工程堆積體坡面工程措施減流減沙效應(yīng)

呂 鑫

(淄博市河湖長制保障服務(wù)中心，山東 淄博 255000)

上世紀(jì)90年代開始，隨著城市生產(chǎn)建設(shè)活動的日益加劇，由城市生產(chǎn)建設(shè)活動形成的建筑堆積體日益聚集，其土壤侵蝕已逐步對“海綿城市”構(gòu)成全新的環(huán)境威脅[1]，是人為水土流失的主要源頭之一。工程堆積體一般具有土壤結(jié)構(gòu)疏松、有機(jī)質(zhì)含量低等特點(diǎn)[2]，對外部侵蝕媒介的抵抗力較差，降雨導(dǎo)致堆積體表層土壤物質(zhì)分離和輸移，促進(jìn)細(xì)溝或切溝的發(fā)生發(fā)育，極易引發(fā)滑坡、崩塌、泥石泥等嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致城市環(huán)境質(zhì)量下降。因此，研究城市生產(chǎn)與建設(shè)工程堆積體的坡面治理對策及效果,對城市生態(tài)文明建設(shè)與社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展都具有重要的工程指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

湖南省從1990年代開始啟動城市的生態(tài)環(huán)境治理工作，前后經(jīng)過大規(guī)模開發(fā)平土區(qū)水土流失整治、因裸露破壞的山體缺口區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合整治以及主要飲用水來源的水庫流域生態(tài)環(huán)境保持綜合治理等3個階段，水土侵蝕面積已由1995年的184.99km2減少至39.17km2。2019年，由于人為活動所導(dǎo)致的水土侵蝕面積已達(dá)33.86km2，占水土流失總面積的86.44%，具有顯著的人為屬性，是城市水土流失的典型代表。

室內(nèi)人工模擬降水的實(shí)驗(yàn)用土來源于湖南省某典型的道路工程或山體邊坡，然后運(yùn)輸至武漢長江科學(xué)院利用土壤侵蝕工程模擬降水的實(shí)驗(yàn)大廳，通過烘干法檢測土容重和含水率，再利用重鉻酸鉀容量法檢測土有機(jī)質(zhì)濃度。實(shí)驗(yàn)用土容重、pH值、土地有機(jī)質(zhì)含量和機(jī)械成分見表1。

表1 試驗(yàn)用土基本性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

調(diào)研對象中的工程堆積體數(shù)量351個，坡度在15°～48°之間。其中，15°～25°占48.48%，25°～35°占33.33%，>35°占18.19%。依據(jù)現(xiàn)場觀測和長沙市多年自然降雨氣象資料[3]，長沙市降雨強(qiáng)度為0.458～3.669mm/min。因此，本次室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)坡度設(shè)置為20°和30°，降雨強(qiáng)度為1.45、2.56和3.33mm/min(分別對應(yīng)90、150和200mm/h，其中150和200mm/h的降雨強(qiáng)度代表長沙市短時強(qiáng)降雨)，產(chǎn)流開始后的降雨歷時為35min，侵蝕槽尺寸設(shè)計為3m×2m×0.45m(長×寬×高)，降雨高度6m，見圖1。

圖1 室內(nèi)模擬降雨裝置及水土保持臨時措施布設(shè)

每場試驗(yàn)的操作步驟如下：①水平放置侵蝕槽，將土體按每層5cm分層裝入侵蝕槽。②土體表面用木質(zhì)板微掃找平后，用彩條布進(jìn)行覆蓋；將5個降雨筒依次布置于侵蝕溝4個角落和侵蝕溝的中央部位，用以率定暴雨強(qiáng)度；降水強(qiáng)度率定后，立即移除彩條布。③在試驗(yàn)前1d進(jìn)行預(yù)降水30min(降雨強(qiáng)度為0.5mm/min)，使得每次試驗(yàn)土壤初始含水率保持一致，然后運(yùn)用液壓裝置將侵蝕槽坡度調(diào)整至設(shè)計坡度。④依據(jù)試驗(yàn)設(shè)計，在坡腳處布設(shè)土袋攔擋措施，由坡腳部位開始向坡頂方向進(jìn)行的密目網(wǎng)苫蓋工作，苫蓋覆蓋率約為苫蓋面與侵蝕溝總面積的比率。⑤開始降雨，在產(chǎn)流開始時，根據(jù)不同時間節(jié)點(diǎn)用測量筒從腐蝕槽出口處接落下的跑泥沙樣，用KMnO4溶液和秒表測量坡面流速，將流速測量地點(diǎn)設(shè)在腐蝕槽的中央部位，測量高度約為50cm。⑥將接取的落下跑泥沙樣放置24h后，去除表面上的清液，放入107℃的烘箱內(nèi)烘干24h。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1)徑流率。公式如下：

(1)

式中：Rr為徑流率，L/min；RQ為給定時段內(nèi)的徑流量，L；t為給定時間，min。

2)侵蝕速率[4]。公式如下：

(2)

式中：SLR為最大腐蝕速度，g/(m2·min)；Ms為在指定時間段內(nèi)的最大腐蝕量，g；d為斜坡表面長度，m；L為斜坡表面直徑，m。

3)累積侵蝕量。公式如下：

(3)

式中：M為累積侵蝕量，g；Msi為i時間段內(nèi)的侵蝕量，g。

4)減流減沙效應(yīng)[5]。公式如下：

(4)

(5)

式中：RE、SE分別為在不同水土條件保持臨時措施下的減流和降沙效果，%；Rt和St分別為在各種水土保持等臨時措施下工程堆積體的徑流率(L/min)和侵蝕速率(g/m2·min)；Rb和Sb分別為裸土邊坡的徑流率(L/min)和侵蝕速率(g/m2·min)。

使用Excel 2019工具進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，或使用Origin 8.5進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 工程堆積體坡面徑流率變化特征

圖2為單一水土保持臨時措施下工程堆積體坡面徑流率變化情況。砂質(zhì)壤土堆積體在降雨初期入滲較大，當(dāng)降雨力度逐漸大于入滲速度后，逐漸形成坡面雨水徑流。由于產(chǎn)流時間的增大，在裸土、臨時攔擋措施以及100%苫蓋措施下的斜坡表層徑流速度率變化趨勢均呈現(xiàn)以下3個階段：迅速上升、減緩上升和趨于穩(wěn)定。但在不同坡度和降雨的強(qiáng)烈程度下，3種條件下堆積體坡面徑流率數(shù)值有所不同。

圖2 單一水土保持臨時措施下工程堆積體坡面徑流率變化

當(dāng)坡度為20°且降雨強(qiáng)度為1.45、2.56和3.33mm/min時，裸土、臨時攔擋及臨時苫蓋措施下的工程堆積體坡面徑流穩(wěn)定期平均徑流率變化范圍分別為4.45～12.89、2.75～9.92和2.74～14.62L/min。攔擋和苫蓋措施下，工程堆積體平均徑流率較裸土條件降低幅度分別為38.22%、23.05%、22.46%和38.34%、22.46%、-20.59%，降低幅度為負(fù)值表示臨時措施下平均徑流率大于裸土條件。表明臨時攔擋和苫蓋措施隨著降雨強(qiáng)度的增大，減流效應(yīng)逐漸減弱；同時，在中小降雨強(qiáng)度下，臨時攔擋和苫蓋措施減流效應(yīng)大體相當(dāng)。

當(dāng)坡度為30°且降雨強(qiáng)度為1.45、2.56和3.33mm/min時，裸土、臨時攔擋及臨時苫蓋措施下的工程堆積體坡面徑流穩(wěn)定期平均徑流率變化范圍分別為5.33～18.63、5.69～17.27和5.02～15.19L/min。攔擋和苫蓋措施下，工程堆積體平均徑流率較裸土條件降低幅度分別為-6.84%、-1.54%、7.32%和5.86%、1.62%、18.47%。表明工程堆積體坡度大于30°時，單一臨時攔擋或苫蓋措施減流效應(yīng)不佳。

圖3為水土保持臨時攔擋+苫蓋措施下工程堆積體坡面徑流率變化；表2為臨時攔擋+苫蓋措施產(chǎn)流穩(wěn)定期平均徑流率及其較裸土條件降低幅度值。當(dāng)臨時攔擋+苫蓋措施下，工程堆積體坡度為20°且降雨強(qiáng)度為1.45mm/min時，臨時攔擋+苫蓋坡面徑流率隨產(chǎn)流時間也表現(xiàn)為迅速增大、緩慢增大及趨于穩(wěn)定3個階段，產(chǎn)流穩(wěn)定期平均徑流率較裸土條件降低幅度為29.36%～42.05%，穩(wěn)定期坡面平均徑流率隨著降雨強(qiáng)度減流效應(yīng)明顯，且BC100%條件下隨減流坡度的增大而增大。

圖 3 臨時攔擋+苫蓋措施下工程堆積體坡面徑流率變化

表2 臨時攔擋+苫蓋措施產(chǎn)流穩(wěn)定期平均徑流率及其較裸土變化情況

2.2 工程堆積體坡面流速變化特征

圖4為裸土及水土保持臨時措施下工程堆積體坡面產(chǎn)流穩(wěn)定期平均流速情況。兩種坡度下，裸土坡面平均流速均隨著降雨強(qiáng)度的增大而線性增大。就臨時攔擋措施而言，除坡度為30°且降雨強(qiáng)度為2.56mm/min外，不同坡度和降雨強(qiáng)度下臨時攔擋措施堆積體坡面平均流速均小于裸土條件，降低幅度范圍為18.71%～36.64%，表明臨時攔擋措施具有一定的削減坡面流速效應(yīng)。當(dāng)坡度為20°且降雨強(qiáng)度分別為1.45、2.56、3.33mm/min時，100%苫蓋措施下堆積體坡面平均流速較裸土條件降低幅度分別為49.65%、52.04%和55.76%；當(dāng)坡度為30°時，其降低幅度分別為29.68%、30.98%和50.25%，均呈現(xiàn)遞增趨勢。表明當(dāng)降雨強(qiáng)度小于3.33mm/min，100%苫蓋措施削減坡面流速效應(yīng)隨著降雨強(qiáng)度的增大而增強(qiáng)，且與臨時攔擋措施相比，100%苫蓋措施削減坡面流速效應(yīng)更加明顯。

注：不同小寫字母代表各處理間差異顯著(P<0.05)。

3 討 論

3.1 不同水土保持臨時措施減流減沙效應(yīng)作用原理

本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，不同水土保持臨時措施包括臨時攔擋、臨時苫蓋及臨時攔擋+不同覆蓋率的苫蓋措施，均具有一定的減流減沙效應(yīng)。其中，攔擋措施減流效應(yīng)并不明顯，這是因?yàn)橛赏链有纬傻臄r擋措施布設(shè)在坡腳處，堆積體坡面依然處于裸露狀態(tài)，攔擋措施降低坡面流速效果僅僅體現(xiàn)在增加了坡腳處的入滲。在產(chǎn)流中期時，坡表面徑流攜沙至坡腳，粒徑較小的泥沙顆粒經(jīng)由土袋的裂隙隨水流排出至侵蝕溝，較大粒徑的顆粒則被截留于攔擋側(cè)，并構(gòu)成顆粒骨架，使產(chǎn)流后期較細(xì)小的粒徑也被截留，大部分泥沙淤積在攔擋側(cè)，并慢慢達(dá)到攔擋高程，形成土埂，導(dǎo)致產(chǎn)流中后期的沖刷速度在到達(dá)峰值后慢慢下降，并趨于穩(wěn)定。

3.2 水土保持臨時措施與植物措施和工程措施減流減沙效應(yīng)對比分析

在相同試驗(yàn)條件下(坡度30°)，與降雨強(qiáng)度1.2mm/min時已有植物措施下工程堆積體減流減沙效應(yīng)結(jié)果對比可知，本文降雨強(qiáng)度為1.45mm/min時，臨時攔擋及臨時苫蓋平均減流效應(yīng)分別低于苜蓿植物措施的8.3～11.1倍及8.4～21.7倍，平均減沙效應(yīng)分別低于苜蓿植物措施的3.7～5.5倍及0.8～1.2倍，臨時苫蓋措施在減沙效應(yīng)方面較為接近于苜蓿植物措施。臨時攔擋+50%以上的苫蓋措施減流低于苜蓿植物措施的9.2～15.8倍，而減沙效應(yīng)與苜蓿植物措施相當(dāng)(低于苜蓿植物措施0.2～1.1倍)。與工程措施相比，水平溝類工程措施在放水流量30L/min下的減流減沙效應(yīng)分別是臨時攔擋、苫蓋措施及臨時攔擋+50%以上苫蓋措施的1.6～245.6倍、0.3～26.3倍及0.3～18.6倍，工程措施減流減沙效應(yīng)更加明顯。盡管這些水土保持的臨時措施降流減沙效果遠(yuǎn)不及基礎(chǔ)工程建設(shè)措施和植物保護(hù)措施，但結(jié)合本文研究結(jié)果，水土保持臨時措施減沙效應(yīng)依然顯著(P<0.05)。

4 結(jié) 論

1)當(dāng)坡度為20°且降雨強(qiáng)度為1.45、2.56和3.33mm/min時，單一臨時攔擋和苫蓋措施減流效應(yīng)大體相當(dāng)。工程堆積體坡度為30°時，由于密目網(wǎng)材料改變堆積體坡面通氣性等原因，單一苫蓋措施減流效應(yīng)不佳。

2)當(dāng)降雨強(qiáng)度小于3.33mm/min，100%苫蓋措施減流效應(yīng)隨著降雨強(qiáng)度的增大而增強(qiáng)。表現(xiàn)為100%苫蓋措施下，堆積體坡面平均流速較裸土條件降低幅度為29.68%～55.76%，且與臨時攔擋措施相比，由于產(chǎn)流過程中密目網(wǎng)上形成的階梯狀細(xì)小土埂，100%苫蓋措施減流效應(yīng)更加明顯。