砂性土坡面防護結(jié)構(gòu)抗降雨沖刷性能試驗研究

姚明帥，何 寧，周彥章，姜彥彬，吳璐璐，張家勝

(南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京210029)

砂性土坡面防護結(jié)構(gòu)抗降雨沖刷性能試驗研究

姚明帥，何 寧，周彥章，姜彥彬，吳璐璐，張家勝

(南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京210029)

針對砂性土堤防坡面抗雨水沖刷能力弱的工程實際，建立砂性土坡面沖刷試驗?zāi)Ｐ?，開展降雨沖刷試驗，研究不同砂性土堤防坡面保護層抗沖刷性能。分析降雨條件下不同砂性土堤防坡面保護層的沖刷過程，總結(jié)出沙土、膨潤土與秸稈三者混合形成的坡面保護層能夠抵抗雨水沖刷、保障植物種子順利成長，便于施工。

砂性土坡面；模擬降雨；沖刷試驗；沙-粘性土拌合物

作為國家加快建設(shè)的戰(zhàn)略性、全局性重大水利工程，黑龍江干流堤防地基以砂基或土基為主，堤防形式以砂基砂堤、砂基土堤為主，在水流沖刷、降雨、暴雪等惡劣環(huán)境作用下，易發(fā)生坍塌，水土流失嚴重。針對上述情況，部分砂性土堤防邊坡采用種植草本植物的方式來改善堤防邊坡水土流失的情況，在植被護坡具備抗沖刷能力前期，坡面上覆蓋保護層以保證植物正常生長及防止草籽被雨水沖刷走。為起到防護作用，坡面保護層本身的抗沖刷性能要滿足一定要求。影響坡面在降雨沖刷作用下侵蝕破壞的因素主要包括土體性質(zhì)、降雨特征、邊坡形態(tài)等[1-4]。本文針對土體性質(zhì)這一因素對坡面在降雨沖刷作用下侵蝕破壞過程的影響，配制不同方案的保護層模擬降雨邊坡沖刷過程，分析研究不同配比方案下坡面保護層的抗雨水沖刷情況。

1 模型試驗設(shè)計

為模擬堤防現(xiàn)場最不利土質(zhì)情況，選取堤防現(xiàn)場典型地段取樣，依據(jù)從現(xiàn)場取回的土樣的顆分試驗數(shù)據(jù)配制試驗用沙，試驗用沙顆粒組成分析表如表1所示。按沙、粘土(本文采用膨潤土)以及長度在1.5～3.0 cm的秸稈配制成四種方案的坡面保護層進行模擬降雨沖刷試驗，分析各配比方案下的保護層抗沖刷能力。

表1 試驗用沙顆粒組成分析表Tab.1 Particle composition of sand

1.1 試驗裝置

沖刷試驗邊坡采用主體用沙子堆成的高0.7 m、順坡向水平寬1.4 m的1：2邊坡，坡腳處可自由放置擋板(阻擋坡體順坡滑移)。沙坡表面覆蓋不同配比方案拌合物，沙坡沿著實驗室墻體堆筑，沙坡高度0.7 m，在沙坡上方1.5 m處放置降雨設(shè)備，降雨設(shè)備為掛高1.5 m、噴灑范圍為一個直徑6 m的圓降雨噴頭，有效降雨面積覆蓋待沖刷邊坡，整個實驗過程中采用同一雨強。試驗裝置具體見圖1所示。

圖1 沖刷試驗裝置圖Fig.1 The test device

1.2 試驗方案設(shè)計

在已建邊坡坡面鋪5 cm厚的沙、膨潤土、秸稈不同配比方案的拌合物覆蓋層，配比方案如下：(1)方案一，坡面不做任何護面，直接沖刷沙體(坡體)；(2)方案二，沙子與膨潤土質(zhì)量比4：1，加水拌和做成抹面；(3)方案三，沙子與膨潤土質(zhì)量比4：1，不加水拌和覆蓋于坡面；(4)方案四，沙子、膨潤土、秸稈質(zhì)量比4：1：0.1，不加水拌和覆蓋于坡面。各種配比方案的拌合物覆蓋層做好后，覆蓋于坡體之上均放置一天后在同一降雨強度(80 mm/h)下沖刷1 h。

2 坡面沖刷過程分析

2.1 方案一——沙坡無覆蓋層(裸坡)直接沖刷

未添加任何材料的沙坡，在降雨的整個過程中由于坡體本身滲透性特別好而未產(chǎn)生徑流，降雨前期，坡體表面含水量少，沙體松散，雨滴砸下形成的沖蝕坑較大且明顯，此階段為雨水擊打土體過程，如圖2(a)所示。隨著降雨的進行，坡體含水量增加對下落的雨滴起到了緩沖作用，坡面雨滴沖蝕坑現(xiàn)象減輕，坑的深度和直徑均減小，如圖2(b)所示。降雨經(jīng)由土體內(nèi)部下滲到坡腳，坡體含水量增大，土體強度降低，不穩(wěn)定性增加，坡腳塌陷并向前滑移，隨著降雨的進行，坡腳沙體坍塌滑移的程度不斷加重，且速度越來越快。圖2(c)、(d)、(e)所示為不同時間點坡腳破壞示意圖。

圖2 無覆蓋層沙坡沖刷過程圖Fig.2 Scour process diagram of intectate slope

2.2 方案二——沙、膨潤土濕拌覆坡

圖3(a)為沙子與膨潤土濕拌混合物抹面覆蓋層剛做好時的狀態(tài)，覆蓋層做好后放置一天后坡頂處出現(xiàn)細小裂縫。在降雨前期坡面砂土處于非飽和狀態(tài)，雨滴從高處落到坡面對坡面造成沖擊，但由于濕拌坡面土體強度高，坡面只出現(xiàn)輕微濺蝕坑，雨滴一部分濺出坑外，一部分被坡面砂土吸收[5-6]。但由于覆蓋層抹面滲透性差，降雨很快就產(chǎn)生徑流，主要是膨潤土溶于水成束狀順坡留下，如圖3(b)所示，坡腳處只有泥水沒有沙子。

隨著降雨的繼續(xù)，覆蓋層表面逐漸吸水，出現(xiàn)了吸水軟化過程[7]，膨潤土與沙子同時隨水流而下，且出現(xiàn)沖蝕淺溝 。如圖3(c)所示，隨著時間的推移，徑流量加大，坡面沖蝕淺溝寬度與深度都在增加，泥沙沖刷量加大。對比圖3(c)、(d)即可發(fā)現(xiàn)淺溝寬度和深度的變化。在本次模擬降雨沖刷的后期，坡面上未沖刷前產(chǎn)生的細小裂縫由于覆蓋層土體吸水軟化而閉合。在1 h的降雨沖刷過程中，坡體完整性很好，坡腳未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。

圖3 沙、膨潤土濕拌覆坡沖刷過程圖Fig.3 Scour process diagram of protection layer composed of sand，bentonite and water

2.3 方案三——沙、膨潤土干拌覆坡

圖4(a)為沙子與膨潤土干拌混合物覆蓋層沖刷前狀態(tài)，在降雨前期雨滴從高處落到坡面對坡面造成沖擊，出現(xiàn)大量濺蝕坑，而雨滴一部分濺出坑外，一部分被坡面砂土吸收。坡面上細小且松散的土顆粒由于雨滴的擊打而四處濺散或滾動。

隨著降雨的繼續(xù)，坡面逐漸形成一層泥膜，雨滴對土顆粒的濺蝕作用逐漸消失。當某一區(qū)域雨強超過砂土的入滲率時，坡面便開始形成少量積水并向下流動，如圖4(b)所示。

由于水層薄，沖刷力弱，水流只能搬運一些細小的顆粒，坡面呈現(xiàn)鱗狀現(xiàn)象，如圖4(c)所示。隨著時間的推移，徑流量加大，坡面逐漸出現(xiàn)沖蝕淺溝，水流攜帶的沙子也逐漸增多，坡腳局部土體處于飽和，土體強度降低，坡腳出現(xiàn)了小范圍的沖蝕破壞，如圖4(d)所示。

圖4 沙、膨潤土干拌覆坡沖刷過程圖Fig.4 Scour process diagram of protection layer composed of sand and bentonite

2.4 方案四——沙、膨潤土、秸稈干拌覆坡

圖5(a)為沙子、膨潤土與秸稈干拌混合物覆蓋層沖刷前狀態(tài)。此方案的沖刷過程特點與方案三相似，不同處在于，此方案中添加了秸稈后，導(dǎo)致土體間空隙增多增大，土體自然狀態(tài)下比較松散，所以坡面被雨水沖刷破壞的程度較大，圖5(c)、(d)、(e)為坡腳逐漸破壞過程圖。

圖5 沙、膨潤土、秸稈干拌覆坡沖刷過程圖Fig.5 Scour process diagram of protection layer composed of sand，bentonite and straw

3 試驗結(jié)果分析

圖6為四種方案下各個坡面結(jié)構(gòu)被雨水沖刷深度圖。坡面順坡方向總長1.5 m，于坡面中央自坡頂至坡腳均勻布置9個點號，測量九個點的沖刷深度來代表整個坡面的沖刷深度情況。結(jié)合實驗過程及數(shù)據(jù)分析可得：

方案二和方案三坡面完整性比較好，即坡腳沒有出現(xiàn)大范圍坍塌破壞的坡面，坡面上半部分沖刷較下半部分坡面嚴重，主要原因是降雨形成的徑流對坡面下半部分有一定的保護作用，上半部分坡面徑流小，雨水對坡面擊打作用較強，致使坡面上半部分沖刷較下半部分嚴重。

方案一和方案四坡面發(fā)生坍塌破壞，方案一坡腳處無擋板，坡腳處土體直接滑走，使得坡面下半部分沖刷深度持續(xù)增加，如圖6中方案一所示線型；方案四有擋板，坡腳處土體沖刷深度先持續(xù)增加，當坡腳土體滑移至擋板處，土體在擋板處逐漸向上雍高，使得坡腳處沖刷深度先增加后降低，如圖6中方案四所示線型。

圖6 不同坡面保護層沖刷深度圖Fig.6 Scour depth of different slope protection layer

4 結(jié)論

1）采用沙、膨潤土濕拌形式形成的護面結(jié)構(gòu)土體強度較高，但其最大缺點是制作費時費力且抹面干燥后極易出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象不利于實際工程的施工，此種硬性覆蓋層前期也不利于種子萌發(fā)。

2）沙、膨潤土干拌覆坡與沙、膨潤土、秸稈干拌覆坡土體強度雖沒有抹面土體強度高，但其抗沖刷能力能夠保障植物種子順利成長，便于施工的同時，松散的土體也有利于播撒草籽、適宜種子生長。

3）沙、膨潤土、秸稈干拌覆坡中對選用秸稈長度及粗細考慮不足，導(dǎo)致其實際抗雨水沖刷效果沒有預(yù)想的理想，在實際工程應(yīng)用中，有條件的地區(qū)可在坡面直接覆蓋薄層秸稈緩解雨水沖刷、保護草本種子生長。

[1] 羅 斌.清連公路路塹邊坡坡面沖刷影響因素分析[J].路基工程，2000，89(2)：11-13.

[2] 李志剛，吳 偉，陳云鶴.高速公路路堤邊坡沖刷防護臨界高度初探[J].公路交通科技，2003，20(2)：24-27.

[3] 張 擎，沈 波，艾翠玲.黃土路基坡面侵蝕影響因素試驗研究[J].公路交通科技，2005，22(9)：20-22.

[4] 張 巖，朱清科.黃土高原侵蝕性降雨特征分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2006，20(6)：99-103.

[5] 劉海松，倪萬魁，楊泓全，等.降雨沖刷對黃土公路邊坡植物防護影響的試驗研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2007，15(4)：527-533.

[6] 劉 俊，孫樹林，陳懌旸，等.滲流-應(yīng)力耦合效應(yīng)對非飽和土邊坡穩(wěn)定性影響分析[J].河北工程大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2016，33(3)：38-42.

[7] 高 冰，周 健，張 姣.泥石流啟動過程中水土作用機制的宏細觀分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30(12)：2567-2573.

Experimental study on anti rain erosion performance of sandy slope surface protection structure

YAO Mingshuai，HE Ning，ZHOU Yanzhang，JIANG Yanbin，WU Lulu，ZHANG Jiasheng
(Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing，Jiangsu，210029，China)

For the sand embankment water loss and soil erosion prevention situation，a model of sand soil surface anti erosion test was established to carry out rainfall scouring test. Based on the model test，anti-washout performance of different sand embankment slope protection layer was studied and erosion process of protection layer was analyzed. It is concluded that the mixture of sandy soil，bentonite and straw can resist rain erosion，ensure the smooth growth of plant seeds and facilitate construction.

sandy soil slope，simulated rainfall scouring test，sand-bentonite mixture

TV871.2

A

1673-9469（2017）04-0015-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.04.004

2017-06-26

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(Y316007)；江蘇省科技計劃項目(Rq315003)；黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃引導(dǎo)項目(GZ16B038)

姚明帥(1992-)，男，江蘇東海人，碩士，從事環(huán)境巖土工程方面的研究。