土工格室加固庫岸邊坡抗沖刷性研究

馬新涌

(山東省調水工程運行維護中心棘洪灘水庫管理站，山東 青島 266109)

1 概述

我國土地遼闊，河流資源豐富，為了合理利用水資源，我國大力發(fā)展水利水電工程，取得了良好的經(jīng)濟效益與防洪效果。庫岸邊坡作為工程中的重要設施，為了解其不同條件下的性能表現(xiàn)，需要準確的性能預測模型。水土流失是常見的庫岸邊坡侵蝕破壞形式，在降雨沖刷的作用下，未經(jīng)處理的邊坡土體會受到嚴重的侵蝕作用[1- 5]。土工格室是常見且經(jīng)濟環(huán)保的邊坡加固方式[6- 7]，研究其對邊坡抗沖刷性能的加固作用尤為重要。

抗沖刷性能是邊坡的重要性能，是其對水土流失的抗性體現(xiàn)，已有諸多學者對此種性能做出研究。安寧[8]等，對聚丙烯纖維加固后的黃土邊坡的抗沖刷性能進行了降雨模型試驗研究，結果表明，聚丙烯纖維對黃土邊坡的抗沖刷性能有良好增強效果，最多可使沖刷速率降低90.4%。尉紅彬[9]等，利用室內降雨試驗對土石邊坡的穩(wěn)定性進行了研究，試驗中采用三種土工網(wǎng)對邊坡進行加固，通過試驗結果總結了不同坡度下土工網(wǎng)對抗沖刷性能的加固規(guī)律。馬少坤[10]等，以防滲護壁材料對膨脹土進行加固，并研究了其降雨-蒸發(fā)條件下的抗沖刷性能，結果表明該材料具有良好的防侵蝕破壞作用。

由于目前土工格室加固邊坡的抗沖刷性能研究較少，并且大多都集中于試驗研究，無法對邊坡運行時的抗沖刷性能作出預測。為此，本文建立了降雨沖刷邊坡侵蝕模型，以實際工程中的庫岸邊坡數(shù)據(jù)，采用此模型研究了不同參數(shù)下邊坡抗沖刷性能的表現(xiàn)。

2 邊坡土工格室加固抗沖刷性機理

2.1 降雨沖刷邊坡侵蝕模型建立

根據(jù)曼寧公式，在降雨初期土壤未達到飽和狀態(tài)時，邊坡中土壤入滲率處于不斷減小的狀態(tài)，當降雨強度大于土壤入滲率時，邊坡表面開始出現(xiàn)坡面流，其流量方程如式(1)所示：

(1)

式中，q—坡面流流量；h—水流深度；x—坡面中一點方向沿下坡距離,m；P—降雨強度,m/s；t—時間,s；n—曼寧粗糙系數(shù)；θ—坡面角度；i—土壤入滲率,m/s；S0=sinθ—坡面坡度。

坡面流中分為坡面細溝上的集中流、細溝下的片流，集中流會對細溝造成侵蝕，片流會對泥沙以及土壤顆粒進行產(chǎn)生搬運作用。參考穩(wěn)態(tài)泥沙連續(xù)方程，對邊坡土壤侵蝕作用進行描述，以邊坡土壤剪切力作為臨界點，當坡面流剪切力大于土壤剪切力時即認為發(fā)生了土壤侵蝕。結合前文所述的流量q與水流深度h，建立土壤侵蝕流失量模型：

(2)

式中，G—土壤流失量，kg/(s·m)；Te—細溝間的泥沙搬運量，kg/(s·m)；Kr—細溝可蝕性參數(shù)，s/m；Ce—植被覆蓋參數(shù)；Se—土壤粗糙度參數(shù)；Rs—溝間距，m；Ki—細溝間可蝕性參數(shù)，kg·s·m-4；w—細溝寬度，m；τf—水流剪切力，Pa；τc—臨界土壤剪切力，Pa。

由于土工格室在土壤下的結構以及作用與植物殘留物相似，均對土壤應力與抗侵蝕性能有增強作用，現(xiàn)將土工格室視為植物殘留物，考慮其對細溝侵蝕作用的折減效應，參考植物殘留物的折減系數(shù)對土壤抗侵蝕作用進行修正，焊距為40cm與60cm的土工格室修正系數(shù)分別為0.422和0.648。

由于土工格室在降雨的沖刷作用下，一些局部表面會突出地表，造成土體表面不規(guī)則，會對坡面流造成影響，進而導致土壤侵蝕作用發(fā)生改變。現(xiàn)引入隨機粗糙度(PR)，對這種現(xiàn)象進行調整：

(3)

式中，zi—第i個樣點的高程，N—樣本數(shù)，zm—所有樣點的高程平均值。

突出高度為3cm時，焊距為40cm與60cm的隨機粗糙度分別為0.7021和0.6531。根據(jù)隨機粗糙度對土壤臨界剪切力進行修正，將修正后的臨界剪切力與細溝侵蝕力代入式(2)，得出土工格室加固下邊坡抗沖刷計算方法，以此對比裸露邊坡下的土壤流失量，可得到土工格室對土壤抗沖刷的加固作用。基于上述方法，本文參考WEPP模型建立降雨沖刷邊坡侵蝕模型。

2.2 模型驗證

以實際邊坡試驗數(shù)據(jù)對2.1節(jié)中的模型進行驗證，實際試驗參數(shù)如下：試驗槽尺寸：長5.4m，寬1.5m，下部深0.6m，上部深1.2m；利用不同進水量模擬不同降雨條件；試驗對土體進行40min累計沖刷后進行沖蝕降低率測量計算。具體試驗數(shù)據(jù)和試驗與模型的對比情況見表1。

由表1可知，模型對實際實驗的擬合較為準確。由于格室焊炬的增大會導致試驗中土壤局部格室的突出，而模型中對該種現(xiàn)象的修正值是固定的，在實際試驗中局部突出變化較大時，該現(xiàn)象會造成一定的模擬誤差。試驗中未指定的邊坡表面情況、土體壓實度等因素也會造成模擬值與實際測試值間的差異。

表1 邊坡抗沖刷性模型驗證

3 土工格室加固邊坡抗沖刷性參數(shù)研究

3.1 工程概況

某庫岸邊坡工程概況如下：邊坡土壤參數(shù)如表2所示，相對高差為500～600m，距離水壩約136.4km。1200m高程以上的邊坡坡度平均為25°～45°，1200m高程以下為22°～25°，存在較多級緩坡。將工程中裸露邊坡、單土工格室與植生土工格室三種加固方式分別稱為工況1、工況2和工況3。

3.2 降雨參數(shù)研究

降雨作用下，邊坡在土壤飽和后會發(fā)生坡面流與細溝間泥沙轉移作用，降雨條件對邊坡侵蝕作用會產(chǎn)生較大影響。本節(jié)內容對不同降雨參數(shù)下邊坡侵蝕作用進行參數(shù)研究，分為以下兩種情況：(1)固定降雨量，參數(shù)如下：降雨量固定為40mm；降雨強度分別為1.33、0.67、0.44、0.33、0.27、0.22、0.17、0.13mm/min；(2)固定降雨強度，參數(shù)如下：降雨強度固定為0.33mm/min，降雨歷時分別為：0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0h。

對于新型的設備的導入以及相關的技術的運用，需要大量的資金和投入使用，推動施工現(xiàn)場的效率的提升以及要需要建立相關的信息技術的培訓機構和研發(fā)機構需要相關的技術人員對其新型設備進行深入的探討和分析，掌握其利用規(guī)律以及設備使用的最大化效用，在全面提升企業(yè)施工的工程進度和節(jié)省成本方面扮演著重要作用，也是對現(xiàn)場的施工人員提出了一個更高的要求，加強對相關的設備的技術參數(shù)方面的學習以及相應的規(guī)范使用設備的手法等方面的學習與宣導，讓全員形成一種自主學習和自主發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力，全面提升施工的工作效率和企業(yè)方面的效益。

(1)不同降雨強度下邊坡抗沖刷性能表現(xiàn)如圖1所示。

圖1 不同降雨強度下邊坡抗沖刷指標變化

由圖1可知，隨著降雨強度的增大，三種工況下的徑流量與土壤流失量均呈增大趨勢，降雨強度增大對邊坡侵蝕有增強作用。由圖1(a)可知，土工格室與裸露邊坡的徑流量增大趨勢十分接近，而植生土工格室可以明顯降低邊坡徑流量。結合圖1(b)，單土工格室雖對徑流量的影響較小，但對土壤流失量有一定的減緩作用，可降低19%～37%的土壤流失量。土工格室植草對土壤流失量有顯著減緩作用，當降雨強度增大到1.0以上時，雖土工格室植草僅減少徑流量較少，但仍可使土壤流失量降低90%以上。說明降低邊坡土壤流失量主要是土工格室與植草所構成的體系對土壤的加固作用，徑流量對其影響不大。

(2)不同降雨歷時下邊坡抗沖刷性能表現(xiàn)如圖2所示。

表2 土壤參數(shù)

圖2 不同降雨歷時下邊坡抗沖刷指標變化

由圖2可知，與降雨強度類似，隨著降雨歷時的增長，徑流量與土壤流失量均呈上升趨勢。單土工格室對徑流量幾乎無影響，對土壤流失量降低30%左右。植生土工格室對徑流量有一定的減緩作用，對土壤流失量有顯著減緩作用，可減少80%～95%的土壤流失量。綜合考慮降雨強度與降雨歷時作用下的邊坡抗沖刷表現(xiàn)，植生土工格室均有良好的減緩土壤流失量的作用。

3.3 邊坡參數(shù)研究

分別研究坡度與坡長對邊坡抗沖刷性能的影響，不同坡度與坡長下邊坡抗沖刷性能表現(xiàn)分別如圖3—4所示。

由圖3可知，坡度的降低對徑流量幾乎無影響，對土壤流失量有一定的減緩作用。這可能是由于邊坡減緩并不能減少坡面流量，但可以緩解坡面流的沖刷作用，進而減少了邊坡的土壤流失量。坡度的減緩對單土工格室加固的邊坡土壤流失量有一定的減緩作用，而土工格室植草邊坡幾乎不受坡度的影響，土壤流失量始終保持在較低水平。

由圖4可知，與坡度相似，坡長的變化對邊坡徑流量的影響可以忽略不計，三種工況下徑流量均保持穩(wěn)定，植生土工格室對徑流量緩解作用最大。坡長對邊坡土壤流失量有一定的影響，隨著坡長的增大，工況1與工況2的土壤流失量均呈上升趨勢，但土工格室加固邊坡上升趨勢較緩。隨著邊坡長度的增大，邊坡表面流的沖刷時間會隨之增長，導致邊坡受到更持久沖刷侵蝕作用，進而導致土壤流失量增大。植生土工格室?guī)缀醪皇芷麻L變化的影響，其加固后的邊坡在坡長5～12.5m間土壤流失量均保持在較低的水平。

圖4 不同坡長下邊坡抗沖刷指標變化

3.4 植生參數(shù)研究

由前文可知，植生土工格室對邊坡抗沖刷性能有良好的增強效果，本節(jié)內容研究了植物種類與植物覆蓋度對植生土工格室的抗沖刷性能的影響。植生土工格室的植物種類為高羊茅與黑麥草，植物種類與植物覆蓋度對邊坡抗沖刷性能的影響如圖5所示。

由圖5可知，不同植物種類植生的土工格室對邊坡徑流量有較大影響，高羊茅植生土工格室相較于黑麥草植生土工格室對徑流量降低了10%～25%。這可能是由于高羊茅單株的莖葉較寬，分蘗數(shù)較多，對邊坡徑流有較好的減緩作用。植物覆蓋率對植生土工格室加固邊坡的土壤流失量有很大影響，當植物覆蓋率達到60%時，兩種植物種類均可使土壤流失量維持在0.005kg/m2以下。隨著植物覆蓋率的增大，土壤流失量呈降低趨勢，兩種植生土工格室90%植物覆蓋率與10%植物覆蓋率相比，土壤流失量分別降低了94%與97%。

圖5 不同植生土工格室下邊坡抗沖刷指標變化

4 結論

考慮土工格室加固后邊坡受沖刷時的侵蝕作用特點，建立了邊坡抗沖刷性能模型，并考慮土工格室特點，對模型進行修正。以實際試驗數(shù)據(jù)對模型進行驗證，上述研究主要獲得以下主要結論：

(1)單土工格室對邊坡抗沖刷性能的增強作用較低，最多僅可將土壤流失量降低約30%，對徑流量幾乎無影響。

(2)植生土工格室對邊坡抗沖刷性能在覆蓋率為60%以上時有很強的加固作用，可將邊坡土壤流失量降低至0.005kg/m2以下。

(3)本研究模型考慮了多種條件的作用，并具有較高的準確性，但對壓實度、土工格室埋深考慮較為欠缺，后續(xù)研究可對此予以關注。