徐志平　賈卓龍　晏長根　王逸凡

摘 要：為了給加筋黃土邊坡防護技術(shù)的大面積推廣提供理論依據(jù)和參考，對聚丙烯纖維加筋黃土防護邊坡的土壤含水率及邊坡形態(tài)進行了持續(xù)６ 個月的原位測試，結(jié)果表明：聚丙烯纖維加筋黃土具有良好的邊坡防護效果，加筋黃土防護邊坡土壤含水率總體趨于穩(wěn)定，不同土層土壤含水率平均變異系數(shù)比原狀邊坡降低１０．８９％，這得益于加筋黃土防護層形態(tài)總體維持完整，能夠長期抵抗降雨、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等不利外部環(huán)境的持續(xù)影響；然而，聚丙烯纖維加筋黃土防護邊坡上植被生長緩慢，且防護層與原狀土體易分異脫離。提出了對加筋黃土進行保水改良、采用快速植生的多功能層設計和可操作性強的材料物理防脫技術(shù)等加筋黃土防護邊坡的改進策略。

關(guān)鍵詞：黃土邊坡防護；聚丙烯纖維；加筋黃土；原位測試；土壤含水率；改進策略

中圖分類號：Ｓ１５７．２ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０４．０１８

引用格式：徐志平，賈卓龍，晏長根，等．聚丙烯纖維加筋黃土邊坡防護原位測試及改進策略［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（４）：１１１－１１６．

近年來，各類工程建設在黃土高原地區(qū)形成了大量黃土邊坡。這些黃土邊坡易發(fā)生淺層破壞，在極端降雨等情況下，不僅會誘發(fā)邊坡災害性變化，而且可能造成大范圍的水土流失，甚至會增加黃河下游的防洪壓力［１－４］ 。為預防黃土邊坡淺層破壞，國內(nèi)外學者開展了大量的邊坡防護研究［５］ 。聚丙烯纖維作為新型邊坡防護材料受到相關(guān)學者的關(guān)注，如：李廣信等［６］ 、唐朝生等［７］ 、Ｃｏｎｓｏｌｉ 等［８］ 通過對聚丙烯纖維加筋軟土進行力學試驗，認為聚丙烯纖維可以有效增強土體韌性和力學強度；榮德政等［９］ 、Ｙａｎ 等［１０］ 通過研究聚丙烯纖維加筋技術(shù)對土坯的改性效果，指出聚丙烯纖維能明顯抑制干濕或凍融循環(huán)條件下土體開裂；安寧等［１１］ 、盧浩等［１２］ 通過研究聚丙烯纖維加筋黃土抗剪強度、耐崩解性、阻滲特性和抗沖刷能力，指出聚丙烯纖維加筋黃土的抗蝕性得到了提升。不難看出，聚丙烯纖維加筋黃土因優(yōu)良的力學強度、耐久性和抗蝕性而在邊坡防護領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。然而，上述研究多基于室內(nèi)試驗，對聚丙烯纖維加筋黃土邊坡防護時效性的原位試驗較少。為此，本文以聚丙烯纖維加筋黃土（簡稱加筋黃土）為研究對象，基于原位長時序測試結(jié)果，分析加筋黃土對邊坡的長期防護效果，總結(jié)邊坡防護實踐中存在的問題并提出相應的改進策略，以期為加筋黃土邊坡防護技術(shù)的大面積推廣提供理論依據(jù)和參考。

１ 原位測試概況

１．１ 測試邊坡

原位測試在陜西省延安市安塞區(qū)南溝村進行，測試地點屬暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候區(qū)，氣候變化受季風環(huán)流影響呈現(xiàn)四季分明的特征，年平均氣溫９．５ ℃，年最低氣溫－２３．０ ℃，年最高氣溫３８．３℃，年平均降水量５２７ ｍｍ（主要集中在７—９ 月）。

測試邊坡為古滑坡開挖形成的四級黃土路塹邊坡。該邊坡前期為穴種黑麥草邊坡，穴種黑麥草盡管取得一定的生態(tài)效果，但仍存在明顯的土壤侵蝕現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為細溝侵蝕與片狀侵蝕（見圖１），極易因受強降雨、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等外營力作用而發(fā)生持續(xù)惡化，進而威脅邊坡的整體穩(wěn)定。采用Ｂｅｔｔｅｒｓｉｚｅ ２０００型激光粒度分析儀對該邊坡黃土進行顆粒級配分析，結(jié)果見圖２。

對邊坡基本物理參數(shù)進行測試表明，土壤含水率為１２％，最佳含水率為１４％，密度為１．３８ ｇ／ ｃｍ３，最大干密度為１．６ ｇ／ ｃｍ３，液限為２５．２％，塑限為１７．５％。

１．２ 邊坡防護材料

測試選用的邊坡防護材料為加筋黃土，由當?shù)攸S土、水和聚丙烯纖維混合而成，其中：黃土直接從測試場地采集；聚丙烯纖維為束狀單絲，長度為１５ ｍｍ，直徑為０．０４８ ｍｍ，密度為０．９１ ｇ／ ｃｍ３。為了取得較好的抗蝕性，３ 種原材料的質(zhì)量比依據(jù)前期室內(nèi)試驗結(jié)果［１１］ 進行設置，具體為干土∶ 水∶ 聚丙烯纖維＝ １ ∶０．１４１ ∶ ０．００５。加筋黃土與素黃土的抗蝕性指標見表１。

１．３ 原位測試方案

原位測試于２０１８－０８－１２ 至２０１９－０２－１２ 進行。在選定的黃土路塹邊坡上布設加筋黃土防護邊坡和原狀邊坡兩類原位測試小區(qū)（見圖３），測試小區(qū)尺寸為長１３．３ ｍ、寬１．６ ｍ，其中：加筋黃土防護邊坡小區(qū)采用人工抹面法將防護材料在３６ ｄ 內(nèi)分批、分層涂在邊坡之上，涂層厚度為５ ｃｍ，用于測試其抗蝕性；原狀邊坡小區(qū)用于對比分析。在邊坡上撒播黑麥草籽。在邊坡頂部及底部平臺上開挖截水溝，以攔截雨水及徑流并引入排水溝。

每個小區(qū)設置３ 個監(jiān)測位置，分別位于離坡腳２．００、６．６５、１１．３０ ｍ 處，每個監(jiān)測位置布設４ 個測點（測點間距為２５ ｃｍ），每個測點埋設土壤水分傳感器（垂直于邊坡埋設深度分別為１０、２５、４０、６０ ｃｍ），傳感器型號為ＭＳ１０，其量程（體積含水率）為０～５０％，測量精度為±２％。采用軟硬件集成的邊坡水分無線監(jiān)測系統(tǒng)（如圖４ 所示）進行長時序監(jiān)測，所有監(jiān)測數(shù)據(jù)均可通過ＭＣＵ 系列傳輸模塊以ＧＰＲＳ 方式遠程傳輸至網(wǎng)絡端云平臺和手機端ＡＰＰ，以供實時查看、下載和圖４ 邊坡水分無線監(jiān)測系統(tǒng)示意處理。此外，在測試邊坡附近空曠地段安裝ＪＳＰ －０５型翻斗式雨量計，監(jiān)測大氣降水情況，其測量精度為０．２ ｍｍ。

２ 測試結(jié)果及分析

２．１ 邊坡水分時空動態(tài)特征

圖５、圖６ 分別為原狀邊坡、加筋黃土防護邊坡各測點的土壤體積含水率測試結(jié)果。測試期累計降雨量為１４０．６ ｍｍ，其中：８—９ 月降雨量較大，最大日降雨量為２０１８－０８－２０ 的２３．２ ｍｍ，土壤水分變化主要受降雨影響；１０ 月及以后的降雨量較少、降雨強度明顯減弱，土壤水分變化主要受氣溫影響。在相同氣候條件下，兩類邊坡的土壤含水率均呈現(xiàn)秋季逐漸降低的變化趨勢，表層土壤水分蒸發(fā)速率高于深層土壤水分蒸發(fā)速率，但兩類邊坡的土壤含水率波動及其影響深度存在明顯差異，總體來看，原狀邊坡土壤含水率波動比加筋黃土防護邊坡土壤含水率波動更為劇烈，以邊坡上段表層（深度為１０ ｃｍ）為例，原狀邊坡土壤含水率波動范圍為３．５０％～１５．１９％，加筋黃土防護邊坡土壤含水率波動范圍為６．６８％～１５．１０％。其原因是加筋黃土防護邊坡的透水性較差、耐久性良好，能長期有效地阻止水分滲入，避免土壤含水率發(fā)生劇烈波動［１３］ 。

２．２ 邊坡水分時空異質(zhì)性分析

為了定量分析兩類邊坡不同土層土壤含水率的異質(zhì)性，將邊坡上、中、下段的土壤含水率進行均值化處理，并采用經(jīng)典統(tǒng)計方法計算不同深度土壤含水率的極大值、極小值、平均值、標準差和變異系數(shù)［１４］ ，并根據(jù)變異系數(shù)ＣＶ判別變異水平：０％≤ＣＶ ＜１０％，弱變異；１０％≤ＣＶ ＜１００％，中等變異；１００％ ≤ＣＶ，強變異。

表２ 為兩類邊坡不同深度土壤含水率統(tǒng)計。兩類邊坡土壤含水率均呈現(xiàn)對深度的依賴性，即平均含水率均隨深度增大而提高，變異系數(shù)隨深度增大而減小。對比兩類邊坡平均土壤含水率可知，兩類邊坡土壤含水率在深度為０～２５ ｃｍ 范圍內(nèi)差異較大，主要原因是加筋黃土透水性較差，土壤水分補給主要依賴于坡體內(nèi)部水分的滲透，如１０～２５ ｃｍ 土層的水分向表層（深度０～１０ ｍｍ）遷移，導致含水率較原狀邊坡的低。對比兩類邊坡土壤含水率變異系數(shù)可知，在深度為０～６０ｃｍ 范圍內(nèi)，原狀邊坡、加筋黃土防護邊坡土壤含水率變異系數(shù)分別介于６．１５％ ～２３．４２％、５．８４％ ～１５．３８％，平均變異系數(shù)分別為１１．６６％、１０．３９％，均屬中等變異水平，加筋黃土使得變異系數(shù)降低了１０．８９％。兩類邊坡０～２５ ｃｍ 土層土壤含水率均表現(xiàn)出中等變異水平，深度＞２５ ｃｍ 時兩者變異水平均變?yōu)槿踝儺悺Ｖ档米⒁獾氖?，原狀邊坡０～１?ｃｍ 土層土壤含水率表現(xiàn)出較高的變異水平（ＣＶ ＝２３．４２％），說明原狀邊坡土壤含水率容易受降雨、氣溫等環(huán)境因素影響，而加筋黃土對邊坡有很好的保護作用。

２．３ 邊坡形態(tài)時變劣化特征

圖７ 為測試期加筋黃土防護邊坡的演化情況。加筋黃土防護邊坡在自然條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗蝕能力：加筋黃土防護層的形態(tài)總體保持完整，僅有輕微的縱向沖刷侵蝕痕跡，沒有產(chǎn)生明顯的剝落、片蝕或侵蝕細溝。這可以根據(jù)纖維的交織搭接效應來解釋，纖維交織搭接可有效增強土壤顆粒之間的聯(lián)系，抑制降雨、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等惡劣環(huán)境因素導致的土體裂隙發(fā)育［１０］ 。加筋黃土防護層涂抹完成６ 個月后（測試期末），逐漸長出零星分布的植被，說明加筋黃土材料不會影響植被生長與生態(tài)環(huán)境重構(gòu)，可應用于黃土邊坡生態(tài)治理。然而，在加筋黃土保水性能不足［１５］ 、秋冬季降水量有限及天氣寒冷等情況下，上述植被萌芽、生長與覆蓋邊坡進程較為緩慢，無法滿足各類工程建設對于生態(tài)恢復的實際需求，有必要對加筋黃土防護邊坡進行改進和優(yōu)化。

３ 加筋黃土防護邊坡的改進策略

上述原位測試結(jié)果表明，在加筋黃土的長期保護作用下，邊坡基體含水率總體趨于穩(wěn)定，可有效避免土壤含水率劇烈變化誘發(fā)沖溝、剝落等邊坡淺層病害［１６］ 。然而，在工程實踐中發(fā)現(xiàn)，加筋黃土邊坡防護的生態(tài)恢復效果并不理想，且加筋防護層容易脫落，有必要對其改進，以進一步提升水土保持效果。

３．１ 對加筋黃土進行保水改良

由于加筋黃土的物理加固機制決定了其水理性質(zhì)方面存在不足，無法保持水分，不利于邊坡覆蓋植被的持續(xù)發(fā)育，因此基于低碳綠色理念對加筋黃土材料進行保水改良。

當前，不斷涌現(xiàn)的低碳綠色土壤改良劑及改良方法如植物膠［１７－１８］ 、納米水性黏合劑［１９］ 、微生物誘導碳化［２０］ 等，可嘗試用于改良加筋黃土材料，以期提升抗侵蝕性能和水分保持能力。以瓜爾豆膠（一種可持續(xù)再生、保水性能優(yōu)良的水溶性植物膠）摻入加筋黃土形成膠－筋固化黃土邊坡（模型）為例［１５］ ，其與加筋黃土防護邊坡（模型）露天放置１２０ ｄ 后植被生長情況對比見圖８，與加筋黃土防護邊坡相比，膠－筋固化黃土邊坡的植被覆蓋率提升１９２．１％，累計沖刷量降低５６．３％，表明瓜爾豆膠對加筋黃土進行保水促生改良具有可行性和有效性。

３．２ 采用快速植生的多功能層設計

邊坡防護材料一般具備優(yōu)良的工程性能，但這也意味著植被破土出苗難度增大，往往不利于植被快速覆蓋整個邊坡［２１］ 。對此，采用多功能層設計是一種切實可行的解決思路。

邊坡防護多功能層設計是根據(jù)不同邊坡防護材料的性能特點，在邊坡上設置多種不同厚度的功能層，各功能層在不同層次發(fā)揮自身優(yōu)點，達到提高防護效果、減少水土流失和促進植物快速生長的綜合治理效果。如：何劍平等［２２］ 將防護基質(zhì)土按成分和作業(yè)順序分為基層和面層，并通過分層設計來縮短綠植出苗及覆蓋時間，控制生產(chǎn)及養(yǎng)護成本；劉慧等［２３］ 采用基層與植生層雙層設計進行植草護坡現(xiàn)場試驗，證實其應用效果良好，植被萌芽率與覆蓋度高，且能有效抵御惡劣氣候的影響?；陔p功能層設計理念，可將膠－筋固化黃土當作基層材料，厚度為８～１０ ｃｍ，以充分發(fā)揮其優(yōu)良的抗蝕性和保水能力；在基層材料上涂抹一層營養(yǎng)草籽層，營養(yǎng)草籽層可采用土壤、植物種子、泥炭土、黏合劑、保濕劑、椰殼纖維等材料混合，厚度為１～３ ｃｍ，以加速植物萌芽、生長和覆蓋邊坡。需要強調(diào)的是，相關(guān)施工工作宜在春夏季節(jié)進行。

３．３ 采用可操作性強的材料物理防脫技術(shù)

邊坡防護材料與邊坡原狀土體的物理、力學和水理性質(zhì)不同，使得兩者接觸面成為二元體結(jié)構(gòu)薄弱面，邊坡防護材料在長期服役過程中易沿接觸面產(chǎn)生局部脫落，影響其對邊坡生態(tài)防護的可靠性、安全性和長效性。對此，有關(guān)學者已開展二元體防脫研究，提出了原狀土體接觸面拉毛、刻槽、掛網(wǎng)等物理防脫措施，如：惠冰等［２４］ 研究了刻槽深度、刻槽寬度和刻槽間距等對界面抗剪強度的影響，發(fā)現(xiàn)適當?shù)膮?shù)組合可顯著地提高接觸面強度；Ｈａｉｄｏ 等［２５］ 研究表明，接觸面凹槽可增強其兩側(cè)巖土體的互鎖效果、有效提升界面強度、防止兩側(cè)巖土體分離；鞏寧等［２６］ 研究表明，掛網(wǎng)與錨桿結(jié)合的防護層固定方法可防止防護層滑移脫落，邊坡植被覆蓋率高達９８％；徐志平等［２７］ 研發(fā)了新型邊坡處理裝置，借助該裝置使邊坡形成有規(guī)律分布的錐狀孔，將膠－筋固化材料噴入錐狀孔內(nèi)，在整個邊坡形成的“防護釘板層”剛度大、變形協(xié)調(diào)性好，該方法具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、可操作性強等優(yōu)點。

４ 結(jié)束語

歷時６ 個月的原位測試結(jié)果表明：聚丙烯纖維加筋黃土具有良好的邊坡防護效果，加筋黃土防護邊坡土壤含水率總體上趨于穩(wěn)定，不同土層土壤含水率平均變異系數(shù)比原狀邊坡降低１０．８９％，這得益于加筋黃土防護層形態(tài)總體維持完整，能夠長期抵抗降雨、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等不利外部環(huán)境的持續(xù)影響；然而，聚丙烯纖維加筋黃土防護邊坡上植被生長緩慢，且防護層與原狀土體易分異脫離。對此，提出了對加筋黃土進行保水改良、采用快速植生的多功能層設計和可操作性強的材料物理防脫技術(shù)等加筋黃土防護邊坡的改進策略。

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【責任編輯 張智民】

基金項目：國家自然科學基金資助項目（４２０７７２６５）；中鐵第一勘察設計院集團有限公司技術(shù)開發(fā)項目（院科１７－２６）