生態護坡基材降雨試驗研究

弓曉飛， 申雪姣， 郭威

（河南省地質礦產勘查開發局第二地質礦產調查院，鄭州 450001）

0 引言

隨著我國城市化進程的加速，礦產資源開采行業快速發展，規模也不斷擴張。但隨著我國經濟結構調整，“綠水青山就是金山銀山”的理念深入人心。礦山開采，尤其是采石場露天開采帶來的環境問題越發引起人們的重視。露天采礦除了引發地質災害、造成水土流失、水土污染、自然景觀破壞等問題［1］，遺留的巖質邊坡難以自然或人工修復也是亟待解決的問題。

經過長期的研究和實踐，發展了多種生態邊坡修復技術方法，目前常用的生態邊坡修復方法有階梯式復綠法、噴播基材復綠法、直接培土法等［2］。噴播技術常應用于巖質邊坡的綠化與生態恢復，其研究多集中于基材的強度、抗侵蝕性、養分等方面［3-5］，而對于植物賴以生存的水分研究較少，尤其是在降雨量少的地區，噴播植被常因缺乏水分而難以達到預期綠化效果或難以維持長期效果。因此對于噴播技術中基材水分平衡的研究具有重要意義。

國內外關于生態護坡降雨入滲等方面的研究目前已取得一些成果。張俊云等［6］采用模擬巖石坡面進行厚層基材噴射植被護坡實驗，研究了有機質及保水劑含量對基材混合物水分常數的影響。張濤等［7］通過人工降雨實驗研究了不同壓實度、坡度和降雨強度對礦山邊坡水土流失的影響。李紹才等［8］通過現場定位觀測試驗，研究護坡土壤的水分變化。李守升［9］研究了不同因素影響下黃土邊坡水分入滲深度和坡體內水分分布規律。

試驗擬建立室內不同工況下的生態護坡模型，在模型上模擬一定強度的人工降雨，觀察邊坡模型從接受降雨到逐漸侵潤的發展過程，通過試驗監測儀器同步監測土體內含水率和產流量的變化，分析生態護坡基材的有機土含量、厚度、以及邊坡坡比對生態護坡基材含水率和產流量的影響，為基材噴播技術的研究提供一些參考。

1 試驗設計與方法

1.1 試驗方案

按照統計學正交試驗的原則，試驗考慮了基材的厚度、有機土含量以及邊坡坡比3個因素，由此原則按統計學原理，設計了正交試驗共9組，試驗組數及內容見表1。

表1 降雨正交試驗

1.2 試驗材料

種植土選取焦作市解放區辦事處龍寺村山區地表層以下20～50cm深度范圍內的土壤，土壤類型為粉質粘土，黃褐色，硬塑狀態，以粘粒及粉粒為主。除去土壤中大顆粒的石塊和植物的根系，烘干后過2mm篩，制備成含水率為12%的土料。有機土選用泥炭土。每次試驗完之后利用試驗室的烘箱烘干，再次碾碎后投入下一次試驗使用。

1.3 試驗模型

借鑒前人的室內模型降雨試驗的尺寸，結合試驗要求設計邊坡模型，因生態護坡基材覆蓋在較完整的巖質邊坡上，因此不考慮水分滲入巖質邊坡的情況，先堆巖質邊坡的模型，再在巖質邊坡模型上堆生態護坡模型。結合現有的研究現狀和工程實例，取巖質邊坡的坡比為1：1.25、1：1以及1：0.75，基材厚度為10、12、14cm，有機土的含量按體積比，分別取0%、10%、20%。巖質邊坡模型的后緣高度統一為40cm，后緣長度為10cm，邊坡寬度為50cm。模型立體圖尺寸示意見圖1（以坡比1：1、基材厚度為10cm的模型為例）。

圖1 降雨試驗邊坡模型示意（單位：cm）

1.4 試驗設備

1.4.1 降雨設備

試驗根據需求自行設計制作了人工降雨裝置，模擬的降雨強度為80mm。人工降雨裝置要保證在試驗過程中降雨均勻落在模型表面，并且同一次降雨過程中降雨強度保持穩定不變。

1.4.2 試驗模型槽

降雨試驗的模型槽由有機玻璃以及不銹鋼架組成。模型內部長2m，高80cm，寬50cm。在長度方向的有機玻璃上別用槽不銹鋼管鋼加固以保證結構強度和穩定見圖2。

圖2 降雨試驗模型

1.4.3 水分監測設備

為了監測降雨過程中生態護坡基材的含水率變化。試驗選擇采用TS-12V-A1E水分及土壤監測設備，測量數據為體積含水率。在坡體中部埋設設備傳感器，可輸出一定時間間隔的土體含水率。土壤水分儀監測探頭布置見圖3。

圖3 土壤水分儀監測探頭布置（單位：cm）

1.4.4 數據采集儀

試驗采用歐美地大生產的DT-85G數據采集儀進行體積含水率的測定。將水分監測儀按儀器規范進行連接調試后在連接電腦上即可進行數據采集，采集頻率為10s一次。

2 試驗結果與分析

2.1 基材含水率分析

降雨初期坡面土體較干硬，隨著降雨過程的持續進行，土體含水率逐漸增大，土體變濕變軟，表層土體經歷硬塑-可塑-流動狀態的變化，坡面土體飽和后，產生坡面徑流，徑流的沖蝕作用使坡體表面形成沖蝕溝，甚至坡面局部破壞。根據數據采集儀收集到的結果繪制基材含水率隨時間變化曲線圖見圖4。

圖4 含水率隨時間變化曲線

由圖4可以看出，由于試驗過程中產生的誤差，監測點測出的初始含水率是不相同的，但在降雨過程中，監測點所測的含水率變化趨勢大致相同。在降雨開始后的前5min，含水率變化不明顯，坡面中部的含水率5min左右后開始增長，并呈現出增長速率逐漸加快-放緩-平穩的趨勢，隨著降雨的入滲，坡面各處含水率逐漸增長到一定峰值后趨于平穩。可見降雨對邊坡含水率的變化影響很明顯。

以增長達到平穩后的基材含水率作為試驗結果，進行極差分析。Ki表示某一因素上水平號為i時所對應的試驗結果的算術平均值，試驗結果分析見表2。

表2 正交試驗結果分析

根據表2可知，坡比、基材厚度、基材有機質含量對一定雨強下基材所能達到的含水率的影響程度為：坡比>基材有機質含量>基材厚度，3個因素對基材所能達到的含水率影響的敏感性大小依次為：坡比>基材有機質含量>基材厚度。由于不同基材厚度條件下實驗結果數值接近，考慮誤差因素，不再分析基材厚度對基材含水率的影響。為了直觀反映坡比和有機土含量對基材含水率的影響，以因素水平作為橫坐標，Ki值作為縱坐標，做出各因素對基材含水率的影響趨勢圖見圖5。

圖5 坡比、有機土含量對基材含水率的影響趨勢

由圖5可以看出，基材含水率隨坡比增大而減小，這是由于隨著坡比增大，徑流流速增大，雨水的入滲時間減少，入滲量與基材含水率也隨之變小；有機土含量在0%～10%區間，含水率變化不明顯，有機土含量在10%～20%區間，基材含水率隨基材內有機土的含量增大而增大，基材內有機土的含量越高，基材內孔隙率就越大，降雨的入滲能力就越強，監測到的最終含水率就越大。

2.2 坡面產流和入滲分析

水的入滲性能主要由降雨強度和基材的性質控制。一般來說，基材的入滲能力隨時間而變化，開始入滲階段，尤其是初期基材比較干燥的條件下，基材入滲能力較強，隨后水分的入滲速率逐漸減小，最后接近于一常數，從而達到穩定入滲階段。

在降雨槽尾端安置蓄水槽用來采集徑流量，每2min讀取一次數據，減去沒有落在坡面的雨量，就是坡面的產流量。為了方便比較，將正交表重新排列，主要考察有機土含量對徑流量的影響，具體分組情況見表3。

表3 降雨正交試驗

由圖6可以看出，坡面累計徑流量隨降雨時長增加而增加，累計曲線斜率隨降雨時長增加而增大，說明坡面徑流增加的速率隨降雨時長增加而加快，這是由于隨著入滲達到飽和，入滲率逐漸降低，產流速率逐漸增大，最后趨于穩定。

圖6 累積徑流量-時間關系曲線

根據試驗結果，以有機土含量作為橫坐標，不同有機土含量水平下所測得的累積徑流量的算術平均值作為縱坐標，做出有機土含量與累計徑流量的關系見圖7。

圖7 有機土含量與累計徑流量的關系

由圖7可以看出，隨著基材有機土含量的增加，坡面累積徑流減少，由于基材內有機土可提高基材的孔隙率和入滲性能，在降雨的過程中，水分可以通過基材內的孔隙迅速入滲，坡面產流量就較小。這也與前文試驗所得“在一定區間內，含水率隨基材內有機土的含量增大而增大”的結論相一致。

3 結語

通過生態邊坡基材的室內降雨模擬試驗及數據分析，得出以下結論：

（1） 降雨對基材含水率的變化影響明顯，隨降雨時長增加，基材含水率增大至一定峰值后趨于平穩。

（2） 坡比、基材厚度、基材有機質含量3個因素對基材所能達到的含水率影響的敏感性大小依次為：坡比>基材有機質含量>基材厚度。

（3） 坡度和基材內有機土的含量對降雨入滲的影響有一定規律：基材最終含水率隨坡比增大而減小。有機土含量小于10%時，基材含水率變化不明顯，有機土含量在10%～20%區間，基材含水率隨基材內有機土的含量增大而增大。

（4） 坡面累計徑流量隨降雨時長增加而增加，隨著入滲達到飽和，坡面產流速率逐漸增大，最后趨于穩定。在降雨強度一定的情況下，坡面產流隨基材內有機土的含量增大而減小。