繩網(wǎng)護(hù)坡的強(qiáng)降雨沖刷和雨水入滲試驗(yàn)研究

王桂堯, 肖 侃，2, 田瑞豐

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木與建筑學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410114; 2.南寧市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站, 南寧530001)

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繩網(wǎng)護(hù)坡的強(qiáng)降雨沖刷和雨水入滲試驗(yàn)研究

王桂堯1, 肖 侃1，2, 田瑞豐1

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木與建筑學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410114; 2.南寧市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站, 南寧530001)

基于公路邊坡的水土保持及稻秸桿等廢棄物的全生態(tài)循環(huán)利用目的，研發(fā)了可防雨水沖刷的全生態(tài)繩網(wǎng)護(hù)坡結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了室內(nèi)模擬邊坡的強(qiáng)降雨沖刷和雨水入滲試驗(yàn)。通過測(cè)試不同繩網(wǎng)參數(shù)護(hù)坡的坡面沖刷水流速度、泥沙沖刷量及雨水入滲情況，研究繩網(wǎng)護(hù)坡的防雨水沖刷機(jī)理及雨水入滲特點(diǎn)，得到繩網(wǎng)護(hù)坡的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。通過繩網(wǎng)護(hù)坡的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到南方高溫多雨地區(qū)繩網(wǎng)護(hù)坡的應(yīng)用效果，以及草繩繩網(wǎng)的腐爛變化情況。與無防護(hù)裸坡相比，繩網(wǎng)護(hù)坡能減緩坡面水流流速20%～50%，減少強(qiáng)降雨引起的泥沙沖蝕量60%以上，同時(shí)繩網(wǎng)護(hù)坡還能明顯增加雨水入滲，因此繩網(wǎng)護(hù)坡比其他方法更有利于水土保持。

公路邊坡；繩網(wǎng)護(hù)坡; 雨水入滲; 強(qiáng)降雨沖刷; 試驗(yàn)研究

南方地區(qū)強(qiáng)降雨頻發(fā)對(duì)邊坡的沖刷和入滲造成了大量路域邊坡的滑塌破壞，特別在粉質(zhì)土等強(qiáng)度低、易沖刷或邊坡施工完成后植被生長(zhǎng)尚未發(fā)揮防沖刷作用的1～2年內(nèi)，這種破壞極為普遍。為既不影響坡面綠化，又能達(dá)到防雨水沖刷的作用，國(guó)內(nèi)外分別研究了紙質(zhì)植生帶、三維土工網(wǎng)、土工格室、六角型混凝土空心塊植草、剛性骨架植草、多孔混凝土植草等技術(shù)方法[1-6]，并在一定條件的邊坡工程中進(jìn)行了試驗(yàn)或應(yīng)用，但這些方法普遍存在造價(jià)較高，并需要大量使用非降解或難降解的土工合成材料或水泥材料等，并且這些方法的試驗(yàn)研究主要關(guān)注雨水沖刷問題[7-12]，很少研究不同方法的雨水入滲問題。因此研究一種既可以防雨水沖刷，又可以改善雨水入滲條件并具有價(jià)格低廉優(yōu)勢(shì)的全生態(tài)護(hù)坡結(jié)構(gòu)具有重要意義。

椰繩繩網(wǎng)(CF網(wǎng))護(hù)坡是近幾年提出的一種全生態(tài)護(hù)坡方法，并在一些公路工程中得到試驗(yàn)應(yīng)用[13-15]，但繩網(wǎng)護(hù)坡的防強(qiáng)降雨沖刷機(jī)理、繩網(wǎng)參數(shù)的改變對(duì)強(qiáng)降雨沖刷和雨水入滲有何影響等問題尚未開展系統(tǒng)研究，能否通過改變繩網(wǎng)直徑調(diào)節(jié)控制坡面的防沖刷和雨水入滲效果等不得而知，同時(shí)椰繩繩網(wǎng)普遍需要進(jìn)口，繩網(wǎng)價(jià)格相對(duì)較高，從而影響椰繩繩網(wǎng)在邊坡生態(tài)防護(hù)中的應(yīng)用。為此本文提出采用草繩繩網(wǎng)護(hù)坡新方法，并通過不同繩網(wǎng)參數(shù)的室內(nèi)外試驗(yàn)，研究探討繩網(wǎng)護(hù)坡防沖刷及改變雨水入滲的機(jī)理以及草繩繩網(wǎng)護(hù)坡的可行性，以便發(fā)揮該技術(shù)方法可完全降解、清潔無污染、價(jià)格便宜、可廢物利用及易于推廣等優(yōu)點(diǎn)。

1　室內(nèi)模擬沖刷試驗(yàn)

1.1室內(nèi)模擬沖刷試驗(yàn)方法

室內(nèi)模擬邊坡沖刷試驗(yàn)裝置如圖1—2所示，選用直徑為7.1 mm和12.8 mm的草繩繩網(wǎng)，根據(jù)不同線徑和網(wǎng)孔尺寸的繩網(wǎng)，以及土體表面是否加營(yíng)養(yǎng)土的繩網(wǎng)防護(hù)形式進(jìn)行模擬沖刷試驗(yàn)，同時(shí)與土工格室護(hù)坡沖刷試驗(yàn)做對(duì)比，具體試驗(yàn)組合方案如表1所示。

　　　　圖1　室內(nèi)邊坡模擬裝置　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2　邊坡草繩繩網(wǎng)護(hù)坡

表1試驗(yàn)方案

序號(hào)防護(hù)形式1裸露邊坡2間隔10cm、直徑7.1mm繩網(wǎng)3間隔10cm、直徑12.8mm繩網(wǎng)4間隔5cm、直徑7.1mm繩網(wǎng)5間隔5cm、直徑12.8mm繩網(wǎng)6間隔10cm、直徑7.1mm加營(yíng)養(yǎng)土繩網(wǎng)7間隔10cm、直徑12.8mm加營(yíng)養(yǎng)土繩網(wǎng)8高度10mm加營(yíng)養(yǎng)土的土工格室

室內(nèi)模擬沖刷試驗(yàn)的降雨強(qiáng)度為5.0 mm/min左右，每次降雨10 min，共降雨6次。試驗(yàn)土樣的含水率為11%，壓實(shí)度為88%。降雨試驗(yàn)前，以較小的降雨量濕潤(rùn)邊坡，沖刷試驗(yàn)時(shí)，利用集水槽收集降雨產(chǎn)生的沖刷泥水量，并將每次收集的沖刷水量烘干得到泥沙含量。

1.2雨水入滲室內(nèi)模擬試驗(yàn)方法

雨水入滲模擬試驗(yàn)的模擬邊坡坡比分別為1∶1，1∶1.5。采用面流沖刷，模擬降雨強(qiáng)度為4.0 mm/min，連續(xù)降雨歷時(shí)4 h。

如圖3所示，模擬裝置由有機(jī)玻璃制作而成，模擬邊坡尺寸分別為：長(zhǎng)100 cm×高55 cm×寬20 cm×厚1 cm和長(zhǎng)75 cm×高55 cm×寬20 cm×厚1 cm。分層擊實(shí)成型后的壓實(shí)度為90%。

面流裝置由入水水箱、穩(wěn)定層和出水口3個(gè)部分組成，裝置高20 cm，出水口每個(gè)孔徑為3 mm，長(zhǎng)度10 cm。試驗(yàn)時(shí)，自來水通過水管進(jìn)入水箱，而后流入穩(wěn)定層，穩(wěn)定層水流趨于穩(wěn)定，水面高度平穩(wěn)一致，無紊流，接著水流再從出水口的各個(gè)小孔均勻流向坡面。由于流入邊坡的水流平穩(wěn)，初始高度相同，水頭梯度不變，故而流向邊坡頂端的速度也相同，陽光板出水口均勻分布的小孔，能使水流均勻分布在坡面上，不形成匯流。

1.3試驗(yàn)用土的物理指標(biāo)

試驗(yàn)用土的物理指標(biāo)如表2所示。

2　結(jié)果與分析

2.1雨水沖刷試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過模擬沖刷試驗(yàn)的雨水收集、澄清、烘干和稱重之后，計(jì)算得到強(qiáng)降雨沖刷試驗(yàn)結(jié)果如圖4—7所示。

注：1為供水系統(tǒng)；2為測(cè)控系統(tǒng)；3為水箱；4為出水口；5為試驗(yàn)邊坡。

圖3模擬試驗(yàn)裝置

表2試驗(yàn)土體物理指標(biāo)

指標(biāo)液限/WL/%塑限Wp/%/塑性指數(shù)Ip比重Gs最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)數(shù)值33.420.213.22.67817.31.89

圖4　泥沙沖刷量試驗(yàn)結(jié)果

圖5　泥沙累計(jì)沖刷量試驗(yàn)結(jié)果

由以上試驗(yàn)結(jié)果分析，可得到以下結(jié)論：

(1) 草繩繩網(wǎng)護(hù)坡的泥沙沖刷總量比裸坡泥沙沖刷總量減少60%以上，因此草繩繩網(wǎng)護(hù)坡具有明顯的防雨水沖刷效果。

(2) 由圖4可知，草繩繩網(wǎng)對(duì)泥沙的攔截作用，使泥沙沖刷量的峰值延后，且峰值泥沙量相應(yīng)減少。

(3) 如圖5所示，不同尺寸繩網(wǎng)防護(hù)對(duì)應(yīng)的總沖刷量可知，繩網(wǎng)網(wǎng)孔越小，沖刷量越少，防沖刷效果更好；繩網(wǎng)直徑越大，泥沙沖刷量越少。但不同繩網(wǎng)直徑的防沖刷效果差距不明顯，因此繩網(wǎng)直徑和網(wǎng)孔大小相比，網(wǎng)孔大小對(duì)坡面沖刷影響更大。

(4) 由圖6—7可知，在草繩繩網(wǎng)護(hù)坡表面鋪設(shè)營(yíng)養(yǎng)土后，泥沙沖刷量有一定的增加，但對(duì)其沖刷總量影響不大，與尺寸相當(dāng)?shù)耐凉じ袷蚁啾?，草繩繩網(wǎng)護(hù)坡的累計(jì)沖刷量減少12%，因此草繩網(wǎng)護(hù)坡比土工格室護(hù)坡具有更好的防沖刷效果。

圖6　加營(yíng)養(yǎng)土防護(hù)泥沙沖刷量試驗(yàn)結(jié)果

圖7　加營(yíng)養(yǎng)土泥沙累計(jì)沖刷量試驗(yàn)結(jié)果

2.2坡面水流流速測(cè)試及分析

在邊坡正前方架設(shè)相機(jī)三腳架，調(diào)整到一定高度，相機(jī)正對(duì)坡面，待到一定時(shí)間后從邊坡坡頂左中右3處滴入有色染劑，同時(shí)用相機(jī)連拍，連拍間隔t，然后計(jì)算前后高度差h，得到3處平均值，計(jì)算出坡面面流平均流速如圖8所示。

可見，坡面的繩網(wǎng)能顯著減小坡面的水流速度，在本試驗(yàn)條件下，繩網(wǎng)護(hù)坡比裸露邊坡的坡面水流減小流速20%～50%，其中繩網(wǎng)布置間距越小，水流流速減小幅度越大。

2.3雨水入滲試驗(yàn)結(jié)果與分析

坡比1∶1.5，1∶1繩網(wǎng)護(hù)坡及裸露邊坡的模擬雨水入滲試驗(yàn)完成后，每隔10 cm取點(diǎn)切片烘干測(cè)量邊坡土體含水率，繪制邊坡等含水率分布線。由于邊坡含水率普遍在15%～25%，所以邊坡等含水率分布線采用17%，19%，21%，23%和25%這5種代表性的含水率繪制，繪制的邊坡等含水率分布線如圖9—10所示。

注：工況1為裸露邊坡；工況2為繩網(wǎng)間距10 cm護(hù)坡；工況3為繩網(wǎng)間距5 cm護(hù)坡。

圖8坡面水流流速測(cè)試結(jié)果

圖9　坡比為1∶1.5的邊坡等含水率線試驗(yàn)結(jié)果

圖10　坡比為1∶1的邊坡等含水率線試驗(yàn)結(jié)果

由圖9—10可知，繩網(wǎng)護(hù)坡的雨水入滲大于裸露邊坡雨水入滲范圍，這種現(xiàn)象在坡比為1∶1.5緩坡表現(xiàn)最明顯，而1∶1陡坡的表現(xiàn)不很明顯。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，繩網(wǎng)能增加坡面的粗糙度，從而減小坡面的水流速度，增加坡面的雨水入滲深度。但隨著坡度的增加，不僅坡面水流加快，而且接觸雨水的坡面面積也相應(yīng)減小，因此這種差異在坡度較陡時(shí)表現(xiàn)不明顯。

2.4現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證繩網(wǎng)護(hù)坡在實(shí)際工程中的防沖刷效果，在湖南醴茶高速公路進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該高速公路區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候，四季分明，雨量充沛，年降水量約1 500 mm。針對(duì)試驗(yàn)段4種常見的黏土、砂性土、風(fēng)化泥巖和卵石土邊坡進(jìn)行繩網(wǎng)護(hù)坡試驗(yàn)。

一年雨季過后，在繩網(wǎng)與邊坡之間形成明顯的臺(tái)階狀，繩網(wǎng)與邊坡貼合緊密，營(yíng)養(yǎng)土和草籽在強(qiáng)降雨中未被大量沖刷，目前邊坡穩(wěn)定，無滑坡、溝槽，水土保持效果明顯，植被長(zhǎng)勢(shì)良好，證明繩網(wǎng)護(hù)坡在實(shí)際工程運(yùn)用中切實(shí)可行。由于繩網(wǎng)價(jià)格低廉，因此繩網(wǎng)護(hù)坡相對(duì)于框架護(hù)坡等具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于椰繩繩網(wǎng)而言，其腐爛變化的時(shí)間一般為1～2 a，而草繩繩網(wǎng)的腐爛時(shí)間則相對(duì)要短。高溫雨季現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)草繩繩網(wǎng)強(qiáng)度變化參數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖13所示，在南方高溫多雨春夏季節(jié)，經(jīng)歷半年時(shí)間，草繩能保持初試強(qiáng)度的15%以上，但由于草繩繩網(wǎng)與沖刷臺(tái)階的土壤形成了一個(gè)整體，并且孔隙被滲入土粒填充后的草繩能減少草繩與空氣的接觸而減慢氧化腐爛速度，因此一年內(nèi)的草繩繩網(wǎng)護(hù)坡仍不會(huì)由于雨水的沖刷而破壞。草繩繩網(wǎng)護(hù)坡能夠?yàn)橹脖坏纳L(zhǎng)提供一個(gè)良好的生長(zhǎng)環(huán)境，避免暴雨沖刷導(dǎo)致邊坡的水土流失，帶走未發(fā)芽的種子和剛剛生長(zhǎng)的幼苗。經(jīng)歷一個(gè)完整的雨季后，草繩繩網(wǎng)開始腐爛，并自然降解在土壤中，轉(zhuǎn)換為有機(jī)肥料。

　　圖11　砂性土邊坡施工完成30 d后效果　　　　　　　　　　　　圖12　黏土邊坡施工完成60 d后效果

圖13　草繩抗拉強(qiáng)度時(shí)間變化

3　結(jié) 論

(1) 繩網(wǎng)覆蓋在邊坡表面能與植物根系形成水平與垂直雙向加筋效應(yīng)，可有效提高邊坡抗沖刷能力。與裸露邊坡相比，繩網(wǎng)護(hù)坡使泥沙沖刷量的峰值延后，峰值泥沙量也相應(yīng)減少；繩網(wǎng)護(hù)坡比裸露邊坡減少強(qiáng)降雨沖刷泥沙量達(dá)60%以上；同等條件下覆蓋繩網(wǎng)比采用土工格室護(hù)坡的沖刷量減少10%～20%。

(2) 與裸露邊坡相比，采用繩網(wǎng)護(hù)坡能明顯增加雨水入滲深度和入滲范圍，因此繩網(wǎng)護(hù)坡更有利于大氣降水轉(zhuǎn)化為地下水，但邊坡含水率增加的不利影響會(huì)使邊坡穩(wěn)定性降低。

(3) 在本試驗(yàn)面流條件下，繩網(wǎng)護(hù)坡比裸露邊坡坡面水流減小流速20%～50%，這種對(duì)坡面水流的減速作用是繩網(wǎng)護(hù)坡能夠減少坡面沖刷和增加雨水入滲的主要原因。

(4) 在南方春夏雨季的半年時(shí)間段內(nèi)，暴露在大氣中的草繩繩網(wǎng)強(qiáng)度減少到初始強(qiáng)度的15%，但由于草繩繩網(wǎng)與沖刷臺(tái)階的土壤形成了一個(gè)整體，使草繩繩網(wǎng)護(hù)坡在一年內(nèi)仍不會(huì)由于雨水沖刷而破壞。

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Experimental Study on Erosion and Rainwater Infiltration on the Rope Net Protection Slop Under Heavy Rainfall

WANG Guiyao1, XIAO Kan1，2, TIAN Ruifeng1

(1.SchoolofCivilandArchitectureEngineering,ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha410004,China； 2.TrafficEngineeringQualitySupervisionStationofNanning,Nanning530001,China)

Based on the soil and water conservation of highway slope and the entire ecosystem of rice straw and other waste recycling purpose, the full ecological rope net slope protection structure which can prevent rainfall erosion has been developed. Through erosion tests of self-developed indoor simulated side-slope erosion devices, various parameters such as velocity of water flow scouring the surface of the slope, amount of sediment and the rainfall penetration have been compared and analyzed. The mechanism of rainfall erosion for rope net protection has also been examined and the optimal parameter has been screened. Through rope net slope protection field test, the rope net application effect on slope protection and straw rope net changes of decay in high temperature and rainy southern region are obtained. Compared with the unprotected bare slope, the slope with rope net protection can slow slope flow velocity by 20% ～ 50%, reduce more than 60% of sediment erosion caused by heavy rainfall. It shows that the performance of the rope revetment was better than the groundwork lattice revetment under the same circumstance, while the rope revetment could also increase the infiltration of waterfall, which would be beneficial for the conservation of water and soil.

highway slope; rope net protection slope；rainwater infiltration；heavy rainfall erosion; experimental study

2014-11-02

2015-01-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178063,51578082);湖南省研究生科研創(chuàng)新資助項(xiàng)目(CX2013B370)

王桂堯(1963—),男,浙江東陽人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事道路巖土工程研究。E-mail:wanggy688@163.com

肖侃(1989—),男,湖南邵東人,碩士,研究方向?yàn)榈缆穾r土工程。E-mail:xiaokan01@163.com

U416.1; S157.4

A

1005-3409(2016)01-0018-05