我国土壤侵蚀类型有风蚀、水蚀和冻融侵蚀等。截至2018年底，我国水土流失面积达到273.69万km²，其中水力侵蚀面积达到115.09万km²，风力侵蚀面积158.60万km²，同时存在一些水蚀、风蚀交错区，而我国西部地区水土流失尤其严重^[1]。水力侵蚀作为土壤侵蚀主要形式，其作用主要以雨滴击打及坡面径流冲刷为主，雨滴打击作为水力侵蚀的初始过程，不仅直接破坏土壤表面结构、搬运土粒，而且还能堵塞土壤孔隙、减少水分入渗，从而来加剧径流冲刷侵蚀作用^[2-3]，特别是大雨或者暴雨对坡面的击溅侵蚀尤为明显。目前主要的水土保持措施有林草措施、工程措施和耕作措施。但水土流失区域土壤不稳定，容易被侵蚀破坏，所以林草措施虽然有效，这单一的方法起效慢；工程措施施工强度大、成本高，而且没有生态环保性，因而在有些区域很难应用；耕作措施在坡面较大的山区适应性较差^[4-6]。

近年来，一些学者提出了采用材料方法对土壤进行固化，从而可以有效防止水土流失。王银梅等^[7]针对SH固化剂研究了其对沙和黄土的固结效果。姚爱玲等^[8]采用室内外模拟实验的方法对ISS土壤稳定剂固化的效果进行了研究。张伟锋等^[9]研究了HEC固化剂加固黄土的力学性能。单志杰等^[10]和苏涛^[11]研究评价了EN-1固化剂对提高黄土及砒砂岩的稳定性作用，但这些材料容易导致表层土壤形成坚硬的外壳或结块，没有达到固结促生的综合效果。

经过多年对荒漠化防治和水土保持等技术的研究，本研究团队开发了一种新型复合材料(W-OH)，其主要成分是一种亲水性聚氨酯树脂，颜色为呈淡黄色乃至褐色，其反应是以水为固化剂，反应可生成具有良好力学性能和多孔性的弹性固化体，且具有高度安全性^[12]。W-OH固化体有与土壤颗粒粘接力好等特点，可将松散的土壤连接成一个大型网状结构层(固结体/层)。固结体具有很好的力学性能，单轴压缩强度达0.1 MPa以上^[13]，对于水流径流冲刷具有很强的保护作用，且在实验室模拟情况下，正常水流冲击2 h对固化层基本无破坏，且无产沙现象，对抵抗短时大雨或暴雨效果尤为显著，且研究表明固沙层可抵抗8级以上强风侵蚀，是一种新型有效的水土保持材料^[14]。

为更好地了解基于W-OH材料在固砂土时固化层对水流的抗冲击能力，探索高速度水流冲击作用下的临界击穿破坏状态，笔者采用模拟集中水流冲击试验，以砂土固结层发生破坏形成产沙的时间为指标，研究W-OH不同浓度、不同坡度和冲击时间对砂土固化层的抗水流冲击能力的影响，从而为W-OH材料用于水土流失防治提供理论和数据支撑。

试验仪器：自制水流控制系统(水泵、阀门、电磁流量计、水管、铁架台和玻璃管枪头)，可以实现稳定的流量控制。

W-OH：一种改性亲水性聚氨酯复合材料(江苏杰成凯新材料科技有限公司提供)，一种淡黄色黏稠液体，密度为1.08 g/m³，pH为6.8~7.0。该材料可以与水迅速发生化学反应，并能在自然条件下固化，固化后的凝胶体结构具有多孔性和良好的弹性，且在凝胶固化过程中，可以在沙土颗粒间进行渗透包裹，并进行有效黏结，在沙土表面形成一层固化层，阻止沙土进一步受到雨水、风力等外力侵蚀。

土样：来自福建省政和县省道新开挖边坡的红色土壤，采用电感耦合等离子体分析仪和粒度仪分别测得其组成和粒径分布，其中 < 0.002 mm约为5.6%，0.002~0.050 mm的约为41%，< 0.050 mm以上约为52%，根据土壤质地分级标准，该边坡土质为粉砂土。其组成中SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃和K₂O的质量比例分别为65.7%、19.1%、2.4%和3.8%，还有较少含量的MgO、CaO、TiO₂、Na₂O等。

本实验中参考模拟降雨和冲刷试验的侵蚀实验设计，研究固化层在集中水流冲击下的抗水流冲击性能。

将现场取样的土壤放入在40 cm(长)×20 cm(宽)×5 cm(厚)的立方体磨具中^[15]，压实。配制质量分数为3%、4%、5%、6%和7%的W-OH水溶液，采用喷雾式系统将材料溶液喷洒在土壤表层，参考之前的研究结果及实际应用^[14]，试验中采用喷洒量为3 L/m²，从而可以保证固化层的厚度达到1 cm左右，待干燥成型，1周后测试抗水流冲击性能，其中水流的方向为垂直地面向下，且整个实验过程中方向不变：

1) 固定冲刷水流流速6 m/s和W-OH质量分数3%，改变磨具角度θ分别为0、15°、30°、45°和60°，测试水流集中冲击条件下使得固化层破坏的时间；2)固定冲刷角度和水流流速(6 m/s)，测试W-OH质量分数3%~7%的固结层在水流冲击下的破坏时间；3)固定冲刷角度和W-OH质量分数，测试水流流速为2~10 m/s时，模拟从正常到极限冲击条件，研究固化层的破坏时间；4)固定水流冲击时间5 min，研究3%~7%质量分数条件下，固结层的最小破坏水流流速。每次试验均重复3次，取平均值进行分析。

试验中观察固化层出现冲击破坏的过程，其中以产生的径流出现浑浊即产生侵蚀产沙为临界点，说明已经发生了击穿破坏，实验装置示意图如图 1所示，主要有水泵、电磁流量计、阀门、固定支架等组成，其中通过水泵和流量计控制水流流量，从而根据玻璃管出水管头的直径1 cm来计算水流流速，托盘的角度可以任意进行调整至试验所需角度。

图 1(Fig. 1)

图 1 水流冲击试验示意图 Fig. 1 Schematic diagram of flow impact test

笔者采用水流高速冲击W-OH固结层，直到将其破坏模拟W-OH土壤固结层在极限条件下抗水流冲击的性能。水流流速由式(1)计算

式中：ω为水流流速，m/s；Q为水流流量，mL/s；A为水管头截面积，mm²。

水流冲击速度模型可以简化成图 2并按照式(2)进行计算。

图 2(Fig. 2)

图 2 水流冲击速度分解 Fig. 2 Decomposition of flow impact velocity

式中：ω₁为坡面的径流流速，m/s；ω为试验冲击水流流速，m/s；θ为坡面角度，(°)。

对冲击压强则采用式(3)进行计算

式中：P为冲击压强，kPa；ρ₀为流体的密度，kg/m³；c₀为流体的声速，m/s；v_i为垂直冲击速度，m/s。

松散的土壤在坡面上容易受到雨水冲击和冲刷侵蚀，形成溅蚀和侵蚀细沟，造成坡面表层土壤颗粒剥落及水土流失，从而进一步加剧土层的破坏。为防止土壤冲蚀，在其表面喷洒一定浓度的新型土壤固化剂W-OH，该固化剂可以迅速渗入到土壤颗粒中，形成一定厚度(约为1 cm)的固结层，从而可具有很好的抗水流冲击能力。

W-OH土壤固结层的抗水流冲击性与坡度有关，不同的坡度表现为不同的冲击角度。张科利等^[16-17]研究表明随着角度的增大，水流对固结层正面的破坏强度先增大再减小，但是当坡度较小时，变化幅度较小。水流冲击坡面破坏时间是反映固结层抗水流冲击能力的重要参数，水流破坏固结层所需时间越长，表明固结层抗水流冲击的能力越大。图 3是不同坡度的水流破坏固结层时间曲线，结果表明：对于3%质量分数的W-OH土壤固结层在6 m/s固定水流流速下，水流破坏固结层的时间随着角度的增大而延长。当坡面角度为0，即在平面上水流垂直冲击时，24 s固结层就被破坏；随着坡面角度增大到45°，固结层被水流冲击破坏时间延长到4.7倍，达到113 s，而当坡面角度增大到60°，被水流冲击破坏时间延长到272 s，是3%质量分数条件下垂直冲击的11.3倍，在整个过程中，坡度对抗冲击时间影响较小，且水流冲击坡面后形成的坡面径流对固化层无任何影响，且无产沙现象。这是由于坡度越大，水流垂直冲击的角度越小，相对的能量越小，固结层被破坏时间越长，即固结层可以抵抗较长时间的水流冲击。

图 3(Fig. 3)

图 3 W-OH质量分数、坡度对固结层抗水流冲击性能的影响 Fig. 3 Effect of W-OH concentration and slope on the resisting flow impact performance of solidified layer

前期的研究结果^{[13, 18]}表明，W-OH土壤固结层的力学性能及抗冲刷能力随着质量分数的增大而呈增大趋势。固定水流流速为6 m/s和坡面角度，研究不同W-OH质量分数的土壤固结层抗水流冲击的能力，然后再改变坡面角度，研究不同冲击角度下的土壤固结层抗水流冲击的能力，试验结果如图 3所示。

W-OH质量分数越大，能够抵抗水流冲击的时间越长，这是因为W-OH质量分数越大，与水反应固化体的交联度越大，砂土之间的作用力越强，抗水流冲击能力越强。相同水流流速和坡面角度下，在3%~5%质量分数范围内，土壤固结层抗水流冲击能力的提高随着质量分数变化较小，当W-OH质量分数超过5%，抗水流冲击性显著提高。对于坡面角度为0时，3%质量分数的土壤固结层24 s就发生破坏，而当W-OH质量分数提高到5%时，固结层受冲击破坏时间延长到122 s，提高4倍左右。当W-OH质量分数继续提高到7%时，被水流冲击破坏时间延长到1 157 s，是3%的48倍。

图 4是水流流速与对W-OH固结层的抗水流冲击能力的影响。研究结果表明：相同坡度和W-OH质量分数条件下，固结层被水流破坏时间随着速度的增大而减小，当水流速度 < 4 m/s时，< 7%质量分数的W-OH固结层在测试时间(30 min)内未出现冲击破坏(图中没有出现部分为没有出现破坏)。当水流速为4 m/s时，3%质量分数的W-OH土壤固结层169 s被冲击破坏；当水流速度提高到10 m/s时，破坏时间仅为3 s，瞬间即被冲击破坏。对于7%质量分数的W-OH土壤固结层，在水流速度为6 m/s时，冲击破坏时间为1 781 s，当水流速度提高到10 m/s时，冲击破坏时间为78 s，虽然是3%质量分数的26倍，但是也很容易被冲击破坏。

图 4(Fig. 4)

图 4 水流流速与对固结层抗水流冲击性能的影响 Fig. 4 Effect of flow velocity on the resisting flow impact performance of solidified layer

图 5是固定水流冲击破坏时间为5 min，不同W-OH浓度土壤固结层的最小水流流速。试验结果表明：3%质量分数的W-OH在3.45 m/s的水流冲击下被冲击破坏，随着W-OH质量分数的增大，固化体强度增大，固化体与土壤之间的粘结作用力增强，固结层抗水流冲击能力提高，被破坏时的水流流速呈线性增大趋势，线性拟合方程见式(4)，相关系数达到0.98，表现较好的线性相关性。所以对于7%质量分数的W-OH固结层需要水流流速达到8.38 m/s才能被击穿破坏。

图 5(Fig. 5)

图 5 W-OH质量分数与冲击破坏表面固结层的水临界流流速之间的关系 Fig. 5 Relationship between W-OH concentration and critical flow velocity of breaking the solidified layer

式中：Y为冲击破坏时的水流流速，m/s；X为W-OH质量分数，%。

利用式(2)和(3)，计算得到冲击压强P记录如表 1所示。

表 1(Tab. 1)

表 1 不同条件下的冲击压强 Tab. 1 Impact pressure P in different conditions  MPa 水流流速 Flow velocity/(m·s-1) 坡度 Slope angle/(°) 0 15 30 45 60 4 5.984 5.780 5.183 4.233 2.995 6 8.976 8.670 7.775 6.350 4.492 8 11.968 11.561 10.366 8.466 5.990 10 14.960 14.452 12.958 10.582 7.487

表 1 不同条件下的冲击压强 Tab. 1 Impact pressure P in different conditions

由表 2可知：当坡面的坡度越大，水流速度越小时，水流对坡面的冲击压强越小，作用在固结层表面的能量越小，在相同质量分数的W-OH固结层表面发生冲击破坏的时间越长，且冲击压强的大小与水流冲击坡面破坏过程有这紧密的联系，一旦坡面发生表面微小损伤，其破坏的过程随着水流冲击速度的增大冲击破坏时间迅速减小。

采用W-OH材料对砂土进行固结处理，可在砂土表面形成一定厚度的弹性固结层，增加砂土颗粒之间的黏结性，显著提高土壤本身的整体性及抗水流冲击能力，从而可以有效地阻止砂土受到水力侵蚀，对坡面的水土保持具有重要意义。

1) 随着坡角的增加，土壤固结层的抗水流冲击性逐步提高，其中当坡度 < 45°时，水流垂直冲击角度>45°，抗水流冲击时间的变化程度较小，然而当坡面角度>45°时，变化幅度明显提高；对于3%质量分数的W-OH固结层，坡角是60°抗水流冲击破坏时间是垂直冲击下的11.3倍。

2) W-OH质量分数是影响固结体的抗水流冲击性能最重要因素，随着W-OH质量分数的增大，固结体抗水流冲击时间逐渐增大，抵抗水流冲击性越强，在60°坡角下，7%质量分数W-OH土壤固结层的抗水流冲击能力是垂直冲击下3%质量分数固结体的219倍。

3) 在固结层发生首次冲击破坏的前提下，冲击破坏临界水流流速与W-OH质量分数呈正线性相关，而受坡度的影响较小，且破坏过程受冲击压强影响，但是一旦发生局部损伤，破坏可能会加速。