新型高分子材料固化黃土邊坡的抗沖刷試驗

王銀梅,徐鵬飛

(太原理工大學水利科學與工程學院,山西 太原 030024)

引言

黃土高原地形破碎，暴雨集中且雨量大；黃土地區(qū)廣泛分布的黃土，顆粒細,土質松軟，結構疏松、富含可溶性礦物質成分，具有遇水結構容易破壞，迅速崩解的特性，所以經(jīng)常出現(xiàn)黃土邊坡坡面受雨水沖刷形成沖溝甚至失穩(wěn)的情況，通常需要進行邊坡防護處理。

黃土邊坡坡面防護的工程護坡方式因為存在缺陷，逐漸被其它新方法所取代，土壤改良技術和生態(tài)護坡新技術已經(jīng)成為邊坡防護的發(fā)展方向。土壤固化劑，具有價格便宜、使用方便和性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)勢，應用到道路路基、水利和渠道防滲等基礎設施建設中已比較普及。由于固化劑的固土性能及其使用條件和方法的研究還不夠成熟，目前運用土壤改良技術進行工程邊坡防護尚處于試驗研究階段，雖也取得了一些成果[1-6]，但利用土壤固化劑加固邊坡土體，使固化后的邊坡既具有足夠的抗沖刷性能，植被又能較好生長方面的研究相對較少，因而限制了固化劑在邊坡方面的實際應用，所以用于邊坡防護的土固化材料開發(fā)與研究越來越受到重視。

本文根據(jù)已有的試驗成果和工程實際，采用新型高分子材料SH固化劑固化黃土，利用室內(nèi)裝置人工模擬邊坡頂端來流沖刷，試驗研究黃土邊坡施加SH后，邊坡坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙變化特征，探討SH固化黃土及植草固土相結合的方法對提高邊坡抗沖刷性的防護效果，旨在為SH固化劑在邊坡防護工程中的應用提供科學依據(jù)和理論指導。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗用土為山西太原地區(qū)Q2黃土，屬低液限粉質黏土；固化劑由蘭州大學提供，為固含量5%的高分子材料SH；北方型多年生寬葉黑麥草草種[7]。

1.2 試驗設計

人工模擬邊坡試驗裝置主要由供水設備和沖刷土槽等部分組成(圖1、圖2)。試驗時，用流量計和開關控制供水流量。水流順著銜接管道進入到溢流箱內(nèi)，通過溢流箱的緩沖作用，水流薄而均勻的進入沖刷土槽。溢流箱的溢流口必須與土槽頂部上邊緣相連接，并處于同一水平面上，模擬坡面匯水過程。土槽的末端設有出水口，盛接從坡面上沖刷下來的水土，便于測定徑流量和含沙量。

圖1 沖刷試驗裝置示意圖Fig.1 Sketch map of erosion experimental device1.接樣桶；2.土槽；3.徑流面；4.土槽墊塊；5.靜水溢流箱；6.輸水軟管；7.恒壓貯水箱；8.貯水箱支架；9.流量計；10.流量計墊塊；11.溢流箱墊塊。

圖2 室內(nèi)模型照片F(xiàn)ig.2 Indoor model photos

根據(jù)試驗目的，在參考SH固化黃土和黃土沖刷試驗成果[7-8]的基礎上，設計本次試驗的主要參數(shù)如下：人工自制簡易木質沖刷模型槽尺寸2 m×0.5 m×0.5 m，土槽坡度固定為45°，土壓實度90%， SH摻量為6%和10%，放水流量分別是100 L/h、200 L/h、400 L/h。當SH摻量為變量時，放水流量取200 L/h；當放水流量為變量時，SH摻量定為10%。不施加SH的黃土坡面作為對照。

1.2.1固化土坡面沖刷試驗

先把按配比稱量拌和好的SH固化黃土分層填入沖刷土槽內(nèi)，厚度為40 cm。由于SH的固化特點是固化試樣干燥時強度趨于最大[9]，所以需待固化黃土風干(28 d)后進行沖刷試驗，沖刷時間為30 min，試驗過程中觀察坡面沖刷產(chǎn)流產(chǎn)沙特性。具體為5 min內(nèi)，每1 min收集1次徑流泥沙樣，隨后每隔3 min取樣，試驗結束后用烘干法測定泥沙量。

1.2.2SH固化植草護坡沖刷試驗

先將黑麥草種子用溫水浸泡12 h。按壓實度90%進行沖刷土槽內(nèi)分層填土，在最后一層土上均勻撒上黑麥草種子，并鋪蓋一層覆土，輕輕壓實后往坡面灑水，等黑麥草出芽后，再往坡面均勻噴灑10%的SH稀釋液。黑麥草生長過程中每1～2 d澆一次水，待黑麥草生長一個月后進行放水沖刷，放水流量為200 L/h。

2 試驗結果及分析

2.1 SH固化黃土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙

2.1.1SH摻量對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙變化的影響

SH固化黃土坡面徑流量、徑流產(chǎn)沙量隨時間的變化曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3 坡面徑流量隨時間變化曲線Fig.3 The curves of runoff change with time

圖4 徑流含沙量隨時間變化曲線Fig.4 The curves of sediment content change with time

由圖3可知，黃土邊坡(對照)徑流量變化較大，摻量為6%和10%的SH固化黃土坡面的徑流量變化規(guī)律較相似，即在沖刷前5 min內(nèi)，徑流量均不斷增加，5 min后坡面的徑流量逐漸趨于穩(wěn)定。摻入6%、10%SH坡面徑流量平均值分別為3.11和2.92 L/min，與黃土坡面徑流量平均值2.81 L/min相比分別增加了3.91%和10.68%。

圖4中SH固化黃土坡面的徑流含沙量比黃土坡面的降低較多，6%和10%SH固化黃土坡面的徑流含沙量低于黃土坡面(對照)90.4%和95.7%。說明加入SH固化劑后，黃土抗沖刷性能有了顯著提高，SH摻量越大，坡面徑流含沙量越小。

2.1.2放水流量對邊坡坡面徑流產(chǎn)沙的影響

不同放水流量條件下，SH固化坡面徑流量、徑流含沙量隨時間的變化曲線如圖5、圖6所示。

圖5 徑流量與時間關系Fig.5 The relationship between runoff and time

圖6 含沙量與時間關系Fig.6 The relationship between sediment content and time

可以看出，不同放水流量下SH固化黃土坡面徑流量均隨時間小幅變化，而徑流含沙量則有較大波動；而放水流量增大，坡面徑流量和徑流含沙量增加，表明坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙量明顯受到放水流量影響。

2.2 SH與黑麥草結合邊坡的抗沖蝕性能

2.2.1SH與黑麥草結合坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙

SH固化植草防護時坡面產(chǎn)流和徑流含沙量的對比如圖7、圖8所示。

圖7 固化植草坡面徑流量過程曲線Fig.7 The process curves of runoff on solidified and grassed slope

圖8 固化植草坡面徑流含沙量過程曲線Fig.8 The process curves of sediment content on solidified and grassed slope

圖7中黃土坡面和SH固化植草坡面的徑流量變化幅度均較大，而SH固化坡面的徑流量變化較小，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。這是由于黃土坡面在沖刷過程中，不斷出現(xiàn)沖蝕溝，沖蝕溝及泥沙的作用使得其徑流量不斷變化；SH固化黃土坡面堅硬光滑，粗糙度減小，徑流阻力減弱，很少產(chǎn)生溝蝕；而SH固化植草坡面在初期的徑流量比黃土和SH固化黃土坡面都小，是坡面上黑麥草的莖桿對水流產(chǎn)生了一定的阻力，黑麥草增大了坡面的粗糙率并吸收了坡面水分所致。

圖8顯示，SH固化植草坡面與SH固土坡面的含沙量過程曲線幾乎一致，隨時間的變化均很小，含沙量也小，但與對照的黃土坡面相差較大。

2.2.2水沙效應對比

SH固化黃土和SH固化植草調控坡面的水沙效應結果列于表1。

表1 各坡面的抗沖刷能力Table 1 Comparison of erosion resistance on different slopes

SH固化植草坡面的徑流總量較SH固化黃土和黃土坡面為低，產(chǎn)沙總量則與SH固化相近，較黃土坡面降低約97%。

由于 SH摻入后與黃土顆粒表面發(fā)生交聯(lián)，形成具有膜性能的網(wǎng)絡，改變了黃土的結構，黃土顆粒間聯(lián)結增強，起到加固黃土的作用[9]。因此SH固化后邊坡土體滲透性明顯降低，坡面上徑流總量會比素黃土的大，黑麥草的生長，使得坡體的孔隙度和滲透性增大，坡面土體內(nèi)部滲透水分增加，其坡面上徑流總量反而有所減小。黑麥草經(jīng)過一個月的生長，其生長狀況良好，莖桿和葉面減緩了水流，坡面粗糙度增大，有效地減緩了水流的沖刷，且流速降低；黑麥草根系入土較深，根系起到了固土作用，故產(chǎn)沙總量顯著減小，抗沖刷性能顯著增強。

不同坡面情況下的沖刷試驗結果如圖9所示。

圖9 不同坡面條件下的沖刷試驗照片F(xiàn)ig.9 Photos showing the erosion test results under different slope conditions

2.2.3與CONAID、EN-1等固化劑結果比較

文獻[4]用4 種固化劑固化陜西楊陵黃土邊坡，與素土坡面對照產(chǎn)流產(chǎn)沙情況，得到了加入CONAID，LUKANG，SSA和EN-1后，不論固化劑摻量多少，坡面徑流量與素土相比變化小，即摻量對徑流量影響不大；坡面含沙量較素土顯著減小，抗沖刷性明顯增強；CONAID、LUKANG 和 EN-1 固化土坡面含沙量隨固化劑摻量的增加而減小，SSA 則隨固化劑摻量增加而增大的研究結果，業(yè)已說明采用合適的固化劑可以提高黃土邊坡坡面抗沖刷性能。

經(jīng)與文獻[4]的研究結果對比，發(fā)現(xiàn)新型高分子材料SH固化劑與EN-1有大致相同的固化效果。0.01%和 0.1%的EN-1固化土坡面含沙量低于對照坡面 38.8%和 52.15%，而6%和10%SH固化黃土坡面的徑流含沙量低于對照坡面90.4%和95.7%，SH較EN-1固化后坡面徑流含沙量減小更為明顯，SH可以用于黃土邊坡抗沖刷加固；EN-1 和 LUKANG 固化劑對黑麥草生長影響較小，CONAID 和 SSA 固化劑對黑麥草生長有一定抑制作用，而SH固化不會抑制植物生長，SH固化植草護坡技術對提高黃土邊坡坡面抗沖刷性更為有效。

3 結論

(1)黃土邊坡中加入不同摻量的SH固化劑后，與對照的黃土坡面的徑流量差別較小，說明SH摻量對邊坡坡面的徑流強度影響不大。

(2)加入SH固化劑，坡面徑流含沙量較對照的黃土坡面顯著減小，抗沖刷性明顯增強，摻量增大，抗沖刷性能增強。

(3)經(jīng)SH固化黃土、SH固化植草與黃土坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征對比，認為SH固化植草技術對提高邊坡坡面抗沖刷性更為有效， SH不會抑制植物生長，化學與生態(tài)結合防護效果更好。建議進一步開展相關研究工作。