0 引言

自然灾害和工程建设会使边坡产生创面^[1]。裸露的岩质边坡创面没有土壤覆盖，植被恢复难度大^[2]，一方面要为植被提供生长基质层并提高其抗雨水冲蚀性，另一方面还要充分发挥植被降雨截留、削弱溅蚀、抑制坡面径流等水土保持功能^[3]。植被生长基质层可利用经固化技术改良后的工程弃土制成。例如，在弃土中掺入无机黏结剂^[4]来提高其抗蚀能力，在千枚岩弃渣^[5]中掺入水泥改善其耐崩解性和水稳定性，利用高分子固化剂和植被纤维复合^[6]的方式改良砂性弃土的渗透特性和抗冲刷性能，以稻秸秆、弃土和少量水泥^[7]为原料制成空心砌块对边坡进行表层防护等。

在植被水文效应的研究方面，目前已有较多成果^[8]，如Zhang等^[9]通过野外模拟降雨试验，分析了不同植被类型下坡面降雨-入渗产流与侵蚀泥沙的特征、规律及其相关性。邵奕铭等^[10]在自然降雨条件下观测了不同植物的垂直覆盖结构对产流、产沙和入渗等多过程影响的研究，分析了植物不同垂直覆盖结构的减流减沙效益。魏强等^[11]分析了不同植被覆盖条件下坡面的径流侵蚀规律，并对坡度、雨强、坡面覆盖物等因子与径流量、侵蚀量的相关性进行了讨论。张锐波等^[12]采用人工模拟降雨的试验方式，分析研究了降雨强度和植被覆盖度这2个直接因素及径流量和含沙量2个间接因素在坡地水力侵蚀产沙过程中的复合影响及影响权重。Han等^[13]研究了不同坡度、雨强和灌草覆盖度下样地的产流产沙过程，发现灌草植被覆盖度对坡面径流启动时间、径流流速、土壤侵蚀速率有显著影响。刘英等^[14]开展了植被优选试验和植生混凝土在降雨作用下的抗侵蚀试验研究，尝试为公路生态边坡植生技术提供优化方案。

基于上述研究成果，可以考虑将改良弃土联合植被用于岩坡创面的生态修复治理，充分发挥固化土的强度性能和植物的水文功能。然而，在探究工程弃土用于边坡创面植被恢复的作用机理及可行性方面，目前的研究内容尚有不足。因此，本研究基于在边坡格构内用水泥固化填土表层进行植被恢复的发明专利新技术^[15]，开展边坡格构内填土在不同坡度和降雨强度、不同填土层类型下的模型试验，探究植被水泥土的抗侵蚀性能及预留植株孔植被覆盖对填土水力特性的影响，以便评估生态护坡技术在边坡创面的生态修复和水土保持方面的效益。

1 模型试验方案 1.1 试验材料

试验土料为含砾低液限黏土，颗粒含量组成与基本物理特性指标如表 1所示。填土的制样干密度为1.4 g/cm³，制样含水率为8%。试验选择掺入8%的水泥含量，主要是基于杨奇等^[16]对植被混凝土试块进行抗雨水冲刷性能研究，以及周海清等^[17]在室内模拟2种边坡(纯土边坡和植被混凝土边坡)的降雨冲刷试验后，发现掺入8%水泥含量的植被混凝土抗侵蚀效果最好。另外，对坡度为45°~85°的瘠薄岩土质边坡，植被混凝土基层的喷植厚度宜为30~50 mm，因此本研究选择在填土模型中填筑30 mm的水泥土表层护面，研究其抗降雨侵蚀的性质。

试验模拟阴坡，选用绿植为吊兰^[18]。吊兰属于多年生常绿草本肉根型植物，对环境适应性强，较耐干旱，其根系稍肥厚，根壮茎短，对于研究植被茎叶截留的作用十分有利。所用吊兰植株已经有1 a的生长期，根系和茎叶生长情况良好。试验前对吊兰茎叶进行修剪，使各株的茎叶长度接近。水泥土pH值为8，呈弱碱性，不会对植株生命力产生危害。在模型中击实土层的同时预留种植孔，试验前将带土球的吊兰移栽至预留的植株孔内，再回填松散的种植土。试验操作不会损坏根系和茎叶，且对坡土影响很小，植株移载后将孔内土体和坡面一起整平即可。模型填筑后对植物养护的时间短，预留孔内的根系生长发育一般不会发生大的变化，因此本试验中植物根系的影响范围主要在植株孔范围内。随着时间的增长，须根可能会伸展到预留孔周围低水泥含量的复合土中，并与其他根系交织形成根系网，届时会对表层土体有一定的加筋作用。

1.2 试验装置

植被水泥土联合格构护坡示意图见图 1。该工艺用于研究暴雨条件下植被水泥土技术应用于岩质边坡创面植被恢复时的水土保持效果。中国北方地区冬季温度较低，较干燥，可能不适于该工艺所采用的吊兰这种肉根吸水植物生长。西南地区夏季多雨，冬季平均气温不会过低，吊兰植物可正常生长，结合固化土层应用时其水文效果可得到充分发挥。因此，该工艺较适用于中国西南地区岩坡和石漠化边坡的水土流失治理和生态防护。

格构内填土的降雨模型示意图见图 2。试验装置采用长57.5 cm×宽39 cm×深13.5 cm的模型箱，用于模拟3 m×2 m的实际边坡格构内填土的降雨冲刷特性。为分析降雨过程中填土层内部水力特性的变化规律，无植被覆盖时在模型顶部、中部和底部3个位置埋设含水率传感器(见图 2(b))。有植被覆盖时传感器埋设位置错开植被的预留孔，从顶部往下埋设4个监测点(见图 2(c)和(d))，依次编号为①~④号，埋设深度均为土层表面以下6 cm处。试验中设2种植被覆盖度，如图 2(c)和(d)所示。

模拟自然降雨条件的实验室喷头式降雨系统如图 3所示，主要由喷头、浮子流量计和供水管线3部分组成。流量计为LZS-15型浮子流量计，量程为0~100 L/h，通过流量计的读数确定相应的降雨强度。供水管线一端连接实验室供水龙头，保证降雨供水充足，另一端的降雨喷头对准试验模型坡面。降雨喷头垂直于模型坡面放置而非垂直于地面放置，这是因为在雾化降雨条件下，这2种情况的降雨效果是相似的。考虑到模型较小，降雨喷头垂直于模型坡面放置时模型坡面降雨分布更加均匀，而降雨喷头垂直于地面放置时，由于雾化降雨雨滴分散性强，会导致模型底部的降雨强度偏低。试验前，通过调节水龙头阀门开度和降雨喷头来实现雾化降雨，并尽量保证坡面降雨均匀。

1.3 试验方案设计

在考虑坡度、降雨强度、填土类型及植被覆盖度的情况下，共设计10组降雨模型试验，模拟1个边坡格构内填土的降雨冲刷。试验具体方案设计如表 2所示。表中，QT表示工程弃土；N表示无植被覆盖；GH表示水泥固化土，指工程弃土内掺入8%水泥含量后的水泥土；P₁和P₂分别表示2种植被覆盖度；P₁表示横向株距为13 cm，纵向间距为18.8 cm(见图 2(c))；P₂表示横向株距为13 cm，纵向间距为12.5 cm(见图 2(d))。

1.4 试验过程

(1) 拌土。将烘干的土料按照8%的质量含水率进行拌和，拌好后将土料堆置在密封的塑料箱内，使水分自由运移，保证土体的含水率分布均匀。

(2) 模型填筑。模型填筑分2层制作，第1层厚度为7.5 cm，填筑工程弃土；第2层厚度为6 cm，其中编号为QT的7组模型第2层仍填筑工程弃土。编号为GH的3组模型第2层填筑的6 cm土层继续分为2层填筑，其中底层3 cm的土料为工程弃土，表层3 cm的土料为水泥拌和土。制备含植株的模型时，根据不同的植被覆盖度在坡面预留植株孔位，试验前再将植株移植进预留孔内。

(3) 传感器埋设。无植被模型在土层顶部、中部、底部3个位置埋设含水率传感器；有植被模型的埋设位置错开植被的预留孔，从坡顶往下均匀埋设4个监测点，依次编号为①~④号，埋设深度均为土层表面以下6 cm。

(4) 降雨。安装好降雨装置后，调节阀门以达到相应的降雨强度和雾化效果；通过电脑实时监测体积含水率传感器数据。

(5) 侵蚀量与径流量收集。准备足够数量的容器进行称重和编号，试验开始后在模型底部用容器收集径流量和侵蚀量，每隔5 min按编号顺序更换收集装置。

(6) 整理数据。将静置完全的容器进行径流量和侵蚀量的分离，统计每组试验的侵蚀量和径流量；整理和分析含水率传感器监测得的数据。

2 模型试验结果及分析 2.1 各组模型试验的土层侵蚀

降雨结束时，不同类型填土层的侵蚀现象有明显差异。对于模型内的纯弃土层，降雨造成的侵蚀非常严重。土层表面由于雨滴的击溅作用出现片蚀，随着降雨历时的增加，片蚀贯通，形成冲沟，严重时将造成土体产生整体水土流失破坏。弃土层种植植株时，相比无植被的纯弃土层，侵蚀范围明显缩小，产生侵蚀的地方大致在植株孔附近。植被覆盖度增加时，土层的侵蚀范围增加，侵蚀深度减小。这是由于在模型中击实土层的同时预留种植孔，而孔内是松散的种植土。植株种植较密时，植株孔所占土层平面的面积增加，孔内的松散土体更容易受到降雨冲刷和侵蚀，造成整个土层表面侵蚀范围变大。但由于植物叶片覆盖度增加时，对雨水激溅动能的削弱作用增强，此时土层表面的侵蚀深度小于植被覆盖度低的土层。

土层表层经固化后，其抗蚀性得到极大的提高，只出现小范围的面蚀，且面蚀区域一般出现在表层边缘，未出现侵蚀冲沟。当土层通过新型植被水泥土加固时，对比仅表层固化的土层，植被水泥土层因植株叶片拦截雨水的作用，进一步减小坡面的雨滴击溅力，坡面侵蚀现象更加微弱，仅在埋入植株的植株孔附近出现土体脱落。这说明新型植被水泥土加固方式在进行生态修复的基础上，可以显著提升土层抗侵蚀能力。

2.2 各组模型试验的径流和侵蚀特征分析 2.2.1 各组模型试验的径流率数据分析

径流率表示每段时间间隔内收集到的径流总量与该段时间之商(单位为L/min)，用以描述各组模型内填土表面的径流情况。各组试验的径流率随降雨历时变化曲线如图 4所示。由图中各组试验的径流率曲线可见，初期土壤不断吸湿，以入渗作用为主，径流率较小但增长较快。随着降雨进行，表层土体逐渐饱和，径流率逐渐增大。土层在雨滴溅蚀和坡面流作用下，其土体结构发生破坏，并伴随片蚀和细沟发育，进一步改变雨水入渗情况、影响径流，因此径流率会随时间产生一定的波动。

由图 4(a)和(b)可见，径流率随着坡度和降雨强度的增加而增加，且不同降雨强度下径流率的增幅稍大于不同坡度下径流率的增幅。坡度为40°，50°，60°时对应的平均径流率分别为0.58，0.59，0.65 L/min；雨强为3.72，4.46，5.57 mm/min时对应的平均径流率分别为0.65，0.79和0.90 L/min。对比可知降雨强度对径流率的影响大于坡度的影响。由图 4(c)和(d)可见，对比纯弃土层，固化土层在降雨过程中的径流率波动幅度较小，这说明固化后土层的坡面流和入渗都相对均匀和稳定。有植被覆盖时，虽然植被茎叶的降雨截留作用会减少雨水入渗，但植被根系种植孔范围内会形成降雨“优势流”作用，又促进了雨水入渗，导致植被覆盖程度对各组试验的径流率的影响不明显。

2.2.2 各组模型试验的侵蚀模数数据分析

侵蚀模数指单位时间和单位面积内被剥蚀并发生位移的土壤侵蚀量，表示每段时间间隔内收集到的侵蚀总量与该段时间和填土表层面积的乘积之商，用以反映填土的侵蚀动态，单位为g/(min·m²)。各组试验的侵蚀模数随降雨历时变化曲线如图 5所示。

分析图 5(a)和(b)可见，随着坡度及降雨强度的增加，侵蚀模数也在波动增加。坡度为40°，50°，60°时对应的平均侵蚀模数分别为138.53，316.78，354.44 g/(min·m²)；雨强为3.72，4.46，5.57 mm/min对应的平均侵蚀模数分别为354.44，578.38，680.71 g/(min·m²)，因此对比可知降雨强度对侵蚀模数的影响也大于坡度的影响。

图 5(a)中坡度为40°时，侵蚀模数经初期增长后便随着降雨历时的增加而降低；坡度增加时，侵蚀模数初期增长速率加快，且波动幅度也相应增加。在降雨历时的第35 min和第45 min，60°和50°的模型因填土表层产生侵蚀冲沟及局部水土流失破坏，侵蚀模数产生大幅增长。图 5(b)中雨强增加时，侵蚀模数亦明显增加。在降雨初期，不同雨强下的侵蚀模数具有接近的增长速率和明显的大小关系；在降雨中后期由于各土层的侵蚀状况不同，侵蚀模数呈现不同程度的波动。在第35~40 min时，图 5(b)中对应雨强为3.72 mm/min和5.57 mm/min的2条曲线大幅上升，这也是由于填土表层产生侵蚀冲沟及局部水土流失破坏所致。

图 5(c)和(d)中，纯弃土层破坏前的平均侵蚀模数为288.8 g/(min·m²)，固化后土层的平均侵蚀模数为2.13 g/(min·m²)，减幅为99.3%。这说明固化土很好地发挥了掺入水泥的胶凝作用，使土体整体强度提高，侵蚀减弱。图 5(c)中纯弃土层在45 min时因局部水土流失破坏导致侵蚀模数大幅上升，有植被覆盖时，平均侵蚀模数减幅约58%和38.6%，且曲线波动幅度减小，模型填土在降雨后期并未破坏，说明植被能发挥抑制雨水侵蚀、提高土层稳定性的作用。图 5(d)中固化土层经植被覆盖后，发现固化土+植被覆盖度1的填土层平均侵蚀模数最大，原因是该组试验植株孔内松散的土颗粒在径流作用下流失较多，而且植被稀疏，叶片拦雨作用不明显。固化土+植被覆盖度2的填土层平均侵蚀模数最小，对比纯弃土层，其减幅达到了99.4%。

观察植被覆盖度对侵蚀模数的影响时发现，图 5(c)中纯土+植被覆盖度2的侵蚀模数大于纯土+植被覆盖度1，这是因为在模型中击实土层的同时预留种植孔，而孔内是松散的种植土，植株一旦过密，侵蚀程度反而增加。而图 5(d)中固化土+植被覆盖度2的侵蚀模数小于固化土+植被覆盖度1，这是由于固化土层受植株移植的影响较小，此时植被覆盖度增加，叶片削弱溅蚀、减少侵蚀的作用占优，因而侵蚀模数仍随植被覆盖度的增加而降低。因此在边坡格构内采用新型植被水泥土技术进行生态修复，在考虑植株发育的情况下，可以适当增加植被覆盖度，获得更好的初期绿化效果，同时减少土层侵蚀量。

2.2.3 各组模型试验的累计侵蚀量分析

累计侵蚀量即试验中某个时间点之前所收集到的土壤侵蚀的总和(单位为g)，可以直观地反映各组试验填土的抗侵蚀性。各组试验的累计侵蚀量随降雨历时变化曲线如图 6所示。

由图 6(a)和(b)可见，累计侵蚀量随着坡度和降雨强度的增加而增加，与图 5中侵蚀模数的变化规律一致。图 6(a)中坡度的增大对累计侵蚀量的影响逐渐减小，如50°和60°的模型累计侵蚀量较接近，但坡度的增大会使大范围水土流失破坏的时间提前。图 6(b)中随着降雨强度的增加，各组模型的填土在降雨历时45 min左右便产生了大范围破坏。雨强为4.46 mm/min和5.57 mm/min时的累计侵蚀量分别为3.72 mm/min雨强的1.63倍和1.92倍，可见雨强是导致坡面土壤流失的关键因素。

由图 6(c)和(d)可见，固化后土层在整个降雨过程中表现出了较好的抗冲蚀性，特别是固化土+植被覆盖度2的填土层在降雨结束时累计侵蚀量仅有21.2 g。这说明固化土能抵消因植株种植较密所带来的负面影响，让植被在促进生态恢复的同时，更好地发挥其降雨截留、削弱溅蚀的作用。

为了更直观地观察和分析试验结果，各类填土表层的径流、侵蚀数据如图 7所示。通常情况下，由于径流是表土侵蚀的动因，所以相同试验条件下，土层侵蚀量与累计径流量的变化呈正相关关系。由图 7(b)和(c)可见，对比纯弃土层，仅考虑植被覆盖的影响时(QT-N₂，QT-P₁，QT-P₂)，径流量和侵蚀程度之间存在正相关关系，且由于植被覆盖的原因，即使径流量减幅不大，侵蚀量也明显减少。考虑固化及其联合植被覆盖的影响时(GH，GH-P₁，GH-P₂)，各试验组之间径流量差异不大，侵蚀量进一步大幅减小，但径流量与侵蚀度之间不再呈正相关关系，因为此时土层的侵蚀量受到多个因素影响。

由图 7可见，植被覆盖及表层固化对径流量的影响不明显，但能明显减小土壤侵蚀量。对比纯弃土层，只经过植被覆盖的QT-P₁和QT-P₂试样，累计侵蚀量减少幅度分别为72.3%和58.0%；经过水泥土固化及联合植被覆盖后的GH，GH-P₁，GH-P₂试样的累计侵蚀量减少幅度均达到98%以上。这说明该方式对减少边坡侵蚀的贡献十分显著，采用新型植被水泥土技术进行边坡格构内生态修复具有良好的处理效果。

2.3 降雨过程中含水率变化情况分析

土体含水量是影响其稳定性的重要因素，土壤内含水愈多，湿化程度增高，土壤颗粒之间的滑润作用加强，内摩阻力和内聚力均降低，土的抗剪强度降低。在模型土样的不同位置埋设含水率传感器，可以探究坡体内部含水率随降雨入渗的变化规律。

2.3.1 不同坡度和降雨强度下的含水率变化情况

不同坡度和雨强下填土层的含水率变化情况如图 8所示，降雨从第10 min开始。随着降雨的进行，体积含水率变化曲线大致可以分为初始平稳段、上升段、近饱和段3个阶段。在含水率变化曲线中，上升段的斜率可表示入渗速率。以图 8(a)为例进行含水率变化的分析，填土层底部、中部、顶部的含水率传感器分别在降雨后第10，15，20 min开始响应进入含水率上升段，并在含水率响应约20 min后基本达到饱和状态。其他各工况下土层含水率传感器的响应时间先后则略有不同，这与土层表面各位置的侵蚀情况有关，土层受侵蚀严重时，该处土层厚度变薄，导致传感器响应时间提前。整体而言，填土层底部位置由于雨水积聚，传感器几乎最先响应，且几乎最先达到饱和，这与试验中观察到的模型底部最先发生水土流失破坏的现象相吻合。

由图 8(a)~(c)可见，雨强不变而坡度增加时，模型填土层各个位置的含水率传感器响应时间均有一定的提前，特别是底部位置的传感器响应提前较为明显。坡度为40°，50°，60°时，含水率曲线上升段的平均斜率分别为1.50%，3.36%，2.40%，即随着坡度的增加，降雨入渗速率先增大后减小。这是因为坡度较小时，一旦表土积聚的雨量大于入渗量，坡面形成的超渗径流会一定程度地阻滞入渗；而当坡度较大时，降雨在重力作用下优先形成坡面流，这也不宜于降雨入渗。

由图 8(c)~(e)可见，坡度一定而降雨强度增加时，各含水率传感器的响应时间并未减小，原因可能是该3组试验的坡度60°较陡，雨水还未来得及入渗即随径流流走，除模型土层的传感器仍是底部最先响应外，其中部、顶部的传感器响应时间无明显变化规律。降雨强度为3.72，4.46，5.57 mm/min时，含水率曲线上升段的平均斜率分别为2.40%，3.12%，2.04%，即随着降雨强度的增加，降雨入渗速率先增大后减小。这是因为降雨强度较大时，坡面更易形成超渗径流，从而阻滞降雨入渗。

2.3.2 不同填土类型及植被覆盖下含水率变化情况

不同填土类型及植被覆盖下的含水率变化曲线如图 9所示，降雨从第10 min开始。在分析有植被覆盖时的填土层含水率变化时，一方面需要考虑植被茎叶降雨截留而减缓入渗的作用，另一方面还需考虑植株孔促进消纳坡面径流而增加入渗的作用。

由图 9(a)~(b)可见，相较于相同条件下无植被覆盖时(见图 8(b))的纯弃土层，植被覆盖延长了含水率传感器响应时间。植被稀疏时含水率在降雨开始后5~10 min开始增大，此时含水率曲线上升段的平均斜率约为2.38%；植被密集时传感器响应时间进一步推迟，约10~15 min后才响应，此时含水率曲线上升段的平均斜率约为1.68%。这说明纯弃土层中植被密集时，植被茎叶的降雨截流作用相对占优势，使得降雨入渗速率偏缓。

由图 9(c)~(e)可见，表层土经水泥固化后，土层中传感器基本在降雨10 min后响应，且土层各个位置的含水率增加比较均匀，几乎同时达到饱和状态。表层经过新型植被水泥土技术处理后，含水率传感器的响应时间进一步推迟，但植被稀疏时减缓入渗的效果更为明显，且入渗速率更为缓慢。例如，GH-P₁填土层各传感器的响应时间在降雨后20~30 min范围内，此时含水率曲线上升段的平均斜率约为0.31%；而GH-P₂填土层响应时间在降雨后10~15 min范围内，此时含水率曲线上升段的平均斜率约为1.10%。这说明固化土层中的植被密集时，植株孔促进消纳坡面径流的作用相对占优势。因此，植被水泥土技术结合了固化土改善土质、减缓入渗的性能和植被相关的水土保持性能，具有优良的植被恢复效果。

3 结论

本研究开展了在不同坡度、不同降雨强度、不同类型填土层及植物覆盖情况下，边坡格构内填土植被恢复的降雨冲刷模型试验，探究了降雨过程中各类填土层的径流、侵蚀规律及其影响因素，并通过测定填土层内部的含水率变化，分析了填土层的水力变化特性。

(1) 在降雨过程中，纯弃土层表面由初期产生局部片蚀发展到后期出现侵蚀冲沟，而采用新型植被水泥土技术加固边坡格构内填土，可显著减少表土侵蚀范围和程度。

(2) 降雨强度对土层表面径流和侵蚀状况的影响程度大于坡度的影响。植被覆盖及表层固化对径流量的影响不明显，但能明显减小土壤侵蚀量。各类填土表层产生的侵蚀量由大到小依次为纯弃土层、弃土层+植被覆盖、表层固化土层、新型植被水泥土层。相比纯弃土层，新型植被水泥土表层侵蚀量减幅达到98%以上，这说明将该方法应用于边坡格构内植被恢复时能有效防止水土流失。

(3) 随着降雨强度和边坡坡度的增加，纯弃土层的降雨入渗速率都呈先增加后减小的趋势。对比纯弃土层，表层固化降低雨水入渗速度的作用比植被覆盖更为显著。纯弃土层中植被密集时，植被茎叶的降雨截流作用相对占优；固化土层中的植被密集时，植株孔促进消纳坡面径流的作用相对占优。新型植被水泥土技术可延长格构内填土达到饱和的时间，使土体的体积含水率升高速率趋缓，有利于降雨条件下边坡格构内填土的整体稳定。

(4) 将新型植被水泥土技术运用到边坡创面的生态修复中，一方面弃土基质层固化能使坡土侵蚀程度降低，流失量减少；另一方面植株孔的漏斗效应能消纳坡面径流，提高边坡的持水性能，其水土保持效果较好。本研究试验仅分析了植被茎叶的水文作用，对植被根系在格构内填土中的加筋作用和植株孔优先流通道保证较深处土体的水分供给，满足旱时植株生长，有待进一步研究。