3S-OER生態(tài)防護(hù)技術(shù)在公路邊坡抗沖刷應(yīng)用研究

姚 凱

（山西省交通環(huán)境保護(hù)中心站（有限公司），山西 太原 030032）

黃土是一種顆粒較小且結(jié)構(gòu)疏松的粉狀顆粒物質(zhì)，其透水性較強(qiáng)，具有獨(dú)特的沉陷性質(zhì)，遇水結(jié)構(gòu)易破壞，可迅速崩解，容易受到自然環(huán)境的侵蝕。在公路建設(shè)中大量的開挖、取土和棄土棄渣，不可避免地對(duì)公路沿線原有的生態(tài)環(huán)境造成一定的破壞，尤其是黃土地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)黃土邊坡坡面受雨水沖刷形成沖溝甚至失穩(wěn)的情況，需要進(jìn)行邊坡防護(hù)處理。目前對(duì)公路邊坡多采用錨桿框格梁、拱形護(hù)坡等工程防護(hù)形式與植生袋、客土噴播等生態(tài)防護(hù)形式相結(jié)合的方法[1-2]。公路邊坡生態(tài)防護(hù)雖然取得了一定的成效，但抗沖刷性能差的狀況時(shí)有發(fā)生，如黃土濕陷、坍塌、泥石流等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍采用土壤固化與植被加筋技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行淺層固坡防護(hù)，并對(duì)邊坡侵蝕過程和影響邊坡抗雨水沖刷能力的因素做了較多研究，通過理論分析及模擬研究，發(fā)現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的原因及降雨、坡比等主要影響因素[3-6]。

3S-OER植被生態(tài)防護(hù)技術(shù)是針對(duì)邊坡生態(tài)防護(hù)和修復(fù)的技術(shù)難點(diǎn)，通過土壤生境系統(tǒng)（Soil Habitat System）、植物群落系統(tǒng)（Plant Community System）和物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)（Substance Cycle System）的構(gòu)建，形成的一項(xiàng)自維持、自循環(huán)的完整植被生態(tài)系統(tǒng)。3S-OER植被生態(tài)防護(hù)技術(shù)在我國(guó)多個(gè)省市、多種氣候、多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，受到業(yè)主、政府、專家、社會(huì)和輿論一致好評(píng)?，F(xiàn)階段，該技術(shù)已十分成熟，在多個(gè)地區(qū)多種環(huán)境中成功應(yīng)用，并得到進(jìn)一步推廣。

以右玉至平魯高速公路（以下簡(jiǎn)稱右平高速）為研究對(duì)象，針對(duì)干旱寒冷黃土地區(qū)抗沖刷性差的特點(diǎn)，運(yùn)用3S-OER植被生態(tài)防護(hù)技術(shù)，通過模擬降雨試驗(yàn)，從坡面含水率、營(yíng)養(yǎng)成分及水土流失量、抗沖刷指數(shù)等方面測(cè)定抗沖刷效果，為黃土干旱寒冷地區(qū)公路邊坡防護(hù)提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

右平高速起于山西省朔州市右玉縣右衛(wèi)鎮(zhèn)，終止于朔州市平魯區(qū)，平均海拔1 000 m，屬于晉北溫帶寒冷半干旱氣候區(qū)。該區(qū)域年平均氣溫為3.6℃～7.3℃，最低平均溫度-14.9℃～-9.4℃，降雨分布差異較大，多集中于夏季，年均降水量421.2 mm，春季與冬季降雨較少，最大風(fēng)力可達(dá)到9級(jí)，氣候干旱寒冷。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 設(shè)備與場(chǎng)地

a）試驗(yàn)場(chǎng)地 人工模擬降雨試驗(yàn)在國(guó)家環(huán)境保護(hù)創(chuàng)面生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)中心與交通部公路交通科學(xué)研究院環(huán)境中心合作實(shí)驗(yàn)室降雨智能化模擬大廳進(jìn)行，大廳總面積680 m2，其中有效降雨面積達(dá)384 m2，能夠?qū)崿F(xiàn)在不同改良土、格構(gòu)形式、雨強(qiáng)、降雨歷時(shí)、坡比等條件組合情況下的降雨模擬試驗(yàn)。

b）模擬降雨設(shè)備 模擬降雨設(shè)備主要包括流量控制系統(tǒng)、下噴式降雨系統(tǒng)、降雨廢水處理系統(tǒng)和降雨模擬軟件控制系統(tǒng)等，能夠?qū)崿F(xiàn)全部操作過程的計(jì)算機(jī)降雨智能化模擬系統(tǒng)的全程控制，以及降雨數(shù)據(jù)記錄功能。降雨試驗(yàn)是在6個(gè)獨(dú)立的試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)完成，試驗(yàn)區(qū)可任意組合，單個(gè)試驗(yàn)區(qū)面積為10 m×3.5 m，實(shí)際降雨面積35 m2。

c）坡面模型設(shè)備 邊坡模型采用高強(qiáng)并防腐處理的鐵板焊接而成，規(guī)格長(zhǎng)3 000 mm×寬750 mm×深500 mm，模型包含氣動(dòng)支撐桿、模型槽、導(dǎo)水槽、集水桶等部分。氣動(dòng)支撐桿用于支撐邊坡模型，最大可調(diào)坡度為60°，該次試驗(yàn)采用坡度45°進(jìn)行研究；集水桶用于收集沖蝕的泥流，定量分析侵蝕程度。

d）其他設(shè)備 攪拌噴播機(jī)、貨車等。

2.2 模擬材料

a）試驗(yàn)用土 取自右平高速公路黃土邊坡，共計(jì)6 m3，土壤容重1.4 g/cm3。

b）生態(tài)修復(fù)材料 針對(duì)右平高速邊坡研究得出的生態(tài)修復(fù)基材優(yōu)選配方一、優(yōu)選配方二，主要由基質(zhì)、微生物、纖維等組成。

c）種子 采用工程所選植物及配比，主要為紫花苜蓿、胡枝子、高羊茅等物種。

2.3 邊坡模型

a）邊坡基層構(gòu)建 將不同類型基材按配方進(jìn)行攪拌配置?；|(zhì)層按照1 m3土壤添加100 kg復(fù)配基材，種子層配比與基質(zhì)層配比相同，該次試驗(yàn)未對(duì)微生物活動(dòng)對(duì)土壤抗侵蝕性能做深入研究。

b）邊坡模型制作 使用噴播機(jī)模擬工程施工，邊坡按照坡度45°、坡比1∶1設(shè)計(jì)試驗(yàn)，共制作邊坡模型3組，試驗(yàn)設(shè)計(jì)包含對(duì)照組、配方一、配方二，并各設(shè)置2組平行試驗(yàn)?zāi)Ｐ停灿?jì)制作邊坡模型6個(gè)。試驗(yàn)?zāi)M3種不同坡面，即黃土邊坡坡面（不添加基材），Y-0；添加基材配方一，Y-1；添加基材配方二，Y-2。每種坡面設(shè)置3組進(jìn)行試驗(yàn)，即，模擬邊坡對(duì)照組：Y-01、Y-02、Y-03；配方一：Y-11、Y-12、Y-13；配方二：Y-21、Y-22、Y-23。3組試驗(yàn)在不同降雨強(qiáng)度下進(jìn)行。邊坡模型詳情如表1所示。

2.4 雨強(qiáng)設(shè)置

根據(jù)國(guó)家氣象局雨強(qiáng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，大雨級(jí)別：降雨量25.0～49.9 mm/24 h；暴雨級(jí)別：降雨量50.0～99.9 mm/24 h；大暴雨級(jí)別：降雨量100.0～249.9 mm/24 h。試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)不同雨強(qiáng)級(jí)別38 mm/d、76 mm/d、152 mm/d，24 h降雨次數(shù)設(shè)置20次，降雨時(shí)長(zhǎng)10 min，降雨間隔5 min。

2.5 檢測(cè)指標(biāo)

a）水土流失量 將模擬降雨時(shí)沖刷下來(lái)的泥水收集、烘干、稱重。

b）營(yíng)養(yǎng)流失量 測(cè)試徑流桶中總氮、總磷、總鉀等營(yíng)養(yǎng)成分的流失量。

c）邊坡含水率 試驗(yàn)結(jié)束后立即對(duì)邊坡進(jìn)行取樣、烘干、稱重并計(jì)算含水率。

d）坡面沖刷指數(shù) 描述計(jì)算邊坡坡面的沖刷性能。指數(shù)范圍在0～1之間，指數(shù)越大，表明抗沖刷能力越弱。

式中：Lr為坡面沖刷指數(shù)；Ab為檢測(cè)邊坡坡面被沖刷面積，m2；Aa為檢測(cè)邊坡坡面面積，m2；Ag、lc、Ad分別表示溝蝕面積、裂縫長(zhǎng)度、基材與坡面剝離面積。

3 結(jié)果分析

模擬邊坡對(duì)照組：Y-01、Y-02、Y-03；配方一：Y-11、Y-12、Y-13；配方二：Y-21、Y-22、Y-23在坡度45°不同雨強(qiáng)下水土流失量、營(yíng)養(yǎng)成分損失、邊坡含水率及坡面沖刷指數(shù)變化結(jié)果見表2。

3.1 水土流失量分析

由表2可知，隨著雨強(qiáng)的逐漸增大，對(duì)照組邊坡的抗沖刷性越來(lái)越差。對(duì)照組在雨強(qiáng)為38 mm/d時(shí)，坡面面蝕溝大量分布，邊坡水土流失量較大；當(dāng)雨強(qiáng)為76 mm/d時(shí)，第12次降雨后坡面開始出現(xiàn)連片狀細(xì)溝沖蝕和裂縫，水土流失嚴(yán)重，土壤養(yǎng)分大量流失；在雨強(qiáng)為152 mm/d時(shí)第7次降雨后，坡面下半部分開始滑動(dòng)，邊坡逐漸垮塌。隨著雨強(qiáng)的逐漸增大，配方一的邊坡抗沖刷性變化較小。當(dāng)雨強(qiáng)達(dá)到76 mm/d時(shí)，坡面有輕微的水土流失，但不會(huì)對(duì)坡面產(chǎn)生明顯的侵蝕。當(dāng)雨強(qiáng)為152 mm/d時(shí)，在降雨結(jié)束后坡面出現(xiàn)多處雨蝕小坑，并出現(xiàn)面溝蝕群。隨著雨強(qiáng)的逐漸增大，配方二的邊坡沒有任何變化，只有輕微的水土流失和土壤養(yǎng)分流失。

表2 模擬邊坡不同雨強(qiáng)下各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)表

由圖1可知，3組模擬邊坡的水土流失量都隨著雨強(qiáng)的增大而增加，對(duì)照組尤為明顯。而基材邊坡當(dāng)雨強(qiáng)達(dá)到152 mm/d時(shí)，水土流失量也明顯增大。

圖1 不同基材坡面不同雨強(qiáng)的水土流失量

如表3所示，通過方差分析發(fā)現(xiàn)，水土流失在不同雨強(qiáng)間存在顯著差異。通過對(duì)不同降雨強(qiáng)度下水土流失量的計(jì)算分析，F(xiàn)基材=50.05，F(xiàn)基材>Fcrit，即配方一和配方二之間存在顯著差異。

表3 不同基材不同降雨強(qiáng)度的水土流失方差分析結(jié)果

3.2 營(yíng)養(yǎng)成分流失量分析

3.2.1 總氮流失量分析

從圖2中可以看出，隨著降雨強(qiáng)度的增大，對(duì)照組的總氮流失量最大，其次為配方一，配方二的總氮流失量最小。從總體上看，隨著降雨強(qiáng)度的增大，總氮流失量增加。

圖2 不同基材不同降雨強(qiáng)度下的總氮流失量

通過對(duì)38 mm/d和76 mm/d降雨強(qiáng)度下對(duì)照組和各個(gè)配方的總氮流失量進(jìn)行方差分析（表4），結(jié)果顯示，F(xiàn)配方=10.13，小于Fcrit配方=19；F雨強(qiáng)=18.07，小于Fcrit雨強(qiáng)=18.51，說明在38 mm/d和76 mm/d降雨強(qiáng)度下，配方與對(duì)照之間的總氮流失量沒有顯著差異，不同雨強(qiáng)之間對(duì)坡面土壤的總氮流失量也沒有顯著差異，即中小降雨強(qiáng)度對(duì)不同基材坡面土壤中總氮流失量的影響不明顯。

表4 38 mm/d和76 mm/d降雨強(qiáng)度下各個(gè)配方的總氮流失量方差分析表

通過對(duì)兩個(gè)配方的3個(gè)降雨強(qiáng)度下的總氮流失量進(jìn)行方差分析（表5），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)配方之間差異顯著，配方二在不同降雨強(qiáng)度下的土壤總氮流失量明顯小于配方一，說明配方二在強(qiáng)降雨下的固氮效果明顯，且不同雨強(qiáng)間的土壤總氮流失量差異顯著。

表5 兩配方的3個(gè)降雨強(qiáng)度下的土壤總氮流失量方差分析表

3.2.2 總磷流失量分析

從圖3中可以看出，隨著雨強(qiáng)的逐漸增大，總磷流失量也逐漸增加，尤其是對(duì)照組的總磷流失量增加明顯。在雨強(qiáng)為38 mm/d時(shí)，配方一的總磷流失量最??；在雨強(qiáng)為76 mm/d和152 mm/d時(shí)，配方二的總磷流失量最小。對(duì)照組與配方的總磷流失量比較發(fā)現(xiàn)，對(duì)照組的總磷流失量最大，配方二總磷流失量最小。

圖3 不同基材不同雨強(qiáng)的總磷流失量

通過對(duì)38 mm/d和76 mm/d降雨強(qiáng)度下對(duì)照組和各個(gè)配方的總磷流失量進(jìn)行方差分析（表6），結(jié)果顯示，F(xiàn)配方=3.88，小于Fcrit配方=19；F雨強(qiáng)=1.46，小于Fcrit雨強(qiáng)=18.51，說明在38 mm/d和76 mm/d降雨強(qiáng)度下，配方組與對(duì)照組之間的總磷流失量沒有顯著差異，不同雨強(qiáng)之間對(duì)坡面土壤的總磷流失量也沒有顯著差異。

表6 38 mm/d和76 mm/d降雨強(qiáng)度下各個(gè)配方的總磷流失量方差分析表

通過對(duì)兩個(gè)配方的3個(gè)降雨強(qiáng)度下的總磷流失量進(jìn)行方差分析（表7），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，配方與雨強(qiáng)之間對(duì)坡面土壤的總磷流失量沒有顯著差異。

表7 兩配方的3個(gè)降雨強(qiáng)度下的土壤總磷流失量方差分析表

3.2.3 總鉀流失量分析

由圖4可知，隨著雨強(qiáng)的逐漸增大，總鉀流失量總體增大。在不同雨強(qiáng)下，對(duì)照組總鉀流失量最大，配方一次之，配方二最小。隨著降雨量的增大，基材總鉀流失量變化不明顯，其中配方一的總鉀流失量略呈增加趨勢(shì)，配方二的總鉀流失量在76 mm/d時(shí)較小。

圖4 不同基材不同雨強(qiáng)的總鉀流失量

通過對(duì)38 mm/d和76 mm/d降雨強(qiáng)度下對(duì)照組和各個(gè)配方的總鉀流失量進(jìn)行方差分析（表8），結(jié)果顯示配方、雨強(qiáng)之間沒有顯著差異。

表8 38 mm/d和76 mm/d降雨強(qiáng)度下各個(gè)配方的總磷流失量方差分析表

通過對(duì)兩個(gè)配方的3個(gè)降雨強(qiáng)度下的總鉀流失量進(jìn)行方差分析（表9），結(jié)果顯示，F(xiàn)配方=25.85，大于Fcrit配方=18.51；F雨強(qiáng)=3.70，小于Fcrit雨強(qiáng)=19，說明在小、中、強(qiáng)降雨強(qiáng)度下，配方對(duì)降雨侵蝕中土壤的總鉀流失量差異顯著，尤其是配方二的效果最好。但不同雨強(qiáng)的坡面土壤總鉀流失量差異不顯著。

表9 兩配方的3個(gè)降雨強(qiáng)度下的土壤總鉀流失量方差分析表

3.3 邊坡含水率分析

從圖5中可以看出，隨著雨強(qiáng)的逐漸增大，邊坡土壤的土壤含水率略有減小。在不同雨強(qiáng)下，對(duì)照組的土壤含水率最小，其次為配方一，配方二最大，說明配方二的土壤吸水性較好。

圖5 不同基材不同雨強(qiáng)的土壤含水率

通過對(duì)不同降雨強(qiáng)度下對(duì)照組和各個(gè)配方的土壤含水率進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示配方、雨強(qiáng)之間沒有顯著差異。通過對(duì)兩個(gè)配方的3個(gè)降雨強(qiáng)度下的土壤含水率進(jìn)行方差分析（表10），結(jié)果顯示，F(xiàn)配方=35.69，大于Fcrit配方=18.51；F雨強(qiáng)=21.38，大于Fcrit雨強(qiáng)=19，說明不同雨強(qiáng)下的坡面土壤含水率差異明顯；在小、中、強(qiáng)降雨強(qiáng)度下，配方對(duì)降雨侵蝕中土壤含水率差異顯著，且配方二的效果最好。

表10 兩配方的3個(gè)降雨強(qiáng)度下的土壤含水率方差分析表

3.4 坡面沖刷指數(shù)計(jì)算分析

從表11可以看出，模擬大雨級(jí)別降雨強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，第4次降雨開始后，對(duì)照組Y-01坡面開始出現(xiàn)濺蝕；持續(xù)進(jìn)行至第14次降雨時(shí)，模擬坡面已大面積沖蝕損壞，坡面土壤層剝落嚴(yán)重，坡面徑流水匯集部位出現(xiàn)淺細(xì)沖溝群；降雨結(jié)束后觀察，試驗(yàn)組Y-11和Y-21邊坡模型坡面未見明顯變化。

表11 模擬邊坡不同雨強(qiáng)下的坡面沖刷狀況統(tǒng)計(jì)表

模擬暴雨級(jí)別降雨強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，對(duì)照組Y-02坡面在降雨初期很快形成徑流水，坡腳處接水器水體渾濁，坡面表層沖蝕量較大，降雨進(jìn)行至12次后觀察，邊坡模型中部出現(xiàn)一條橫向裂紋，降雨結(jié)束后觀察，裂紋長(zhǎng)度約0.75 m，寬2.5 cm，深約5 cm，同時(shí)，坡面出現(xiàn)大量沖蝕溝，每條沖蝕溝在坡腳處堆積形成大小不等沖積扇；試驗(yàn)組Y-12邊坡模型坡面出現(xiàn)濺蝕，坡面未見明顯基材剝落，未見明顯沖溝，整體坡面基本完好；試驗(yàn)組Y-22坡面未見明顯變化，坡腳接水器相對(duì)較清。

模擬大暴雨級(jí)別降雨強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，對(duì)照組Y-03邊坡在模擬降雨進(jìn)行第6次時(shí)，坡面沖溝密集且橫向發(fā)展連成一片，坡面開始出現(xiàn)嚴(yán)重沖刷面，坡腳處匯集大量沖刷表土；當(dāng)降雨持續(xù)進(jìn)行到第11次時(shí)坡面尤其是下部坡面嚴(yán)重剝蝕，坡腳處積水變軟；模擬降雨持續(xù)到第17次時(shí)，坡面中下部出現(xiàn)滑動(dòng)；降雨結(jié)束后不久，坡體出現(xiàn)嚴(yán)重滑塌。試驗(yàn)組Y-13，坡面出現(xiàn)淺細(xì)沖蝕溝，降雨結(jié)束觀察坡面出現(xiàn)多處雨蝕小坑，坡面出現(xiàn)多條明顯淺細(xì)沖蝕溝，坡腳處存有少量基材堆積。試驗(yàn)組Y-23，坡面未見明顯沖蝕情況，坡面基材無(wú)明顯剝蝕，坡面整體穩(wěn)定。

4 結(jié)論

a）針對(duì)右平高速公路黃土邊坡，運(yùn)用3S-OER生態(tài)防護(hù)技術(shù)，通過構(gòu)建邊坡模型進(jìn)行模擬降雨沖刷試驗(yàn)，驗(yàn)證邊坡植生層抗沖刷性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，3S-OER生態(tài)防護(hù)技術(shù)能有效提高邊坡抗雨水沖刷與侵蝕能力，隨著降雨強(qiáng)度和歷時(shí)增加，抗雨蝕效果明顯。

b）黃土質(zhì)地邊坡在大雨級(jí)別降雨，且邊坡無(wú)任何人工防護(hù)措施情況下，降雨后，坡面面蝕損壞嚴(yán)重，水土流失、土壤養(yǎng)分損失嚴(yán)重，更難以抵抗瞬時(shí)暴雨甚至大暴雨沖刷。建議黃土質(zhì)地邊坡一經(jīng)開挖應(yīng)及時(shí)進(jìn)行坡面防雨措施防護(hù)，避免長(zhǎng)時(shí)間自然狀況暴露。

c）模擬試驗(yàn)表明添加配方一、配方二人工植生層，均能有效改善邊坡抗雨水沖刷與侵蝕能力。模擬降雨強(qiáng)度增加到大暴雨強(qiáng)度后，配方二構(gòu)建植生層坡面抗雨蝕能力凸顯，且降雨強(qiáng)度越大和歷時(shí)越長(zhǎng)配方二基質(zhì)層效果越明顯。