強(qiáng)降雨條件下邊坡黃土流失分析及防治建議

王未英

(忻州市水文水資源勘測(cè)站，山西 忻州 034000)

我國(guó)西北地區(qū)黃土分布廣，但黃土遇水力學(xué)性質(zhì)易變差，給工程建設(shè)帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)[1-3]。此外，在強(qiáng)降雨條件下，西北地區(qū)黃土邊坡極易發(fā)生水土流失問(wèn)題，給區(qū)域環(huán)境和生態(tài)帶來(lái)了極大的威脅[4-6]。因此，研究強(qiáng)降雨條件下黃土邊坡水土流失的主要規(guī)律并提出有效的解決方法，對(duì)解決區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全問(wèn)題及財(cái)產(chǎn)安全問(wèn)題具有重要意義。針對(duì)上述問(wèn)題，我國(guó)學(xué)者展開(kāi)了大范圍、有深度的研究。王浩然等[7]基于現(xiàn)有研究狀況，深入分析了各種不同黃土改良技術(shù)手段的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，并總結(jié)得出不同手段對(duì)改良黃土強(qiáng)度和凍融穩(wěn)定性的影響。呂廷鋒[8]基于甘肅省黃土高原某塬面區(qū)黃土邊坡改良工程項(xiàng)目，深入分析了區(qū)域黃土水土流失特點(diǎn)，并提出采用排水豎井、溝邊梗等手段可以有效治理邊坡水土流失問(wèn)題。

綜上所述，現(xiàn)有研究很少涉及化學(xué)技術(shù)治理黃土邊坡的可行性，文章基于室內(nèi)試驗(yàn)，深入研究了強(qiáng)降雨條件下黃土邊坡的流失情況，并提出利用化學(xué)改良技術(shù)治理邊坡的手段。研究成果為我國(guó)黃土邊坡治理提供了一定的借鑒思路。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模型試驗(yàn)

為研究強(qiáng)降雨條件下邊坡黃土的流失情況以及黃土邊坡的穩(wěn)定性，室內(nèi)開(kāi)展了降雨條件下的黃土邊坡穩(wěn)定性試驗(yàn)。本次試驗(yàn)研究所用黃土均取自甘肅省蘭州市某高速公路邊坡，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查和室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定分析，發(fā)現(xiàn)土的主要成分為粉質(zhì)土和粗粉質(zhì)土，黃土試樣的基本物理參數(shù)見(jiàn)表1。另外，為有效解決強(qiáng)降雨條件下黃土邊坡水土流失情況及邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，室內(nèi)通過(guò)引入化學(xué)試劑——新型高分子材料固化劑，對(duì)黃土邊坡進(jìn)行加固?；瘜W(xué)試劑整體呈乳白色，具有易稀釋、膠結(jié)時(shí)間可控和綠色無(wú)毒害的特殊優(yōu)勢(shì)。

表1 黃土的基本物理參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

為研究不同化學(xué)試劑摻量對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性的影響，首先將黃土與不同體積摻量(0%、5%、10%、15%和20%)的高分子固化劑進(jìn)行混合并攪拌均勻。之后，樣本在室溫、通風(fēng)條件下干燥處理7d后，按照如圖1所示的模型尺寸將其固定在模型試驗(yàn)臺(tái)上，開(kāi)展模擬降雨試驗(yàn)。本次試驗(yàn)研究設(shè)計(jì)強(qiáng)降雨的降雨強(qiáng)度為5mm/min。為研究邊坡黃土的保水性，在模擬降雨前，先在邊坡表面按照2L/m2的體量進(jìn)行施水；然后將樣品放在80℃烘箱中進(jìn)行烘干，烘干總時(shí)長(zhǎng)為36h，記錄不同烘干時(shí)間下試樣的質(zhì)量，研究土的保水性。此外，試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖略O(shè)置有黃土收集器，可通過(guò)收集器中黃土的重量測(cè)得不同條件下黃土的流失量。

圖1 降雨條件下黃土邊坡穩(wěn)定性試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 保水性

基于室內(nèi)土的保水性試驗(yàn)，得到不同化學(xué)試劑摻量條件下邊坡黃土試樣的含水率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，如圖2所示。由圖可知，對(duì)于不同的黃土試樣，隨著時(shí)間的增加，試樣的含水率均呈現(xiàn)出不斷下降的變化規(guī)律。分析認(rèn)為，這是由于在80℃高溫影響下，黃土試樣中的水分會(huì)逐漸蒸發(fā)，水的形態(tài)由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，并從土的空隙中散出，因此，不同黃土的含水率均呈現(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢(shì)。

進(jìn)一步分析化學(xué)固化劑摻量對(duì)黃土保水性的影響，由圖2可以看出，在相同的烘干時(shí)間下，試樣的含水率隨著化學(xué)劑摻量的增大而逐漸增大。當(dāng)烘干時(shí)間達(dá)到36h后，不同固化劑摻量下黃土的含水率分別為27.31%、50.25%、68.56%、78.33%以及81.69%。這表明，化學(xué)固化劑有效地增強(qiáng)了黃土邊坡的保水能力。分析認(rèn)為，當(dāng)將黃土與一定量的新型化學(xué)固化試劑混合后，化學(xué)試劑滲入土內(nèi)能夠很好地固化黃土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)減小黃土的孔隙率。因此，黃土的水分蒸發(fā)速率變慢，保水能力增強(qiáng)。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)化學(xué)試劑摻量高于15%以后，試樣的最終含水率降低速度變慢，這表明當(dāng)化學(xué)試劑達(dá)到15%以后，其對(duì)土壤的固化效果已經(jīng)趨于飽和。因此，在綜合考慮化學(xué)固化劑成本的情況下，將其摻量控制在15%左右時(shí)，效果最優(yōu)。

圖2 不同化學(xué)試劑摻量下試樣含水率隨時(shí)間變化規(guī)律

2.2 抗沖刷性

基于室內(nèi)降雨沖刷模擬試驗(yàn)，得到不同試驗(yàn)條件下邊坡黃土試樣的累計(jì)土壤損失率隨降雨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖3所示。由圖可知，對(duì)于不同土樣而言，隨著降雨沖刷時(shí)間的增加，累計(jì)土壤損失率均呈現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢(shì)；此外，黃土的流失速率在10～30min之間最快，當(dāng)沖刷時(shí)間超過(guò)30min后，土的流失速率明顯變慢。分析認(rèn)為，在雨水的沖刷下，在初始階段，黃土邊坡中的細(xì)小顆粒隨著水的流動(dòng)而不斷流出，此階段流失的主要是細(xì)小顆粒，因此土的流失速率較慢；而隨著降雨的持續(xù)影響，黃土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，邊坡中較大顆粒也被沖出，因此土的流失速率明顯增大；此后，當(dāng)土的流失達(dá)到一定程度或黃土內(nèi)部穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)不會(huì)繼續(xù)被破壞后，土的流失速度會(huì)逐漸變慢。進(jìn)一步觀(guān)察可以發(fā)現(xiàn)，隨著化學(xué)試劑摻量的增加，黃土的流失量逐漸減小，原始黃土的累計(jì)水土流失率是化學(xué)試劑摻量為15%的改良黃土的2.45倍。分析認(rèn)為，化學(xué)試劑能很好地固化黃土，使其顆粒之間的黏結(jié)力增強(qiáng)，因此其抗沖刷能力增強(qiáng)。

圖3 不同化學(xué)試劑摻量下試樣土壤損失率隨時(shí)間變化

2.3 微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析

對(duì)比原始黃土試樣以及化學(xué)試劑摻量為15%的改良黃土試樣的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。原始黃土試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散、細(xì)小顆粒多，且存在大量分布的微裂紋和孔洞；黃土顆粒間的膠結(jié)差，因此原始黃土的保水性和抗沖刷能力較差。對(duì)比化學(xué)試劑摻量為15%的改良黃土可以發(fā)現(xiàn)，改良處理后的黃土試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，松散顆粒得到了有效的膠結(jié)，黃土的內(nèi)部空隙明顯減少，因此化學(xué)試劑摻量為15%的改良黃土的保水性和抗沖刷能力更佳。

圖4 固化劑對(duì)黃土微觀(guān)結(jié)構(gòu)的影響

綜上所述當(dāng)采用摻量為15%的化學(xué)固化劑對(duì)黃土進(jìn)行改良后，其保水性、抗沖刷能力均得到了明顯提升，且此時(shí)綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本較低，屬于黃土加固的最佳方案。因此，對(duì)于我國(guó)西北黃土邊坡的治理，可以考慮采用摻量為15%的化學(xué)固化劑進(jìn)行改良，能夠有效改善區(qū)域邊坡黃土流失問(wèn)題。

3 結(jié)論

(1)摻入化學(xué)固化試劑后，黃土的保水能力和抗沖刷能力均較原始黃土有著明顯的提升。當(dāng)烘干時(shí)間達(dá)到36h后，不同固化劑摻量下黃土的含水率分別為27.31%、50.25%、68.56%、78.33%以及81.69%，而原始黃土的累計(jì)土壤損失率是化學(xué)試劑摻量為15%的改良黃土的2.45倍。

(2)基于微觀(guān)電鏡掃描試驗(yàn)結(jié)果可知，改良處理后的黃土試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，松散顆粒得到了有效的膠結(jié)，黃土的內(nèi)部空隙明顯減少，因此化學(xué)試劑摻量為15%的改良黃土的保水性和抗沖刷能力更佳。

(3)本次研究未能涉及降雨強(qiáng)度的影響，下一步研究可以考慮到不同降雨條件下黃土的流失問(wèn)題。