復(fù)合型生態(tài)護(hù)坡植生層降雨滲流試驗(yàn)研究

王溪平

(建平縣水土保持局，遼寧 朝陽(yáng) 122400)

復(fù)合型生態(tài)護(hù)坡植生層降雨滲流試驗(yàn)研究

王溪平

(建平縣水土保持局，遼寧 朝陽(yáng) 122400)

水利工程建設(shè)中對(duì)巖土體的開挖和堆填會(huì)破壞原有植被覆蓋層。現(xiàn)有生態(tài)護(hù)坡一般關(guān)注邊坡的深層穩(wěn)定性，對(duì)于植生層穩(wěn)定性的研究還不多見。本文基于國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)復(fù)合型生態(tài)護(hù)坡植生層進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)降雨模擬試驗(yàn)，探究了降雨前后各邊坡不同位置植生層和土工網(wǎng)的土體含水量，并分析了含水量的變化規(guī)律，為今后的研究奠定了基礎(chǔ)。研究表明：巖質(zhì)邊坡植生層含水量容易達(dá)到飽和狀態(tài)，降雨結(jié)束后，邊坡頂部含水量下降顯著，邊坡底部含水量較大，不利于護(hù)坡植物生長(zhǎng)。

復(fù)合型生態(tài)護(hù)坡；植生層；降雨；滲流試驗(yàn)；土工網(wǎng)

我國(guó)發(fā)生滑坡、泥石流、水土流失等自然災(zāi)害較為頻繁[1]。目前，對(duì)巖質(zhì)邊坡和高陡邊坡一般采用工程防護(hù)措施，包括噴錨混凝土護(hù)坡、框格護(hù)坡、六角空心磚護(hù)坡等[2-3]。這些措施加固效果明顯，但會(huì)增加整體工程造價(jià)，其施工工藝繁瑣，不利于植被生長(zhǎng)。隨著工程使用年限增加，工程防護(hù)自然風(fēng)化，后期存在安全隱患。研究表明，植被覆蓋率以及松散堆積物數(shù)量是導(dǎo)致滑坡和泥石流的主要因素，因此，對(duì)邊坡工程進(jìn)行植被恢復(fù)是水利工程中的重要問題。對(duì)于巖質(zhì)邊坡和高陡邊坡，以往多采用多層種植攀爬植物或噴播草本植物，但是此類植被難以形成獨(dú)立的生態(tài)系統(tǒng)，后期維護(hù)成本高。坡面植生土體的穩(wěn)定性直接關(guān)系到植被的生長(zhǎng)水平。本文主要采用土工網(wǎng)墊噴播植生技術(shù)對(duì)大凌河兩岸巖質(zhì)邊坡進(jìn)行生態(tài)防護(hù)。

土壤中含水量的分布將直接影響植被的繁茂程度，土壤中的富水層將直接影響植被根系在植生層的分布。自然降水對(duì)植生層有著重要影響，降雨會(huì)導(dǎo)致植生層出現(xiàn)變形，嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)失穩(wěn)，水流還會(huì)沖刷植生層表面造成養(yǎng)分流失。但是，降水滲入土體后還可為植被補(bǔ)充生長(zhǎng)所需的水分。現(xiàn)有生態(tài)護(hù)坡一般只關(guān)注邊坡的深層穩(wěn)定性，對(duì)于植生層穩(wěn)定性的研究還不多見。本文對(duì)復(fù)合型生態(tài)護(hù)坡植生層進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)降雨模擬，探究了降雨前后各邊坡不同位置植生層和土工網(wǎng)的土體含水量，并分析了含水量的變化規(guī)律，為今后復(fù)合型生態(tài)護(hù)坡植生層設(shè)計(jì)提供參考。

1 植生層降雨入滲機(jī)理分析

降水滲入植生層的穩(wěn)定問題主要與飽和—非飽和狀態(tài)下的滲流規(guī)律有關(guān)。鑒于植生層土體較薄，雨水滲流將導(dǎo)致土體強(qiáng)度下降，水分將排擠土壤孔隙中的空氣，直到形成飽和狀態(tài)下的連續(xù)滲流。雨水滲入植生層過程主要包括飽和帶、過渡帶、傳導(dǎo)層、濕潤(rùn)層。隨著降水的持續(xù)，傳導(dǎo)層逐漸到達(dá)巖石表面并形成富水層，當(dāng)富水層與飽和帶匯合后，整個(gè)植生層土體都將達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)土體強(qiáng)度達(dá)到最小值，隨時(shí)有發(fā)生滑坡的危險(xiǎn)(植生層降雨入滲機(jī)理見圖1)。植生層入滲的影響因素包括表面植被、土體結(jié)構(gòu)、土體含水量、坡度、土工網(wǎng)墊類型、環(huán)境因素等。水是植生層植被生長(zhǎng)的必要元素，因此雨水在植生層內(nèi)的遷移規(guī)律關(guān)系到植被的生長(zhǎng)狀態(tài)。

圖1 植生層降雨入滲機(jī)理

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

錨桿-土工網(wǎng)墊噴播技術(shù)的影響因素主要有巖體種類、坡度、表面風(fēng)化程度、植生層參數(shù)、土工網(wǎng)類型、植被類型、植被密度等。結(jié)合現(xiàn)有研究成果，采用控制變量法進(jìn)行正交試驗(yàn)，取坡度、植被密度、土工網(wǎng)類型作為本次試驗(yàn)的變量，在大凌河兩岸建立錨桿-土工網(wǎng)墊，并進(jìn)行噴播[4]。正交試驗(yàn)組合見表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)正交試驗(yàn)布置

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，坡度分取45°、60°、70°，三維土工網(wǎng)取EM2、EM3、EM5。EM2單位面積平均質(zhì)量為220g/m2，平均厚度10mm，層數(shù)為2層；EM3單位面積平均質(zhì)量為260g/m2，平均厚度12mm，層數(shù)為3層；EM5單位面積平均質(zhì)量為430g/m2，平均厚度16mm，層數(shù)為5層。結(jié)合建平縣生態(tài)環(huán)境，選取高羊茅和白三葉作為護(hù)坡植被。為使植被能形成穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，草籽采用混拌方式，每平方米設(shè)計(jì)了3種不同的配合比：高羊茅25g+白三葉2g、高羊茅30g+白三葉4g、高羊茅35g+白三葉6g。高羊茅25g+白三葉2g表示植生密度稀疏，高羊茅30g+白三葉4g表示植生密度適中，高羊茅35g+白三葉6g表示植生密度繁茂。

利用自制噴淋設(shè)備模擬自然降水，通過試驗(yàn)結(jié)果分析植生層不同位置含水量的遷移規(guī)律。降水試驗(yàn)需要在植被齡期達(dá)到3個(gè)月后開展，試驗(yàn)植被的株高不小于25cm。本次試驗(yàn)中模擬暴雨降雨強(qiáng)度，每小時(shí)降雨量為40mm，噴淋頭噴水速度為10m/s，噴水時(shí)間為15min，降雨面積100m2，總噴水量1m3。

依次對(duì)不同方案的坡體進(jìn)行噴淋。噴淋設(shè)備安裝在邊坡頂部位置，水流向上噴出模仿雨滴自由下落過程，保證降水均勻撒在邊坡表面。完成試驗(yàn)后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，用取土刀取邊坡頂部、中部、底部植生層的土體。保證不同方案取土樣深度相同，將樣品放入已稱重的鋁盒，并進(jìn)行編號(hào)。測(cè)量0h、24h、48h后不同方案邊坡頂部、中部、底部植生層的土體參數(shù)作為試驗(yàn)結(jié)果。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可分析植被密度、坡度、土工網(wǎng)型號(hào)對(duì)降雨后植生層水量遷移的影響(不同試驗(yàn)方案下0h、24h、48h后的土體參數(shù)見表2)。

表2 降雨結(jié)束后各位置含水量 單位： %

由表2中0h后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，不同試驗(yàn)方案下植生層表面坡頂、坡中、坡底含水量都接近80%；不同試驗(yàn)方案下土工網(wǎng)墊含水量差異較大，坡底位置土體含水量顯著高于坡頂位置。隨著時(shí)間的推移，在沒有后續(xù)補(bǔ)水的前提下，不同位置處的土體含水量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，鑒于影響因素較為復(fù)雜，含水量下降幅度有顯著差異。

3.2 坡度對(duì)植生層表面含水量的影響

取不同方案下降水后24h各位置含水量為研究對(duì)象，繪制相同植被密度下的表面含水量分布圖(見圖2)。

圖2 不同坡度下植生層表面含水量分布

研究結(jié)果表明：當(dāng)植被密度相同時(shí)，隨著坡度的增加，坡頂和坡中的植生層表面含水量增加，坡底植生層表面含水量降低。究其原因，降水24h后，土體中的雨水在自重作用下向坡底遷移，坡度越大，滲流壓力越大，坡頂水分遷移速度越快，坡底植生層不斷吸收來(lái)自坡頂和坡中的水分，因此，坡底含水量變化幅度最小。

3.3 植被密度對(duì)植生層表面含水量的影響

取不同方案下降水后24h各位置含水量為研究對(duì)象，繪制相同坡度下的表面含水量分布圖(見圖3)。圖中，A密度代表高羊茅25g+白三葉2g，B密度代表高羊茅30g+白三葉4g，C密度代表高羊茅35g+白三葉6g。

研究結(jié)果表明：當(dāng)坡度相同時(shí)，隨著植被密度的增加，坡頂、坡中、坡底的植生層表面含水量均降低。高羊茅25g+白三葉2g植被覆蓋下的含水量變化最大，其余兩種植被密度含水量變化類似。隨著坡度的增加，坡頂和坡中的表面含水量變化較為顯著，說(shuō)明坡度是影響植生層表面含水量的主要因素。

圖3 不同植被密度下植生層表面含水量分布

4 結(jié) 論

以巖質(zhì)邊坡植生層土體為研究對(duì)象，分析了降雨下植生層土體水分遷移規(guī)律。通過試驗(yàn)對(duì)復(fù)合型生態(tài)護(hù)坡植生層進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)降雨模擬，探究了降雨前后各邊坡不同位置植生層和土工網(wǎng)的土體含水量。研究表明：巖質(zhì)邊坡植生層含水量容易達(dá)到飽和狀態(tài)；降雨結(jié)束后，植生層表面坡頂、坡中、坡底含水量都接近80%，土工網(wǎng)墊含水量差異較大；邊坡底部含水量較大，不利于護(hù)坡植物生長(zhǎng)；隨著坡度的增加，坡頂和坡中的表面含水量變化較為顯著，坡度是影響植生層表面含水量的主要因素。

[1] 熊保根. 生態(tài)混凝土護(hù)坡在水利工程中的應(yīng)用[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2016(10):23-25.

[2] 彭世爐. 提高混凝土抗沖磨性能技術(shù)措施在福鼎桑園水庫(kù)下游護(hù)坦、護(hù)坡工程中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)水能及電氣化, 2013(7):5-7.

[3] 李云洲. 模袋混凝土護(hù)坡在淮河入江水道工程中的應(yīng)用[J]. 水利建設(shè)與管理, 2015(9):17-21.

Rainfall Seepage Experimental Study of Compound Ecological Slope Protection Vegetation Growth Layer

WANG Xiping

(JianpingCountyWaterandSoilConservationBureau,Chaoyang122400,China)

Excavation and landfill during water conservancy project construction would damage the original vegetation cover. Existing ecological slope protection generally focuses on stability at the deep level of the slope. Studies on stability of vegetation growth layer are scarce. Based on domestic and overseas study status quo, this article carries out on-spot rainfall simulation test on compound ecological slope protection vegetation growth layer, probes into soil mass water content in vegetation growth layer and geonet in different areas in each slope before and after rainfall and analyses changing rules of water content. It roots foundation for follow-up studies. Studies reveal that water content in vegetation growth layer at the rock slope tends to reach saturated mode. After rainfall, the peak of this slope shows evident drop of water content and high water content at the bottom. It is not conductive to growth of plants at the protection slope.

compound ecological slope protection; vegetation growth layer; rainfall; seepage test; geonet

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.04.016

TV861

A

1673-8241(2017)04- 0061- 04