土工格室加固库岸边坡抗冲刷性研究

马新涌

(山东省调水工程运行维护中心棘洪滩水库管理站，山东 青岛 266109)

1 概述

我国土地辽阔，河流资源丰富，为了合理利用水资源，我国大力发展水利水电工程，取得了良好的经济效益与防洪效果。库岸边坡作为工程中的重要设施，为了解其不同条件下的性能表现，需要准确的性能预测模型。水土流失是常见的库岸边坡侵蚀破坏形式，在降雨冲刷的作用下，未经处理的边坡土体会受到严重的侵蚀作用[1- 5]。土工格室是常见且经济环保的边坡加固方式[6- 7]，研究其对边坡抗冲刷性能的加固作用尤为重要。

抗冲刷性能是边坡的重要性能，是其对水土流失的抗性体现，已有诸多学者对此种性能做出研究。安宁[8]等，对聚丙烯纤维加固后的黄土边坡的抗冲刷性能进行了降雨模型试验研究，结果表明，聚丙烯纤维对黄土边坡的抗冲刷性能有良好增强效果，最多可使冲刷速率降低90.4%。尉红彬[9]等，利用室内降雨试验对土石边坡的稳定性进行了研究，试验中采用三种土工网对边坡进行加固，通过试验结果总结了不同坡度下土工网对抗冲刷性能的加固规律。马少坤[10]等，以防渗护壁材料对膨胀土进行加固，并研究了其降雨-蒸发条件下的抗冲刷性能，结果表明该材料具有良好的防侵蚀破坏作用。

由于目前土工格室加固边坡的抗冲刷性能研究较少，并且大多都集中于试验研究，无法对边坡运行时的抗冲刷性能作出预测。为此，本文建立了降雨冲刷边坡侵蚀模型，以实际工程中的库岸边坡数据，采用此模型研究了不同参数下边坡抗冲刷性能的表现。

2 边坡土工格室加固抗冲刷性机理

2.1 降雨冲刷边坡侵蚀模型建立

根据曼宁公式，在降雨初期土壤未达到饱和状态时，边坡中土壤入渗率处于不断减小的状态，当降雨强度大于土壤入渗率时，边坡表面开始出现坡面流，其流量方程如式(1)所示：

(1)

式中，q—坡面流流量；h—水流深度；x—坡面中一点方向沿下坡距离,m；P—降雨强度,m/s；t—时间,s；n—曼宁粗糙系数；θ—坡面角度；i—土壤入渗率,m/s；S0=sinθ—坡面坡度。

坡面流中分为坡面细沟上的集中流、细沟下的片流，集中流会对细沟造成侵蚀，片流会对泥沙以及土壤颗粒进行产生搬运作用。参考稳态泥沙连续方程，对边坡土壤侵蚀作用进行描述，以边坡土壤剪切力作为临界点，当坡面流剪切力大于土壤剪切力时即认为发生了土壤侵蚀。结合前文所述的流量q与水流深度h，建立土壤侵蚀流失量模型：

(2)

式中，G—土壤流失量，kg/(s·m)；Te—细沟间的泥沙搬运量，kg/(s·m)；Kr—细沟可蚀性参数，s/m；Ce—植被覆盖参数；Se—土壤粗糙度参数；Rs—沟间距，m；Ki—细沟间可蚀性参数，kg·s·m-4；w—细沟宽度，m；τf—水流剪切力，Pa；τc—临界土壤剪切力，Pa。

由于土工格室在土壤下的结构以及作用与植物残留物相似，均对土壤应力与抗侵蚀性能有增强作用，现将土工格室视为植物残留物，考虑其对细沟侵蚀作用的折减效应，参考植物残留物的折减系数对土壤抗侵蚀作用进行修正，焊距为40cm与60cm的土工格室修正系数分别为0.422和0.648。

由于土工格室在降雨的冲刷作用下，一些局部表面会突出地表，造成土体表面不规则，会对坡面流造成影响，进而导致土壤侵蚀作用发生改变。现引入随机粗糙度(PR)，对这种现象进行调整：

(3)

式中，zi—第i个样点的高程，N—样本数，zm—所有样点的高程平均值。

突出高度为3cm时，焊距为40cm与60cm的随机粗糙度分别为0.7021和0.6531。根据随机粗糙度对土壤临界剪切力进行修正，将修正后的临界剪切力与细沟侵蚀力代入式(2)，得出土工格室加固下边坡抗冲刷计算方法，以此对比裸露边坡下的土壤流失量，可得到土工格室对土壤抗冲刷的加固作用。基于上述方法，本文参考WEPP模型建立降雨冲刷边坡侵蚀模型。

2.2 模型验证

以实际边坡试验数据对2.1节中的模型进行验证，实际试验参数如下：试验槽尺寸：长5.4m，宽1.5m，下部深0.6m，上部深1.2m；利用不同进水量模拟不同降雨条件；试验对土体进行40min累计冲刷后进行冲蚀降低率测量计算。具体试验数据和试验与模型的对比情况见表1。

由表1可知，模型对实际实验的拟合较为准确。由于格室焊炬的增大会导致试验中土壤局部格室的突出，而模型中对该种现象的修正值是固定的，在实际试验中局部突出变化较大时，该现象会造成一定的模拟误差。试验中未指定的边坡表面情况、土体压实度等因素也会造成模拟值与实际测试值间的差异。

表1 边坡抗冲刷性模型验证

3 土工格室加固边坡抗冲刷性参数研究

3.1 工程概况

某库岸边坡工程概况如下：边坡土壤参数如表2所示，相对高差为500～600m，距离水坝约136.4km。1200m高程以上的边坡坡度平均为25°～45°，1200m高程以下为22°～25°，存在较多级缓坡。将工程中裸露边坡、单土工格室与植生土工格室三种加固方式分别称为工况1、工况2和工况3。

3.2 降雨参数研究

降雨作用下，边坡在土壤饱和后会发生坡面流与细沟间泥沙转移作用，降雨条件对边坡侵蚀作用会产生较大影响。本节内容对不同降雨参数下边坡侵蚀作用进行参数研究，分为以下两种情况：(1)固定降雨量，参数如下：降雨量固定为40mm；降雨强度分别为1.33、0.67、0.44、0.33、0.27、0.22、0.17、0.13mm/min；(2)固定降雨强度，参数如下：降雨强度固定为0.33mm/min，降雨历时分别为：0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0h。

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(1)不同降雨强度下边坡抗冲刷性能表现如图1所示。

图1 不同降雨强度下边坡抗冲刷指标变化

由图1可知，随着降雨强度的增大，三种工况下的径流量与土壤流失量均呈增大趋势，降雨强度增大对边坡侵蚀有增强作用。由图1(a)可知，土工格室与裸露边坡的径流量增大趋势十分接近，而植生土工格室可以明显降低边坡径流量。结合图1(b)，单土工格室虽对径流量的影响较小，但对土壤流失量有一定的减缓作用，可降低19%～37%的土壤流失量。土工格室植草对土壤流失量有显著减缓作用，当降雨强度增大到1.0以上时，虽土工格室植草仅减少径流量较少，但仍可使土壤流失量降低90%以上。说明降低边坡土壤流失量主要是土工格室与植草所构成的体系对土壤的加固作用，径流量对其影响不大。

(2)不同降雨历时下边坡抗冲刷性能表现如图2所示。

表2 土壤参数

图2 不同降雨历时下边坡抗冲刷指标变化

由图2可知，与降雨强度类似，随着降雨历时的增长，径流量与土壤流失量均呈上升趋势。单土工格室对径流量几乎无影响，对土壤流失量降低30%左右。植生土工格室对径流量有一定的减缓作用，对土壤流失量有显著减缓作用，可减少80%～95%的土壤流失量。综合考虑降雨强度与降雨历时作用下的边坡抗冲刷表现，植生土工格室均有良好的减缓土壤流失量的作用。

3.3 边坡参数研究

分别研究坡度与坡长对边坡抗冲刷性能的影响，不同坡度与坡长下边坡抗冲刷性能表现分别如图3—4所示。

由图3可知，坡度的降低对径流量几乎无影响，对土壤流失量有一定的减缓作用。这可能是由于边坡减缓并不能减少坡面流量，但可以缓解坡面流的冲刷作用，进而减少了边坡的土壤流失量。坡度的减缓对单土工格室加固的边坡土壤流失量有一定的减缓作用，而土工格室植草边坡几乎不受坡度的影响，土壤流失量始终保持在较低水平。

由图4可知，与坡度相似，坡长的变化对边坡径流量的影响可以忽略不计，三种工况下径流量均保持稳定，植生土工格室对径流量缓解作用最大。坡长对边坡土壤流失量有一定的影响，随着坡长的增大，工况1与工况2的土壤流失量均呈上升趋势，但土工格室加固边坡上升趋势较缓。随着边坡长度的增大，边坡表面流的冲刷时间会随之增长，导致边坡受到更持久冲刷侵蚀作用，进而导致土壤流失量增大。植生土工格室几乎不受坡长变化的影响，其加固后的边坡在坡长5～12.5m间土壤流失量均保持在较低的水平。

图4 不同坡长下边坡抗冲刷指标变化

3.4 植生参数研究

由前文可知，植生土工格室对边坡抗冲刷性能有良好的增强效果，本节内容研究了植物种类与植物覆盖度对植生土工格室的抗冲刷性能的影响。植生土工格室的植物种类为高羊茅与黑麦草，植物种类与植物覆盖度对边坡抗冲刷性能的影响如图5所示。

由图5可知，不同植物种类植生的土工格室对边坡径流量有较大影响，高羊茅植生土工格室相较于黑麦草植生土工格室对径流量降低了10%～25%。这可能是由于高羊茅单株的茎叶较宽，分蘖数较多，对边坡径流有较好的减缓作用。植物覆盖率对植生土工格室加固边坡的土壤流失量有很大影响，当植物覆盖率达到60%时，两种植物种类均可使土壤流失量维持在0.005kg/m2以下。随着植物覆盖率的增大，土壤流失量呈降低趋势，两种植生土工格室90%植物覆盖率与10%植物覆盖率相比，土壤流失量分别降低了94%与97%。

图5 不同植生土工格室下边坡抗冲刷指标变化

4 结论

考虑土工格室加固后边坡受冲刷时的侵蚀作用特点，建立了边坡抗冲刷性能模型，并考虑土工格室特点，对模型进行修正。以实际试验数据对模型进行验证，上述研究主要获得以下主要结论：

(1)单土工格室对边坡抗冲刷性能的增强作用较低，最多仅可将土壤流失量降低约30%，对径流量几乎无影响。

(2)植生土工格室对边坡抗冲刷性能在覆盖率为60%以上时有很强的加固作用，可将边坡土壤流失量降低至0.005kg/m2以下。

(3)本研究模型考虑了多种条件的作用，并具有较高的准确性，但对压实度、土工格室埋深考虑较为欠缺，后续研究可对此予以关注。