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流產沙的變化特征。結果表明：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護齡期的延長，含沙量呈遞減趨勢。各處理的產沙量與徑流量之間存在很好的線性關系，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良的土工復合材料被廣泛應用于改良土壤表層結構、提高土壤穩定性及入滲性上。國內外學者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]開發了一種固化劑用于邊坡沖刷防護與加固。但對于固化劑對坡面土體抗沖刷性的影響和防護效果還未有人做系統的研究。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律及產沙-徑流量之間的關系，為更好地將固化劑應用于邊坡防護及穩定方面提供理論基礎。

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，屬粉質粘土，比重2.71，顆粒組成：砂粒3.4%，粉粒59.1%，黏粒37.5%，最優含水率18.9%，最大干容重1.68g/cm3。試驗前將土樣混勻風干，過0.5cm篩備用。固化劑采用EN-1，是一種不揮發、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構，使粘土膠體顆粒聚結，提高土粒間的聯結強度和水穩性，使土易于壓實，形成結構穩定的整體板塊，從而改良土壤物理、機械、力學性能。

人工模擬邊坡裝置由供水設備、溢流箱和沖刷槽（長2m，寬0.5m，高0.5m）組成。供水設備和溢流箱能夠保證薄層水流均勻穩定的進入沖刷槽，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%，與干土質量比）和養護齡期（10d、20d、30d），試驗坡度為40°，放水流量為200L/h，土壤壓實度為0.85；當摻量為變量時，養護齡期為10d，當養護齡期為變量時，固化劑摻量為0.1%，每個處理兩組重復，且以不施加固化劑的坡面作為對照。

按照固化劑設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行養護。待養護到設計齡期時進行沖刷試驗。沖刷時間為30min，試驗開始后，記錄產流時間，產流5min內，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，試驗結束后用烘干法測定泥沙量。

2 結果及分析

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。經試驗得出不同固化劑摻量和養護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。

養護齡期為10d時，0.01%、0.1%固化土坡面和對照坡面在產流初期含沙量較高，隨著沖刷歷時的延長呈下降并相對穩定的趨勢。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生大規模的整體順坡流動，使得沖刷試驗一開始含沙量很高，坡頂很快被沖出短的細溝，隨著侵蝕的持續不斷加深、加寬和延長。當細溝發展到一定程度時，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波狀起伏。待坡面細溝或沖溝形態條件不再發生明顯變化時侵蝕能力趨于穩定狀態，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，必須經過一定的時間養護，才能達到很好的抗沖刷效果，養護齡期越長，侵蝕量越小，抗沖刷效果越明顯，養護20d時，侵蝕量基本上趨向于穩定。

2.2 EN-1固化劑摻量和齡期對坡面徑流產沙關系的影響

固化土坡面產沙量較對照顯著減小（見圖2），摻量越大，齡期越長，產沙量減小幅度越大。建立不同流量條件下徑流產沙的經驗方程見表2，式中S為產沙量（kg），W為徑流量（L），可得：不同摻量、齡期固化土和對照坡面產沙量與徑流量之間存在很好的線性關系。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定。摻量越大，齡期越長，含沙量越小，當齡期為20d時，含沙量趨于穩定。固化土和對照坡面產沙量與徑流量之間存在很好的線性關系。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

[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）對黃土坡地產流產沙過程的影響[J].農業工程學報，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].農業工程學報，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，2003.

作者簡介：張麗萍（1980，10-），女，籍貫：寧夏回族自治區吳忠市，現職稱：工程師，學歷：博士，研究方向：環境保護。