植被防护土坡水土流失计算方法

土坡一般会面临水土流失和崩塌或滑移等问题,因此非常需要了解导致这些问题的原因及防治措施。一般来说,重力是驱使土坡滑移的主要因素,风力和水力作用则是水土流失的主要原因,植被防护可以有效防止水土流失和土坡滑移。

水力、风力和冰冻等外力的冲击作用、拖拽或掀翻作用、冻融干湿循环等物理风化作用以及化学或生物风化作用,使岩体破裂粉碎或使土颗粒之间的胶结断开,从而面层土脱离地表并随外力作用迁移,一般把这一过程称为水土流失。边坡表层受风力、水力物理风化作用,使面层土开裂碎解成细粒状、条片状,在重力、水力、风力作用下沿坡面“剥落”；边坡松散土层在降雨或地表径流的集中水流冲刷侵蚀作用下,沿坡面形成沟状“冲蚀”破坏；先形成密集的“纹沟”,继而发展成“细沟”,逐步加大直至发展成“切沟”或“冲沟”密布于坡面,引起坡面坍滑等破坏；另外,松散坡土被水流挟裹搬运形成“泥流”。水土流失一般从几厘米到几十厘米深,其中以“细沟”侵蚀破坏作用最强。

影响边坡水土流失的因素很多,有干旱程度、降雨强度、降雨的冲蚀力、径流量的大小、水流速度和流量、水流冲刷挟带泥沙的能力、地表粗糙度、坡度、坡长、土质类型及组构、土颗粒之间的胶结程度、土的含水量、植被类型等。其中,水土流失的外因——水力、风力和冰冻的作用大小一般受流速、流量和土坡坡度、坡长及粗糙度的影响,而决定抵抗水土流失的内因——土的内在摩擦和黏结作用的强弱则受土的基本特性、土颗粒之间的胶结程度、土颗粒间的物理化学作用等的影响。一般地,级配良好的粗砾石的可蚀性较低,而均匀的粉土和砂土的可蚀性较高,土的可蚀性随黏粒和有机质的含量及含水量的增加而降低,随离子强度的减少而增加。在较长较陡的土坡中设置横向的截流浅沟,利用植被防护增加地表粗糙度、降低水力冲刷和风力能量,以及利用植被根系增加土的强度,能够很好地抑制水土流失的程度[1～2](Gray和Sotir,1996；唐德富和包忠谟,1991)。

根据交通部出台的《交通、水运交通发展三阶段战略目标》,2010年全国公路总里程将达180万km,其中二级以上公路达36万km,2020年全国公路总里程将达230万km,其中二级以上公路达55万km,2040年公路总里程将超过300万km,其中高速公路总里程达8万km。我国有2/3国土处于山区或丘陵地区,公路的大量建设会形成大量的边坡。边坡的开挖使地表植被遭到破坏,水土流失加剧,同时还可能造成崩塌、滑坡等,给工农业生产和人民生活带来严重危害。

我国目前正在面临两大主要水利生态环境难题:一是水土流失,水土流失面积占国土面积的1/3左右；另一个则是水资源短缺和水环境恶化。黄河流经的黄土高原是世界上水土流失最为严重的地区,平均每年向黄河输入泥沙16亿t,造成黄河下游泥沙淤积、河床抬高、水资源紧缺。长江上游金沙江、嘉陵江及三峡区间、中游支流等地区水土流失也非常严重,常常会发生滑坡和泥石流。水土流失、水资源短缺和水污染等生态问题已经成为水利良性发展的重要制约因素,搞好水土保持以及水环境的改良需要全新的理论支撑[3～4](董哲仁,2003)。(www.xing528.com)

西方国家非常注重水土保持以及水环境改良等生态环境建设问题[5～9](O’Neill等,1986；Odum,1989；Gosselink,1990；Mitsch,2000,2004)。我国近几年水利工作的重点,如治淮等大江大河治理、南水北调工程、病险水库除险加固、人畜饮水工程、大型灌区节水改造等水利工程建设,都在遵循着开发利用水资源的同时兼顾生态系统健康的研究思路和研究主题。我国近几年长江防洪建设工作方针也已经形成以堤防为基础、三峡工程为骨干、水土保持相结合的综合防洪体系。

依照传统水利工程学的做法,江、河、湖、海的堤防岸坡为了防止水流和波浪对岸坡土体的冲蚀和淘刷造成侵蚀、塌岸等破坏,往往会采用砌石护坡、堆石护坡、现浇或预制混凝土板护坡等。传统施工工艺,不仅费时费钱,而且有时还会产生工程质量问题。另外,在大气、水和生物作用下地表面层会发生劣化/风化。干湿、冷热和冻融等引起的物理风化,以及溶解、水化、水解、酸化和氧化等引起的化学风化甚至生物风化,都会引起面层材料的劣化或失效。堤坝及边坡中由于长期经受风力和水力侵蚀、湿胀干缩、热胀冷缩等的作用,往往还会在土坡内部引起许多裂隙等[10](沈珠江,2004)。裂隙是危及土工建筑物安全的主要灾害之一,如何解决堤坝及边坡中的裂隙问题,多年来也一直是国内外岩土力学专家致力研究的重大课题。这些问题如果还只是采用传统水利工程学的做法(例如灌浆)去解决,往往还会带来其他方面(例如生态环境方面)的问题。

水土流失和岸坡失稳破坏问题已经成为人类与自然环境间相互作用、相互冲突的重要问题。为了做好水土保持以及水环境改良等生态环境建设工作,保护或修复水生态系统,维护河流健康生命,就必须想办法解决上述诸如水土流失、侵蚀、崩岸、风化以及裂隙等水利水电工程建设中的岸坡防护技术难题,协调好“工程水利”与“生态水利/资源水利”这一对矛盾。人为活动所形成的许多岸坡,若仅凭自然界自身的力量去恢复生态平衡,需要经过数以千百年计的漫长年代[11](Schor和Gray,1995)。因此,非常有必要研究出取代传统“硬质、非生态型”岸坡防护的“活性、生态型”岸坡防护的复合型理论和技术,找到一种既可确保岸坡稳定又能帮助改良生态环境的岸坡有效加固的经济合理的生态防护方法[12～13](周成,2005)。

“恢复生态环境”已成为21世纪人类文明、经济发展的重要课题。发达国家比较重视环境绿化,如美国、法国、加拿大、澳大利亚等国家到处绿草如茵,日本、我国香港的岸坡绿化起步也比较早,在工程建设中他们的主导思想是建设与绿化同步进行。随着我国经济实力的增强和人们环保意识的提高,对生态环境的保护与研究越来越受重视,国家颁布的《中华人民共和国水土保持法》对植被环境保护也有明文规定。许多研究表明,植被系统不但有利于涵养水源、水土保持、帮助改良生态环境,而且如遇突发暴雨,也能有效拦截雨水,延长汇流时间,削减洪峰流量,减少洪水对堤坝的冲击力[14～17](Gray和Megahan,1980；Gray和Leiser,1982；Rustom和Weggel,1993；Martin,2003)。它能够使水利水电工程建设与水土流失、水生态系统环境恶化这一矛盾得以缓解。