水利工程生態護坡基料流失量試驗分析

潘 樂

(廣東嘉城建設集團有限公司，廣東 梅州 514000)

1 概 述

水利工程護坡中，最常用的護坡形式是TBS植被護坡。該護坡技術是用噴射機將拌合均勻的含肥料、土、草籽的基料混合物按設計厚度噴射到巖石坡面上，對巖石邊坡面進行防護和綠化的技術，它是集巖土工程學、植物學、土壤學、肥料學和環境生態學等多學科于一體的綜合工程技術。TBS植被護坡技術通過植被根系的力學加固和地上生物量的水文效應達到護坡和改善生態環境的目的[1-3]。

但基料保持在邊坡上欠可靠性，其上植被的存在也欠持久性。這是因為基料貼于硬質坡面僅靠基料中黏結劑微弱的黏結力，在降水形成的坡面徑流或雨水沖擊下易流失，即便是基料可為植物提供良好的生長環境而形成植被，能減小雨水的沖刷力，但剩余水力作用下基料還是會流失，使得植被根基不復存在。圖1為典型的基料被雨水沖刷帶走后形成的裸露巖石。

圖1 基料被雨水沖刷帶走后形成的裸露巖石

為解決現有TBS植被護坡基料難保持的問題，考慮通過在硬質邊坡和植被基料之間增加無砂混凝土作為過渡層，改善面與層、層與層之間的聯系，從而增強TBS植被護坡基料與硬質坡面的聯系，有效保持植被根系生長所需的基料，切實保障植被成型及生態的穩定性。

因無砂混凝土過渡層TBS植被護坡對基料的保持能力與護坡坡度、雨強、無砂混凝土過渡層厚度有關，因此研究這3個因素對護坡基料保持能力的影響具有重要意義。

2 材料與方法

采用室內模擬試驗，設計不同坡度的鐵架，坡度分別為1∶0.3、1∶0.5、1∶0.75、1∶1、1∶1.25。鐵架坡面上放置木板，木板長寬厚尺寸為1.35 m×1.1 m×0.01 m，木板上鋪設無砂混凝土，厚度分別為5、5.5、6、6.5、7 cm。無砂混凝土配合比為水泥∶骨料∶水=1∶5∶0.4，水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，骨料用碎石，粒徑16～31.5 mm。鋪設后灑水養護。待混凝土成型后，將混合好的含肥料、土、草籽的基料鋪設到無砂混凝上，鋪設厚度5 cm，置于室外，待草長到茂密后，在室內進行人工降雨試驗。

對生態護坡測試件進行人工降雨模擬沖刷測試，設計雨強為40、45、50、55、60 mm，歷時各1 h，觀測水土流失情況。試驗的因素和水平見表1。

表1 試驗的因素和水平表

試驗是典型的三因素五水平試驗，如果用全面試驗，要試驗125次，所以考慮采用正交試驗。

正交試驗設計法是一種用較少的試驗次數，運用規定的統計分析方法，找出影響因素的主次排列的科學方法[4-6]。采用正交試驗可大大減少試驗次數。正交試驗分析的步驟見圖2。

圖2 正交試驗分析的步驟

根據表1，選擇L25(53)進行試驗，正交試驗設計見表2。

表2 正交試驗設計表

續表2

為驗證無砂混凝土過渡層對護坡植被基料的保證能力，設置沒有鋪設無砂混凝土過渡層的樣本進行對比試驗。具體做法是在鐵架坡面的木板上放置糙面朝上的瓷板，模擬硬質坡面，在瓷板上鋪設含肥料、土、草籽的基料。正交試驗的25組試驗中，每一組都在同等條件下，設置一個對比試驗，相當于在表2最右邊加上過渡層厚度為0的一列。

通過試驗分析：①驗證無砂混凝土過渡層對基料的保持性；②分析坡度、雨強、無砂混凝土過渡層厚度對基料流失量的影響，用推移質的量來表示。

3 試驗結果分析

試驗結果見表3。

通過表3的對比試驗可知，無過渡層的護坡推移質量明顯大于有過渡層的，差值最大的是第4組，多1.47 kg；最小的是第21組，多0.016 kg，各組平均多0.641 kg，說明無砂混凝土過渡層對護坡基料的保持效果顯著，可有效減少基料流失量。圖3可以更直觀地表示有無過渡層推移質量的差距。

表3 試驗結果

圖3 試驗結果對比

3.1 極差分析

極差分析方法是最直接、最簡單的敏感性分析方法，極差的大小反映了不同因素對指標的影響水平[7-8]。

對表3的有過渡層推移質量試驗結果進行極差分析，分析結果見表4。圖4可以更直觀地表示推移質量與坡度、雨強、過渡層厚度的關系。

表4 有過渡層推移質量極差分析結果

由表4和圖4可知，對推移質量的影響程度，坡度>雨強>過渡層厚度。隨著坡度的變緩，推移質量減少；隨著雨強的增大，推移質量增加。無砂混凝土墊層的厚度在5 cm時，推移質量最少。

3.2 方差分析

方差分析是考察各因子在各水平下的效益有無顯著差異的一種分析方法，與極差分析相互驗證補充[9]。

對表3的有過渡層推移質量試驗結果進行方差分析，分析結果見表5。

圖4 推移質量與坡度、雨強、過渡層厚度的關系

表5 有過渡層推移質量方差分析結果

查F分布表可知，F0.01(4,12)=5.41，F0.05(4,12)=3.26，F0.10(4,12)=2.48。

由表5可知，坡度對推移質量的影響顯著、雨強對推移質量的影響顯著、過渡層厚度對推移質量的影響不顯著。各因素對推移質量影響的顯著性依次為：坡度、雨強、過渡層厚度。

通過計算各因素對推移質量的貢獻率可以看出，坡度的貢獻率最大，為54.152%；雨強次之，為45.090%；過渡層厚度貢獻率最小，為0.758%。

4 結 語

極差分析結果顯示，坡度、雨強、過渡層厚度三因素對推移質量的影響從大到小依次為：坡度、雨強、過渡層厚度。隨著坡度的變緩，推移質量減少；隨著雨強的增大，推移質量增加。無砂混凝土墊層的厚度在5 cm時，推移質量最少。

方差分析的結果顯示，坡度對推移質量的影響顯著、雨強對推移質量的影響顯著、過渡層厚度對推移質量的影響不顯著。各因素對推移質量影響的顯著性依次為：坡度、雨強、過渡層厚度。

從各因素對推移質量的貢獻率可以看出，坡度的貢獻率最大，為54.152%；雨強次之，為45.090%；過渡層厚度貢獻率最小，為0.758%。試驗結果可為水利工程生態護坡的基料保持技術研究提供參考。