土工格室防護(hù)邊坡抗沖刷規(guī)律試驗(yàn)研究

王廣月，孫秀玲，魏金祥

（山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南250061）

土工格室護(hù)坡是指在展開并固定在坡面上的土工格室內(nèi)填充種植土，然后均勻撒（噴）播草種進(jìn)行綠化的一種護(hù)坡技術(shù)。由于二者的有機(jī)結(jié)合充分發(fā)揮了土工格室防沖固土和草的根系固土的作用，與傳統(tǒng)的草皮護(hù)坡形式相比，大大提高了邊坡的抗沖蝕能力，是一種符合國家注重環(huán)保、建設(shè)綠色通道要求的護(hù)坡技術(shù)，且施工方便簡單，維護(hù)成本低，具有較高的環(huán)保、生態(tài)等方面的綜合經(jīng)濟(jì)效益，在目前的工程建設(shè)中得到越來越廣泛的利用［1－4］。有關(guān)土工格室防護(hù)邊坡理論與試驗(yàn)方面的研究已取得了一些成果［5－8］。由于植物生長有一個過程，土工格室防護(hù)邊坡初期抵抗侵蝕的特性就顯得特別重要。國內(nèi)外學(xué)者或從理論，或根據(jù)小區(qū)野外實(shí)測資料和實(shí)驗(yàn)室測定資料出發(fā)，對坡面抗沖刷能力進(jìn)行了大量的研究，取得了大量的研究成果［9－16］。這些研究主要針對自然坡地，而對土工格室防護(hù)邊坡初期抵抗侵蝕沖刷的規(guī)律的研究目前國內(nèi)很少見到報道。本文通過室內(nèi)放水沖刷模擬試驗(yàn)，揭示土工格室坡面初期土壤侵蝕過程，觀察沖刷現(xiàn)象，定量比較不同坡度、不同流量條件下，土工格室坡面抗沖刷能力。

1 試驗(yàn)設(shè)計及方法

試驗(yàn)在長5.6m，寬1m，深0.4m的土槽內(nèi)進(jìn)行。為了便于觀測水流的流動狀態(tài)，水槽的邊壁采用不銹鋼框架和有機(jī)玻璃組合，在連接處用玻璃膠粘結(jié)壓實(shí)，水槽的頂部設(shè)有穩(wěn)流池，水流經(jīng)過3道擋板緩沖消能；水槽采用液壓導(dǎo)軌式升降，變坡范圍在0°～45°。供水系統(tǒng)由閥門、蓄水池、電磁流量計等組成。試驗(yàn)用土的顆粒級配情況如表1所示。通過擊實(shí)試驗(yàn)測得土的最優(yōu)含水率為12.6%，最大干密度為1.869g／cm3。填土采用分層填筑分層壓實(shí)、超填削坡的方法，以保證坡面的平整。

表1 試驗(yàn)用土的顆粒級配

土工格室選用由山東華騰塑料制品有限公司生產(chǎn)，格室規(guī)格為SB150×400－8的1.01m×5.1m紋面，焊點(diǎn)剝離強(qiáng)度 1 000N／10cm，厚度 1.5±0.1mm，高度150mm，焊距400mm。在土工格室每個小格內(nèi)的填土通過重量控制，填土重量通過體積和相應(yīng)含水率下的密度及壓實(shí)度計算。填土結(jié)束后，用特制平尺將土刮平，坡面平整度采用水準(zhǔn)儀和水平尺控制。試驗(yàn)前將土壤充分飽和，并放置12h以上以保證均勻一致的初始含水量條件。為了便于在試驗(yàn)前后與無格室邊坡進(jìn)行對比，在同一坡面上用隔板將2種防護(hù)方式隔開并同時進(jìn)行沖刷試驗(yàn)。

試驗(yàn)時先調(diào)整土槽的坡度，啟動水泵，通過閥門組調(diào)節(jié)流量，流量大小通過電磁流量計控制，待流量計的讀數(shù)穩(wěn)定之后，開始放水沖刷。含沙率和累計侵蝕量的測定采用置換法測得，試驗(yàn)進(jìn)行30min，每1min接取1次渾水試樣。觀測水流沖刷坡面的形態(tài)，改變流量，重復(fù)試驗(yàn)，再改變坡度進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)。本試驗(yàn)采用了5個坡度：5°，10°，15°，25°，35°；3個流量：1.0，1.5和2.0m3／h；共進(jìn)行了15組試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡面沖刷形態(tài)

在坡面初始階段，由于土體和土工格室齊平，土工格室的作用尚未凸顯出來，坡面的沖刷狀態(tài)和無坡面防護(hù)情況下的相似，侵蝕以面蝕為主，基本無細(xì)溝形成。面蝕發(fā)生時間受坡度、流量的影響而不同。面蝕發(fā)生后，由于土體與土工格室粘結(jié)處黏結(jié)力較小，水流傾向于沿著耗能小的路徑運(yùn)動，因此侵蝕紋溝多先沿著土工格室邊壁出現(xiàn)。土體經(jīng)沖刷之后其形狀和土工格室的形狀相似，呈菱形，邊界是細(xì)溝，細(xì)溝中的水流浸潤著格室內(nèi)的土體，土體強(qiáng)度降低，隨著細(xì)溝侵蝕的加劇，側(cè)蝕作用越來越明顯（如圖1所示）。隨著格室內(nèi)土體的不斷減少，水流的整體性亦被破壞，形成一個個跌坎，相當(dāng)于減小了坡度，在一定程度上減小了侵蝕量。土工格室的存在使侵蝕不在集中分布，但土工格室防護(hù)下的模型沖刷也和裸坡情況下的相似，上端沖刷嚴(yán)重。在無格室的自然坡面情況下，水流沿軟弱的地方流動，形成細(xì)溝（圖2），與有格室的自然坡面沖刷形態(tài)有本質(zhì)區(qū)別。

圖1 土工格式坡面沖刷形態(tài)

圖2 無格室時沖刷結(jié)果

2.2 累計侵蝕量的變化規(guī)律

3種不同流量工況下土工格室邊坡的累計產(chǎn)沙隨時間的變化趨勢基本一致，都是累計侵蝕量隨坡度的增大而增大。坡度對侵蝕量的影響主要體現(xiàn)在能量方面。一般情況下，坡度越大，水流勢能相應(yīng)越大，搬運(yùn)能力越強(qiáng)，因此，累計侵蝕量隨坡度的增大而增大。但是，增大趨勢減緩，從圖3可以看出，同一流量增大相同坡度（10°）情況下，最終侵蝕量的增量呈遞減趨勢，這是由于坡面供沙能力的限制造成的。圖4為坡度35°不同流量工況下累計侵蝕量的變化關(guān)系?？梢钥闯?，累計侵蝕量隨流量的增大而增大。

圖3 不同流量下的累計侵蝕量的變化

圖4 坡度35°不同流量下累計侵蝕量的變化

圖5為坡度15°，放水流量1.0m3／h的工況下，有、無土工格室2種坡面條件下的坡面侵蝕過程。放水初期（即前10min），格室覆蓋在土壤下面，其作用并不明顯，隨著時間的推移格室逐漸裸露，對水流和侵蝕的影響逐步體現(xiàn)出來。試驗(yàn)觀測表明，在無格室的情況下，水流將沿著軟弱的地方流動，形成細(xì)溝（圖2），侵蝕量明顯增大。而對于有格室的坡面，由于格室的影響，水流沿格室邊緣形成優(yōu)勢流，導(dǎo)致比較規(guī)則的流路和侵蝕，坡面侵蝕量遠(yuǎn)小于無格室的坡面，說明在有格室的情況下，水流主要沿格室邊緣流動，延長了水流的流徑，使水流的動能部分消耗在格室上，坡面水流的徑流量和流速均降低，起到了很好的消能作用，減輕了水流對坡面的沖蝕。

圖5 有、無格室坡面累計侵蝕量

2.3 時段侵蝕量

由于受坡面土壤的補(bǔ)給能力及土工格室對水流的阻礙作用的影響，隨著沖刷的進(jìn)行各個時段的侵蝕量是減小的，且受坡度和流量的影響逐漸減小，侵蝕產(chǎn)沙主要發(fā)生在前10min，所占比例大概為40%～61%（表2）。這與魯克新［17］的無格室室內(nèi)沖刷試驗(yàn)結(jié)果相似，即徑流侵蝕過程中3—7和7—11min細(xì)溝形成時，是侵蝕產(chǎn)沙的主要階段，占總侵蝕產(chǎn)沙量的52%～75%。時段侵蝕量隨著坡度和流量的減小而減小，同一坡度不同流量下的末期侵蝕量相差不大。

表2 各個時段的侵蝕量及末期侵蝕量

由表2可以看出，在2，1.5，1m3／h的3種流量下，1—10與10—20min，10—20與20—30min的時段侵蝕量的差值分別為30.23與38.05，21.60與33.67，2.74與2.28kg，時段侵蝕量的減小幅度在增大；而除此之外的其他情況，同一坡度同一流量下的相同時段內(nèi)的侵蝕量的減小幅度均在減小，例如在2m3／h的35°，25°，15°，10°，5°情況下，1—10與10—20，10—20與20—30min的時段侵蝕量的差值分別為66.79與46.05，49.83與41.93，69.05與21.91，45.60與14.75，20.16與6.99kg。時段侵蝕量隨著坡度和流量的減小而減小，同一坡度不同流量下的末期侵蝕量相差不大。例如，坡度為35°時，流量為2，1.5，1m3／h最后一個時間段的侵蝕量分別為53.32，59.53，50.57kg。

2.4 坡面沖刷侵蝕模數(shù)的變化規(guī)律

土工格室坡面沖刷侵蝕模數(shù)是指格室內(nèi)填土單位面積單位時間的剝蝕并發(fā)生位移的平均流失量，是衡量土工格室內(nèi)填土沖刷侵蝕程度的一個量化指標(biāo)。圖6給出土工格室坡面沖刷侵蝕模數(shù)隨邊坡坡度的變化關(guān)系，從圖6中可看出，土工格室坡面沖刷侵蝕模數(shù)隨坡度和流量的增加而增加。通過對不同坡度和流量條件下的土工格室坡面沖刷侵蝕模數(shù)和邊坡坡度進(jìn)行曲線擬合分析，可以得到流量1.0，1.5，2.0m3／h下土工格室坡面流侵蝕模數(shù)與邊坡坡度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

式中：A——沖刷侵蝕模數(shù)〔kg／（m2·s）〕；S——邊坡坡度（°）。

從以上各關(guān)系式中可以看出，土工格室坡面沖刷侵蝕模數(shù)與邊坡坡度之間存在較好的冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系，擬合曲線的相關(guān)性很高。

圖6 坡面沖刷侵蝕模數(shù)與坡度的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）土工格室防護(hù)下的坡面沖刷形態(tài)，由于格室的存在形成沿格室邊緣的侵蝕，形成一系列菱形分布紋溝，與自然坡面的沖刷形態(tài)有本質(zhì)區(qū)別。

（2）累計侵蝕量隨著坡度和流量的增大而增大，但是增長趨勢減緩。

（3）侵蝕主要發(fā)生在前10min，所占比例大概為40%～61%，對于同一坡度不同流量下的侵蝕量，在后10min的侵蝕量相差不大。

（4）土工格室坡面沖刷侵蝕模數(shù)隨坡度和流量的增加而增加，同一流量條件下，土工格室坡面沖刷侵蝕模數(shù)與坡度之間具有良好的冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系。

［1］ 李高旺.土工格室植被護(hù)坡在膨脹土地區(qū)公路邊坡中的應(yīng)用［J］.公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2008（4）：46－48.

［2］ 盧小明.土工格室在某公路炭質(zhì)泥巖邊坡防護(hù)中的應(yīng)用［J］.山西建筑，2008，34（1）：295－297.

［3］ 張宗媛，李春曉，梁志堅.土工格室在某水庫貧瘠土邊坡防護(hù)中的應(yīng)用［J］.人民珠江，2005，26（2）：35－36.

［4］ 曾曉輝.土工格室在挖方邊坡中的應(yīng)用［J］.山西建筑，2011，37（9）：87－88.

［5］ 楊曉華，晏長根，謝永利.黃土路堤土工格室護(hù)坡沖刷模型試驗(yàn)研究［J］.公路交通科技，2004，21（9）：21－24.

［6］ 張季如，朱瑞賽，程序橋.土工格室用于巖石邊坡植被侵蝕防護(hù)的穩(wěn)定性分析［J］.巖土力學(xué)，2003，24（3）：359－362.

［7］ 蔣德松，蔣沖.城市巖質(zhì)邊坡土工格室生態(tài)防護(hù)技術(shù)及其應(yīng)用［J］.湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，35（11）：12－16.

［8］ 王廣月，王銀山，楊建順.土工格室在邊坡防護(hù)中的應(yīng)用［J］.中國水土保持，2003，24（2）：33－34.

［9］ Covers G.Relationship between discharge，velocity，and flow areas for rills eroding loose，non－layered materials［J］.Earth Surface Processes Landfoms，1992，17（5）：515－528.

［10］ Proseer I P，Dietrich W E.Field experiments on erosion by overland flow and their implications for a digital terrain model of channel initiation［J］.Water Resources Research，1995，31（1）：2867－2876.

［11］ Nearing M A，Norton L D，Bulgakov D A，et al.Hydraulics and erosin in eroding rills［J］.Water Resources Research，1997，33（4）：865－876.

［12］ Hairsine P B，Rose C W.Modeling water erosion due to overland flow using physical principles（l）：Sheet flow［J］.Water Resources Research，1992，28（1）：237－243.

［13］ 游珍，李占斌.坡面植被對徑流的減流減沙作用機(jī)理及試驗(yàn)研究［J］.泥沙研究，2011，6（3）：59－62.

［14］ 張科利，唐克麗.黃土坡面細(xì)溝侵蝕能力的水動力學(xué)試驗(yàn)研究［J］.土壤學(xué)報，2000，37（1）：9－15.

［15］ 王文龍，雷阿林，李占斌，等.黃土丘陵區(qū)土壤侵蝕鏈各垂直帶能量轉(zhuǎn)化特征研究［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2004，18（1）：117－121.

［16］ 雷俊山，楊勤科.坡面薄層水流侵蝕試驗(yàn)研究及土壤抗沖性評價［J］.泥沙研究，2004，6（12）：22－26.

［17］ 魯克新.陡坡薄層水流侵蝕動力過程試驗(yàn)研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2001.