模擬暴雨條件下植被混凝土坡面侵蝕的水動力學特征

余 飛, 夏 棟, 劉文景, 夏 露, 許文年

(1.三峽庫區生態環境教育部工程研究中心, 湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學 生物與制藥學院,湖北 宜昌 443002; 3.三峽大學 水利與環境學院, 湖北 宜昌 443002; 4.三峽大學 土木與建筑學院, 湖北 宜昌 443002)

工程建設中經常會形成大量裸露邊坡，這些裸露邊坡因其環境惡劣，缺乏維持植被生長的必要條件，難以恢復到原有生態水平[1]。隨著人們對環境保護重視程度的逐漸提高，巖質邊坡護坡技術也在不斷完善，傳統護坡技術(如噴混凝土、水泥抹面、漿砌片石等)，生態環境效益較差[2]，已無法滿足人們的生態景觀需要。因此，植被混凝土生態防護技術應時而生，現已發展為生態護坡技術的一個重要組成部分。

植被混凝土生態防護技術是采用特定的混凝土配方和種子配方，對邊坡進行防護和綠化的一項綜合環保技術，其技術核心是生態改良劑，該技術根據邊坡特點來確定水泥、土、有機質、保水劑、長效肥、生態改良劑及植物種子的配比，將以上各組分混合攪拌均勻即為植被混凝土，通過噴播機將拌和好的植被混凝土噴射到邊坡上，形成植被混凝土坡面，既能達到力學防護要求，又能營造良好的植物生長環境，自發明以來，已被廣泛用于各類植被恢復工程中[3-4]。目前，對植被混凝土的研究主要在基材配比[5-6]、力學特征[7-8]、養分等[9-10]方面，對其侵蝕方面的研究還比較少。土壤侵蝕是在土壤和降雨徑流共同作用下發生的侵蝕—搬運—輸移—再搬運的過程[11]。楊奇等[12]通過制作含有不同比例水泥的植被混凝土試塊，從基材配比角度研究不同降雨強度下植被混凝土抗沖刷性能；李燦等[13]通過模擬真實的植被混凝土坡面，構筑邊坡模型進行室內沖刷試驗，發現植被混凝土坡面侵蝕主要為層狀面蝕，局部為細溝侵蝕，侵蝕量與降雨強度、坡率呈線性關系，各因素對植被混凝土邊坡侵蝕模數影響的顯著性高低為：降雨強度>降雨歷時>坡率[14]。關于土壤侵蝕，國內外研究者已做過大量研究，并且在坡面產流產沙及侵蝕動力過程等方面取得了豐碩的成果[15-17]。本試驗參考土壤改良劑、纖維加筋在防治水土流失方面的應用，選取外摻料聚丙烯酰胺(PAM)、生物炭、棕櫚纖維，對植被混凝土坡面流水動力學特征與侵蝕模數進行研究。

開展人工模擬降雨條件下植被混凝土坡面流水動力學特征的研究，既可以幫助人們了解植被混凝土坡面侵蝕過程的內在機制，同時對高陡巖質邊坡地區植被混凝土外摻料的選用具有重要指導意義。考慮到工程所在地區氣候存在差異，本試驗設置60，90，120 mm/h這3種降雨強度，模擬植被混凝土邊坡養護初期遭遇不同強度暴雨的工況。植被混凝土生態防護技術主要針對45°以上高陡邊坡，本試驗以60°邊坡為例，不針對某一具體工程，根據不同降雨強度、外摻料條件下的產流產沙及水動力學參數，研究植被混凝土坡面流水動力學特征及其與侵蝕模數的關系，了解各因素對植被混凝土抗蝕能力的影響，以期在降雨侵蝕方面為植被混凝土的推廣使用及配方改進提供一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用種植土為宜昌市郊區的黃棕壤，采于2019年7月；水泥為普通硅酸鹽水泥(P.O 42.5)；鋸末為木材廠白楊樹鋸末，試驗前已曬干；植被混凝土生態改良劑為湖北潤智生態科技公司專利產品，呈粉末狀；有機肥為助邦生物有機肥，呈粉末狀；聚丙烯酰胺(PAM)為陰離子型，其分子量為1.50×107；生物炭過200目篩；棕櫚纖維在試驗前已剪為3 cm長的小段。

1.2 試驗方法

試驗在三峽大學土木與建筑學院模擬降雨場地進行，試驗時間為2019年8—9月。實際工程中是整個邊坡受到雨水沖刷，邊坡較高，坡度較陡，不利于直接對邊坡侵蝕過程進行研究，因此構筑模型進行模擬降雨試驗十分必要，能夠詳細觀測坡面泥沙侵蝕。試驗模型見圖1。箱體內尺寸為：長150 cm×寬67 cm×高20 cm，箱體坡度可調節范圍為0°～70°，匯水槽為活動連接式。試驗采用NLJY-09-2型組合側噴式人工模擬降雨裝置，噴頭高6 m，雨滴實際降落高度為4.5 m，達到和自然降雨類似的直徑與終點速度，降雨均勻度在90%以上。本次試驗以60°邊坡為例，探究植被混凝土邊坡在養護初期遭遇暴雨時坡面水動力學及侵蝕特征，共設有4組試驗，1組為無任何外摻料的現有基材(對照組)，基材配比見表1。其余3組分別在現有基材中摻入PAM、生物炭和棕櫚纖維(試驗組)，摻量均為0.4%。每次降雨試驗重復3次，單次降雨歷時30 min，設定3種降雨強度(60，90，120 mm/h)，總計降雨36場。在箱體底部按照規范噴射已經拌和好的植被混凝土生態基材[18]，其中基層厚度為8 cm，面層厚度為2 cm，噴射完成后覆蓋無紡布養護 24 h，開始正式試驗。正式降雨之前進行降雨強度的率定，降雨過程中測定水流溫度、流速。坡面產流后，收集降雨產生的全部徑流樣，對徑流樣進行稱重并分離出其中的泥沙樣，泥沙樣烘干后的重量作為土壤侵蝕量，徑流樣減去泥沙干重后即為徑流量。

圖1 試驗裝置示意圖

表1 植被混凝土基材配比

1.3 水動力學參數計算方式

(1) 流速。

表層流速需要乘以修正系數才能得出坡面平均流速[19]，計算公式為：

V平均=αV表層

(1)

式中：V平均為坡面水流平均速度(m/s);α為修正系數,取0.67;V表層為坡面表層水流速度(m/s)。

(2) 水深。

h=Q/(T·V平均·d)

(2)

式中：h為坡面水深(m);Q為降雨過程中的總徑流量(m3);T為降雨總歷時(s);d為過水斷面寬度(m)。

(3) 雷諾數。

Re=V平均R/γ

(3)

式中：Re為雷諾數;R為水力半徑,約等于坡面水深(h/m);γ為運動粘滯系數(m2/s),γ=0.017 75/(1+0.033 7t+0.000 221t2);t為水溫(℃)。

(4) 弗勞德數。

(4)

式中：Fr為弗勞德數;g為重力加速度,取9.8 m/s2。

(5) 阻力系數。

本試驗采用Darcy-Weisbach阻力系數對坡面阻力進行計算，公式為：

(5)

式中：f為阻力系數;J為徑流能坡,其值為J=sinθ,θ為坡度。

(6) 水流剪切力。

τ=ρRJ

(6)

式中：τ為水流剪切力(Pa);ρ為水流容重,取值10 000 N/m3。

(7) 水流功率。

ω=τV平均

(7)

式中：ω為水流功(W/m2)。

2 結果與分析

2.1 坡面土壤侵蝕量與水流剪切力

如圖2所示，隨著降雨強度增加，土壤侵蝕量增大。在3種降雨強度下，各坡面土壤侵蝕量大小均為：生物炭>無添加>棕櫚纖維>PAM。降雨強度為60 mm/h和90 mm/h時，4種坡面土壤侵蝕量差異顯著，降雨強度為120 mm/h時，添加生物炭的坡面土壤侵蝕量顯著高于其他3種坡面，添加PAM與棕櫚纖維的坡面土壤侵蝕量差異不顯著，且均顯著低于無添加坡面。添加棕櫚纖維的坡面在雨強為120 mm/h時土壤侵蝕量顯著高于雨強為60 mm/h和90 mm/h時，后兩者差異不顯著，其他3種坡面在不同降雨強度下，各自的土壤侵蝕量差異均顯著。在處理組中，添加PAM的植被混凝土坡面抗侵蝕能力最強，可以減少侵蝕泥沙量69.7%～90.0%。

坡面流在運動過程中沿坡面梯度方向上產生的作用力即為水流剪切力，由公式(6)可知，τ與R成正比，本試驗中產生的坡面薄層流水力半徑R近似等于徑流深度h，因此水流剪切力呈現出與徑流水深相同的規律，即處理組水流剪切力較對照組減少12.9%～53.3%，與對照組水流剪切力差異顯著。

2.2 坡面流流態

對各試驗條件下植被混凝土坡面流雷諾數與弗勞德數進行計算，以此來分析坡面流流態，結果見表2。隨著降雨強度增大，添加不同外摻料的4組試驗雷諾數均呈增大趨勢，在相同降雨強度下，添加PAM、生物炭、棕櫚纖維的3個處理組雷諾數分別是對照組的0.97～1.57，1.15～1.55，1.16～1.52倍，且各試驗條件下雷諾數均小于500，說明坡面流為層流；隨著降雨強度增大，無添加處理組與添加棕櫚纖維處理組弗勞德數呈先減小再增大的趨勢，添加聚丙烯酰胺與添加生物炭的處理組呈逐漸增大的趨勢，對照組弗勞德數均小于1，說明對照組坡面流為緩流，處理組弗勞德數均大于1，說明處理組坡面流為急流。由此可見，添加外摻料對坡面流流態有顯著影響，外摻料減小了坡面表層粗糙度，從而使坡面流紊動程度隨之降低。

注：采用單因素ANOVA分析，不同大寫字母表示同一降雨強度、不同外摻料條件下差異顯著(α=0.05)，不同小寫字母表示同一外摻料、不同降雨強度條件下差異顯著(α=0.05)，下同。

表2 不同降雨強度及外摻料條件下坡面流雷諾數Re與弗勞德數Fr

2.3 坡面流平均流速和平均徑流深度

對各試驗條件下植被混凝土坡面平均流速和平均徑流深度進行分析(圖3)，結果表明，隨著降雨強度增大，4種不同外摻料條件的坡面流速均有增加。不同降雨強度下，添加聚丙烯酰胺、生物炭、棕櫚纖維的坡面(處理組)流速較無添加坡面增加73.4%～126.1%，與無添加坡面(對照組)流速差異顯著，處理組徑流深度較對照組減少12.9%～53.3%，與對照組徑流深度差異顯著。處理組坡面在外摻料與基材共同作用下，表面粗糙度較低，受雨滴擊濺及上方來水共同影響，表面大顆粒團聚體被進一步打散，坡面光滑程度高于對照組，水流受到的阻力較小，因而坡面流流速較大，而徑流深度較小。

圖3 不同降雨強度及外摻料條件下的坡面流流速與徑流深度

2.4 不同處理下坡面阻力系數與水流功率

各試驗條件下植被混凝土坡面阻力系數分析結果見圖4。對照組無添加坡面阻力系數顯著高于試驗組阻力系數，是試驗組的3.4～9.8倍。坡面流阻力反映的是外界影響因素對坡面薄層水流阻滯能力的大小，影響因素包括土壤顆粒、降雨、礫石、植被等[20]。在處理組中受外摻料影響，表層基材顆粒較細，坡面整體較為光滑，對坡面流產生的阻力較小，顯著低于對照組坡面阻力。水流功率指單位面積水體勢能隨著時間的變化率，由水流功率分析結果可知，隨著降雨強度增加，試驗組與對照組坡面流水流功率也逐漸增大，對照組水流功率始終低于試驗組，且差異顯著，僅在降雨強度為120 mm/h時，出現添加聚丙烯酰胺的處理組坡面水流功率與對照組無顯著差異。添加外摻料導致試驗組坡面流流速較大，因而水體勢能隨時間變化較快，導致試驗組水流功率高于對照組。

圖4 不同降雨強度及外摻料條件下的坡面流阻力系數與水流功率

2.5 植被混凝土坡面土壤侵蝕量與水動力學參數的關系

基于本研究前面4種不同坡面水動力學參數及土壤侵蝕量間的差異，若將添加4種外摻料的不同坡面放在一起，它們的某些特殊屬性可能被掩蓋，因此按照外摻料類型對土壤侵蝕量和水動力學參數進行擬合(表3)，3種降雨強度下各有3個重復，共9個樣本。結果表明，在4種坡面上，流速、雷諾數、水流功率與土壤侵蝕量始終呈顯著的正相關關系(p<0.05)，且除了添加棕櫚纖維的坡面上流速與土壤侵蝕量的相關關系，其他均呈極顯著正相關(p<0.01)。有研究者認為水流剪切力可以很好的評價坡面流的侵蝕能力[21-22]，然而本次試驗中4種坡面上水流剪切力與土壤侵蝕量的相關性差異規律各不相同，無添加坡面上水流剪切力與土壤侵蝕量呈極顯著正相關，在添加棕櫚纖維的坡面上呈顯著正相關，在添加生物炭的坡面上雖呈正相關卻無顯著性，而在添加聚丙烯酰胺的坡面上則呈負相關，因此本次試驗中水流剪切力無法作為評價植被混凝土坡面流侵蝕能力的指標。4種坡面上阻力系數與土壤侵蝕量始終呈負相關，且在添加聚丙烯酰胺與添加生物炭的坡面上呈極顯著負相關。

表3 土壤侵蝕量(E)與水動力學參數的回歸分析

表中雷諾數、水流功率與土壤侵蝕量始終呈極顯著正相關，可作為判別人工暴雨條件下植被混凝土坡面土壤侵蝕量的指標，這與許多學者的研究結果類似，郭太龍等[17]通過對黃土坡面水力學特征參數與土壤侵蝕量間關系進行研究，認為雷諾數是可判別黃土坡面土壤侵蝕累計泥沙總量的一個較好的指標； Abrahams等[23]，Zhang等[24]中都有將水流功率作為評價坡面流侵蝕能力的指標。

3 討 論

本文針對添加不同外摻料的植被混凝土坡面，分析在模擬降雨條件下植被混凝土坡面水動力學特征以及各個水動力學參數與土壤侵蝕量之間的關系，研究發現可以通過水動力學參數的變化來解釋外摻料對植被混凝土侵蝕的影響。

聚丙烯酰胺在土壤中溶解后，會形成絲狀黏絮物質，具有較強的黏結力，可以連接多個土壤顆粒，形成穩定的結構[25]。在降雨初期，雨滴會對表層土壤顆粒進行打擊，使團聚體崩解，產生一些細小顆粒，這些細小顆粒被聚丙烯酰胺捕獲之后會填充堵塞在土壤表面的空隙，使得土壤表面粗糙度降低，坡面相比對照組較為光滑，阻力系數小。所以，添加聚丙烯酰胺的坡面流速較大，并且在降雨強度相同時，徑流深度相對小，而水流剪切力是徑流深度和坡度的函數，受徑流深度的影響，水流剪切力也較小。由于土壤侵蝕量與水流剪切力呈正相關，聚丙烯酰胺的存在，減小了水流剪切力，同時增加了土壤穩定性，進而使得土壤侵蝕量減小。

生物炭具有降低土壤容重、吸附性強等特性，作為土壤改良劑已有許多研究[26]，添加到植被混凝土之后，在降雨初期雨滴擊濺產生的細小顆粒被生物炭吸附之后，會堵塞土壤表層的孔隙，使得表層較為光滑，阻力系數變小，因而流速較大，而徑流深度較小，水流剪切力也呈現出與添加聚丙烯酰胺的坡面相似的結果。但生物炭會使土壤結構更為疏松，在降雨的作用下土壤崩解為較小的單元，被徑流帶走，造成更大的侵蝕，這與葉麗麗等[27]添加生物炭沒有提高土壤抗破碎能力的研究結果相符。

棕櫚纖維加筋可以提高植被混凝土基材抗剪強度[7]，本次試驗添加的為3 cm的棕櫚纖維小段，纖維過長會增大土體的孔隙率，降低土體強度[28]，在基材中加入棕櫚纖維之后，纖維均勻分布于基材中，基材與粗糙的纖維表面會產生較大的摩擦力，土粒與纖維之間會產生黏結力。當受到降雨打擊時，對照組坡面土壤容易被打散，坡面破碎程度較高，而添加棕櫚纖維的坡面強度高，不易被打散，受雨滴擊濺及上方來水沖刷產生的土粒較少，侵蝕量低于對照組，坡面較對照組更為平整，因而坡面流速較大，徑流深度較小，水流剪切力與試驗組其他坡面結果相似。

在本研究中，用雷諾數與弗勞德數兩個指標代替平均流速和平均徑流深度的單獨作用。從研究結果來看，各組坡面的徑流流態始終是以層流的形式存在，紊動性較小，對照組坡面為緩層流，試驗組坡面基本都為急層流。水流剪切力受流速與徑流深度的共同影響，在結果上表現為試驗組水流功率幾乎都顯著高于對照組，僅在降雨強度為120 mm/h時，出現添加聚丙烯酰胺的處理組坡面水流功率與對照組無顯著差異，而對照組各處理之間的差異關系不明顯。植被混凝土坡面在養護初期，生物炭尚未與基材結合形成穩定的團聚體結構，并且生物炭使土壤結構更為疏松，此時棕櫚纖維已經起到了物理加筋的作用，聚丙烯酰胺在土壤水分作用下形成的絲狀黏絮物質也已發揮其黏結作用，棕櫚纖維與聚丙烯酰胺因自身物理化學性質的不同，在抗侵蝕能力大小上存在差異，最終4組試驗土壤侵蝕量大小表現為：生物炭>無添加>棕櫚纖維>聚丙烯酰胺。

4 結 論

研究不同外摻料對暴雨條件下植被混凝土坡面侵蝕水動力學特征的影響， 對高陡巖質邊坡地區植被混凝土配方的改進提供理論依據。本次試驗得出以下結論。

(1) 添加聚丙烯酰胺、生物炭、棕櫚纖維可以降低植被混凝土坡面粗糙度，增大坡面流速，減小徑流深度，并且水流剪切力、阻力系數也相對無外摻料坡面小，而水流功率較無外摻料坡面大。

(2) 隨著降雨強度增加，添加不同外摻料的植被混凝土坡面土壤侵蝕量、流速、水流功率、雷諾數均呈增大的趨勢。

(3) 雷諾數、水流功率與植被混凝土坡面土壤侵蝕量始終呈極顯著正相關。

(4) 添加聚丙烯酰胺與棕櫚纖維可以減少植被混凝土坡面土壤侵蝕量，且聚丙烯酰胺的效果優于棕櫚纖維。