水利工程生態(tài)護(hù)坡基料流失量試驗(yàn)分析

潘 樂(lè)

(廣東嘉城建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 梅州 514000)

1 概 述

水利工程護(hù)坡中，最常用的護(hù)坡形式是TBS植被護(hù)坡。該護(hù)坡技術(shù)是用噴射機(jī)將拌合均勻的含肥料、土、草籽的基料混合物按設(shè)計(jì)厚度噴射到巖石坡面上，對(duì)巖石邊坡面進(jìn)行防護(hù)和綠化的技術(shù)，它是集巖土工程學(xué)、植物學(xué)、土壤學(xué)、肥料學(xué)和環(huán)境生態(tài)學(xué)等多學(xué)科于一體的綜合工程技術(shù)。TBS植被護(hù)坡技術(shù)通過(guò)植被根系的力學(xué)加固和地上生物量的水文效應(yīng)達(dá)到護(hù)坡和改善生態(tài)環(huán)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?yàn)榛腺N于硬質(zhì)坡面僅靠基料中黏結(jié)劑微弱的黏結(jié)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(zhǎng)環(huán)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(huì)流失，使得植被根基不復(fù)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(xiàn)有TBS植被護(hù)坡基料難保持的問(wèn)題，考慮通過(guò)在硬質(zhì)邊坡和植被基料之間增加無(wú)砂混凝土作為過(guò)渡層，改善面與層、層與層之間的聯(lián)系，從而增強(qiáng)TBS植被護(hù)坡基料與硬質(zhì)坡面的聯(lián)系，有效保持植被根系生長(zhǎng)所需的基料，切實(shí)保障植被成型及生態(tài)的穩(wěn)定性。

因無(wú)砂混凝土過(guò)渡層TBS植被護(hù)坡對(duì)基料的保持能力與護(hù)坡坡度、雨強(qiáng)、無(wú)砂混凝土過(guò)渡層厚度有關(guān)，因此研究這3個(gè)因素對(duì)護(hù)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(nèi)模擬試驗(yàn)，設(shè)計(jì)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(zhǎng)寬厚尺寸為1.35 m×1.1 m×0.01 m，木板上鋪設(shè)無(wú)砂混凝土，厚度分別為5、5.5、6、6.5、7 cm。無(wú)砂混凝土配合比為水泥∶骨料∶水=1∶5∶0.4，水泥采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，骨料用碎石，粒徑16～31.5 mm。鋪設(shè)后灑水養(yǎng)護(hù)。待混凝土成型后，將混合好的含肥料、土、草籽的基料鋪設(shè)到無(wú)砂混凝上，鋪設(shè)厚度5 cm，置于室外，待草長(zhǎng)到茂密后，在室內(nèi)進(jìn)行人工降雨試驗(yàn)。

對(duì)生態(tài)護(hù)坡測(cè)試件進(jìn)行人工降雨模擬沖刷測(cè)試，設(shè)計(jì)雨強(qiáng)為40、45、50、55、60 mm，歷時(shí)各1 h，觀測(cè)水土流失情況。試驗(yàn)的因素和水平見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)的因素和水平表

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

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法是一種用較少的試驗(yàn)次數(shù)，運(yùn)用規(guī)定的統(tǒng)計(jì)分析方法，找出影響因素的主次排列的科學(xué)方法[4-6]。采用正交試驗(yàn)可大大減少試驗(yàn)次數(shù)。正交試驗(yàn)分析的步驟見(jiàn)圖2。

圖2 正交試驗(yàn)分析的步驟

根據(jù)表1，選擇L25(53)進(jìn)行試驗(yàn)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

續(xù)表2

為驗(yàn)證無(wú)砂混凝土過(guò)渡層對(duì)護(hù)坡植被基料的保證能力，設(shè)置沒(méi)有鋪設(shè)無(wú)砂混凝土過(guò)渡層的樣本進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。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(zhì)坡面，在瓷板上鋪設(shè)含肥料、土、草籽的基料。正交試驗(yàn)的25組試驗(yàn)中，每一組都在同等條件下，設(shè)置一個(gè)對(duì)比試驗(yàn)，相當(dāng)于在表2最右邊加上過(guò)渡層厚度為0的一列。

通過(guò)試驗(yàn)分析：①驗(yàn)證無(wú)砂混凝土過(guò)渡層對(duì)基料的保持性；②分析坡度、雨強(qiáng)、無(wú)砂混凝土過(guò)渡層厚度對(duì)基料流失量的影響，用推移質(zhì)的量來(lái)表示。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

通過(guò)表3的對(duì)比試驗(yàn)可知，無(wú)過(guò)渡層的護(hù)坡推移質(zhì)量明顯大于有過(guò)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(shuō)明無(wú)砂混凝土過(guò)渡層對(duì)護(hù)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(wú)過(guò)渡層推移質(zhì)量的差距。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

圖3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.1 極差分析

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

對(duì)表3的有過(guò)渡層推移質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果見(jiàn)表4。圖4可以更直觀地表示推移質(zhì)量與坡度、雨強(qiáng)、過(guò)渡層厚度的關(guān)系。

表4 有過(guò)渡層推移質(zhì)量極差分析結(jié)果

由表4和圖4可知，對(duì)推移質(zhì)量的影響程度，坡度>雨強(qiáng)>過(guò)渡層厚度。隨著坡度的變緩，推移質(zhì)量減少；隨著雨強(qiáng)的增大，推移質(zhì)量增加。無(wú)砂混凝土墊層的厚度在5 cm時(shí)，推移質(zhì)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(wú)顯著差異的一種分析方法，與極差分析相互驗(yàn)證補(bǔ)充[9]。

對(duì)表3的有過(guò)渡層推移質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果見(jiàn)表5。

圖4 推移質(zhì)量與坡度、雨強(qiáng)、過(guò)渡層厚度的關(guān)系

表5 有過(guò)渡層推移質(zhì)量方差分析結(jié)果

查F分布表可知，F(xiàn)0.01(4,12)=5.41，F(xiàn)0.05(4,12)=3.26，F(xiàn)0.10(4,12)=2.48。

由表5可知，坡度對(duì)推移質(zhì)量的影響顯著、雨強(qiáng)對(duì)推移質(zhì)量的影響顯著、過(guò)渡層厚度對(duì)推移質(zhì)量的影響不顯著。各因素對(duì)推移質(zhì)量影響的顯著性依次為：坡度、雨強(qiáng)、過(guò)渡層厚度。

通過(guò)計(jì)算各因素對(duì)推移質(zhì)量的貢獻(xiàn)率可以看出，坡度的貢獻(xiàn)率最大，為54.152%；雨強(qiáng)次之，為45.090%；過(guò)渡層厚度貢獻(xiàn)率最小，為0.758%。

4 結(jié) 語(yǔ)

極差分析結(jié)果顯示，坡度、雨強(qiáng)、過(guò)渡層厚度三因素對(duì)推移質(zhì)量的影響從大到小依次為：坡度、雨強(qiáng)、過(guò)渡層厚度。隨著坡度的變緩，推移質(zhì)量減少；隨著雨強(qiáng)的增大，推移質(zhì)量增加。無(wú)砂混凝土墊層的厚度在5 cm時(shí)，推移質(zhì)量最少。

方差分析的結(jié)果顯示，坡度對(duì)推移質(zhì)量的影響顯著、雨強(qiáng)對(duì)推移質(zhì)量的影響顯著、過(guò)渡層厚度對(duì)推移質(zhì)量的影響不顯著。各因素對(duì)推移質(zhì)量影響的顯著性依次為：坡度、雨強(qiáng)、過(guò)渡層厚度。

從各因素對(duì)推移質(zhì)量的貢獻(xiàn)率可以看出，坡度的貢獻(xiàn)率最大，為54.152%；雨強(qiáng)次之，為45.090%；過(guò)渡層厚度貢獻(xiàn)率最小，為0.758%。試驗(yàn)結(jié)果可為水利工程生態(tài)護(hù)坡的基料保持技術(shù)研究提供參考。