0 引言

南方雨季的强降雨对土体不断冲蚀造成边坡坍塌是工程常见病害之一，尤其是新开挖边坡更为明显。植物防护不但能美化环境、改善生态平衡，还对提高坡面抗冲刷能力和边坡稳定具有重要作用^[1-5]。当坡面种草植树后，植物根系犹如加筋条带不断深入土层，将坡体表面一定厚度的土体充分固化，减少地表流水的浸蚀切割破坏^[6-16]。然而，在边坡开挖或填筑施工刚完成的1~2 a内的人工边坡，尚未生长充分的短小植物根系和稀疏叶片，无法形成植被覆盖和根系固化作用，坡面土体易受雨水冲刷和入渗影响而发生边坡滑塌破坏^[17-19]，因此，必须着重研究人工边坡形成初期的绿化防护问题。目前边坡植被绿化方法较多，并取得了一定的效果^[20]，但仍存在不足。人工播种技术、液压喷播技术成本低廉，但坡面生态防护恢复需要时间长，前期受雨水冲刷及风吹日晒影响，在较高边坡效果不佳；移栽技术，植被成活率高，绿化速度快，但需预先栽培，并且二次运输及施工成本高；植生袋、厚层基材喷播技术虽比较成熟，且恢复效果好，但未能解决暴雨冲刷入渗问题，且成本较高；三维网在暴雨冲刷下常会整片剥离原坡面，且塑料制品对环境存在污染；土工格室，抗冲刷能力强，但成本高，后期环境效应差。本文提出一种新型生态护坡方法，不但能即时发挥抗冲刷作用，又能促进坡面植被快速生长，同时生态环保。

在农村，稻秸杆大部分都被废弃，并且普遍采用焚烧方法处置，对空气环境造成严重污染。鉴于废物利用和生态环保的理念，本文根据植物根系加筋土体原理，提出一种利用稻秸杆进行边坡生态防护的稻秸杆泥皮护坡方法，该方法预先将稻秸秆与黏土拌和，然后摊铺于坡面，形成一个泥皮结构，稻秸秆发挥植物根系作用，而泥皮流塑变为干硬状态在坡面形成了一个有效的保护壳，不但能使坡面土壤具有一定的固化强度，而且又适合稻秸秆植被生长，同时施工简单、造价低廉，能够抵抗强降雨的冲刷。

1 稻秸杆泥皮护坡方法简介

稻秸杆泥皮材料主要由黏土和废弃稻秸秆组成。施工方法为将黏土加水拌和，并将裁剪后的稻秸秆添加到黏土中拌和均匀，拌和物呈流塑状，按照一定厚度均匀喷施(摊铺)到边坡坡面，然后抹平坡面并喷播种子，最后覆盖防护土工膜即可完成边坡防护施工。将黏土加水搅拌成流塑状能排出土体内部气体，干燥后形成一层坚硬密实的泥皮。在搅拌中加入的稻秸秆在泥皮中横纵交错，起到与植被根系类似的加筋土作用，将土体相互联结成为整体，加强了泥皮整体性能。另外，泥皮表层植被生长过程中，稻秸秆自动腐化分解，转为植被吸收的养分，有效促进植被生长，当植被充分生长茂盛后，发达根系填充到稻秸秆腐化形成的空隙，最终形成有效的植被的生态防护。稻秸杆泥皮护坡方法具有植被绿化功能良好、造价低廉、符合生态环保理念，并能大幅减少或避免强降雨对坡面冲刷的优点。

2 稻秸秆泥皮材料物理力学性能 2.1 稻秸杆泥皮材料室内制作

将稻秸秆裁剪成7.5 cm长度，按稻秸秆含量20 kg/m³的配比，掺入黏土中加水调制成流塑状，搅拌过程中不断添加稻秸秆直至所有稻秸秆都充分与黏土拌和，最后按10 cm厚度均匀摊铺于试验边坡坡面上。

试验所用黏土的物理指标如表 1所示，要求含砾量小，黏性大。

2.2 稻秸杆泥皮材料的物理力学特性试验及分析 2.2.1 干密度试验

对稻秸秆泥皮和纯泥皮分别进行不同含水量配比的干缩过程干密度变化测试试验，并对同一土样采用标准轻型击实试验(分3层击实，每层25击)求得不同含水量土样的干密度，其结果如图 1所示。

从图 1可见，击实土样的干密度与含水量呈抛物线关系，含水量18.1%对应的干密度最大。与击实土样不一样，纯泥皮和稻秸秆泥皮土在含水量逐渐减小的干缩过程中，干密度不断增大，但含水量减小到18.1%后增幅很小，总体呈半抛物线状。对比击实土样、纯泥皮、稻秸秆泥皮三者干密度, 在含水量大于最优含水量18.1%时，纯泥皮、稻秸秆泥皮的干密度略小于击实试验得到的干密度; 但含水量小于18.1%时，纯泥皮、稻秸秆泥皮的干密度在干缩过程中继续增大，明显大于击实试验得到的干密度, 这说明在土粒加水充分拌和后，土粒自然干缩密实，土体孔隙率很小，所得到的干密度很大，在小于最优含水量时，其干密度大于击实土样。相对于纯泥皮，稻秸秆泥皮干密度略小，其原因是稻秸秆自身密度小于纯土颗粒密度，同时稻秸秆的加筋牵拉作用有效减小泥皮的收缩。

2.2.2 渗透性试验

干缩后的泥皮结构坚硬，环刀取样困难，无法适用常规渗透试验。为了测试泥皮结构的渗透性能，本文设计了简易渗透试验方案：取泥皮土样制作成方形砖试样，在中间植入环刀并用蜡封闭四周，在环刀中保持1 cm水柱高度的渗透水头，在底部垫一层试纸，当确定试纸湿润时，即可得到整个泥皮层厚的渗透时间。

方形砖试样尺寸为30 cm×30 cm×10 cm，30 cm的长宽能保证水从环刀渗透到底部的时间小于厚度方向的渗透时间。通过不同击实试验所得的击实土样以及纯泥皮、生长植被后的稻秸秆泥皮3种材料制作成的试样进行渗透试验，得到与泥皮对比分析的试验结果如表 2所示。生长植被后的稻秸秆泥皮如图 2所示。

从表 2可以看出，15%含水量击实黏土的渗穿时间为1.5 h，而最优含水量击实黏土需要10 h，说明密实度能大大提高土体的抗渗性能，含水量在21%时为8 h，说明土体饱和度亦能影响土体渗穿时间。相对于击实黏土，泥皮结构的渗穿时间明显提高，达到21 h，主要是泥皮在拌和过程中空气排尽，颗粒合理重新分布，干结后密实度明显提高，土体空隙较小。稻秸秆泥皮抗渗时间比纯泥皮多7 h，稻秸秆在泥皮中横纵交错，起到类似植被根系的作用，将土体相互联结成为整体，加强了泥皮整体性能，同时，稻秸秆具有的保水储水能力，使稻秸秆泥皮的抗渗能力得到提升。植被生长后稻秸秆泥皮经过32 h才渗穿，比稻秸秆泥皮结构多了4 h，说明根系生长有效填充土体的内部空隙，增大了水体的渗径，延长渗穿时间，另外根系的吸水性能亦是延长渗穿时间的一个重要因素。

2.2.3 崩解性

一种良好的护坡材料，其在降雨饱水以及干湿循环情况下依然具备抵抗雨水冲刷能力，则要求材料结构具备一定的抗崩解性。试验方法^[21]为：将制作好的稻秸秆泥皮材料放置于静水中，观察其崩解过程。干湿循环崩解试验测试为：将试样放在水(室内温度23~24℃，室内玻璃皿水温20~21℃)中浸泡1 h，然后将试样取出在阳光下烘晒(室外温度28~32 ℃)1 h，再放入水中浸泡1 h后观察其崩解性作为一次干湿循环。为对比分析稻秸秆泥皮的崩解性，分别对击实样(含水量18.1%，压实度95%)、纯泥皮(含水量17.9%)、稻秸秆泥皮(稻秸秆含量20 kg/m³，含水量18.0%)3种材料进行对比分析。试验结果如表 3所示。

从上述试验结果看出，击实土样在静水连续浸泡24 h崩解1/2，1次干湿循环即完全崩解，说明颗粒之间的黏结力很弱，干湿循环后不具备抗崩解能力。纯泥皮结构在静水连续浸泡24 h崩解1/4，4次干湿循环后完全崩解，崩解后部分呈片状，说明经过搅拌干硬后的泥皮抗崩解能力明显提高；稻秸秆泥皮在静水连续浸泡24 h依然未崩解，只有少量边界颗粒脱落，经过5次干湿循环后崩解量为1/2，崩解呈团状，并且崩解体之间仍有稻秸秆联接，并未完全分离，说明稻秸秆能有效提高泥皮结构的抗崩解性能。

2.2.4 干缩开裂特性

将泥皮材料装入到直径10 cm、高10 cm的PVC管中，在阳光照射下自然风干，通过测量试样的干缩深度确定材料干缩性能，再通过测量试样表面裂缝尺寸确定材料开裂特性。为了对比分析，本文采用稻秸秆含量0，5，10，20，30 kg/m^-3，30 d不同稻秸杆含量泥皮的干缩开裂情况如图 3所示。其对比分析测试结果如图 4和表 4所示。

从图 4可知，在前15 d干缩深度迅速增大，15 d后干缩深度增速降低，30 d后干缩深度趋于稳定。0 kg/m³稻秸秆含量(纯泥皮)30 d的干缩深度最大，为32 mm，5 kg/m³的干缩深度为19 mm，而30 kg/m³的干缩深度最小，仅为4 mm，不同稻秸秆含量泥皮结构的干缩深度对比发现，稻秸秆含量愈大，干缩深度愈小。

从表 4稻秸秆泥皮30 d试验裂缝统计结果可以看出，除纯泥皮未出现裂缝外，随着时间的推移，图 3(b)~(e)中，裂缝长度、深度、宽度均增大，多条小裂缝发展融合为大裂缝，尤其5 kg/m³含量的稻秸秆泥皮结构，30 d后多条裂缝形成了一条贯通裂缝；图 3(a)中纯泥皮未出现裂缝，但是在0.5 m×1 m大尺寸试样(图 3(f))时，得到的结果却不相同，在长度方向出现两条贯穿裂缝，裂缝宽度最宽达25 mm，裂缝深度贯穿整个泥皮厚度(100 mm)，其主要原因还是尺寸效应，当纯泥皮结构尺寸较小时，即使泥皮结构强烈收缩，由于内部无稻秸秆干扰，反而形成一个团块，不易开裂，而大试样纯泥皮结构无法达到收缩一致，产生极大的收缩应力，而内部缺乏稻秸秆加筋作用，直接造成了纯泥皮结构的断裂。总体上，稻秸秆含量增大，无论是泥皮的总裂缝长度还是最大裂缝宽度，均明显减小。

从以上分析可以看出，稻秸秆不仅能有效减少泥皮的干缩量，而且还能有效减少裂缝扩展数量、宽度、长度。因此，稻秸秆起加筋固化泥皮作用，能有效减少干缩裂缝发展。

3 稻秸杆泥皮护坡的强降雨冲刷模拟试验结果及分析 3.1 试验方法

为了测试泥皮护坡的抗降雨冲刷能力，本文设计的模拟降雨冲刷试验装置如图 5所示。将1 m×1 m×0.3 m箱子0.2 m高度填满黏土并击实，最后0.1 m高度采用泥皮进行覆盖并抹平，然后将箱子按照1: 1的坡率立于支架上。待边坡泥皮风干(含水量约18%)后，通过水龙头引水，转子流量计与水表控制水量大小，利用花洒面积换算成降雨量，通过花洒对边坡进行冲刷，并通过收集装置收集泥沙冲刷量。

3.2 边坡降雨冲刷试验结果及分析

为了对比分析稻秸秆泥皮护坡的冲刷性能，试验采用无坡面防护的裸坡、纯泥皮护坡、含量20 kg/m³的稻秸秆泥皮护坡进行强降雨冲刷模拟试验。边坡坡率1: 1，模拟特大暴雨的雨强100 mm/h。由于初始冲刷量较大，故冲刷开始的第1 h内每15 min测量一次冲刷量，1 h以后每小时测量一次，6 h后测量间隔逐渐加大。

试验冲刷量测试结果如图 6所示。结果表明，开始15 min 3种材料的累积冲刷量分别为12.8×10^-3，5.3×10^-3，4×10^-3 m³，裸坡冲刷量最大，而稻秸秆泥皮护坡冲刷量最小。当冲刷3 h 12 min后裸坡开始滑移破坏，此时累积冲刷量为53.5×10^-3m³。纯泥皮护坡则在冲刷24 h后发生滑移破坏，此时累积冲刷量为13.8×10^-3m³。稻秸杆泥皮护坡72 h的冲刷量仅为9.0×10^-3m³，未产生滑动迹象，并且随冲刷继续，冲刷量只是略微增大，冲刷后的水流清澈，说明稻秸杆泥皮能极大提高边坡抗冲刷能力，连续3 d降雨冲刷依然保持边坡稳定。

从图 7所示的边坡破坏形态并结合冲刷过程分析，裸坡的冲刷量很大，随着土体流失，尤其边坡中下部的土体流失，使得部分坡面产生镂空，边坡坡率变陡，最终导致边坡滑塌。纯泥皮护坡的泥皮干结变硬后，形成的壳体能有效减缓坡面土体的雨水冲刷，使纯泥皮护坡比裸坡能大幅提高抗冲刷性能，但由于泥皮干缩固结过程中收缩变形产生的两条土体贯通裂缝，在雨水冲刷过程中，雨水不断沿着裂缝薄弱环节冲蚀并且入渗，同时泥皮结构没有稻秸秆的加筋作用，泥皮吸水饱和后强度明显降低，雨水的溅蚀和冲刷持续作用，不断瓦解原来相互粘结的黏土颗粒，最终导致边坡失稳破坏。稻秸秆泥皮护坡的泥皮干结后与土中稻秸秆形成了一个有机整体，稻秸秆保水作用使混合料水分变化幅度减缓，同时稻秸秆的加筋牵拉作用，使得坡面泥皮不会出现大型贯通裂缝，只有局部浅层裂纹，裂纹深度不超过1.0 cm。由于浅层1.0 cm左右裂纹的存在，使前36 h稻秸秆泥皮护坡累积冲刷量达到7.9×10^-3m³，但失去浅层泥皮黏土后，裸露坡面的稻秸秆(图 7(c)所示)类似于坡面植被，另一端坡面黏土中的稻秸杆则类似于植被根系的牵拉作用，部分脱离土体后与未脱离稻秸杆的相互缠绕，形成了一个由稻秸秆为面层的有机保护罩(图 7(c)所示)。当雨水冲刷坡面时，这个保护罩消耗了雨水大部分动能，雨水从罩面上流走，避免了对坡面黏土的进一步冲刷，所以36~72 h的冲刷量只有1.1×10^-3m³，最终试验72 h的累积冲刷量仅为9.0×10^-3m³，并且坡面稳定。这表明稻秸秆泥皮护坡能有效保护边坡土体不受雨水冲刷侵蚀。

4 稻秸秆泥皮护坡材料参数影响冲刷的试验研究 4.1 稻秸秆含量对降雨冲刷的影响

为分析不同稻秸秆含量的泥皮抗冲刷能力，通过对稻秸秆含量分别为0，10，20 kg/m³和30 kg/m³的稻秸秆泥皮护坡进行降雨冲刷试验。边坡坡率以及降雨情况与3.2相同，稻秸秆泥皮结构含水量约为18%。其试验结果如图 8所示。

从冲刷结果可以看出，纯泥皮护坡和稻秸秆含量10 kg/m³的稻秸秆泥皮护坡分别在24 h和55 h后产生滑移破坏，破坏前冲蚀量分别为13.8×10^-3m³和12.1×10^-3m³，而稻秸秆含量20, 30 kg/m³的稻秸秆泥皮护坡在冲刷72 h后仍没有破坏，累计冲蚀量分别为9.0×10^-3m³和7.9×10^-3m³。可见稻秸秆含量越大，抵抗强降雨冲刷效果越明显。其原因是稻秸杆加固层能有效抵抗雨滴溅蚀，尤其是浅层土体被冲刷后，裸露的稻秸秆直接形成一层保护罩，稻秸秆含量大，保护罩的厚度和密度相对更大，抵抗雨水冲蚀效果就愈明显。含量30 kg/m³泥皮护坡冲蚀量在66 h后陡增，其原因是由于坡脚汇水量大，稻秸秆含量过大而土体过少，稻秸秆黏结力不足导致边坡底部稻秸秆整体被雨水冲蚀带走，局部失稳破坏，此种情况会随着稻秸秆含量增多而愈加明显，另外稻秸秆含量太高，拌和工作能耗大，搅拌不充分，机械施工会在搅拌时产生卡死或者在喷施中产生堵塞等不利情况，因此建议稻秸秆含量在20 kg/m³为宜。

4.2 稻秸秆长度对降雨冲刷的影响

稻秸秆是加筋材料，其长度直接会影响泥皮的抗冲刷能力，本文对稻秸秆长度2.5，5，7.5，10 cm 4种长度进行了试验，边坡坡率以及降雨情况与3.2相同，稻秸秆含量20 kg/m³，稻秸秆泥皮结构含水量约为18%，其结果如图 9所示。

从图 9可见，稻秸秆长度2.5 cm的泥皮护坡在冲刷55 h后发生失稳滑动，54 h的冲刷量为12.9×10^-3 m³，稻秸秆长度分别为5，7.5 cm和10 cm的泥皮护坡经过72 h仍没有滑动迹象，冲刷量亦较小，总体上泥皮冲刷量随稻秸秆长度增加而减小。出现以上现象的原因是稻秸秆长度增加，稻秸杆与土体有效黏结长度亦增加，因此稻秸秆抗拔力提高，而过短的稻秸秆易被降雨滴溅冲刷脱离土体导致抗拔力失效。由图 8亦可发现，长度7.5 cm和10 cm的稻秸秆泥皮冲刷量较为接近，稻秸秆长度提高到7.5 cm后，满足了雨强冲刷力的临界要求，此时单纯增加稻秸秆长度，提高抗冲刷效果就不那么明显了。另外，考虑稻秸秆长度增加，需要增加额外的能耗和施工难度，因此建议采用7.5~10 cm稻秸秆长度为宜。

4.3 稻秸秆泥皮含水量对降雨冲刷的影响

拌和完毕的泥皮呈流塑状，抗冲刷能力差，随着含水量降低，泥皮干结硬化，与稻秸秆紧密咬合，抗冲刷能力逐步提高。边坡坡率以及降雨情况与3.2相同。不同含水量状态下的稻秸秆泥皮冲刷试验结果如图 10所示。

从图 10可见，当含水量为25%和21%时，泥皮处于可塑状态，尚未干结硬化形成一个整体，土体抗滴溅和冲刷能力弱，在强降雨分别冲刷10 h和31 h后滑移破坏，其冲刷量分别为15.6×10^-3 m³和12.9×10^-3 m³。但随着含水量减小，泥皮干缩密实，稻秸秆包裹在土体中不易拔出，浅层冲刷后土体被上部稻秸秆所覆盖，从而使含水量为18%泥皮的抗冲刷能力明显提高。

对比18%和15%含水量的泥皮冲刷情况，15%含水量泥皮的冲刷量略大于含水量18%泥皮的冲刷量，其原因是干结的稻秸秆泥皮均出现了较多裂纹，但由于稻秸秆的牵拉加筋作用，使这些裂纹并未贯通，但含水量15%泥皮的裂纹数量和规模明显大于含水量18%的泥皮，当雨水冲刷时，这些裂纹是泥皮最容易蚀毁部位，由此出现15%含水量的稻秸秆泥皮冲刷量略大于18%含水量的现象。由此可见，抗冲刷能力最好的泥皮含水量为18%左右。

5 结论

(1)稻秸秆泥皮干缩过程的含水量降低而干密度增加，小于最优含水量时稻秸杆泥皮的干密度大于击实土的干密度，试验表明干缩后的稻秸秆泥皮具有很高的密实度。

(2)泥皮自然干缩密实，使泥皮的抗渗性能远优于击实土样，而稻秸秆的联结作用和保水储水性能使泥皮的抗渗性能提高，植被根系生长填充泥皮空隙使其抗渗性进一步提高，因此采用泥皮护坡能大大减少坡面的雨水入渗。

(3)自然干硬泥皮能提高土体的抗崩解性，而掺入稻秸秆则能更大幅度地提高泥皮的抗崩解性；稻秸秆含量增多，稻秸秆泥皮干缩量、开裂裂缝数量和规模等均大幅减小。稻秸秆泥皮的牵拉加筋作用能有效提高泥皮的抗崩解、干缩和开裂性能。

(4)强降雨冲刷试验结果表明，稻秸杆泥皮护坡能大幅提高边坡的抗冲刷能力；比较分析裸露边坡、泥皮护坡、稻秸杆泥皮护坡以及不同稻秸杆含量配比和不同稻秸杆长度泥皮护坡的冲刷试验结果认为，最经济合理的配比指标为稻秸秆含量20 kg/m³、长度7.5~10 cm，泥皮含水量18%左右，抗冲刷能力最强。