生態(tài)護坡基材降雨試驗研究

弓曉飛， 申雪姣， 郭威

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，鄭州 450001）

0 引言

隨著我國城市化進程的加速，礦產(chǎn)資源開采行業(yè)快速發(fā)展，規(guī)模也不斷擴張。但隨著我國經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)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(huán)境問題越發(fā)引起人們的重視。露天采礦除了引發(fā)地質(zhì)災(zāi)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(zhì)邊坡難以自然或人工修復(fù)也是亟待解決的問題。

經(jīng)過長期的研究和實踐，發(fā)展了多種生態(tài)邊坡修復(fù)技術(shù)方法，目前常用的生態(tài)邊坡修復(fù)方法有階梯式復(fù)綠法、噴播基材復(fù)綠法、直接培土法等［2］。噴播技術(shù)常應(yīng)用于巖質(zhì)邊坡的綠化與生態(tài)恢復(fù)，其研究多集中于基材的強度、抗侵蝕性、養(yǎng)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(qū)，噴播植被常因缺乏水分而難以達到預(yù)期綠化效果或難以維持長期效果。因此對于噴播技術(shù)中基材水分平衡的研究具有重要意義。

國內(nèi)外關(guān)于生態(tài)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(zhì)及保水劑含量對基材混合物水分常數(shù)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(xiàn)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(nèi)水分分布規(guī)律。

試驗擬建立室內(nèi)不同工況下的生態(tài)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(fā)展過程，通過試驗監(jiān)測儀器同步監(jiān)測土體內(nèi)含水率和產(chǎn)流量的變化，分析生態(tài)護坡基材的有機土含量、厚度、以及邊坡坡比對生態(tài)護坡基材含水率和產(chǎn)流量的影響，為基材噴播技術(shù)的研究提供一些參考。

1 試驗設(shè)計與方法

1.1 試驗方案

按照統(tǒng)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(tǒng)計學原理，設(shè)計了正交試驗共9組，試驗組數(shù)及內(nèi)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(qū)辦事處龍寺村山區(qū)地表層以下20～50cm深度范圍內(nèi)的土壤，土壤類型為粉質(zhì)粘土，黃褐色，硬塑狀態(tài)，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?zāi)Ｐ?/h3>

借鑒前人的室內(nèi)模型降雨試驗的尺寸，結(jié)合試驗要求設(shè)計邊坡模型，因生態(tài)護坡基材覆蓋在較完整的巖質(zhì)邊坡上，因此不考慮水分滲入巖質(zhì)邊坡的情況，先堆巖質(zhì)邊坡的模型，再在巖質(zhì)邊坡模型上堆生態(tài)護坡模型。結(jié)合現(xiàn)有的研究現(xiàn)狀和工程實例，取巖質(zhì)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(zhì)邊坡模型的后緣高度統(tǒng)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(shè)備

1.4.1 降雨設(shè)備

試驗根據(jù)需求自行設(shè)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(wěn)定不變。

1.4.2 試驗?zāi)Ｐ筒?/p>

降雨試驗的模型槽由有機玻璃以及不銹鋼架組成。模型內(nèi)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(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定見圖2。

圖2 降雨試驗?zāi)Ｐ?/p>

1.4.3 水分監(jiān)測設(shè)備

為了監(jiān)測降雨過程中生態(tài)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(jiān)測設(shè)備，測量數(shù)據(jù)為體積含水率。在坡體中部埋設(shè)設(shè)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(jiān)測探頭布置見圖3。

圖3 土壤水分儀監(jiān)測探頭布置（單位：cm）

1.4.4 數(shù)據(jù)采集儀

試驗采用歐美地大生產(chǎn)的DT-85G數(shù)據(jù)采集儀進行體積含水率的測定。將水分監(jiān)測儀按儀器規(guī)范進行連接調(diào)試后在連接電腦上即可進行數(shù)據(jù)采集，采集頻率為10s一次。

2 試驗結(jié)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(xù)進行，土體含水率逐漸增大，土體變濕變軟，表層土體經(jīng)歷硬塑-可塑-流動狀態(tài)的變化，坡面土體飽和后，產(chǎn)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(jù)數(shù)據(jù)采集儀收集到的結(jié)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(chǎn)生的誤差，監(jiān)測點測出的初始含水率是不相同的，但在降雨過程中，監(jiān)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(xiàn)出增長速率逐漸加快-放緩-平穩(wěn)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(wěn)。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(wěn)后的基材含水率作為試驗結(jié)果，進行極差分析。Ki表示某一因素上水平號為i時所對應(yīng)的試驗結(jié)果的算術(shù)平均值，試驗結(jié)果分析見表2。

表2 正交試驗結(jié)果分析

根據(jù)表2可知，坡比、基材厚度、基材有機質(zhì)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(zhì)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(zhì)含量>基材厚度。由于不同基材厚度條件下實驗結(jié)果數(shù)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(qū)間，含水率變化不明顯，有機土含量在10%～20%區(qū)間，基材含水率隨基材內(nèi)有機土的含量增大而增大，基材內(nèi)有機土的含量越高，基材內(nèi)孔隙率就越大，降雨的入滲能力就越強，監(jiān)測到的最終含水率就越大。

2.2 坡面產(chǎn)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(zhì)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(shù)，從而達到穩(wěn)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(shù)據(jù)，減去沒有落在坡面的雨量，就是坡面的產(chǎn)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(chǎn)流速率逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定。

圖6 累積徑流量-時間關(guān)系曲線

根據(jù)試驗結(jié)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(shù)平均值作為縱坐標，做出有機土含量與累計徑流量的關(guān)系見圖7。

圖7 有機土含量與累計徑流量的關(guān)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(nèi)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(nèi)的孔隙迅速入滲，坡面產(chǎn)流量就較小。這也與前文試驗所得“在一定區(qū)間內(nèi)，含水率隨基材內(nèi)有機土的含量增大而增大”的結(jié)論相一致。

3 結(jié)語

通過生態(tài)邊坡基材的室內(nèi)降雨模擬試驗及數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)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(wěn)。

（2） 坡比、基材厚度、基材有機質(zhì)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(zhì)含量>基材厚度。

（3） 坡度和基材內(nèi)有機土的含量對降雨入滲的影響有一定規(guī)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(qū)間，基材含水率隨基材內(nèi)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(chǎn)流速率逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定。在降雨強度一定的情況下，坡面產(chǎn)流隨基材內(nèi)有機土的含量增大而減小。