在高速公路建设过程中会形成大量裸露边坡，这些边坡土质松软、抗侵蚀能力低，容易导致严重的水土流失，给公路安全和当地生态环境带来极大影响[1]。植被是保护边坡和控制水土流失最有效措施之一，但植被建立过程需要较长时间，且强降雨下容易形成冲沟或细沟。种苗初期成活率低。土工织物护坡可以促进植被生长，提高植被种苗初期成活率，有效减少径流和控制侵蚀，相对常规刚性措施护坡，施工简单，成本低廉，低碳环保。但目前土工织物护坡减少径流和控制侵蚀机制及其关键影响因素并不明确，因此，迫切需要开展不同降雨模式下不同类别土工织物护坡的研究，尤其是天然土工织物与常规土工织物的抗侵蚀性能及其工作机制的研究，这对于实现土木、水利、交通、地质、矿山和林业等边坡基础设施安全防护、低碳经济和可持续发展具有重要意义。
土壤中的水分入渗决定着坡面径流和侵蚀的产生和发展[2]，同时也受到降雨强度、坡度、植被、土壤性质和坡面粗糙度等因素的影响[3]。已有国内学者采用混凝土板块、浆砌片石和锚喷支护等形式护坡[4]，这些措施容易破坏自然景观，不符合工程环保要求，而且存在造价高、施工复杂等诸多问题。肖衡林等[5]研究了三维网垫的强度计算公式，并分析了植被和网垫强度、尺寸和厚度对护坡的抗侵蚀性能，得出冲刷时间、边坡角度、铺沙量对固土网垫冲刷性能的影响。肖成志等[6]通过正交试验法研究了不同边坡坡度、土质、网垫类型和植草密度等对护坡性能的影响。李丽华等[7-9]研究了土工合成材料和土工格栅加筋土的力学性能，提供了其用于边坡防护的依据。RAHMA等[10]用一层植物残渣覆盖土体表面，根据土体类型和降雨及坡度条件确定最佳覆盖水平，以防止水土流失。王广月等[11]利用室内放水冲刷试验研究了不同坡度和流量下三维土工网防护的侵蚀过程及特征。邓从等[12]通过模拟降雨实验比较了坡面覆盖土工网和植被护坡的性能差异。
土工织物大多由渗透性材料组成，可分为天然土工织物(黄麻、椰壳、棕榈)和合成土工织物(聚酯、聚丙烯)，总体而言，合成材料的成本明显比纤维的高，而合成材料比天然纤维具有更好的抗拉性能、更长的使用寿命，但天然纤维的降解可为边坡植物的生长供有机物和养分[13]。不同类型的土工织物可用于控制土壤侵蚀，土工织物的选择取决于现场条件。降雨造成的侵蚀是雨滴(飞溅)和表面水流动(径流)的影响而导致土壤解体的结果。因此，对地表进行覆盖可以减少雨滴冲击和径流的有害影响，减少降雨的侵蚀作用，有利于植被的建立和生长[14]。OGBOBE等[15]对可生物降解土工布进行了试验，认为这些材料有着具有很强的吸水能力，可以降低地表水的流速。JONGVIVATSAKUL等[16]研究表明通过水泥浆增强土工织物可提高覆盖材料的强度和耐久性，使其在边坡防护中效果更好。LEJCUŚ等[17]利用吸水土工复合材料控制侵蚀，使杂草和灌木覆盖的土壤根体积和抗剪强度增加。NGUYEN等[18]研究了一种由回收的天然纤维和合成纤维的混合物制成的土工布，可以防止斜坡侵蚀，有利于植被生长。土工织物的物理特性对土壤保护非常重要，例如其表面的孔隙相对尺寸、吸水能力、垫层厚度、水力粗糙度和抗拉强度是控制土壤侵蚀的关键[19]。此外，边坡的长度和坡度、土壤类型和降雨强度等因素也会影响其抗侵蚀性能。
虽然现有大多数研究表明土工织物在控制径流和土壤流失是有效的，但关于土工织物减少侵蚀作用的量化分析有限。椰丝毯、秸秆毯、混合毯和无纺土工布这4种土工织物成本较低，易于获取并可用于道路边坡保护，但目前对减少径流和控制侵蚀方面的作用及控制效果尚不明确。本文通过实地调研公路边坡，设计了室内模拟降雨模型，并研究了不同坡度、降雨强度下4种土工织物覆盖处理后的抗侵蚀性能，旨在揭示不同防护措施下，不同因素对坡面土壤水分特性、产流产沙过程的关键影响及变化规律，以期为因地制宜选用不同种类的护坡材料及其工程应用提供重要理论依据。
1 试验材料与方法
试验采用椰丝毯、秸秆毯和椰丝秸秆混合毯3种天然土工织物和人工无纺土工布，如图1所示。其产品性能指标如表1所示。土样参数如表2所示。
| 种类 | 单位面积质量/(g·m-2) | 厚度/mm |
|---|---|---|
| 椰丝毯 | 128.1 | 2 |
| 秸秆毯 | 240.4 | 4 |
| 椰丝秸秆混合毯 | 322.1 | 6 |
| 无纺土工布 | 131.6 | 3 |
最大干密度/ (g·cm-3) | 最优含水率/% | 液限/% | 塑限/% | 天然含水率/% |
|---|---|---|---|---|
| 1.9 | 14.0 | 33.7 | 15.9 | 6.3 |
2 试验设计
2.1 试验装置及准备
室内模型主要由边坡模型、模拟降雨装置、收集装置组成。模拟降雨设备如图2所示。模拟降雨设备采用课题组自行研制的人工降雨器，由钢架和上部的9个降雨喷头组成，单个喷头可满足面积为2 m2的降雨，降雨高度为2.5 m，模拟降雨均匀度在80%以上，通过更换不同型号规格喷头可模拟不同降雨强度。
边坡模型试验装置由钢架组成，钢架上各放置装满土的木盒以模拟边坡，模型与实地边坡工程缩比为1꞉5，坡度设置为15°和35°；土样按野外测得的土体重度分层填筑，每层土厚5 cm，总厚度为15 cm，每层表面用薄板刮毛，以减少分层效应。
在降雨试验前，预降雨强度为20 mm/h，以保持前期土体水分基本一致，24 h后进行正式降雨。选用485型土壤水分传感器测量含水量，其精度为±2%。采用垂直插入土体表面式对不同覆盖处理的土体含水量进行测量，沿边坡模型中轴线从坡顶、坡中到坡底整个坡面均匀布置3个观测点，每隔 1 min读取1次土体含水量。每个降雨试验重复进行3次，结果取平均值。
2.2 数据处理
为测试边坡在强降雨条件下的水土流失，在降雨强度分别为90 mm/h和120 mm/h下进行1 h降雨冲刷试验，每隔6 min更换1次收集水桶。试验结束后，测量桶中水土流失物的质量和体积，静置24 h并在烘箱中烘干，得到产沙量。径流率和侵蚀率的计算公式分别为：
式中：I为径流率，L/min；E为侵蚀率，g/min；
采用SPSS 27.0软件对实验结果进行统计分析，用多因素方差分析显著水平检验组间差异，并对产流时间、径流率、侵蚀率与坡度、降雨强度、结合类型的相关性进行分析。
3 结果与分析
3.1 坡面土体水分变化
3.1.1 坡面土体含水量分布特征
不同土工织物覆盖下的土体含水量变化特如图3所示。由图3可知，不同坡位处土体含水量存在较大差异；在不同土工织物覆盖下，土体含水量基本呈现从坡顶到坡底逐渐增加的趋势；60 min降雨结束时，坡底的土体含水量较坡中的高5.6%，坡中的土体含水量较坡顶的高8.5%。
在同一坡位处，15°坡的土体含水量明显高于35°坡的土体含水量。降雨结束时，在坡顶、坡中、坡底，15°坡的土体含水量比35°坡的土体含水量分别高8.8%、10.9%和18.7%。这表明雨水更容易由缓坡表面渗入土体内部，而在陡坡表面雨水更容易沿坡面向下流动。因此，在相同坡位处，陡坡的土体含水量均低于缓坡处的土体含水量。
在不同坡面覆盖处理中，秸秆毯覆盖处理的坡面峰值含水量为43.6%，显著低于其他覆盖处理的坡面含水量，如椰丝毯覆盖处理的坡面峰值含水量为49.5%，较椰丝毯的低13.5%。这是因为秸秆毯由多数纵向分布的细条线状秸秆组合而成，在降雨过程中，下落到坡面的雨水未入渗进入土体内部，由于土体表面秸秆的引流和自身的重力作用而向下汇集，直至沿坡底流下。
3.1.2 坡面土体含水量对降雨的响应特征
在不同降雨强度下坡面土体含水量变化表现出较大差别，当降雨强度为90 mm/h时，裸土坡面土体含水量在10~23 min发生较大变化，不同坡位的土体含水量均增加了41.9%~51.3%，之后含水量变化幅度较为平缓，而且缓坡的坡面含水量变化速率也明显比陡坡的大；而当降雨强度为120 mm/h时，2种坡度的含水量变化迅速，在3~11 min，各坡位坡面含水量即接近最高水平且保持缓慢增长，各坡位土体含水量增加了32.4%~80%。
覆盖处理使坡面土体含水量变化出现差异，相比于裸土坡面，当降水强度为90 mm/h时，4种覆盖处理增大了坡面水分响应速率，覆盖处理后的坡面土体含水量在4 min时开始明显增加，至 12 min时达到最高含水量，土体含水量增加了36.2%~80.3%；而在120 mm/h降雨强度下，坡面含水量在6 min之内即可接近峰值，较降雨开始时增加47.7%~83.3%。
3.2 坡面产流时间
坡面产流时间是指从降雨开始至坡面表面产生径流并汇集到坡底并流下的时间。坡面产流时间在一定程度上可增加雨水对土体内部的入渗，并减小坡面径流对坡面土体颗粒的冲刷作用，降低降雨对土体的侵蚀[20]。不同降雨强度及覆盖处理下坡面产流时间如图4所示。由图4可知：对坡面进行覆盖处理可使坡面初始产流时间明显延长，覆盖处理类型延长效果从大到小依次为椰丝毯、混合毯、秸秆毯和无纺土工布；当降雨强度为 90 mm/h时，相比于裸土坡面，延长效果最好的椰丝毯使坡面产流时间延长了2.75 min，延长效果相对较差的无纺土工布也使产流时间延长1.8 min，这主要是由于覆盖的土工织物对降雨的截流作用和对径流形成的阻滞作用，在降雨过程中，土工织物表面和内部的横向结构将降水截流并短时间内储存，增加了坡面粗糙度，这给降雨对土体内部的入渗提供了有利条件，从而延长了坡面产流时间[21]。而在降雨强度为120 mm/h时，4种覆盖处理对径流时间的延缓效果比降雨强度为90 mm/h时的差，且4种覆盖处理的延后效果差异不大，说明覆盖处理对大暴雨条件下坡面产流时间的延后作用存在一定限值。
3.3 坡面径流率
不同降雨强度及坡度下坡面径流率如图5所示。由图5可知：不同覆盖处理的坡面的径流过程总体可分为上升、稳定和略微下降3个阶段；降雨开始前，坡面土体较为干燥，当雨水落到坡面时，大部分进入土体内部被土体吸收，坡面主要发生入渗，几乎不发生径流过程[22]；随着降雨时间的持续，土体含水量不断增加，接近坡面土体饱和含水量临界值，雨水开始汇集并转化为坡面径流，且径流过程不断增大直至达到径流峰值，之后，径流趋于稳定并呈一定下降趋势。
坡面径流率随降雨强度的增大而增加，当降雨强度从90 mm/h增大到120 mm/h时，裸土坡面的径流率变化最大，坡面径流率增大21.9%，而椰丝毯对降雨强度变化的影响最小，坡面径流率只增大17.9%。当降雨强度为90 mm/h时，坡面径流率在35 min内增加至峰值，而当降雨强度为120 mm/h时，坡面径流率在18 min内迅速增加并达到峰值，明显缩短了到达峰值径流率的时间。
不同影响因素组合下径流率方差分析如表3所示。由表3可知：不同覆盖处理对坡面径流率具有显著影响(P<0.001)。由图5可知：秸秆毯和混合毯覆盖后的坡面的径流率比裸土坡面的更大，其峰值径流率平均分别提高了25.8%和10.8%，而无纺土工布和椰丝毯处理使坡面径流率明显降低，相较于裸土坡面，其峰值径流率平均分别降低10%和27.3%。不同覆盖处理下径流率的差异是土工织物的结构性差异造成的，秸秆毯和混合毯中的秸秆纵向条状分布结构对下落到坡面的雨水具有一定的向下导流作用，相比于裸土坡面雨水对土体的入渗，这2种覆盖下的坡面因秸秆的导流使雨水入渗量更少，因此，坡面产生更大的径流率，这与前文覆盖秸秆毯后坡面的土体含水量最低的结果一致。而椰丝毯是由纵横交错的椰丝组成，其横向分布的结构对沿坡面下落中雨水有一定的阻拦作用，使得雨水可以再次入渗土体，同时，椰丝相比于秸秆具有更小的体积，在相同的单位体积内，椰丝的数量多于秸秆的数量，这使得椰丝毯具有更好的吸水性，也使得坡面产生了更小的径流。
| 因素 | 平方和 | F值 | 显著性 |
|---|---|---|---|
| 降雨强度 | 2.142 | 5.397 | 0.021 |
| 覆盖类型 | 397.902 | 1 002.258 | 0 |
| 坡度 | 11.171 | 7.035 | 0 |
| 降雨强度×覆盖类型 | 2.020 | 5.088 | 0 |
| 坡度×覆盖类型 | 104.152 | 65.586 | 0 |
| 降雨强度×坡度 | 9.521 | 5.995 | 0.025 |
降雨强度×覆盖 类型×坡度 | 1.568 | .987 | 0.416 |
从表3可知：在相同降雨强度下，坡度对坡面径流率具有显著影响(P<0.001)。从图5可知，坡面径流率随着坡度的增加而变大，当降雨强度为90 mm/h时，35°坡面的峰值径流率比15°坡面的峰值径流率高88.8%~108%，其中，椰丝毯覆盖后的坡面径流率对坡度变化的影响最小；而当降雨强度为120 mm/h时，35°坡面的峰值径流率比15°坡面的峰值径流率高78.6%~104%。
3.4 坡面侵蚀率
坡面侵蚀率是反映坡面降雨侵蚀强度变化的重要因素。不同降雨强度及坡度下坡面侵蚀率如图6所示。由图6可知，不同降雨强度下坡面产沙过程不同；当降雨强度为90 mm/h时，坡面侵蚀率在前期快速上升，之后，不同覆盖处理的坡面侵蚀率先后达到峰值，最后呈下降趋势；裸土坡面的侵蚀率在10~20 min即达到峰值，明显早于其他处理组，这是因为当降雨强度为90 mm/h时，降雨前期阶段以雨水入渗土体为主，还未产生径流和携带泥沙颗粒；随着降雨的持续，土体水分接近饱和状态，雨水开始停止入渗并向下流动，形成径流并产生坡面土颗粒的搬运，在这个过程中，径流和产生的泥沙不断增大直至达到峰值，因降雨的侵蚀力有限，坡面表层可冲刷的土颗粒急剧减少，并由于覆盖处理的保护作用使侵蚀率不断下降；而当降雨强度为120 mm/h时，土体单位面积内的雨量增多，土体吸收水分的速率大大加快，这使得侵蚀率在6~12 min即到达峰值，之后侵蚀率不断降低；坡面侵蚀率随降雨强度的增大而增加，当降雨强度由90 mm/h增大到120 mm/h时，不同覆盖处理后坡面的侵蚀率增加31.9%~70.9%，这是因为降雨强度的增大使雨水落下时的动能变大，单位时间内落到坡面的雨水总量也增加，侵蚀能力变强，坡面的侵蚀率增加。
坡面覆盖类型对侵蚀率具有显著影响(P<0.001)，整体来讲，裸土坡面的侵蚀率最大，其余覆盖处理的侵蚀率从大到小覆盖处理处理依次为秸秆毯、混合毯、椰丝毯和无纺土工布；当降雨强度为 90 mm/h、15°坡面时，秸秆毯、混合毯、椰丝毯和无纺土工布覆盖处理后的坡面侵蚀率比裸土坡面的坡面侵蚀率分别减少了58%、60.5%、70.7%和73.5%，且秸秆毯、混合毯和无纺土工布覆盖后的坡面产沙峰值时间比裸土坡面的产沙峰值时间延长6~10 min；当降雨强度为90 mm/h、35°坡面时，4种覆盖处理后的坡面侵蚀率比裸土坡面的减少137.2 g/min，无纺土工布的减沙效果仍优于其他处理的减沙效果；当降雨强度为120 mm/h时，4种覆盖处理中效果最差的秸秆毯也使15°坡和35°坡的坡面侵蚀率分别减少了108.3%和73.7%。与降雨强度90 mm/h时相比，降雨强度为120 mm/h时，产沙峰值时间明显提前，在15°坡，裸土坡面在6 min即达到产沙峰值，其他4种土工织物覆盖处理的坡面在12 min达到峰值；而在35°坡，裸土和4种覆盖处理后的坡面在6 min均达到了产沙峰值，强降雨和陡坡因素均使产沙峰值时间明显提前。
不同影响因素组合下产沙方差分析如表4所示。由表4可知：坡度对坡面侵蚀率具有显著影响(P<0.001)。由图6可知：当降雨强度为90 mm/h时，35°坡的峰值侵蚀率比15°坡的高88.2%；而当降雨强度为120 mm/h时，35°坡的峰值侵蚀率比15°坡的高173.6%，这说明强降雨条件下，坡度的增加对侵蚀率的变化更加明显。
| 因素 | 平方和 | F值 | 显著性 |
|---|---|---|---|
| 降雨强度 | 2.142 | 5.397 | 0.012 |
| 覆盖类型 | 397.902 | 1002.258 | 0 |
| 坡度 | 11.171 | 7.035 | 0 |
| 降雨强度×覆盖类型 | 2.020 | 5.088 | 0.001 |
| 坡度×覆盖类型 | 104.152 | 65.586 | 0 |
| 降雨强度×坡度 | 9.521 | 5.995 | 0.440 |
| 降雨强度×覆盖类型×坡度 | 1.568 | 0.987 | 0.398 |
3.5 相关性分析
降雨强度、覆盖类型、坡度与产流时间、径流率、侵蚀率相关性分析如表5所示。由表5可知，当降雨强度相同时：坡度和覆盖处理类型是影响产流时间的关键因素，坡度与对坡面初始产流时间呈极显著负相关关系，且覆盖处理类型对坡面产流时间的相关性大于坡度和雨强，因此，坡面的覆盖处理对坡面产流时间的控制十分重要。降雨强度和坡度与径流率、侵蚀率呈正相关关系，而覆盖类型对径流率和侵蚀率呈极显著负相关关系。坡面产流产沙过程与坡度的相关性大于其与覆盖类型和降雨强度的相关性，因此，边坡坡度对坡面径流和侵蚀的控制十分重要。
| 参数 | 降雨强度 | 覆盖处理类型 | 坡度 |
|---|---|---|---|
| 产流时间 | -0.280 | 0.657** | -0.603** |
| 径流率 | 0.606** | -0.088** | 0.814** |
| 侵蚀率 | 0.106** | -0.230** | 0.611** |
4 讨论
土体含水量受到降雨强度、坡度和表面覆盖等因素的综合影响。坡面土体含水量从大到小的位置依次为坡底位、坡中位、坡顶位。在降雨开始后，裸土坡面含水量先缓慢增长，之后快速增加，其中，裸土坡面的产流时间最短，径流率较其他处理的坡面增加得更快，侵蚀率也在20 min内达到峰值。
其他覆盖处理使土体表面不易发生结皮现象，相比于裸土在较短时间内含水量达到峰值，径流形成和产流时间也相应延长，其径流率和侵蚀率峰值时间也相应延长。4种覆盖处理均延长了坡面径流时间，其原因是覆盖的土工织物和无纺土工布有一定的吸水能力，而且覆盖保护后坡面增加了粗糙度，使雨水在下流过程中会受到覆盖物的截流作用，这同时增加了雨水在坡面的流动时间，促使雨水多次下渗，形成了更长的产流时间。椰丝毯在延缓产流时间中具有最好的效果，其具有纵横交错的椰丝组成的网格状结构，类似于微型土工格室的网格将雨水截流，增大了雨水沿坡面流动的阻力，对雨水下渗也起到促进作用；由大量椰丝组成的椰丝毯具有更高的吸水能力，降雨开始时，下落到坡面的雨水被椰丝毯所吸收，在前期未形成水分入渗，只有当椰丝毯达到自身吸水能力极限时，大规模的水分入渗才开始，相比于其他覆盖和裸土组明显延长了产流时间。
不同覆盖处理显著影响坡面径流过程，土工织物的覆盖作用增加了坡面表面粗糙度，能使雨水在坡面产生局部湍流和涡流从而减小径流速度，径流可以在斜坡上停留相对较长时间；椰丝毯的吸水能力有效降低了径流率。秸秆毯、混合毯的径流控制效果相对较差，这是由于组成中的秸秆密度小于水的密度，在一定降雨强度下，表面形成的径流使内部的秸秆产生浮力，造成了秸秆产生位移。
与径流率不同，裸土的侵蚀率最大，而其他覆盖处理的坡面侵蚀程度明显降低。土工织物覆盖层具有直接保护土体不受雨溅冲击的屏障作用，保持了土体结构稳定性，有效控制了雨溅侵蚀。当土工织物变湿时会膨胀并黏附在土体表面，增强了土体和土工织物间的悬垂性，从而减少了土体的侵蚀。虽然秸秆毯、混合毯对径流的控制效果一般，但对土体侵蚀控制效果较好。无纺土工布对侵蚀率的控制效果最好，这是因为无纺土工布相比于其他土工织物具有更加致密的表面结构，有更好的屏障作用，无纺土工布表面形成的径流并没有与下面的土体物质混合，所以，土工布覆盖的坡面有最低的侵蚀率。
当降雨强度为90 mm/h时，不同处理坡面的侵蚀率都逐渐增加，到达最高值后依次递减，其原因主要是降雨初期，坡面土体比较松散，而降雨过程初期坡面主要发生溅蚀和面蚀，坡面重度小的颗粒更容易受到雨滴和径流的侵蚀，经过一段时间后，表层可供侵蚀的颗粒逐渐减少，侵蚀率也相应减小；而当降雨强度为120 mm/h时，短时间内即发生了坡面沟蚀，侵蚀在短时间内即达到峰值，之后缓慢下降。
综上分析可知，与裸土坡面相比，覆盖处理后坡面的产流时间均有不同程度延长，土工织物护减流效益表现出明显差异，土工织物内部组成和结构对坡面的产流产沙有重要影响，强降雨下土工织物的减流减沙效果有所降低，椰丝毯覆盖护坡控制水土流失效果最优。
5 结论
1) 在不同坡位处土体含水量差异明显。在不同降雨强度、覆盖类型和坡度下，土体含水量从大到小的位置均为坡底位、坡中位、坡顶位，土工织物覆盖后的坡面水分响应较裸土有显著滞后，而缓坡土体含水量大于陡坡的含水量。
2) 经土工织物覆盖保护后，坡面产流时间较裸土均有明显延长，其中，椰丝毯具有最好的时间延长效果；在降雨强度为90 mm/h时，坡面覆盖后的产流延长效果比120 mm/h时的产流延长效果明显。
3) 坡度和覆盖类型对坡面的径流率有显著影响，秸秆毯和混合毯处理的坡面的径流比裸土坡面的径流更大，而椰丝毯和无纺土工布大大降低了坡面径流；坡度越大，坡面产生的径流越大。
4) 4种覆盖处理均明显降低了坡面产沙，其中无纺土工布覆盖效果最好，相比于裸土，减沙效益达到了173%；覆盖后的坡面产沙峰值时间较裸土坡面延长了6~10 min。说明对坡面进行覆盖保护可有效防治公路边坡水土流失。
李丽华, 贾志勇, 肖衡林, 等. 土工织物覆盖下坡面抗侵蚀性能研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2024, 55(12): 4641-4651.
LI Lihua, JIA Zhiyong, XIAO Henglin, et al. Research on erosion resistance of slope surface covered with geotextiles[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2024, 55(12): 4641-4651.