边坡冲刷中防护土工布绳索的有效性研究

特来提·艾尼瓦

（塔里木河流域干流管理局，新疆 阿拉尔 843300）

1 引言

近年来的自然灾害与强降雨以及强烈干扰自然环境的农业和工业人类活动是许多与地表土壤侵蚀有关的问题的原因。土壤侵蚀成为一个严重的问题，它影响到河岸和湖泊、海岸沙丘和天然斜坡以及各种人工斜坡和堤防。在许多情况下，为了减少侵蚀的负面影响，必须采取一定的措施。为了保护斜坡不受到水的侵蚀，需要采用防护措施。一种有效的防护措施是土工合成材料的应用[1]。土工合成材料能有效地保护边坡不受地表土壤侵蚀，对植被发育具有积极作用[2]。

除了几年前提到的产品外，还发明了新的创新土工织物。土工织物是由粗大的绳子用额外的连接链连接成段而成。对于绳索的制造，采用了Kemafil技术。结果表明，在土工布生产中，可采用消费前或消费后的纺织废弃物。土工布的生产延长了纤维的寿命，是一种有趣的替代方法，用以解决废物纺织品处理的麻烦[3]。

由绳子排列成的土工织物成功地用于边坡的稳定，以及道路、排水沟和梯田边坡的保护。近年来，在大西海子水库下游的废弃砾石坑中应用了这种粗放钢丝绳进行边坡侵蚀防护。本文分析绳索防蚀效果的有效性。

2 测量地特征

研究区位于大西海子水库下游，有丰富的砂砾沉积物，丰富的矿床分布在土下浅层，砂、粘土层较薄，厚度较大，局部超过15 m。由于对矿物集料的需求很大，丰富的砂砾矿床被集中开发。由于开采形成深约10 m的深采掘坑。坑内自然充水，形成小池（图1）。坑道两侧陡坡不稳定，易发生局部滑移。基坑北岸在原地基表面形成了高约4 m的人工路堤。利用开采过程中开采的覆盖层材料建立路堤，加上在原地表开挖的陡坡，其稳定性特别差，极易发生局部滑移（图1）。

图1 下游碎石坑的挖掘

3 水土保持措施

为保护边坡，采用了由粗绳形成的土工布段。直径为120 mm的绳索由Kemafil技术生产。该产品由羊毛针刺非织造布条和缝粘非织造布条制成，这些非织造布条由回收的天然纤维和合成纤维混合而成，这些纤维是通过粉碎和梳理消费后的纺织废料得来的。绳子的部分由再生纤维制成，添加了多年生黑麦草种子。

绳子排列成宽1.8 m、长6 m的分段。为了稳定每部分，随后的几圈绳索都是用厚厚的聚丙烯绳连接起来的。土工织物绳索被用于在边坡最受威胁的部分固定大约150 m2的总面积。防护坡长4 m～6 m，坡倾角1∶1至1∶1.8。绳子被固定在斜坡顶部，并用钢销固定在表面。使用的是由直径为8 mm的肋杆制成的长U形销。为了保护更大的一段斜坡，随后的几段绳索被一段一段地铺在一起。安装的绳索的斜坡可见图2（左）。安装钢丝绳的有效性见图2（右）。从图2（右）可以看出，受保护的边坡部分植被较多，没有侵蚀的迹象。

图2 土工布绳作为防腐蚀措施的有效性

4 土壤侵蚀定量评价

4.1 通用土壤流失方程（USLE）与侵蚀分类

为定量评价坡面侵蚀速率，应用通用土壤流失方程（USLE）。平均年土壤侵蚀率（实际侵蚀率）EA采用公式计算：

式中：EA为年平均土壤侵蚀率（实际侵蚀率），t/（hm2·a）；R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm /（hm2·h·a）；K为土壤侵蚀度因子t· h /（MJ·mm）；LS为地形因素（无量纲）；C为封面管理因素（无量纲）；P为（无量纲）侵蚀控制实践因素。

这个公式可以用来估计潜在的侵蚀率，即没有任何侵蚀控制措施的侵蚀率（C=1和P=1）。在这种情况下，公式缩写为：

式中：Ep为年平均土壤侵蚀率（潜在侵蚀率），t/（ hm2·a）。

在USLE模型对土壤侵蚀进行定量评价的基础上，可以对侵蚀风险进行定性评价。根据预测的水土流失，可以将地点划分为六个侵蚀风险等级之一，假设每个特定侵蚀等级的土壤退化程度对应于侵蚀强度等级，见表1。

表1 侵蚀等级和土壤退化

根据各种文献，作者引入了每一类土壤流失的边界值（表2、表3）。石灰性土壤被给予不同于其他土壤的标准。这是由剖面证明的，岩石和石质碎片位于地表附近，相当有限。相同程度的侵蚀强度导致土壤退化程度更大。

表2 实际侵蚀分类

表3 潜在侵蚀分类

根据式（1）和式（2）计算的坡地部分年平均土壤侵蚀率（实际侵蚀率）EA和年平均土壤侵蚀率（潜在侵蚀率）EP，在使用绳索的地方，以及在没有使用绳索的地方，将显示使用绳索的防侵蚀方法的有效性。

4.2 土壤可蚀性因子（K）测定

土壤可蚀性因子（K）的计算公式如下：

式中：M是一个粒度参数，为粒径在0.002 mm～0.1 mm百分比减去粘土百分比；是有机物含量相关参数，如果有机物含量大于4%，则 =4；b是土壤分类中使用的土壤结构（极细颗粒：1；细颗粒：2；中或粗颗粒：3；和极粗颗粒：4；c为透水等级）。

在本案例中，从斜坡上采集了3个土壤样本。对土壤颗粒大小分布以及基本物理性质进行测定，包括土壤含水率（w）、液限（wL）、塑限（wP）等基本参数也进行测定，具体见表4。

表4 土壤颗粒性质测定及可蚀性系数K值

4.3 地形因子（LS）的测定

表面地形对侵蚀过程的影响是在USLE建模方法中，包括使用地形因子（LS）。它结合了两个特征—坡长（L）和坡陡度（S）。USLE方程的目的是估算在整个长度上具有相同陡度的均匀坡度侵蚀过程中的土壤流失。斜坡长度被定义为从地面的源头到斜坡坡度下降到足以开始沉积或径流集中在指定的沟道的水平距离（不是平行于土壤表面的距离）。当坡长以米为单位测量时，L因子值的计算方法如下：

式中：为坡度长度；m为坡度长度指数（坡度在5%及以上时，m= 0.5；当陡度为3.5%～ 5%时，m= 0.3；坡度为1%～3.5%时，m= 0.3；当陡度＜ 1%时，m= 0.2。

坡度陡度因子（S）可以计算为：

其中：q为斜率陡度。由于坡度长度 =4.0 m，坡度q= 45°（m= 0.5），因此L= 0.425， S= 35.994， LS=15.303。

4.4 覆盖管理系数（C）

覆盖管理系数（C）反映了耕作和管理措施对侵蚀率的影响。计算方法为实际条件下的土壤流失量与参考条件（连续休耕）下经历的土壤流失量的比值。确定农业作物的系数C的值，需要详细研究植被冠层在不同生长阶段所提供的抗侵蚀保护，以及减少地表覆盖和粗糙度造成的侵蚀。应考虑以往的种植和管理做法以及降雨侵蚀力因子的月度变化。在一些国家，对最常见的作物进行这种研究后得出的C因素值被列成表。考虑到绳索的应用，建议所有地块在使用绳索的斜坡部分的值C=0.01，以及在未使用绳索的斜坡部分的值C=0.22[4]。

4.5 侵蚀控制实践系数（P）的确定

侵蚀控制实践系数（P）描述了进行侵蚀控制实践（等高线、条状种植、梯田、地下排水）的农田上的土壤流失与上坡和下坡耕作的同一农田上的土壤流失之间的比率。根据USLE方法，P系数值定义如下：P=0.5适用于坡度q 从3%到8%，P=0.6试用于q从8%到12%，P=0.7试用于q从12%到16%，P=0.8试用于q从16%到20%，P=0.9试用于q从20%到25%），P=1试用于q＞25%。本文试验坡度为45°，因此P的值为1。

4.6 定量土壤侵蚀评估

根据土壤侵蚀力因子K、地形因子LS、覆盖管理因子C和侵蚀控制实践因子P的获得值，计算有绳索和无绳索的边坡部位的年均土壤侵蚀率（实际侵蚀率）EA和年均土壤侵蚀率（潜在侵蚀率）EP，见表5。实际侵蚀率和潜在侵蚀率的等级根据表2和表3确定，降雨侵蚀力因子R选取伊力哈木·伊马木新疆1981年～2018年年均降雨侵蚀力[5]。

表5 边坡年平均土壤侵蚀率

如表5中所示，在实际侵蚀等级以及潜在侵蚀等级来看，使用土工绳能够有效防止边坡侵蚀，侵蚀等级都为1 级几乎没有发生侵蚀现象，而没有使用土工绳时，侵蚀等级为3～4 级，中强度侵蚀，因此使用土工绳能有效防止坡面侵蚀。

5 结论

在大西海子水库下游的废弃砾石坑中开采砾石时形成的斜坡暴露在强烈的侵蚀作用下。在USLE模型对土壤侵蚀进行定量评价的基础上，将坡面划分为第5 个实际侵蚀风险等级和第5 个潜在侵蚀等级。这些等级对应的是强烈的侵蚀，可以造成土壤剖面的全面破坏和地形的大面积破碎。上述变化的第一个迹象在斜坡上可见。土工织物保护边坡的部分被划分为第一类，即实际和潜在的侵蚀风险等级。按照分类，这个地方不会发生侵蚀。分类上的巨大变化是由覆盖物管理系数C的本质变化引起的。安装在斜坡上的绳索加速了其绿化，形成浓密的绿化覆盖物。