝土中所加入水泥量的增加而減少;對于某一水泥含量的植被混凝土來說，隨著齡期的增長，其抗沖刷能力也明顯增強。在雨強較小時，基材侵蝕量雖然隨著水泥含量的增加而減少，但兩者之間的線性關系并不明顯。當雨強從80 mm/h 到140 mm/h 逐漸增大時，侵蝕量與水泥含量之間的線性關系逐漸明顯。

2．2 雨強對植被混凝土侵蝕量的影響

本試驗中各組試塊水泥含量從4%到12%不等，在探究雨強對植被混凝土侵蝕量的影響時，選取水泥含量為8%的試驗組數據加以分析(其他水泥含量的植被混凝土基材侵蝕量隨雨強的變化趨勢與此類似)。根據試驗數據作出水泥含量為8%時植被混凝土基材侵蝕模數與雨強關系曲線如圖5。

圖5 植被混凝土基材侵蝕模數—雨強關系曲線

從圖5 中可以看出，在雨強小于120 mm/h 時，侵蝕模數和雨強之間呈簡單線性關系，當雨強大于120 mm/h 時，侵蝕模數顯著增加，可以認為此時降雨產生的徑流對坡面植被混凝土的沖刷超過某一臨界值。當水泥的含量較低時，植被混凝土的主要成分還是土，而植被混凝土中的沙壤土孔隙率大，比較疏松，土顆粒之間的黏聚力比較小，因而很少形成黏聚團體結構。水泥含量提高后，水泥在其中充當膠凝材料，使得土壤孔隙率降低，土顆粒之間的黏聚力也顯著提高，且土壤中出現了黏聚團體。對于圖5 中植被混凝土基材侵蝕模數隨雨強的變化曲線，可以這樣來理解:在雨強小于120 mm/h 時，植被混凝土表面的較細顆粒在雨水徑流沖刷作用下被帶起而流失，雨強增大，產生的徑流沖刷作用也隨著增大，因此植被混凝土基材侵蝕模數和雨強之間呈簡單的一次線性關系，但此時雨強產生的徑流沖刷作用不足以帶動粒徑較大且相互之間黏聚力也較大的黏聚團體結構;當雨強大于120 mm/h 時，此時雨強產生的徑流沖刷作用能夠帶動這些黏聚團體，因此雨強超過120 mm/h 時植被混凝土的沖刷侵蝕作用加劇。在試驗過程中從支架底部收集到的植被混凝土基材沖刷物也能說明這一點，在雨強較小(小于120 mm/h)時，被沖下來的都是比較細的顆粒，在雨強較大(大于120 mm/h)時，被沖下來的不再只是細顆粒，而是黏結在一起的細顆粒群。

3 結論與建議

3．1 結 論

(1)植被混凝土基材的抗沖刷能力隨著水泥含量的增加而顯著提高。如果單從基材抗沖刷能力來看，提高植被混凝土中水泥的含量對其是有利的，但植被混凝土還涉及到植物生態學等諸多方面，水泥含量太高會使基材pH 值增大，堿性環境會影響植被混凝土中種子的萌發及生長，而且水泥含量過高會導致土壤板結成塊，植被很難長出;水泥含量較低時，對種子萌發及植被生長來說是有利的，但其抗沖性能又不能滿足防護要求，因此實際工程應用中需綜合考慮各方面因素來確定合適的水泥含量，目前一般采用的水泥含量為8% ～10%。

(2)由于邊坡坡度對植被混凝土的沖刷也有一定的影響，因此在工程應用中要結合具體情況，坡度相對較緩時可以適當降低水泥含量，坡度較陡時在滿足植被生長要求的前提下可適當提高水泥含量。

(3)降雨是沖刷的動力因素，對植被混凝土的沖刷有著非常重要的影響，因此了解治理邊坡所在地區的水文氣象特征也非常重要。植被混凝土養護初期的抗沖刷能力相對較弱，因此采用植被混凝土進行邊坡防護時，其施工不宜在暴雨多發季節進行。另外，考慮到植被混凝土中種子萌發的問題，在低溫條件下施工要采取相應的保溫措施。

3．2 建 議

(1)本試驗雖然在室內模擬了不同水泥含量的植被混凝土在不同齡期和雨強作用下的沖刷過程，但試驗僅僅只是對植被混凝土基材的沖刷做了一個初步的研究，沒有全面考慮植被覆蓋度對沖刷的影響，而是簡單地認為由于植被的存在使得基材沖刷只受降雨徑流的影響，雨水的濺擊作用于植被混凝土上的植被，對基材的影響忽略不計。在植被覆蓋度足夠大時，降雨的濺擊作用對基材的影響很小可以忽略不計，但由于植被的存在，使得坡面水流的流態，水流所受的阻力以及泥沙的起動和終止等問題變得非常復雜，有關植被對這些方面的影響本試驗未有考慮和研究。

(2)由于是室內試驗，所以試驗過程中所做的植被混凝土試塊不可能很大，這對沖刷試驗的效果也有一定的影響，天然邊坡受降雨沖刷時可能出現的沖溝在室內試驗中也不明顯。因此，研究植被混凝土防護邊坡在降雨作用下的沖刷侵蝕時，采用野外原位試驗可能會取得更好的效果。

［1］許文年，土鐵橋，葉建軍．巖石邊坡護坡綠化技術應用研究［J］．水利水電技術，2002，33(7):35-36，40．

［2］周佩華，武春龍．黃土高原土壤抗沖性的試驗方法探討［J］．水土保持學報，1993，7(1):29-34．

［3］吳普特，周佩華．地表坡度與薄層水流侵蝕關系的研究［J］．水土保持通報，1993，13(3):1-5．

［4］吳普特，周佩華，鄭世清．黃土丘陵溝壑區(Ⅲ)土壤抗沖性研究——以天水站為例［J］．水土保持學報，1993，7(3):20-25．

［5］朱顯謨．黃土高原水蝕的主要類型及其有關因素［J］．水土保持通報，1981，1(4):1-9．

［6］李凱，王昌賢，楊興武．邊坡沖刷量的神經網絡計算模型［J］．交通科技與經濟，2009，11(6):77-78．