固化劑對提高黃土邊坡坡面抗沖刷性的試驗研究

張麗萍+孫強

摘 要：文章利用人工模擬邊坡沖刷試驗研究了固化土坡面和對照坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的變化特征。結(jié)果表明：固化土坡面含沙量顯著低于對照坡面，隨著固化劑摻量的增加和養(yǎng)護(hù)齡期的延長，含沙量呈遞減趨勢。各處理的產(chǎn)沙量與徑流量之間存在很好的線性關(guān)系，其抗沖刷能力為0.1%（30d）固化土坡面>0.1%（20d）固化土坡面>0.1%（10d）固化土坡面>0.01%（10d）固化土坡面>對照坡面。

關(guān)鍵詞：固化土；坡面；含沙量

土壤改良劑及固化劑作為一種性能優(yōu)良的土工復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于改良土壤表層結(jié)構(gòu)、提高土壤穩(wěn)定性及入滲性上。國內(nèi)外學(xué)者Vacher C A[1]、馮浩[2]、雷廷武[3]、吳淑芳[4]等在這方面做了大量研究。汪益敏[5]開發(fā)了一種固化劑用于邊坡沖刷防護(hù)與加固。但對于固化劑對坡面土體抗沖刷性的影響和防護(hù)效果還未有人做系統(tǒng)的研究。本文利用人工模擬邊坡沖刷試驗研究了加入EN-1固化劑后，固化土坡面和對照坡面含沙量的變化規(guī)律及產(chǎn)沙-徑流量之間的關(guān)系，為更好地將固化劑應(yīng)用于邊坡防護(hù)及穩(wěn)定方面提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

供試土壤為黃土，取自陜西楊陵，深度范圍為10～100cm，屬粉質(zhì)粘土，比重2.71，顆粒組成：砂粒3.4%，粉粒59.1%，黏粒37.5%，最優(yōu)含水率18.9%，最大干容重1.68g/cm3。試驗前將土樣混勻風(fēng)干，過0.5cm篩備用。固化劑采用EN-1，是一種不揮發(fā)、不燃燒、溶于水、有刺激性和腐蝕性的黑色液體。它可以通過離子交換作用破壞土壤結(jié)構(gòu)，使粘土膠體顆粒聚結(jié)，提高土粒間的聯(lián)結(jié)強度和水穩(wěn)性，使土易于壓實，形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的整體板塊，從而改良土壤物理、機械、力學(xué)性能。

人工模擬邊坡裝置由供水設(shè)備、溢流箱和沖刷槽（長2m，寬0.5m，高0.5m）組成。供水設(shè)備和溢流箱能夠保證薄層水流均勻穩(wěn)定的進(jìn)入沖刷槽，下端的出水口用于盛接徑流量和土壤侵蝕量。

試驗因素包括固化劑摻量（0.01%、0.1%，與干土質(zhì)量比）和養(yǎng)護(hù)齡期（10d、20d、30d），試驗坡度為40°，放水流量為200L/h，土壤壓實度為0.85；當(dāng)摻量為變量時，養(yǎng)護(hù)齡期為10d，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為變量時，固化劑摻量為0.1%，每個處理兩組重復(fù)，且以不施加固化劑的坡面作為對照。

按照固化劑設(shè)計摻量稱取固化劑并溶于水中，將水分層灑在土壤上，蓋上塑料布并靜置24h后拌合均勻，測定土壤含水率，根據(jù)土槽容積和所需壓實度計算裝填土量，將固化土分層填入沖刷槽并將其夯實，然后用塑料布覆蓋進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。待養(yǎng)護(hù)到設(shè)計齡期時進(jìn)行沖刷試驗。沖刷時間為30min，試驗開始后，記錄產(chǎn)流時間，產(chǎn)流5min內(nèi)，每1min在收集1次徑流泥沙樣，5min后每隔3min取1次樣，每次取樣時間為1min，試驗結(jié)束后用烘干法測定泥沙量。

2 結(jié)果及分析

2.1 EN-1固化劑摻量和齡期對坡面含沙量的影響

單位體積徑流挾帶的泥沙量為含沙量，它可以反映坡面侵蝕的大小。經(jīng)試驗得出不同固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)齡期下固化土坡面和對照坡面含沙量隨沖刷時間的變化曲線見圖1所示。

養(yǎng)護(hù)齡期為10d時，0.01%、0.1%固化土坡面和對照坡面在產(chǎn)流初期含沙量較高，隨著沖刷歷時的延長呈下降并相對穩(wěn)定的趨勢。在坡度和放水流量較大的情況下，徑流沖刷能力強。坡面表土層不斷充水達(dá)到飽和，造成土壤粘聚力下降，坡頂土體首先被侵蝕。崩解形成的碎屑、顆粒在重力侵蝕及很小的水流沖擊作用下發(fā)生大規(guī)模的整體順坡流動，使得沖刷試驗一開始含沙量很高，坡頂很快被沖出短的細(xì)溝，隨著侵蝕的持續(xù)不斷加深、加寬和延長。當(dāng)細(xì)溝發(fā)展到一定程度時，坡面中下部的侵蝕也逐漸加劇并形成小短溝，溝中水流對溝壁不斷地沖刷、侵蝕和剝離，引起了含沙量曲線呈現(xiàn)波狀起伏。待坡面細(xì)溝或沖溝形態(tài)條件不再發(fā)生明顯變化時侵蝕能力趨于穩(wěn)定狀態(tài)，含沙量變化趨于平緩。0.01%和0.1%固化土坡面含沙量顯著低于對照坡面38.8%和52.15%，說明加入EN-1固化劑后，土體抗沖刷性有了顯著提高，固化劑摻量的越大，坡面含沙量越小。

固化劑摻量為0.1%時，20d、30d固化土坡面含沙量與10d的相比分別降低了88.7%和89.9%且差異顯著。20d和30d固化土坡面含沙量之間相差不大，差異不顯著。表明土壤中加入固化劑后，必須經(jīng)過一定的時間養(yǎng)護(hù)，才能達(dá)到很好的抗沖刷效果，養(yǎng)護(hù)齡期越長，侵蝕量越小，抗沖刷效果越明顯，養(yǎng)護(hù)20d時，侵蝕量基本上趨向于穩(wěn)定。

2.2 EN-1固化劑摻量和齡期對坡面徑流產(chǎn)沙關(guān)系的影響

固化土坡面產(chǎn)沙量較對照顯著減小（見圖2），摻量越大，齡期越長，產(chǎn)沙量減小幅度越大。建立不同流量條件下徑流產(chǎn)沙的經(jīng)驗方程見表2，式中S為產(chǎn)沙量（kg），W為徑流量（L），可得：不同摻量、齡期固化土和對照坡面產(chǎn)沙量與徑流量之間存在很好的線性關(guān)系。擬合直線的斜率可以反映出固化土坡面和對照坡面的侵蝕程度，斜率越小，含沙量越小，坡面抗沖刷力越強。將其進(jìn)行排序得出各處理坡面抗沖刷能力大小為：0.1%（30d）>0.1%（20d）>0.1%（10d）>0.01%（10d）>對照。

3 結(jié)束語

不同摻量固化土和對照坡面在沖刷初期含沙量最大，隨后呈下降趨勢并最終趨于穩(wěn)定。摻量越大，齡期越長，含沙量越小，當(dāng)齡期為20d時，含沙量趨于穩(wěn)定。固化土和對照坡面產(chǎn)沙量與徑流量之間存在很好的線性關(guān)系。各坡面抗沖刷能力為0.1%，30d>0.1%，20d>0.1%，10d>0.01%，10d>對照。

參考文獻(xiàn)

[1]Vacher C A， Loch R J， Raine S R. Effect of polyacrylamide additions on infiltration and erosion of disturbed lands. Aust J Soil Res， 2003，41：1509-1520.

[2]馮浩，吳普特，黃占斌.聚丙烯酰胺（PAM）對黃土坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2001，17（5）：48-51.

[3]雷廷武，唐澤軍，張晴雯.聚丙烯酰胺增加土壤降雨入滲減少侵蝕的模擬試驗研究Ⅱ.侵蝕[J].土壤學(xué)報，2003（3）：178-185.

[4]吳淑芳，吳普特，馮浩，等.高分子聚合物防治坡地土壤侵蝕模擬試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2004（2）：20-23.

[5]汪益敏.路基邊坡坡面沖刷特性與加固材料性能研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2003.

作者簡介：張麗萍（1980，10-），女，籍貫：寧夏回族自治區(qū)吳忠市，現(xiàn)職稱：工程師，學(xué)歷：博士，研究方向：環(huán)境保護(hù)。