強降雨條件下邊坡黃土流失分析及防治建議

王未英

(忻州市水文水資源勘測站，山西 忻州 034000)

我國西北地區黃土分布廣，但黃土遇水力學性質易變差，給工程建設帶來了很大挑戰[1-3]。此外，在強降雨條件下，西北地區黃土邊坡極易發生水土流失問題，給區域環境和生態帶來了極大的威脅[4-6]。因此，研究強降雨條件下黃土邊坡水土流失的主要規律并提出有效的解決方法，對解決區域生態環境安全問題及財產安全問題具有重要意義。針對上述問題，我國學者展開了大范圍、有深度的研究。王浩然等[7]基于現有研究狀況，深入分析了各種不同黃土改良技術手段的優勢和劣勢，并總結得出不同手段對改良黃土強度和凍融穩定性的影響。呂廷鋒[8]基于甘肅省黃土高原某塬面區黃土邊坡改良工程項目，深入分析了區域黃土水土流失特點，并提出采用排水豎井、溝邊梗等手段可以有效治理邊坡水土流失問題。

綜上所述，現有研究很少涉及化學技術治理黃土邊坡的可行性，文章基于室內試驗，深入研究了強降雨條件下黃土邊坡的流失情況，并提出利用化學改良技術治理邊坡的手段。研究成果為我國黃土邊坡治理提供了一定的借鑒思路。

1 試驗設計

1.1 模型試驗

為研究強降雨條件下邊坡黃土的流失情況以及黃土邊坡的穩定性，室內開展了降雨條件下的黃土邊坡穩定性試驗。本次試驗研究所用黃土均取自甘肅省蘭州市某高速公路邊坡，經過現場勘查和室內試驗測定分析，發現土的主要成分為粉質土和粗粉質土，黃土試樣的基本物理參數見表1。另外，為有效解決強降雨條件下黃土邊坡水土流失情況及邊坡失穩風險，室內通過引入化學試劑——新型高分子材料固化劑，對黃土邊坡進行加固。化學試劑整體呈乳白色，具有易稀釋、膠結時間可控和綠色無毒害的特殊優勢。

表1 黃土的基本物理參數

1.2 試驗方案

為研究不同化學試劑摻量對黃土邊坡穩定性的影響，首先將黃土與不同體積摻量(0%、5%、10%、15%和20%)的高分子固化劑進行混合并攪拌均勻。之后，樣本在室溫、通風條件下干燥處理7d后，按照如圖1所示的模型尺寸將其固定在模型試驗臺上，開展模擬降雨試驗。本次試驗研究設計強降雨的降雨強度為5mm/min。為研究邊坡黃土的保水性，在模擬降雨前，先在邊坡表面按照2L/m2的體量進行施水；然后將樣品放在80℃烘箱中進行烘干，烘干總時長為36h，記錄不同烘干時間下試樣的質量，研究土的保水性。此外，試驗模型下設置有黃土收集器，可通過收集器中黃土的重量測得不同條件下黃土的流失量。

圖1 降雨條件下黃土邊坡穩定性試驗模型

2 試驗結果分析

2.1 保水性

基于室內土的保水性試驗，得到不同化學試劑摻量條件下邊坡黃土試樣的含水率隨時間的變化趨勢，如圖2所示。由圖可知，對于不同的黃土試樣，隨著時間的增加，試樣的含水率均呈現出不斷下降的變化規律。分析認為，這是由于在80℃高溫影響下，黃土試樣中的水分會逐漸蒸發，水的形態由液態轉化為氣態，并從土的空隙中散出，因此，不同黃土的含水率均呈現出逐漸減小的變化趨勢。

進一步分析化學固化劑摻量對黃土保水性的影響，由圖2可以看出，在相同的烘干時間下，試樣的含水率隨著化學劑摻量的增大而逐漸增大。當烘干時間達到36h后，不同固化劑摻量下黃土的含水率分別為27.31%、50.25%、68.56%、78.33%以及81.69%。這表明，化學固化劑有效地增強了黃土邊坡的保水能力。分析認為，當將黃土與一定量的新型化學固化試劑混合后，化學試劑滲入土內能夠很好地固化黃土的內部結構，同時減小黃土的孔隙率。因此，黃土的水分蒸發速率變慢，保水能力增強。同時，可以發現，當化學試劑摻量高于15%以后，試樣的最終含水率降低速度變慢，這表明當化學試劑達到15%以后，其對土壤的固化效果已經趨于飽和。因此，在綜合考慮化學固化劑成本的情況下，將其摻量控制在15%左右時，效果最優。

圖2 不同化學試劑摻量下試樣含水率隨時間變化規律

2.2 抗沖刷性

基于室內降雨沖刷模擬試驗，得到不同試驗條件下邊坡黃土試樣的累計土壤損失率隨降雨時間的變化規律，如圖3所示。由圖可知，對于不同土樣而言，隨著降雨沖刷時間的增加，累計土壤損失率均呈現出逐漸增大的變化趨勢；此外，黃土的流失速率在10～30min之間最快，當沖刷時間超過30min后，土的流失速率明顯變慢。分析認為，在雨水的沖刷下，在初始階段，黃土邊坡中的細小顆粒隨著水的流動而不斷流出，此階段流失的主要是細小顆粒，因此土的流失速率較慢；而隨著降雨的持續影響，黃土的內部結構被破壞，邊坡中較大顆粒也被沖出，因此土的流失速率明顯增大；此后，當土的流失達到一定程度或黃土內部穩定的結構不會繼續被破壞后，土的流失速度會逐漸變慢。進一步觀察可以發現，隨著化學試劑摻量的增加，黃土的流失量逐漸減小，原始黃土的累計水土流失率是化學試劑摻量為15%的改良黃土的2.45倍。分析認為，化學試劑能很好地固化黃土，使其顆粒之間的黏結力增強，因此其抗沖刷能力增強。

圖3 不同化學試劑摻量下試樣土壤損失率隨時間變化

2.3 微觀結構分析

對比原始黃土試樣以及化學試劑摻量為15%的改良黃土試樣的微觀結構，如圖4所示。原始黃土試樣的內部結構松散、細小顆粒多，且存在大量分布的微裂紋和孔洞；黃土顆粒間的膠結差，因此原始黃土的保水性和抗沖刷能力較差。對比化學試劑摻量為15%的改良黃土可以發現，改良處理后的黃土試樣內部結構緊密，松散顆粒得到了有效的膠結，黃土的內部空隙明顯減少，因此化學試劑摻量為15%的改良黃土的保水性和抗沖刷能力更佳。

圖4 固化劑對黃土微觀結構的影響

綜上所述當采用摻量為15%的化學固化劑對黃土進行改良后，其保水性、抗沖刷能力均得到了明顯提升，且此時綜合考慮經濟成本較低，屬于黃土加固的最佳方案。因此，對于我國西北黃土邊坡的治理，可以考慮采用摻量為15%的化學固化劑進行改良，能夠有效改善區域邊坡黃土流失問題。

3 結論

(1)摻入化學固化試劑后，黃土的保水能力和抗沖刷能力均較原始黃土有著明顯的提升。當烘干時間達到36h后，不同固化劑摻量下黃土的含水率分別為27.31%、50.25%、68.56%、78.33%以及81.69%，而原始黃土的累計土壤損失率是化學試劑摻量為15%的改良黃土的2.45倍。

(2)基于微觀電鏡掃描試驗結果可知，改良處理后的黃土試樣內部結構緊密，松散顆粒得到了有效的膠結，黃土的內部空隙明顯減少，因此化學試劑摻量為15%的改良黃土的保水性和抗沖刷能力更佳。

(3)本次研究未能涉及降雨強度的影響，下一步研究可以考慮到不同降雨條件下黃土的流失問題。