工程堆積體坡面工程措施減流減沙效應

呂 鑫

(淄博市河湖長制保障服務中心，山東 淄博 255000)

上世紀90年代開始，隨著城市生產(chǎn)建設活動的日益加劇，由城市生產(chǎn)建設活動形成的建筑堆積體日益聚集，其土壤侵蝕已逐步對“海綿城市”構成全新的環(huán)境威脅[1]，是人為水土流失的主要源頭之一。工程堆積體一般具有土壤結構疏松、有機質含量低等特點[2]，對外部侵蝕媒介的抵抗力較差，降雨導致堆積體表層土壤物質分離和輸移，促進細溝或切溝的發(fā)生發(fā)育，極易引發(fā)滑坡、崩塌、泥石泥等嚴重的地質災害，導致城市環(huán)境質量下降。因此，研究城市生產(chǎn)與建設工程堆積體的坡面治理對策及效果,對城市生態(tài)文明建設與社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展都具有重要的工程指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

湖南省從1990年代開始啟動城市的生態(tài)環(huán)境治理工作，前后經(jīng)過大規(guī)模開發(fā)平土區(qū)水土流失整治、因裸露破壞的山體缺口區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合整治以及主要飲用水來源的水庫流域生態(tài)環(huán)境保持綜合治理等3個階段，水土侵蝕面積已由1995年的184.99km2減少至39.17km2。2019年，由于人為活動所導致的水土侵蝕面積已達33.86km2，占水土流失總面積的86.44%，具有顯著的人為屬性，是城市水土流失的典型代表。

室內(nèi)人工模擬降水的實驗用土來源于湖南省某典型的道路工程或山體邊坡，然后運輸至武漢長江科學院利用土壤侵蝕工程模擬降水的實驗大廳，通過烘干法檢測土容重和含水率，再利用重鉻酸鉀容量法檢測土有機質濃度。實驗用土容重、pH值、土地有機質含量和機械成分見表1。

表1 試驗用土基本性質

1.2 試驗設計

調(diào)研對象中的工程堆積體數(shù)量351個，坡度在15°～48°之間。其中，15°～25°占48.48%，25°～35°占33.33%，>35°占18.19%。依據(jù)現(xiàn)場觀測和長沙市多年自然降雨氣象資料[3]，長沙市降雨強度為0.458～3.669mm/min。因此，本次室內(nèi)人工模擬降雨試驗坡度設置為20°和30°，降雨強度為1.45、2.56和3.33mm/min(分別對應90、150和200mm/h，其中150和200mm/h的降雨強度代表長沙市短時強降雨)，產(chǎn)流開始后的降雨歷時為35min，侵蝕槽尺寸設計為3m×2m×0.45m(長×寬×高)，降雨高度6m，見圖1。

圖1 室內(nèi)模擬降雨裝置及水土保持臨時措施布設

每場試驗的操作步驟如下：①水平放置侵蝕槽，將土體按每層5cm分層裝入侵蝕槽。②土體表面用木質板微掃找平后，用彩條布進行覆蓋；將5個降雨筒依次布置于侵蝕溝4個角落和侵蝕溝的中央部位，用以率定暴雨強度；降水強度率定后，立即移除彩條布。③在試驗前1d進行預降水30min(降雨強度為0.5mm/min)，使得每次試驗土壤初始含水率保持一致，然后運用液壓裝置將侵蝕槽坡度調(diào)整至設計坡度。④依據(jù)試驗設計，在坡腳處布設土袋攔擋措施，由坡腳部位開始向坡頂方向進行的密目網(wǎng)苫蓋工作，苫蓋覆蓋率約為苫蓋面與侵蝕溝總面積的比率。⑤開始降雨，在產(chǎn)流開始時，根據(jù)不同時間節(jié)點用測量筒從腐蝕槽出口處接落下的跑泥沙樣，用KMnO4溶液和秒表測量坡面流速，將流速測量地點設在腐蝕槽的中央部位，測量高度約為50cm。⑥將接取的落下跑泥沙樣放置24h后，去除表面上的清液，放入107℃的烘箱內(nèi)烘干24h。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1)徑流率。公式如下：

(1)

式中：Rr為徑流率，L/min；RQ為給定時段內(nèi)的徑流量，L；t為給定時間，min。

2)侵蝕速率[4]。公式如下：

(2)

式中：SLR為最大腐蝕速度，g/(m2·min)；Ms為在指定時間段內(nèi)的最大腐蝕量，g；d為斜坡表面長度，m；L為斜坡表面直徑，m。

3)累積侵蝕量。公式如下：

(3)

式中：M為累積侵蝕量，g；Msi為i時間段內(nèi)的侵蝕量，g。

4)減流減沙效應[5]。公式如下：

(4)

(5)

式中：RE、SE分別為在不同水土條件保持臨時措施下的減流和降沙效果，%；Rt和St分別為在各種水土保持等臨時措施下工程堆積體的徑流率(L/min)和侵蝕速率(g/m2·min)；Rb和Sb分別為裸土邊坡的徑流率(L/min)和侵蝕速率(g/m2·min)。

使用Excel 2019工具進行大數(shù)據(jù)分析，或使用Origin 8.5進行大數(shù)據(jù)分析繪圖。

2 結果與分析

2.1 工程堆積體坡面徑流率變化特征

圖2為單一水土保持臨時措施下工程堆積體坡面徑流率變化情況。砂質壤土堆積體在降雨初期入滲較大，當降雨力度逐漸大于入滲速度后，逐漸形成坡面雨水徑流。由于產(chǎn)流時間的增大，在裸土、臨時攔擋措施以及100%苫蓋措施下的斜坡表層徑流速度率變化趨勢均呈現(xiàn)以下3個階段：迅速上升、減緩上升和趨于穩(wěn)定。但在不同坡度和降雨的強烈程度下，3種條件下堆積體坡面徑流率數(shù)值有所不同。

圖2 單一水土保持臨時措施下工程堆積體坡面徑流率變化

當坡度為20°且降雨強度為1.45、2.56和3.33mm/min時，裸土、臨時攔擋及臨時苫蓋措施下的工程堆積體坡面徑流穩(wěn)定期平均徑流率變化范圍分別為4.45～12.89、2.75～9.92和2.74～14.62L/min。攔擋和苫蓋措施下，工程堆積體平均徑流率較裸土條件降低幅度分別為38.22%、23.05%、22.46%和38.34%、22.46%、-20.59%，降低幅度為負值表示臨時措施下平均徑流率大于裸土條件。表明臨時攔擋和苫蓋措施隨著降雨強度的增大，減流效應逐漸減弱；同時，在中小降雨強度下，臨時攔擋和苫蓋措施減流效應大體相當。

當坡度為30°且降雨強度為1.45、2.56和3.33mm/min時，裸土、臨時攔擋及臨時苫蓋措施下的工程堆積體坡面徑流穩(wěn)定期平均徑流率變化范圍分別為5.33～18.63、5.69～17.27和5.02～15.19L/min。攔擋和苫蓋措施下，工程堆積體平均徑流率較裸土條件降低幅度分別為-6.84%、-1.54%、7.32%和5.86%、1.62%、18.47%。表明工程堆積體坡度大于30°時，單一臨時攔擋或苫蓋措施減流效應不佳。

圖3為水土保持臨時攔擋+苫蓋措施下工程堆積體坡面徑流率變化；表2為臨時攔擋+苫蓋措施產(chǎn)流穩(wěn)定期平均徑流率及其較裸土條件降低幅度值。當臨時攔擋+苫蓋措施下，工程堆積體坡度為20°且降雨強度為1.45mm/min時，臨時攔擋+苫蓋坡面徑流率隨產(chǎn)流時間也表現(xiàn)為迅速增大、緩慢增大及趨于穩(wěn)定3個階段，產(chǎn)流穩(wěn)定期平均徑流率較裸土條件降低幅度為29.36%～42.05%，穩(wěn)定期坡面平均徑流率隨著降雨強度減流效應明顯，且BC100%條件下隨減流坡度的增大而增大。

圖 3 臨時攔擋+苫蓋措施下工程堆積體坡面徑流率變化

表2 臨時攔擋+苫蓋措施產(chǎn)流穩(wěn)定期平均徑流率及其較裸土變化情況

2.2 工程堆積體坡面流速變化特征

圖4為裸土及水土保持臨時措施下工程堆積體坡面產(chǎn)流穩(wěn)定期平均流速情況。兩種坡度下，裸土坡面平均流速均隨著降雨強度的增大而線性增大。就臨時攔擋措施而言，除坡度為30°且降雨強度為2.56mm/min外，不同坡度和降雨強度下臨時攔擋措施堆積體坡面平均流速均小于裸土條件，降低幅度范圍為18.71%～36.64%，表明臨時攔擋措施具有一定的削減坡面流速效應。當坡度為20°且降雨強度分別為1.45、2.56、3.33mm/min時，100%苫蓋措施下堆積體坡面平均流速較裸土條件降低幅度分別為49.65%、52.04%和55.76%；當坡度為30°時，其降低幅度分別為29.68%、30.98%和50.25%，均呈現(xiàn)遞增趨勢。表明當降雨強度小于3.33mm/min，100%苫蓋措施削減坡面流速效應隨著降雨強度的增大而增強，且與臨時攔擋措施相比，100%苫蓋措施削減坡面流速效應更加明顯。

注：不同小寫字母代表各處理間差異顯著(P<0.05)。

3 討 論

3.1 不同水土保持臨時措施減流減沙效應作用原理

本試驗研究結果表明，不同水土保持臨時措施包括臨時攔擋、臨時苫蓋及臨時攔擋+不同覆蓋率的苫蓋措施，均具有一定的減流減沙效應。其中，攔擋措施減流效應并不明顯，這是因為由土袋子形成的攔擋措施布設在坡腳處，堆積體坡面依然處于裸露狀態(tài)，攔擋措施降低坡面流速效果僅僅體現(xiàn)在增加了坡腳處的入滲。在產(chǎn)流中期時，坡表面徑流攜沙至坡腳，粒徑較小的泥沙顆粒經(jīng)由土袋的裂隙隨水流排出至侵蝕溝，較大粒徑的顆粒則被截留于攔擋側，并構成顆粒骨架，使產(chǎn)流后期較細小的粒徑也被截留，大部分泥沙淤積在攔擋側，并慢慢達到攔擋高程，形成土埂，導致產(chǎn)流中后期的沖刷速度在到達峰值后慢慢下降，并趨于穩(wěn)定。

3.2 水土保持臨時措施與植物措施和工程措施減流減沙效應對比分析

在相同試驗條件下(坡度30°)，與降雨強度1.2mm/min時已有植物措施下工程堆積體減流減沙效應結果對比可知，本文降雨強度為1.45mm/min時，臨時攔擋及臨時苫蓋平均減流效應分別低于苜蓿植物措施的8.3～11.1倍及8.4～21.7倍，平均減沙效應分別低于苜蓿植物措施的3.7～5.5倍及0.8～1.2倍，臨時苫蓋措施在減沙效應方面較為接近于苜蓿植物措施。臨時攔擋+50%以上的苫蓋措施減流低于苜蓿植物措施的9.2～15.8倍，而減沙效應與苜蓿植物措施相當(低于苜蓿植物措施0.2～1.1倍)。與工程措施相比，水平溝類工程措施在放水流量30L/min下的減流減沙效應分別是臨時攔擋、苫蓋措施及臨時攔擋+50%以上苫蓋措施的1.6～245.6倍、0.3～26.3倍及0.3～18.6倍，工程措施減流減沙效應更加明顯。盡管這些水土保持的臨時措施降流減沙效果遠不及基礎工程建設措施和植物保護措施，但結合本文研究結果，水土保持臨時措施減沙效應依然顯著(P<0.05)。

4 結 論

1)當坡度為20°且降雨強度為1.45、2.56和3.33mm/min時，單一臨時攔擋和苫蓋措施減流效應大體相當。工程堆積體坡度為30°時，由于密目網(wǎng)材料改變堆積體坡面通氣性等原因，單一苫蓋措施減流效應不佳。

2)當降雨強度小于3.33mm/min，100%苫蓋措施減流效應隨著降雨強度的增大而增強。表現(xiàn)為100%苫蓋措施下，堆積體坡面平均流速較裸土條件降低幅度為29.68%～55.76%，且與臨時攔擋措施相比，由于產(chǎn)流過程中密目網(wǎng)上形成的階梯狀細小土埂，100%苫蓋措施減流效應更加明顯。