黃土高陡塬坡降雨侵蝕機制及生態(tài)防治技術(shù)

楊濤，李明俐，孫東，朱存金，張文

(1.四川省地礦局成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)中心, 成都 610081；2.四川省地質(zhì)災害防治工程技術(shù)研究中心, 成都 610081；3.成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室, 成都 610059；4.中國地質(zhì)科學院探礦工藝研究所，成都 611734)

研究區(qū)位于延安市，地處陜西省北部黃土高原地區(qū)，此處生態(tài)環(huán)境脆弱且氣候干燥。黃土極強的水敏性和脆弱的結(jié)構(gòu)性是災變之源，降雨是主要的災變誘發(fā)因素[1-2]，其中，雨滴濺蝕作用和匯流沖刷均會造成大面積水土流失或?qū)е聺裣莩两怠⒒隆⑸⑿允Х€(wěn)等黃土重大災變[3]。

通過人工降雨試驗具有可充分研究降雨過程中水土耦合作用及侵蝕過程的優(yōu)勢條件，近年來已成為有關(guān)黃土的研究熱點[4-6]，用來探明降雨過程中“三場”(形變場，滲流場，應力場)的時間-空間動態(tài)發(fā)展演化過程和規(guī)律[7-9]。人工降雨試驗通常在可視化鋼結(jié)構(gòu)的試驗槽內(nèi)進行，長寬比較大，水箱，噴頭，數(shù)顯儀，水泵支架管線組成的降雨控制系統(tǒng)能滿足雨強，沖擊能量，雨滴分布密度的要求[10]。同時土體內(nèi)布設(shè)孔隙水壓力和含水率傳感器，流量計，流速儀，數(shù)據(jù)采集儀箱等設(shè)備，重點研究不同工況，不同初始條件下，黃土在降雨條件下的侵蝕作用或獲得滑坡啟動的臨界判據(jù)[11]。通過上述試驗，中外學者已取得以下成果：降雨入滲過程中，土體含水量增加，基質(zhì)吸力降低，剪切波速降低土顆粒有效應力降低。這些多物理量監(jiān)測數(shù)據(jù)有助于建立非飽和土含水率-吸力-剪切模量之間的關(guān)系[12]。Wang等[13]通過不排水條件下的三軸和直剪試驗，發(fā)現(xiàn)黃土飽和是產(chǎn)生研究區(qū)滑坡災變的重要因素，而非氣體裹入。Bryan等[14]通過試驗揭示了坡長對徑流、滲流和細溝發(fā)育的影響規(guī)律。裴向軍等[15]采用改性CMC材料對含區(qū)公路邊坡粉砂土拌合加固，結(jié)果顯示改性CMC材料拌合后的巖土體表面具有較強的滲析膠結(jié)與吸附膠結(jié)作用，按一定濃度就地拌合原狀土，形成12～15 cm固化層可對土質(zhì)斜坡起到加固、防滲與抗沖蝕作用，同時采用降雨沖刷試驗研究加固土抗沖蝕性能，結(jié)果表明改性鈉羧甲基纖維素(CMC)加固土邊坡沖刷在 120 mm/min 雨強沖刷60 min，無溝蝕產(chǎn)生，產(chǎn)砂量近于0。

為此，現(xiàn)通過室內(nèi)模擬試驗，揭示降雨對黃土坡面侵蝕災變動態(tài)演化規(guī)律，精細刻畫地表變形和降雨強度間響應關(guān)系，在此基礎(chǔ)上從“控水”角度出發(fā)，對比分析新型材料黃土改良技術(shù)在黃土高陡塬坡防控侵蝕中的應用效果。

1 研究區(qū)介紹

選取的災害防控示范區(qū)位于陜北延安市安塞縣小南溝的黃土塬坡，地處黃土高原腹地，東經(jīng)109°19′25″，北緯36°36′0″，海拔1 070 m，屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)，年平均降水量500 mm，主要集中在5—9月，年最高氣溫達38 ℃，最低氣溫-23 ℃，屬于干旱氣候條件，出露地層主要有N3紅黏土和連續(xù)第四系黃土，研究場地通過深度為2 m的取樣判別主要為Q4全新世黃土原狀土樣。研究區(qū)之前采取對高邊坡進行人工挖方形成多級臺地并進行平整處理(圖1)，每級臺地長度120～150 m，坡高約13 m，坡度為55°，并種植紫穗槐，但圖2可見前期這種單一護坡方式的抗侵蝕效果并不明顯，加之排水溝堵塞致排水不暢，坡體表面出現(xiàn)多條雨水沖蝕細溝(寬度5～10 cm，最大深度12 cm)。

圖1 人工挖方治理高邊坡

圖2 塬坡表面侵蝕作用明顯

2 人工降雨試驗

2.1 試驗裝置

人工降雨試驗在模型槽內(nèi)進行，尺寸3.0 m(長)×2.0 m(寬)×1.2 m(高)，槽體為鋼結(jié)構(gòu)支撐，兩個側(cè)立面及背板為可視鋼化玻璃，便于觀察雨水入滲過程及浸潤線深度，前端開放無約束。人工降雨系統(tǒng)由36個噴頭組成，雨強可調(diào)節(jié)的范圍為30～180 mm/h。孔隙水壓力傳感器(探頭型號 HM91G-2-V2-F3-W1)與含水率傳感器與數(shù)據(jù)采集箱端口相連，采集到的電信號傳輸至電腦，坡體表面加裝地表傾斜儀。傳感器分3層布設(shè)，共計30個，布設(shè)圖如圖3所示。孔隙水壓力與體積含水率采集頻次為10 s/次，地表傾斜儀采集頻次為每6 s/次，降雨持續(xù)時間應直至坡體發(fā)生破壞結(jié)束，若未發(fā)生破壞，時間應大于2 h。

圖3 傳感器埋設(shè)位置

2.2 試驗材料

試驗材料選用原狀土現(xiàn)場取回，室內(nèi)土工試驗[包括：篩分黏粒含量、三軸試驗內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角φ、直剪試驗內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角φ及土常規(guī)(包括測比重Gs、干密度ρd、孔隙比e)]獲得黃土基本物理力學參數(shù)(表1)。試驗模型采用分層夯實的方法進行堆坡，保證與實地相符的密實度，坡度(50°)與初始含水率，左側(cè)土體上覆拌入新型固化劑的黃土開展對比試驗(厚度為1 cm)，人工降雨物理模擬實驗縮尺比例為20∶1。顆分馬爾文曲線如圖4所示。

表1 黃土的物理力學指標

圖4 研究區(qū)黃土粒徑分布曲線

主要采用Van Grnuchten(VG)最常用的模型來重構(gòu)試驗土體的水-土特征曲線[16-23]。試驗中的土水特征曲線(SWCC)可以通過基質(zhì)吸力與體積含水率的耦合來重建。圖5為干密度1.38 g/cm3壓實黃土的脫濕水土特征曲線(SWCCS)，由室內(nèi)1.5×103kPa 壓力板儀測得。相應地，該壓實黃土的進氣值約9.1 kPa，飽和體積含水率約為45.2%。

α、n為擬合參數(shù)

θ=θr+(θs-θr)[1+(0.053ψ)2.398]0.715，

R2=0.991 18

(1)

式(1)中：θ為體積含水率；ψ為基質(zhì)吸力；θs為飽和含水率；θr為殘余含水率。

2.3 新材料及新型黃土護坡工藝

本文試驗采取新工藝與新型黃土固化劑相結(jié)合的方法進行護坡。新型黃土固化劑簡稱SJ材料，屬雙聚材料，是一種由兩種有機物和兩種無機交聯(lián)劑合成的高分子聚合物，分別記為A、B、C、D，其中，B、C為有機物，分別具有鎖水性和強度性質(zhì)，A、D分別為B、C的催化劑。基本性質(zhì)和聯(lián)結(jié)作用方式如表2、圖6所示。雙聚材料這種可無限稀釋的固化劑與土體拌合后形成加固黃土，它的吸水膨脹性使得降雨入滲受阻，隨著材料摻量不斷提高(不低于20%)時，加固黃土吸水性增強，同時黏聚力也顯著增加，但膨脹力不足以破壞膜結(jié)構(gòu)強度，團聚體仍能保持較高強度，從而提高了黃土抗崩解性能。

表2 試驗用材料性質(zhì)

圖6 聚合物交聯(lián)方式示意圖

新工藝選用耐寒耐旱的高羊茅草種，首先在試驗田鏟刮尺寸為30 mm×30 mm的完整草皮方塊，疊放運輸?shù)竭_試驗場地后，對坡體左側(cè)加固后土體表面進行掛網(wǎng)(土工布)，然后鋪設(shè)草皮，并用土釘進行固定，養(yǎng)護7 d，扎根牢固后開始試驗，以縮短試驗周期。

2.4 試驗計劃與分組

試驗坡度設(shè)置為55°(與現(xiàn)場多級塬坡坡度一致)，縱坡比降，設(shè)置4種雨強分別模擬小雨(60 mm/h)、中雨(90、120 mm/h)、大雨(150 mm/h)，采用左側(cè)坡體表面加入固化劑或固化劑與草被相結(jié)合的方式進行護坡，雙聚材料摻量比18%(改良劑與干土的質(zhì)量比)，右側(cè)坡體表層未加固，來模擬天然坡體，并開展以下5組對比試驗(表3)，以便對比分析并探明不同雨強條件對黃土坡面的侵蝕效應，物理力學參數(shù)與降雨的響應關(guān)系及不同護坡方式的護坡效果(圖7)。

圖7 試驗開始前堆好的坡面

表3 人工降雨試驗分組

3 試驗結(jié)果分析

3.1 土體應力理論分析

土中應力由土骨架(有效應力)及水氣(孔隙水壓力，孔隙氣壓力)共同承擔，孔隙氣壓力與孔隙水壓力的差值為基質(zhì)吸力，源自毛細與短程吸附的綜合作用。降雨入滲后，孔隙水壓力上升，孔隙氣壓力與基質(zhì)吸力減小，抗剪強度降低。早期最具代表性的非飽和土有效應力原理由Bishop等[24]提出，Bishop抗剪強度公式為

τf=c′+[(σ-ua)f+χf(ua-uw)f]tanφ

(2)

式(2)中：τf為抗剪強度；c′為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；σ為總應力；uw為孔隙水壓力;ua為孔隙氣壓力；(ua-uw)f為基質(zhì)吸力；χf為有效應力參數(shù)，其值取決于飽和度，當土體完全干燥或飽和時，χf分別為0和1，當土體處于這兩種極端狀態(tài)時，式(2)就簡化為經(jīng)典的有效應力表達式。

3.2 人工降雨條件下侵蝕過程及護坡效應

坡面侵蝕速率與雨強呈正相關(guān)，5組不同雨強條件下的坡面侵蝕方式類似，侵蝕速率不同，選取第4組實驗揭示雨水對黃土坡面的侵蝕過程，由于該組實驗雨強最大，右側(cè)無草被，可觀察到最明顯的侵蝕現(xiàn)象，其他4組實驗現(xiàn)象在此不再贅述，圖8為不同時刻實驗過程現(xiàn)象圖。降雨開始后，右側(cè)坡體底部和頂部首出現(xiàn)了局部破壞[圖8(b)]，隨強降雨的不斷進行，坡體前緣的局部破壞向上發(fā)展形成溯源侵蝕趨勢，同時右側(cè)后緣的張拉裂縫不斷擴張，下蝕與側(cè)蝕作用明顯，侵蝕量不斷增加，通過測量右側(cè)透明鋼化玻璃的浸潤線深度，得到150 mm/h雨強條件下，滲透速率為0.33 cm/min。左側(cè)坡表黃土加入了雙聚材料，降雨過程中坡腳無明顯渾濁水流，護坡抗侵蝕效果明顯。圖9為降雨結(jié)束后的激光掃描圖。

T為時間

圖9 3D激光掃描圖

3.3 孔隙水壓力與體積含水率

由于第1組實驗降雨量為60 mm/h的小雨，僅在PWP-1處(未加固土體淺層上部)產(chǎn)生有效孔隙水壓力，在降雨持續(xù)3 min 40 s時迅速增加至峰值11.81 kPa，而后基本保持穩(wěn)定，其他傳感器位置未產(chǎn)生有效孔隙水壓力。體積含水率在降雨入滲過程中逐漸增大，但增幅不大，最大值為18.38%(MC-2)，如圖10(a)所示。

第2組實驗降雨量為90 mm/h(中雨)，左側(cè)土體進行加固處理并鋪設(shè)草皮(圖7)，淺層坡體底部在降雨持續(xù)進行到00：52：10 s時迅速增加至 43.2 kPa，PWP-2、PWP-3在降雨過程中逐漸增加，增幅不大，最后分別達到最大值11.8 kPa與8.3 kPa，其他位置未產(chǎn)生有效孔隙水壓力。初始體積含水率約為17.1，隨降雨進行，最先增加的是MC-3傳感器，并達到了所有傳感器中的最大值24.97%，降雨長達1 h，只有MC-13, MC-16傳感器未發(fā)生明顯變化，通過側(cè)面浸潤線的變化也可印證降雨未入滲至土體20 cm深度的位置[圖10(b)]。

第3組實驗由于降雨量增大(120 mm/h)，10個測點中有6個位置(PWP-1、PWP-3、PWP-4、PWP-5、PWP-6、PWP-9)產(chǎn)生了有效孔隙水壓力，其中位于同一位置不同深度的PWP-1、PWP-5分別達到16.94 kPa, 10.56 kPa，且埋設(shè)于10 cm處的PWP-1的數(shù)值大于20 cm處的PWP-5。10 cm處的體積含水率傳感器開始增加的時間點早于20 cm處的含水率傳感器，左側(cè)表層土體摻入黃土改良劑并鋪設(shè)草皮，坡底含水率高于坡頂(MC-4>MC-1，MC-12>MC-9)，可見進行草皮移植后，土體的疏水性增強，而右側(cè)坡體由于雨強大且上方有60 cm的平臺，頂部坡面和平臺共同接受降雨，坡頂?shù)捏w積含水率大于坡腳。其中MC-4增至31%，MC-13高達32.3%[圖10(c)]。

第4組實驗在降雨初期，土體存在基質(zhì)吸力，隨降雨進行，基質(zhì)吸力逐漸消散[25]。在降雨持續(xù) 12 min 和14 min后，PWP-4及PWP-2測得的孔隙水壓力分別增至11.87 kPa和28.86 kPa，并維持穩(wěn)定。體積含水率在初始條件下存在較大差異，MC-1增至29%，位于坡體左側(cè)的MC-4、MC-9、MC-12與初始含水率對比，未發(fā)生明顯變化，表明用雙聚材料改良后的土體具有低滲性。MC-6在強降雨條件下高達37.7%，土體接近飽和狀態(tài)[圖10(d)]。

第5組實驗土體多處產(chǎn)生孔隙水壓力，PWP-1處最先增加并達到最大值32.4 kPa，體積含水率均發(fā)生了增加，最大值達到29.03%(MC-4)。該組實驗含水率與第4組相比，右側(cè)土體中雙聚材料保證低滲性的同時，草皮移植增加了表層土體的通透性，尤其根系扎入土體后為降雨入滲提供通道，降雨入滲形成優(yōu)先[26]。其次，草皮為雨滴濺蝕作用提供緩沖，草皮與根系的共同作用使得含水率增加，但與右側(cè)未加固土體的含水率對比，含水率開始增加的時間點明顯滯后，說明入滲速率明顯減慢，在相同降雨條件下(150 mm/h)，護坡后土體與未加固土體達到的含水率極大值相差近10%[圖10(e)]。

圖10 5組試驗的孔隙水壓力與體積含水率

3.4 巖土體物理力學參數(shù)與降雨及地表變形的響應關(guān)系

通過以上數(shù)據(jù)分析，可總結(jié)出以下坡體內(nèi)部物理力學參數(shù)與降雨強度及地表侵蝕之間的響應關(guān)系：降雨強度與含水率呈正相關(guān)，降雨強度越大，體積含水率越大，如第4組實驗在150 mm/h降雨條件下土體接近飽和狀態(tài)。孔隙水壓力增加的速率高于體積含水率，可在2 min之內(nèi)迅速增加至峰值。右側(cè)未加固土體含水率和孔隙水壓力增加的時間點早于左側(cè)加固土體含水率和孔隙水壓力增加的時間點，結(jié)合水槽兩側(cè)通過鋼化玻璃觀察到的雨水浸潤線變化，印證了雙聚材料明顯降低了雨水的入滲速率。地表傾斜儀是自主開發(fā)的地表測斜傳感器，精度0.002 5°[10]，當坡表土體發(fā)生侵蝕，地表傾斜儀數(shù)據(jù)發(fā)生突變，雨強越大，發(fā)生突變所需時間越短。

4 討論

草皮移栽技術(shù)已經(jīng)被成功應用于室內(nèi)物理模擬試驗；草皮能夠快速扎根土壤并與新型黃土固化劑成功結(jié)合在一起。一方面可無限稀釋的低易損材料的使用減少了雨水入滲，形成了高強度的聚合體，達到了護坡和抗侵蝕的目的；另一方面，移栽草皮減弱了雨水濺蝕。考慮到研究區(qū)處于干旱脆弱的生態(tài)環(huán)境區(qū)，有關(guān)邊坡防護的研究還需在其他生態(tài)退化修復區(qū)域場地進一步開展；根據(jù)研究結(jié)果，可以從以下幾個方面改進和擴展。

(1)從生物多樣性角度出發(fā)，可以進一步優(yōu)化種子選擇，將一種草本植物(高羊茅)的室內(nèi)試驗改良為容易管護的灌木(如豆科灌木、紫穗槐等)相結(jié)合。灌木種皮吸水后膨脹而變黏，具備根瘤菌固氮潛力，在土壤中易存活，同時具有較強的適應性和對貧瘠土壤的耐受性。此外，灌木的根系深度可達2 m，發(fā)達的根系對土壤團聚起到較大作用，能夠更有效地實現(xiàn)護坡防蝕。

(2)在新的試驗中，野外試驗方法類似于室內(nèi)物理模擬試驗，首先對坡面土體進行耙削，去除硬化表層土體，進行坡面整平處理，然后將雙聚材料加固的黃土平均布置于整平后的坡體上，根據(jù)野外試驗尺寸放大效應，將室內(nèi)植草試驗用的土工布替換為抗拉強度較高的鍍鋅鋼絲網(wǎng)，用直徑6 mm的鋼釘錨固鐵絲網(wǎng)。或者采用機械噴播草籽等進一步優(yōu)化播種方式，從而節(jié)約成本，之后通過噴灌和少量施肥養(yǎng)護草本及灌木生長，養(yǎng)護期一般為1個月。

(3)所研制的新型固化劑具有較強的吸附性和膠結(jié)性，與黃土混合填補土壤顆粒內(nèi)部空隙，在土壤中起到天然水泥的作用。固化后的黃土顆粒不易解體，具備很好的抗風蝕性能。理論上隨著黃土改性劑的摻入，改性黃土的強度更高，抗崩解性能更好。但是強度太大將限制上覆植物生長，在保障植物正常生長的同時，如何確定土壤較低的滲透系數(shù)是關(guān)鍵，通過混合比試驗，得到18%(改性劑與干土的質(zhì)量比)為最佳改性劑添加比例。在研究區(qū)域內(nèi)，土壤的滲透性較低，因此可以采用雙聚材料來提高土壤的強度和保水性，利用泥炭土和有機培土劑提高土壤的滲透性，使得坡面土壤既能固化又能生長植被。

5 結(jié)論

(1)從試驗現(xiàn)象來看，黃土高陡邊坡的破壞模式可歸納為降雨開始-坡腳局部破壞-坡面侵蝕-溯源侵蝕-下蝕側(cè)蝕作用明顯-坡頂產(chǎn)生張拉裂縫并不斷擴張。

(2)非飽和條件下降雨誘發(fā)高陡黃土塬坡侵蝕破壞的滲流特性是優(yōu)先流和基質(zhì)流的雙滲流場共同作用結(jié)果，基質(zhì)流受基質(zhì)吸力影響表現(xiàn)出明顯的滯后效應。VG模型能夠較好地擬合黃土優(yōu)先流特性的土-水特征曲線(R2=0.99)。

(3)坡面表層黃土加入雙聚材料后，在人工降雨試驗過程中達到了很好的護坡抗侵蝕效果，雙聚材料與草皮移植結(jié)合后，充分降低了雨水的入滲速率，生態(tài)友好的雙聚材料一年后可降解，這時草皮或灌木已深入扎根土壤，可達到生態(tài)修復的目的。

(4)孔隙水壓力當降雨入滲后，迅速增加并維持穩(wěn)定，黃土的孔隙水壓力在短時間內(nèi)很難消散。體積含水率增加速率明顯低于孔隙水壓力，與降雨呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。地表位移計測得地表土體隨降雨進行的位移變化。降雨過程中采用大尺寸模型盡可能還原野外黃土塬坡的降雨侵蝕破壞模式，使試驗結(jié)果更加接近真實值。