在高速公路建設過程中會形成大量裸露邊坡，這些邊坡土質松軟、抗侵蝕能力低，容易導致嚴重的水土流失，給公路安全和當地生態環境帶來極大影響。植被是保護邊坡和控制水土流失最有效措施之一，但植被建立過程需要較長時間，且強降雨下容易形成沖溝或細溝，種苗初期成活率低。土工織物護坡可以促進植被生長，提高植被種苗初期成活率，有效減少徑流和控制侵蝕，相對常規剛性措施護坡，施工簡單，成本低廉，低碳環保。但目前土工織物護坡減少徑流和控制侵蝕機制及其關鍵影響因素并不明確，因此，迫切需要開展不同降雨模式下不同類別土工織物護坡的研究，尤其是天然土工織物與常規土工織物的抗侵蝕性能及其工作機制的研究，這對于實現土木、水利、交通、地質、礦山和林業等邊坡基礎設施安全防護、低碳經濟和可持續發展具有重要意義。

　　土壤中的水分入滲決定著坡面徑流和侵蝕的產生和發展，同時也受到降雨強度、坡度、植被、土壤性質和坡面粗糙度等因素的影響。已有國內學者采用混凝土板塊、漿砌片石和錨噴支護等形式護坡，這些措施容易破壞自然景觀，不符合工程環保要求，而且存在造價高、施工復雜等諸多問題。肖衡林等研究了三維網墊的強度計算公式，并分析了植被和網墊強度、尺寸和厚度對護坡的抗侵蝕性能，得出沖刷時間、邊坡角度、鋪沙量對固土網墊沖刷性能的影響。肖成志等通過正交試驗法研究了不同邊坡坡度、土質、網墊類型和植草密度等對護坡性能的影響。李麗華等研究了土工合成材料和土工格柵加筋土的力學性能，提供了其用于邊坡防護的依據。RAHMA 等用一層植物殘渣覆蓋土體表面，根據土體類型和降雨及坡度條件確定最佳覆蓋水平，以防止水土流失。王廣月等利用室內放水沖刷試驗研究了不同坡度和流量下三維土工網防護的侵蝕過程及特征。鄧從等通過模擬降雨實驗比較了坡面覆蓋土工網和植被護坡的性能差異。

　　土工織物大多由滲透性材料組成，可分為天然土工織物(黃麻、椰殼、棕櫚)和合成土工織物(聚酯、聚丙烯)，總體而言，合成材料的成本明顯比纖維的高，而合成材料比天然纖維具有更好的抗拉性能、更長的使用壽命，但天然纖維的降解可為邊坡植物的生長供有機物和養分。不同類型的土工織物可用于控制土壤侵蝕，土工織物的選擇取決于現場條件。降雨造成的侵蝕是雨滴(飛濺)和表面水流動(徑流)的影響而導致土壤解體的結果。因此，對地表進行覆蓋可以減少雨滴沖擊和徑流的有害影響，減少降雨的侵蝕作用，有利于植被的建立和生長。OGBOBE 等對可生物降解土工布進行了試驗，認為這些材料有著具有很強的吸水能力，可以降低地表水的流速。JONGVIVATSAKUL 等研究表明通過水泥漿增強土工織物可提高覆蓋材料的強度和耐久性，使其在邊坡防護中效果更好。LEJCUŚ等利用吸水土工復合材料控制侵蝕，使雜草和灌木覆蓋的土壤根體積和抗剪強度增加。NGUYEN 等研究了一種由回收的天然纖維和合成纖維的混合物制成的土工布，可以防止斜坡侵蝕，有利于植被生長。土工織物的物理特性對土壤保護非常重要，例如其表面的孔隙相對尺寸、吸水能力、墊層厚度、水力粗糙度和抗拉強度是控制土壤侵蝕的關鍵。此外，邊坡的長度和坡度、土壤類型和降雨強度等因素也會影響其抗侵蝕性能。

　　雖然現有大多數研究表明土工織物在控制徑流和土壤流失是有效的，但關于土工織物減少侵蝕作用的量化分析有限。椰絲毯、秸稈毯、混合毯和無紡土工布這 4 種土工織物成本較低，易于獲取并可用于道路邊坡保護，但目前對減少徑流和控制侵蝕方面的作用及控制效果尚不明確。本文通過實地調研公路邊坡，設計了室內模擬降雨模型，并研究了不同坡度、降雨強度下 4 種土工織物覆蓋處理后的抗侵蝕性能，旨在揭示不同防護措施下，不同因素對坡面土壤水分特性、產流產沙過程的關鍵影響及變化規律，以期為因地制宜選用不同種類的護坡材料及其工程應用提供重要理論依據。

　　1. 試驗材料與方法

　　試驗采用椰絲毯、秸稈毯和椰絲秸稈混合毯 3 種天然土工織物和人工無紡土工布。

　　2. 試驗設計

　　2.1 試驗裝置及準備

　　室內模型主要由邊坡模型、模擬降雨裝置、收集裝置組成。模擬降雨設備采用課題組自行研制的人工降雨器，由鋼架和上部的 9 個降雨噴頭組成，單個噴頭可滿足面積為 2 m² 的降雨，降雨高度為 2.5 m，模擬降雨均勻度在 80% 以上，通過更換不同型號規格噴頭可模擬不同降雨強度。

　　邊坡模型試驗裝置由鋼架組成，鋼架上各放置裝滿土的木盒以模擬邊坡，模型與實地邊坡工程縮比為 1:5，坡度設置為 15° 和 35°;土樣按野外測得的土體重度分層填筑，每層土厚 5 cm，總厚度為 15 cm，每層表面用薄板刮毛，以減少分層效應。

　　在降雨試驗前，預降雨強度為 20 mm/h，以保持前期土體水分基本一致，24 h 后進行正式降雨。選用 485 型土壤水分傳感器測量含水量，其精度為 ±2%。采用垂直插入土體表面式對不同覆蓋處理的土體含水量進行測量，沿邊坡模型中軸線從坡頂、坡中到坡底整個坡面均勻布置 3 個觀測點，每隔 1 min 讀取 1 次土體含水量。每個降雨試驗重復進行 3 次，結果取平均值。

　　2.2 數據處理

　　為測試邊坡在強降雨條件下的水土流失，在降雨強度分別為 90 mm/h 和 120 mm/h 下進行 1 h 降雨沖刷試驗，每隔 6 min 更換 1 次收集水桶。試驗結束后，測量桶中水土流失物的質量和體積，靜置 24 h 并在烘箱中烘干，得到產沙量。采用 SPSS 27.0 軟件對實驗結果進行統計分析，用多因素方差分析顯著水平檢驗組間差異，并對產流時間、徑流率、侵蝕率與坡度、降雨強度、結合類型的相關性進行分析。

　　3. 結果與分析

　　3.1 坡面土體水分變化

　　3.1.1 坡面土體含水量分布特征

　　不同土工織物覆蓋下的土體含水量變化特征。不同坡位處土體含水量存在較大差異;在不同土工織物覆蓋下，土體含水量基本呈現從坡頂到坡底逐漸增加的趨勢;60 min 降雨結束時，坡底的土體含水量較坡中的高 5.6%，坡中的土體含水量較坡頂的高 8.5%。

　　在同一坡位處，15° 坡的土體含水量明顯高于 35° 坡的土體含水量。降雨結束時，在坡頂、坡中、坡底，15° 坡的土體含水量比 35° 坡的土體含水量分別高 8.8%、10.9% 和 18.7%。這表明雨水更容易由緩坡表面滲入土體內部，而在陡坡表面雨水更容易沿坡面向下流動。因此，在相同坡位處，陡坡的土體含水量均低于緩坡處的土體含水量。

　　在不同坡面覆蓋處理中，秸稈毯覆蓋處理的坡面峰值含水量為 43.6%，顯著低于其他覆蓋處理的坡面含水量，如椰絲毯覆蓋處理的坡面峰值含水量為 49.5%，較椰絲毯的低 13.5%。這是因為秸稈毯由多數縱向分布的細條線狀秸稈組合而成，在降雨過程中，下落到坡面的雨水未入滲進入土體內部，由于土體表面秸稈的引流和自身的重力作用而向下匯集，直至沿坡底流下。

　　3.1.2 坡面土體含水量對降雨的響應特征

　　在不同降雨強度下坡面土體含水量變化表現出較大差別，當降雨強度為 90 mm/h 時，裸土坡面土體含水量在 10~23 min 發生較大變化，不同坡位的土體含水量均增加了 41.9%~51.3%，之后含水量變化幅度較為平緩，而且緩坡的坡面含水量變化速率也明顯比陡坡的大;而當降雨強度為 120 mm/h 時，2 種坡度的含水量變化迅速，在 3~11 min，各坡位坡面含水量即接近最高水平且保持緩慢增長，各坡位土體含水量增加了 32.4%~80%。

　　覆蓋處理使坡面土體含水量變化出現差異，相比于裸土坡面，當降水強度為 90 mm/h 時，4 種覆蓋處理增大了坡面水分響應速率，覆蓋處理后的坡面土體含水量在 4 min 時開始明顯增加，至 12 min 時達到最高含水量，土體含水量增加了 36.2%~80.3%;而在 120 mm/h 降雨強度下，坡面含水量在 6 min 之內即可接近峰值，較降雨開始時增加 47.7%~83.3%。

　　3.2 坡面產流時間

　　坡面產流時間是指從降雨開始至坡面表面產生徑流并匯集到坡底并流下的時間。坡面產流時間在一定程度上可增加雨水對土體內部的入滲，并減小坡面徑流對坡面土體顆粒的沖刷作用，降低降雨對土體的侵蝕。不同降雨強度及覆蓋處理下坡面產流時間。對坡面進行覆蓋處理可使坡面初始產流時間明顯延長，覆蓋處理類型延長效果從大到小依次為椰絲毯、混合毯、秸稈毯和無紡土工布;當降雨強度為 90 mm/h 時，相比于裸土坡面，延長效果最好的椰絲毯使坡面產流時間延長了 2.75 min，延長效果相對較差的無紡土工布也使產流時間延長 1.8 min，這主要是由于覆蓋的土工織物對降雨的截流作用和對徑流形成的阻滯作用，在降雨過程中，土工織物表面和內部的橫向結構將降水截流并短時間內儲存，增加了坡面粗糙度，這給降雨對土體內部的入滲提供了有利條件，從而延長了坡面產流時間。而在降雨強度為 120 mm/h 時，4 種覆蓋處理對徑流時間的延緩效果比降雨強度為 90 mm/h 時的差，且 4 種覆蓋處理的延后效果差異不大，說明覆蓋處理對大暴雨條件下坡面產流時間的延后作用存在一定限值。

　　3.3 坡面徑流率

　　不同降雨強度及坡度下坡面徑流率。不同覆蓋處理的坡面的徑流過程總體可分為上升、穩定和略微下降 3 個階段;降雨開始前，坡面土體較為干燥，當雨水落到坡面時，大部分進入土體內部被土體吸收，坡面主要發生入滲，幾乎不發生徑流過程;隨著降雨時間的持續，土體含水量不斷增加，接近坡面土體飽和含水量臨界值，雨水開始匯集并轉化為坡面徑流，且徑流過程不斷增大直至達到徑流峰值，之后，徑流趨于穩定并呈一定下降趨勢。

　　坡面徑流率隨降雨強度的增大而增加，當降雨強度從 90 mm/h 增大到 120 mm/h 時，裸土坡面的徑流率變化最大，坡面徑流率增大 21.9%，而椰絲毯對降雨強度變化的影響最小，坡面徑流率只增大 17.9%。當降雨強度為 90 mm/h 時，坡面徑流率在 35 min 內增加至峰值，而當降雨強度為 120 mm/h 時，坡面徑流率在 18 min 內迅速增加并達到峰值，明顯縮短了到達峰值徑流率的時間。

　　不同影響因素組合下徑流率方差分析。不同覆蓋處理對坡面徑流率具有顯著影響(P<0.001)。秸稈毯和混合毯覆蓋后的坡面的徑流率比裸土坡面的更大，其峰值徑流率平均分別提高了 25.8% 和 10.8%，而無紡土工布和椰絲毯處理使坡面徑流率明顯降低，相較于裸土坡面，其峰值徑流率平均分別降低 10% 和 27.3%。不同覆蓋處理下徑流率的差異是土工織物的結構性差異造成的，秸稈毯和混合毯中的秸稈縱向條狀分布結構對下落到坡面的雨水具有一定的向下導流作用，相比于裸土坡面雨水對土體的入滲，這 2 種覆蓋下的坡面因秸稈的導流使雨水入滲量更少。

　　因此，坡面產生更大的徑流率，這與前文覆蓋秸稈毯后坡面的土體含水量最低的結果一致。而椰絲毯是由縱橫交錯的椰絲組成，其橫向分布的結構對沿坡面下落中雨水有一定的阻攔作用，使得雨水可以再次入滲土體，同時，椰絲相比于秸稈具有更小的體積，在相同的單位體積內，椰絲的數量多于秸稈的數量，這使得椰絲毯具有更好的吸水性，也使得坡面產生了更小的徑流。

　　在相同降雨強度下，坡度對坡面徑流率具有顯著影響(P<0.001)。坡面徑流率隨著坡度的增加而變大，當降雨強度為 90 mm/h 時，35° 坡面的峰值徑流率比 15° 坡面的峰值徑流率高 88.8%~108%，其中，椰絲毯覆蓋后的坡面徑流率對坡度變化的影響最小;而當降雨強度為 120 mm/h 時，35° 坡面的峰值徑流率比 15° 坡面的峰值徑流率高 78.6%~104%。

　　3.4 坡面侵蝕率

　　坡面侵蝕率是反映坡面降雨侵蝕強度變化的重要因素。不同降雨強度及坡度下坡面侵蝕率。不同降雨強度下坡面產沙過程不同;當降雨強度為 90 mm/h 時，坡面侵蝕率在前期快速上升，之后，不同覆蓋處理的坡面侵蝕率先后達到峰值，最后呈下降趨勢;裸土坡面的侵蝕率在 10~20 min 即達到峰值，明顯早于其他處理組，這是因為當降雨強度為 90 mm/h 時，降雨前期階段以雨水入滲土體為主，還未產生徑流和攜帶泥沙顆粒;隨著降雨的持續，土體水分接近飽和狀態，雨水開始停止入滲并向下流動，形成徑流并產生坡面土顆粒的搬運，在這個過程中，徑流和產生的泥沙不斷增大直至達到峰值，因降雨的侵蝕力有限，坡面表層可沖刷的土顆粒急劇減少，并由于覆蓋處理的保護作用使侵蝕率不斷下降;而當降雨強度為 120 mm/h 時，土體單位面積內的雨量增多，土體吸收水分的速率大大加快，這使得侵蝕率在 6~12 min 即到達峰值，之后侵蝕率不斷降低;坡面侵蝕率隨降雨強度的增大而增加，當降雨強度由 90 mm/h 增大到 120 mm/h 時，不同覆蓋處理后坡面的侵蝕率增加 31.9%~70.9%，這是因為降雨強度的增大使雨水落下時的動能變大，單位時間內落到坡面的雨水總量也增加，侵蝕能力變強，坡面的侵蝕率增加。

　　坡面覆蓋類型對侵蝕率具有顯著影響(P<0.001)，整體來講，裸土坡面的侵蝕率最大，其余覆蓋處理的侵蝕率從大到小覆蓋處理處理依次為秸稈毯、混合毯、椰絲毯和無紡土工布;當降雨強度為 90 mm/h、15° 坡面時，秸稈毯、混合毯、椰絲毯和無紡土工布覆蓋處理后的坡面侵蝕率比裸土坡面的坡面侵蝕率分別減少了 58%、60.5%、70.7% 和 73.5%，且秸稈毯、混合毯和無紡土工布覆蓋后的坡面產沙峰值時間比裸土坡面的產沙峰值時間延長 6~10 min;當降雨強度為 90 mm/h、35° 坡面時，4 種覆蓋處理后的坡面侵蝕率比裸土坡面的減少 137.2 g/min，無紡土工布的減沙效果仍優于其他處理的減沙效果;當降雨強度為

　　120 mm/h 時，4 種覆蓋處理中效果最差的秸稈毯也使 15° 坡和 35° 坡的坡面侵蝕率分別減少了 108.3% 和 73.7%。與降雨強度 90 mm/h 時相比，降雨強度為 120 mm/h 時，產沙峰值時間明顯提前，在 15° 坡，裸土坡面在 6 min 即達到產沙峰值，其他 4 種土工織物覆蓋處理的坡面在 12 min 達到峰值;而在 35° 坡，裸土和 4 種覆蓋處理后的坡面在 6 min 均達到了產沙峰值，強降雨和陡坡因素均使產沙峰值時間明顯提前。

　　不同影響因素組合下產沙方差分析，坡度對坡面侵蝕率具有顯著影響(P<0.001)。當降雨強度為 90 mm/h 時，35° 坡的峰值侵蝕率比 15° 坡的高 88.2%;而當降雨強度為 120 mm/h 時，35° 坡的峰值侵蝕率比 15° 坡的高 173.6%，這說明強降雨條件下，坡度的增加對侵蝕率的變化更加明顯。

　　3.5 相關性分析

　　降雨強度、覆蓋類型、坡度與產流時間、徑流率、侵蝕率相關性分析，當降雨強度相同時：坡度和覆蓋處理類型是影響產流時間的關鍵因素，坡度與對坡面初始產流時間呈極顯著負相關關系，且覆蓋處理類型對坡面產流時間的相關性大于坡度和雨強，因此，坡面的覆蓋處理對坡面產流時間的控制十分重要。降雨強度和坡度與徑流率、侵蝕率呈正相關關系，而覆蓋類型對徑流率和侵蝕率呈極顯著負相關關系。坡面產流產沙過程與坡度的相關性大于其與覆蓋類型和降雨強度的相關性，因此，邊坡坡度對坡面徑流和侵蝕的控制十分重要。

　　4. 討論

　　土體含水量受到降雨強度、坡度和表面覆蓋等因素的綜合影響。坡面土體含水量從大到小的位置依次為坡底位、坡中位、坡頂位。在降雨開始后，裸土坡面含水量先緩慢增長，之后快速增加，其中，裸土坡面的產流時間最短，徑流率較其他處理的坡面增加得更快，侵蝕率也在 20 min 內達到峰值。

　　其他覆蓋處理使土體表面不易發生結皮現象，相比于裸土在較短時間內含水量達到峰值，徑流形成和產流時間也相應延長，其徑流率和侵蝕率峰值時間也相應延長。4 種覆蓋處理均延長了坡面徑流時間，其原因是覆蓋的土工織物和無紡土工布有一定的吸水能力，而且覆蓋保護后坡面增加了粗糙度，使雨水在下流過程中會受到覆蓋物的截流作用，這同時增加了雨水在坡面的流動時間，促使雨水多次下滲，形成了更長的產流時間。椰絲毯在延緩產流時間中具有最好的效果，其具有縱橫交錯的椰絲組成的網格狀結構，類似于微型土工格室的網格將雨水截流，增大了雨水沿坡面流動的阻力，對雨水下滲也起到促進作用;由大量椰絲組成的椰絲毯具有更高的吸水能力，降雨開始時，下落到坡面的雨水被椰絲毯所吸收，在前期未形成水分入滲，只有當椰絲毯達到自身吸水能力極限時，大規模的水分入滲才開始，相比于其他覆蓋和裸土組明顯延長了產流時間。

　　不同覆蓋處理顯著影響坡面徑流過程，土工織物的覆蓋作用增加了坡面表面粗糙度，能使雨水在坡面產生局部湍流和渦流從而減小徑流速度，徑流可以在斜坡上停留相對較長時間;椰絲毯的吸水能力有效降低了徑流率。秸稈毯、混合毯的徑流控制效果相對較差，這是由于組成中的秸稈密度小于水的密度，在一定降雨強度下，表面形成的徑流使內部的秸稈產生浮力，造成了秸稈產生位移。

　　與徑流率不同，裸土的侵蝕率最大，而其他覆蓋處理的坡面侵蝕程度明顯降低。土工織物覆蓋層具有直接保護土體不受雨濺沖擊的屏障作用，保持了土體結構穩定性，有效控制了雨濺侵蝕。當土工織物變濕時會膨脹并黏附在土體表面，增強了土體和土工織物間的懸垂性，從而減少了土體的侵蝕。雖然秸稈毯、混合毯對徑流的控制效果一般，但對土體侵蝕控制效果較好。無紡土工布對侵蝕率的控制效果最好，這是因為無紡土工布相比于其他土工織物具有更加致密的表面結構，有更好的屏障作用，無紡土工布表面形成的徑流并沒有與下面的土體物質混合，所以，土工布覆蓋的坡面有最低的侵蝕率。

　　當降雨強度為 90 mm/h 時，不同處理坡面的侵蝕率都逐漸增加，到達最高值后依次遞減，其原因主要是降雨初期，坡面土體比較松散，而降雨過程初期坡面主要發生濺蝕和面蝕，坡面重度小的顆粒更容易受到雨滴和徑流的侵蝕，經過一段時間后，表層可供侵蝕的顆粒逐漸減少，侵蝕率也相應減小;而當降雨強度為 120 mm/h 時，短時間內即發生了坡面溝蝕，侵蝕在短時間內即達到峰值，之后緩慢下降。

　　綜上分析可知，與裸土坡面相比，覆蓋處理后坡面的產流時間均有不同程度延長，土工織物護減流效益表現出明顯差異，土工織物內部組成和結構對坡面的產流產沙有重要影響，強降雨下土工織物的減流減沙效果有所降低，椰絲毯覆蓋護坡控制水土流失效果最優。

　　5. 結論

　　在不同坡位處土體含水量差異明顯。在不同降雨強度、覆蓋類型和坡度下，土體含水量從大到小的位置均為坡底位、坡中位、坡頂位，土工織物覆蓋后的坡面水分響應較裸土有顯著滯后，而緩坡土體含水量大于陡坡的含水量。

　　經土工織物覆蓋保護后，坡面產流時間較裸土均有明顯延長，其中，椰絲毯具有最好的時間延長效果;在降雨強度為 90 mm/h 時，坡面覆蓋后的產流延長效果比 120 mm/h 時的產流延長效果明顯。

　　坡度和覆蓋類型對坡面的徑流率有顯著影響，秸稈毯和混合毯處理的坡面的徑流比裸土坡面的徑流更大，而椰絲毯和無紡土工布大大降低了坡面徑流;坡度越大，坡面產生的徑流越大。

　　4 種覆蓋處理均明顯降低了坡面產沙，其中無紡土工布覆蓋效果最好，相比于裸土，減沙效益達到了 173%;覆蓋后的坡面產沙峰值時間較裸土坡面延長了 6~10 min。說明對坡面進行覆蓋保護可有效防治公路邊坡水土流失。

李麗華;賈志勇;肖衡林;林宇亮;李賁;楊俊超,湖北工業大學土木建筑與環境學院;中南大學土木工程學院;廣州市建筑集團有限公司,202412