植被混凝土抗雨水冲刷性能试验研究

杨 奇，丁 瑜，许文年，杨 平

(1．三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌443002;2．三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌443002;3．三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌443002)

(责任编辑 孙占锋)

近年来，国内外各种灾害发生都比较频繁。在国内，我们经历了地震、泥石流等诸多地质灾害。在众多地质灾害中，很多都与边坡稳定性有关，因此边坡地质灾害的发生机理以及相应的防护治理措施已成为国内外学者研究的一个热点。由于对环境绿化要求的提高，边坡治理已由过去单一的加固向加固及环保绿化一体化发展。在这种发展趋势下，植被混凝土生态防护技术也逐渐发展起来。植被混凝土生态防护技术是采用特定的混凝土配方和种子配方，对岩石边坡进行防护和绿化的新技术［1］。边坡受雨水冲刷方面的研究，前人已经做了大量的工作［2-5］，但由于植被混凝土应用于边坡防护的时间不长，针对植被混凝土抗雨水冲刷性能方面的研究还比较少，前人对边坡冲刷方面的研究多集中在土质边坡。对植被混凝土抗冲刷性能的研究，我们可以借鉴前人研究岩土边坡抗冲刷时所用的基本理论和方法。土的冲刷是一个极其复杂的物理过程(甚至还涉及到化学、生物过程)，受许多自然因素的制约(如气候、地形、地质、土质和植被等)，同时又受人类活动的干扰，各种因素之间存在着错综复杂的相互关系［6］。土壤冲刷的影响因素一般有降雨的溅蚀力、径流量的大小、土粒分离的难易程度、水流冲刷携带泥沙的能力等，这些因素影响力的大小又取决于雨滴的动能、雨滴数量及降雨强度、地质、土质类型及结构、坡度、植被、土壤含水量以及各种形式的水流因素(如流速、流量)等特征值［6］。植被混凝土的冲刷除了受上述一些因素影响外，还受加入水泥的量等其他因素的影响。植被混凝土冲刷研究中的一个根本性问题是定量研究，也就是对植被混凝土的冲刷量做出评估与预测。本试验通过分析比较植被混凝土在不同的水泥含量和龄期下的侵蚀模数，了解植被混凝土冲刷侵蚀量与各因素之间的关系，为进一步弄清植被混凝土的侵蚀机理、抗冲刷能力及推广使用提供一定理论基础。

1 试验材料和方法

由于本试验不针对某个具体工程，因此试验用土(沙壤土)就近取自三峡大学生命科学楼后面的山上，取回后将土晒干，用橡皮锤或木锤捣碎，并通过2 mm筛子筛分，放入泡沫箱中待用;水泥采用宜昌华新水泥厂生产的普通水泥(强度等级为32．5)，植被混凝土添加剂采用三峡大学绿野环保工程有限公司添加剂厂生产的专利产品LY-2 型混凝土绿化添加剂，试验用水采用自来水。试验设备包括磅秤、电子天平、砝码天平、铁锹、称量桶、水桶、水瓢、拌合台、振捣棒、10 cm×10 cm×10 cm 试验模具、降雨模拟系统、1 L 容积的烧杯、与水平面成70°的支架。试验内容包括制作水泥含量(此处水泥含量是指水泥与土的质量比，并非水泥在植被混凝土基材中所占的比例)分别为4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%的9 组植被混凝土试块，各组试块的成分及配比见表1。

表1 各植被混凝土试块成分及配比

2 试验数据分析

2．1 水泥含量对植被混凝土侵蚀量的影响

在植被混凝土试块中，除去变异系数大于0．3 的试验数据，其他各组数据取同一组试验样块的平均值。得出侵蚀模数数据，由这些的数据可分别做出植被混凝土基材在不同降雨强度、防护天数情况下的侵蚀量与水泥含量的关系曲线如图1—4。

通过分析对比图1—4 可以得知，基材的冲刷量随着植被混凝土中所加入水泥量的增加而减少;对于某一水泥含量的植被混凝土来说，随着龄期的增长，其抗冲刷能力也明显增强。在雨强较小时，基材侵蚀量虽然随着水泥含量的增加而减少，但两者之间的线性关系并不明显。当雨强从80 mm/h 到140 mm/h 逐渐增大时，侵蚀量与水泥含量之间的线性关系逐渐明显。

2．2 雨强对植被混凝土侵蚀量的影响

本试验中各组试块水泥含量从4%到12%不等，在探究雨强对植被混凝土侵蚀量的影响时，选取水泥含量为8%的试验组数据加以分析(其他水泥含量的植被混凝土基材侵蚀量随雨强的变化趋势与此类似)。根据试验数据作出水泥含量为8%时植被混凝土基材侵蚀模数与雨强关系曲线如图5。

图5 植被混凝土基材侵蚀模数—雨强关系曲线

从图5 中可以看出，在雨强小于120 mm/h 时，侵蚀模数和雨强之间呈简单线性关系，当雨强大于120 mm/h 时，侵蚀模数显著增加，可以认为此时降雨产生的径流对坡面植被混凝土的冲刷超过某一临界值。当水泥的含量较低时，植被混凝土的主要成分还是土，而植被混凝土中的沙壤土孔隙率大，比较疏松，土颗粒之间的黏聚力比较小，因而很少形成黏聚团体结构。水泥含量提高后，水泥在其中充当胶凝材料，使得土壤孔隙率降低，土颗粒之间的黏聚力也显著提高，且土壤中出现了黏聚团体。对于图5 中植被混凝土基材侵蚀模数随雨强的变化曲线，可以这样来理解:在雨强小于120 mm/h 时，植被混凝土表面的较细颗粒在雨水径流冲刷作用下被带起而流失，雨强增大，产生的径流冲刷作用也随着增大，因此植被混凝土基材侵蚀模数和雨强之间呈简单的一次线性关系，但此时雨强产生的径流冲刷作用不足以带动粒径较大且相互之间黏聚力也较大的黏聚团体结构;当雨强大于120 mm/h 时，此时雨强产生的径流冲刷作用能够带动这些黏聚团体，因此雨强超过120 mm/h 时植被混凝土的冲刷侵蚀作用加剧。在试验过程中从支架底部收集到的植被混凝土基材冲刷物也能说明这一点，在雨强较小(小于120 mm/h)时，被冲下来的都是比较细的颗粒，在雨强较大(大于120 mm/h)时，被冲下来的不再只是细颗粒，而是黏结在一起的细颗粒群。

3 结论与建议

3．1 结 论

(1)植被混凝土基材的抗冲刷能力随着水泥含量的增加而显著提高。如果单从基材抗冲刷能力来看，提高植被混凝土中水泥的含量对其是有利的，但植被混凝土还涉及到植物生态学等诸多方面，水泥含量太高会使基材pH 值增大，碱性环境会影响植被混凝土中种子的萌发及生长，而且水泥含量过高会导致土壤板结成块，植被很难长出;水泥含量较低时，对种子萌发及植被生长来说是有利的，但其抗冲性能又不能满足防护要求，因此实际工程应用中需综合考虑各方面因素来确定合适的水泥含量，目前一般采用的水泥含量为8% ～10%。

(2)由于边坡坡度对植被混凝土的冲刷也有一定的影响，因此在工程应用中要结合具体情况，坡度相对较缓时可以适当降低水泥含量，坡度较陡时在满足植被生长要求的前提下可适当提高水泥含量。

(3)降雨是冲刷的动力因素，对植被混凝土的冲刷有着非常重要的影响，因此了解治理边坡所在地区的水文气象特征也非常重要。植被混凝土养护初期的抗冲刷能力相对较弱，因此采用植被混凝土进行边坡防护时，其施工不宜在暴雨多发季节进行。另外，考虑到植被混凝土中种子萌发的问题，在低温条件下施工要采取相应的保温措施。

3．2 建 议

(1)本试验虽然在室内模拟了不同水泥含量的植被混凝土在不同龄期和雨强作用下的冲刷过程，但试验仅仅只是对植被混凝土基材的冲刷做了一个初步的研究，没有全面考虑植被覆盖度对冲刷的影响，而是简单地认为由于植被的存在使得基材冲刷只受降雨径流的影响，雨水的溅击作用于植被混凝土上的植被，对基材的影响忽略不计。在植被覆盖度足够大时，降雨的溅击作用对基材的影响很小可以忽略不计，但由于植被的存在，使得坡面水流的流态，水流所受的阻力以及泥沙的起动和终止等问题变得非常复杂，有关植被对这些方面的影响本试验未有考虑和研究。

(2)由于是室内试验，所以试验过程中所做的植被混凝土试块不可能很大，这对冲刷试验的效果也有一定的影响，天然边坡受降雨冲刷时可能出现的冲沟在室内试验中也不明显。因此，研究植被混凝土防护边坡在降雨作用下的冲刷侵蚀时，采用野外原位试验可能会取得更好的效果。

［1］许文年，土铁桥，叶建军．岩石边坡护坡绿化技术应用研究［J］．水利水电技术，2002，33(7):35-36，40．

［2］周佩华，武春龙．黄土高原土壤抗冲性的试验方法探讨［J］．水土保持学报，1993，7(1):29-34．

［3］吴普特，周佩华．地表坡度与薄层水流侵蚀关系的研究［J］．水土保持通报，1993，13(3):1-5．

［4］吴普特，周佩华，郑世清．黄土丘陵沟壑区(Ⅲ)土壤抗冲性研究——以天水站为例［J］．水土保持学报，1993，7(3):20-25．

［5］朱显谟．黄土高原水蚀的主要类型及其有关因素［J］．水土保持通报，1981，1(4):1-9．

［6］李凯，王昌贤，杨兴武．边坡冲刷量的神经网络计算模型［J］．交通科技与经济，2009，11(6):77-78．