土工格室防護邊坡抗沖刷規律試驗研究

王廣月，孫秀玲，魏金祥

（山東大學 土建與水利學院，山東 濟南250061）

土工格室護坡是指在展開并固定在坡面上的土工格室內填充種植土，然后均勻撒（噴）播草種進行綠化的一種護坡技術。由于二者的有機結合充分發揮了土工格室防沖固土和草的根系固土的作用，與傳統的草皮護坡形式相比，大大提高了邊坡的抗沖蝕能力，是一種符合國家注重環保、建設綠色通道要求的護坡技術，且施工方便簡單，維護成本低，具有較高的環保、生態等方面的綜合經濟效益，在目前的工程建設中得到越來越廣泛的利用［1－4］。有關土工格室防護邊坡理論與試驗方面的研究已取得了一些成果［5－8］。由于植物生長有一個過程，土工格室防護邊坡初期抵抗侵蝕的特性就顯得特別重要。國內外學者或從理論，或根據小區野外實測資料和實驗室測定資料出發，對坡面抗沖刷能力進行了大量的研究，取得了大量的研究成果［9－16］。這些研究主要針對自然坡地，而對土工格室防護邊坡初期抵抗侵蝕沖刷的規律的研究目前國內很少見到報道。本文通過室內放水沖刷模擬試驗，揭示土工格室坡面初期土壤侵蝕過程，觀察沖刷現象，定量比較不同坡度、不同流量條件下，土工格室坡面抗沖刷能力。

1 試驗設計及方法

試驗在長5.6m，寬1m，深0.4m的土槽內進行。為了便于觀測水流的流動狀態，水槽的邊壁采用不銹鋼框架和有機玻璃組合，在連接處用玻璃膠粘結壓實，水槽的頂部設有穩流池，水流經過3道擋板緩沖消能；水槽采用液壓導軌式升降，變坡范圍在0°～45°。供水系統由閥門、蓄水池、電磁流量計等組成。試驗用土的顆粒級配情況如表1所示。通過擊實試驗測得土的最優含水率為12.6%，最大干密度為1.869g／cm3。填土采用分層填筑分層壓實、超填削坡的方法，以保證坡面的平整。

表1 試驗用土的顆粒級配

土工格室選用由山東華騰塑料制品有限公司生產，格室規格為SB150×400－8的1.01m×5.1m紋面，焊點剝離強度 1 000N／10cm，厚度 1.5±0.1mm，高度150mm，焊距400mm。在土工格室每個小格內的填土通過重量控制，填土重量通過體積和相應含水率下的密度及壓實度計算。填土結束后，用特制平尺將土刮平，坡面平整度采用水準儀和水平尺控制。試驗前將土壤充分飽和，并放置12h以上以保證均勻一致的初始含水量條件。為了便于在試驗前后與無格室邊坡進行對比，在同一坡面上用隔板將2種防護方式隔開并同時進行沖刷試驗。

試驗時先調整土槽的坡度，啟動水泵，通過閥門組調節流量，流量大小通過電磁流量計控制，待流量計的讀數穩定之后，開始放水沖刷。含沙率和累計侵蝕量的測定采用置換法測得，試驗進行30min，每1min接取1次渾水試樣。觀測水流沖刷坡面的形態，改變流量，重復試驗，再改變坡度進行相應的試驗。本試驗采用了5個坡度：5°，10°，15°，25°，35°；3個流量：1.0，1.5和2.0m3／h；共進行了15組試驗。

2 結果與分析

2.1 坡面沖刷形態

在坡面初始階段，由于土體和土工格室齊平，土工格室的作用尚未凸顯出來，坡面的沖刷狀態和無坡面防護情況下的相似，侵蝕以面蝕為主，基本無細溝形成。面蝕發生時間受坡度、流量的影響而不同。面蝕發生后，由于土體與土工格室粘結處黏結力較小，水流傾向于沿著耗能小的路徑運動，因此侵蝕紋溝多先沿著土工格室邊壁出現。土體經沖刷之后其形狀和土工格室的形狀相似，呈菱形，邊界是細溝，細溝中的水流浸潤著格室內的土體，土體強度降低，隨著細溝侵蝕的加劇，側蝕作用越來越明顯（如圖1所示）。隨著格室內土體的不斷減少，水流的整體性亦被破壞，形成一個個跌坎，相當于減小了坡度，在一定程度上減小了侵蝕量。土工格室的存在使侵蝕不在集中分布，但土工格室防護下的模型沖刷也和裸坡情況下的相似，上端沖刷嚴重。在無格室的自然坡面情況下，水流沿軟弱的地方流動，形成細溝（圖2），與有格室的自然坡面沖刷形態有本質區別。

圖1 土工格式坡面沖刷形態

圖2 無格室時沖刷結果

2.2 累計侵蝕量的變化規律

3種不同流量工況下土工格室邊坡的累計產沙隨時間的變化趨勢基本一致，都是累計侵蝕量隨坡度的增大而增大。坡度對侵蝕量的影響主要體現在能量方面。一般情況下，坡度越大，水流勢能相應越大，搬運能力越強，因此，累計侵蝕量隨坡度的增大而增大。但是，增大趨勢減緩，從圖3可以看出，同一流量增大相同坡度（10°）情況下，最終侵蝕量的增量呈遞減趨勢，這是由于坡面供沙能力的限制造成的。圖4為坡度35°不同流量工況下累計侵蝕量的變化關系?？梢钥闯?，累計侵蝕量隨流量的增大而增大。

圖3 不同流量下的累計侵蝕量的變化

圖4 坡度35°不同流量下累計侵蝕量的變化

圖5為坡度15°，放水流量1.0m3／h的工況下，有、無土工格室2種坡面條件下的坡面侵蝕過程。放水初期（即前10min），格室覆蓋在土壤下面，其作用并不明顯，隨著時間的推移格室逐漸裸露，對水流和侵蝕的影響逐步體現出來。試驗觀測表明，在無格室的情況下，水流將沿著軟弱的地方流動，形成細溝（圖2），侵蝕量明顯增大。而對于有格室的坡面，由于格室的影響，水流沿格室邊緣形成優勢流，導致比較規則的流路和侵蝕，坡面侵蝕量遠小于無格室的坡面，說明在有格室的情況下，水流主要沿格室邊緣流動，延長了水流的流徑，使水流的動能部分消耗在格室上，坡面水流的徑流量和流速均降低，起到了很好的消能作用，減輕了水流對坡面的沖蝕。

圖5 有、無格室坡面累計侵蝕量

2.3 時段侵蝕量

由于受坡面土壤的補給能力及土工格室對水流的阻礙作用的影響，隨著沖刷的進行各個時段的侵蝕量是減小的，且受坡度和流量的影響逐漸減小，侵蝕產沙主要發生在前10min，所占比例大概為40%～61%（表2）。這與魯克新［17］的無格室室內沖刷試驗結果相似，即徑流侵蝕過程中3—7和7—11min細溝形成時，是侵蝕產沙的主要階段，占總侵蝕產沙量的52%～75%。時段侵蝕量隨著坡度和流量的減小而減小，同一坡度不同流量下的末期侵蝕量相差不大。

表2 各個時段的侵蝕量及末期侵蝕量

由表2可以看出，在2，1.5，1m3／h的3種流量下，1—10與10—20min，10—20與20—30min的時段侵蝕量的差值分別為30.23與38.05，21.60與33.67，2.74與2.28kg，時段侵蝕量的減小幅度在增大；而除此之外的其他情況，同一坡度同一流量下的相同時段內的侵蝕量的減小幅度均在減小，例如在2m3／h的35°，25°，15°，10°，5°情況下，1—10與10—20，10—20與20—30min的時段侵蝕量的差值分別為66.79與46.05，49.83與41.93，69.05與21.91，45.60與14.75，20.16與6.99kg。時段侵蝕量隨著坡度和流量的減小而減小，同一坡度不同流量下的末期侵蝕量相差不大。例如，坡度為35°時，流量為2，1.5，1m3／h最后一個時間段的侵蝕量分別為53.32，59.53，50.57kg。

2.4 坡面沖刷侵蝕模數的變化規律

土工格室坡面沖刷侵蝕模數是指格室內填土單位面積單位時間的剝蝕并發生位移的平均流失量，是衡量土工格室內填土沖刷侵蝕程度的一個量化指標。圖6給出土工格室坡面沖刷侵蝕模數隨邊坡坡度的變化關系，從圖6中可看出，土工格室坡面沖刷侵蝕模數隨坡度和流量的增加而增加。通過對不同坡度和流量條件下的土工格室坡面沖刷侵蝕模數和邊坡坡度進行曲線擬合分析，可以得到流量1.0，1.5，2.0m3／h下土工格室坡面流侵蝕模數與邊坡坡度之間的經驗關系：

式中：A——沖刷侵蝕模數〔kg／（m2·s）〕；S——邊坡坡度（°）。

從以上各關系式中可以看出，土工格室坡面沖刷侵蝕模數與邊坡坡度之間存在較好的冪函數正相關關系，擬合曲線的相關性很高。

圖6 坡面沖刷侵蝕模數與坡度的關系

3 結論

（1）土工格室防護下的坡面沖刷形態，由于格室的存在形成沿格室邊緣的侵蝕，形成一系列菱形分布紋溝，與自然坡面的沖刷形態有本質區別。

（2）累計侵蝕量隨著坡度和流量的增大而增大，但是增長趨勢減緩。

（3）侵蝕主要發生在前10min，所占比例大概為40%～61%，對于同一坡度不同流量下的侵蝕量，在后10min的侵蝕量相差不大。

（4）土工格室坡面沖刷侵蝕模數隨坡度和流量的增加而增加，同一流量條件下，土工格室坡面沖刷侵蝕模數與坡度之間具有良好的冪函數正相關關系。

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