摘要：公路施工过程中产生大面积裸坡，植物无法迅速生长，土壤流失量也特别大，铺设覆盖物是一种有效而廉价的保持水土的方法。为了阐述不同覆盖物在坡面的水土保持效果，对覆盖物在公路边坡的水土保持效果进行分析。
关键词：公路边坡；覆盖物；水土保持效果
土壤侵蚀是世界上最严重的生态环境问题之一，土地利用变化导致的土壤侵蚀加速最为严重，其中一个重要的土地利用变化是公路建设。近年来，随着中国经济的快速增长和改革开放的深入，公路建设作为国民经济和社会发展的重要基础设施，发展十分迅速。然而，公路建设不可避免地要对生态环境和土壤稳定产生影响。但在公路施工过程中产生大面积裸坡，植物无法迅速生长，土壤流失量也特别大。虽然植被恢复项目有利于植物群落的建立和土壤流失控制，然而这个过程需要的时间相对较长，期间不可避免地会遇到强降雨和径流侵蚀[1]。铺盖临时覆盖物，如土工织物、遮阳网、草帘子、无纺布、枯枝落叶等可以有效的阻止径流，减少土壤侵蚀，已成为较为常用的水土保持措施。
一、研究方法
影响边坡水力侵蚀的因素有降雨、地形、植被，针对公路边坡类型和降雨条件设计试验，研制边坡侵蚀槽和人工模拟降雨器，标定不同压力下的降雨强度、降雨均匀度、雨滴大小等参数以模拟天然降雨。采用自由升降式针头型人工模拟降雨器，该降雨器由水源、自吸水泵、压力水泵，塑料水管、水管弯头、布针架、流量计、压力表、球式阀门、滑轮组、牵引钢丝绳、侵蚀槽等组成，通过调节压力表和阀门来控制降雨强度和降雨粒径的分布。布针架的面积为1920 mm×850 mm，均匀分布33×15=495 个针头，针头平均纵横间距为60 mm。针头规格可以根据对降雨强度的要求调换，降雨高度可在0.5～4.0 m 调节。在试验架上放置侵蚀槽，通过滑轮及牵引钢丝绳的调节来改变坡度，并使槽内降雨达到空间分布基本均匀。
1、人工模拟降雨器的参数标定。降雨主要特性包括降雨强度、降雨分布均匀性、雨滴粒径大小等参数，试验开展前首先对降雨器的上述参数进行了标定。
1）降雨强度的标定。根据降雨器系统的结构设计，本试验中采用流量计和压力表结合标定降雨强度，即在一定的时间内流量计记录的数据经过相关换算就可得出不同显示压力下的降雨强度，按照雨强等于流量与有效降雨面积之比的近似原理进行测定[1]。具体如下：降雨器系统的测流装置所测数据与计时秒表计算降雨强度的换算公式： 式中，I 为降雨强度，mm/h；Q 为降雨时间内的过水流量，m3；S 为有效降雨面积（1 920 mm×850 mm）；T 为降雨时间，h。
2）降雨均匀度的标定。采用相同规格大小的烧杯，按照不同的摆法在降雨区内同一水平面上接水若干次，最终统计并进行偏差分析。烧杯布置的不同方式：323、44、332。用与布针架相同面积的遮雨布将烧杯盖住后打开电源，待降雨稳定后撤去遮雨布，同时开始用秒表计时3 min。根据各测点的降雨量，采用均匀度公式计算，一般均匀度达到80%就被认为满足试验的需要，具有较高的观测精度。
3）雨滴粒径大小的标定。采用色斑法对雨滴粒径进行标定。用孔径0.1 mm的筛子将重量比为1∶10 的曙红和滑石粉混合粉末[19]均匀撒在直径15cm 的定性中速滤纸上，放在取样盘内。每次试验在固定位置瞬间取雨滴，滤纸接触水分留下永久性色斑，分别测量色斑直径，试验重复3次。样斑直径用与其同面积圆的直径来表示。将取样滤纸晾干，经扫描将色斑样存入计算机中，运用AutoCAD 描绘出雨滴边界雨并计算其面积，然后换算出相同面积圆的直径D。采用不同的色斑直径与雨滴粒径修正公式进行计算，求取平均值d：d1=0.356D0.712 d2=0.334D0.7495 d3=0.295D0.756式中，d1，d 2，d 3 分别为公式得出的雨滴粒径，mm；D为色斑直径mm。
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2、数据分析。运用PASW Statistics 18.0进行数据统计和单因素ANOVA 方差分析，当不同处理之间差异显著时，运用Tukey 实际显著性差异检验来进行多重比较。
二、结果与分析
1、降雨器标定结果与分析
1）降雨强度标定结果。为了能够较准确的标定出不同供水压强下的降雨强度，便于后续试验顺利展开，选择多次测量选取平均值的方法操作。数据记录分析如下：供水压强与降雨量的数据反映了该降雨系统的降雨强度随压力的增大而增大的趋势。压强为0.03 MPa 时，降雨强度为68.2 mm/h；压强为0.10 MPa 时，降雨强度增大到505.7 mm/h。为了尽可能的模仿天然降雨，因此做侵蚀试验时选择了最小的雨强，即68.2 mm/h。
2）均匀度标定结果不同降雨强度下，供水压力在0.03～0.10 MPa 时，即平均降雨强度在68.2～505.7 mm/h时，均匀度均在80%以上。随着供水压力的增大，降雨强度的增加，降雨的均匀度亦显示出增加的趋势，最小的为0.03 MPa 时，均匀度为81.66%，最大的为0.10 MPa 时，均匀度为92.06%，降雨量分布的相对偏差均小于20%，运行过程中性能稳定。
3）雨滴粒径标定结果。不同降雨强度下，降雨器雨滴粒径标定结果。可以看出，随着供水压力的增大该降雨器的雨滴粒径逐渐变小，压强为0.03 MPa时，雨滴平均粒径为1.2309 mm；压强为0.10 MPa时，雨滴平均粒径为0.9749 mm。虽然压力增大，但降雨器针头的大小是一定的，孔径并不能随之变大；另外，压力的增大导致流速加快，使得水滴在针管口的滞留时间缩短，从而也减少了水滴质量上的积累。
2、水土保持效果与分析
1）径流结果与分析。对自制的人工模拟降雨器进行标定后，进行模拟边坡的人工降雨侵蚀试验。在20 min降雨过程中，不同覆盖坡面径流量随时间的变化过程，可以看出不同覆盖对坡面径流的产生和发展有显著的影响。无覆盖坡面的径流量明显大于有覆盖坡面的径流量，但其径流曲线均符合对数方程，既在降雨初期，径流量迅速增大，约在10 min 之后，径流量逐渐趋于平稳。通过方差分析和多重比较，也可以确定不同覆盖坡面的径流量差异性显著，覆盖物均有效的减少了径流量。无纺布、遮阳网和草帘子覆盖下的坡面径流量分别比裸坡的（6.6 mL/s）减少了11.3%、36.4%，69.9%。最大的平均径流系数也出现在裸坡，为21.3%，而无纺布、遮阳网覆盖下的坡面平均径流系数分别比裸坡的小2.4%和7.7%，草帘子覆盖下的坡面径流系数最小为6.4%，比裸坡的小14.9%。
2）土壤侵蚀结果与分析。不同覆盖下坡面径流的泥沙浓度也明显不同。裸坡径流的泥沙浓度均值最大，为5.7 g/L，最大值为8.1 g/L；无纺布和遮阳网覆盖下坡面径流的泥沙浓度均值分别为1.9 和2.4 g/L，最大值分别为3.0 和3.9 g/L；草帘子覆盖下坡面径流的泥沙浓度均值最小，为1.0 g/L，最大值仅为1.8 g/L。裸坡的产沙量最大，而无纺布和遮阳网覆盖下坡面的产沙量仅为裸坡产沙量的10.9%、17.4%，而草帘子覆盖下坡面产沙量最小，仅为裸坡的3.4%。不同覆盖坡面泥沙浓度随时间的变化。开始时泥沙浓度均呈线性增加的趋势，但不同覆盖下泥沙浓度线性增加的速率有所不同，裸坡的增加速率最大，而草帘子覆盖下的增加速率最小。泥沙浓度在降雨开始后的6～8 min 里均明显增加，但在10 min 之后，均出现了明显下降的趋势，由于松散土壤颗粒的减少以及径流中薄层流对于雨滴溅蚀的保护作用。
参考文献：
[1]高德彬，杨泓全.高速公路黄土路堑高边坡现场冲刷试验研究[J].中外公路，2014，27（3）：199－201.
[2]沈波，艾翠玲，徐岳.公路路基压实黄土坡面人工降雨侵蚀试验[J].长安大学学报：自然科学版，2014，24（6）：11－14.
论文作者:石元林,吕清岚
论文发表刊物:《基层建设》2018年第4期
论文发表时间:2018/5/22
标签：径流论文; 粒径论文; 强度论文; 雨滴论文; 泥沙论文; 土壤论文; 压强论文; 《基层建设》2018年第4期论文;