模拟降雨下坡度对排土场植被边坡产流产沙及位移量的影响

Influence of slope gradient on runoff and sediment yield and displacement of vegetated slopes in spoil dumps under simulated rainfall

摘要

目的 研究不同坡度植被边坡径流侵蚀和位移量随降雨历时的规律，得到边坡浅层土体加固效果更优的植物。 方法 开展雨水侵蚀现场模拟试验，对边坡径流量、产沙量和位移量进行实时监测，量化分析坡度对边坡径流、侵蚀和浅层土体位移的影响。 结果 在相同降雨条件下，所有坡度植被边坡的径流率均小于无植物覆盖边坡，且边坡坡度越小，减流减沙效果越明显。当径流率处于稳定阶段时，相比无植物覆盖边坡，30°，35°，40°的紫花苜蓿边坡和狗尾草边坡的径流率分别减少了126.7~244.1 ml/（min·m²），131.3~259.6 ml/（min·m²）。紫花苜蓿边坡在相同的降雨条件下，30°，35°，40°边坡累计产沙量分别为无植物覆盖边坡的35.36%，44.02%，59.24%，狗尾草边坡分别为无植物覆盖边坡累计产沙量的18.75%，36.52%，47.37%。随着坡度的增加，累计径流量和累计侵蚀量均呈正相关递增趋势，同时，单位时间内侵蚀量在径流量中占比逐渐增加，坡度越大，产沙量随径流量的变化越敏感。相同坡度下，狗尾草边坡的水平和竖直方向位移量均为最小，紫花苜蓿边坡次之，最后是无植物覆盖边坡。 结论 植物根系对抑制边坡浅层土体发生位移侵蚀具有显著效果，而狗尾草表现出更优的固土能力。

Abstract

Objective This study aims to investigate the patterns of runoff erosion and displacement on vegetated slopes at different gradients over rainfall duration， and to identify plants that provide superior reinforcement performance for shallow slope soil. Methods Field simulation experiments of rainfall erosion were conducted. Real-time monitoring of slope runoff， sediment yield， and displacement was conducted to quantitatively analyze the influence of slope gradient on runoff， erosion， and shallow soil displacement. Results Under identical rainfall conditions， vegetated slopes at all gradients exhibited lower runoff rates than bare slopes. Furthermore， the effectiveness in reducing runoff and sediment yield became more pronounced as the slope gradient decreased. During the steady stage of runoff rate， compared with bare slopes， the runoff rates of slopes planted with Medicago sativa L. and Setaria viridis at 30°， 35°， and 40° decreased by 126.7~244.1 ml/（min·m²） and 131.3~259.6 ml/（min·m²）， respectively. Under the same rainfall conditions， the cumulative sediment yields from Medicago sativa L.-covered slopes at 30°， 35°， and 40° accounted for 35.36%， 44.02%， and 59.24% of those from bare slopes， while the corresponding proportions for Setaria viridis-covered slopes were 18.75%， 36.52%， and 47.37%. With increasing slope gradient， both cumulative runoff and cumulative erosion exhibited a positively correlated increasing trend. Moreover， the proportion of erosion per unit time in the total runoff gradually increased， indicating that sediment yield became more sensitive to changes in runoff as slope gradient increased. At the same slope gradient， both horizontal and vertical displacements were smallest on Setaria viridis-covered slopes， followed by Medicago sativa L.-covered slopes， and largest on bare slopes. Conclusion Plant roots significantly inhibit displacement erosion in shallow slope soil， and Setaria viridis demonstrates superior soil reinforcement capability.

Graphical abstract

关键词

坡度 / 植被边坡 / 坡面径流 / 土壤侵蚀 / 位移量

Key words

slope gradient / vegetated slope / slope runoff / soil erosion / displacement

随着我国经济快速发展，矿山资源需求持续增长，矿山开采规模不断扩大，导致地表排土场边坡数量每年持续增加，其中露天煤矿排土场占比尤为突出。此类边坡土质松散、结构性差，且常缺乏有效防护，在降雨作用下易引发泥石流、浅层滑坡等地质灾害^［1-2］。据统计，每年由排土场边坡失稳引发的事故达数百起，其中露天煤矿排土场事故占比60%~70%^［3］。因此，对露天煤矿排土场边坡进行有效治理已成为当前研究的重要课题。近年来，植被根系的力学加筋作用和对边坡径流侵蚀的影响使得植被护坡技术得到广泛关注和应用^［4］。

针对植被根系对边坡的力学效应和水文效应，学者们对降雨条件下的植被护坡做了大量研究。杨永宇等^［5］通过狗牙根和香根草的室内降雨试验，认为在经历降雨冲刷时，无植物覆盖坡面的径流体积和总产泥量大于有植物覆盖的坡面，从而说明植物根系可以增加土体的抗冲刷能力，降低在降雨条件下边坡浅层滑坡发生概率。Wang等^［6］采用室内滑坡模型试验，构建应力场、位移场、土壤侵蚀等监测系统，划分了茎叶对降雨的拦截与缓冲、根系对降雨的入渗与吸收、根系对边坡抗滑力的加固3个阶段，阐述典型植被的防护作用。张旭昇等^［7］通过室外观测法对植物不同覆盖条件下在不同降雨强度时边坡的径流量进行分析后，表明植物种植密度和径流量呈相反关系。随着降雨强度的增加，植物种植密度这一因素在边坡抗冲刷性上显得更加重要。随后王瑞红等^［8］采用模拟降雨试验，研究草本植物不同覆盖度对边坡减蚀的影响，结果表明植被覆盖度在50%~70%时可以有效地抑制边坡的泥沙损失。

综上可知，在降雨条件下植被可以有效地减少水土流失，起到加固浅层土体，维护边坡的作用。但目前对不同坡度植被边坡研究较少，相关研究并未涉及坡度对植被边坡浅层土体的径流侵蚀和位移的影响，缺乏对浅层土体径流侵蚀和位移的量化。研究对象多以黄土、红壤土、紫土等常规土壤边坡为主，对于露天煤矿排土场边坡的研究鲜有报告。基于以上研究，本文开展室外边坡模型雨水侵蚀现场模拟试验，对紫花苜蓿边坡和狗尾草边坡在不同坡度下随降雨历时产流产沙和位移量的规律进行研究，旨在揭示坡度与植被类型对边坡浅层土体稳定性的影响，筛选出不同坡度条件下固土效果更优的植物，为露天煤矿排土场边坡治理提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验土壤

研究地点为辽宁省阜新市海州露天煤矿排土场，该区域主要是露天开采过程中堆积而成的排土场边坡，坡面混杂着大量砂岩、页岩、石灰岩、过火煤矸石、泥岩和花岗岩等大颗粒岩石，土壤成分复杂。边坡土壤中细粒较少，石砾较多，土壤肥力下降，导致植物覆盖度低。基于上述研究区情况，需要对排土场边坡浅层土壤颗粒组成以及养分含量进行重构，重构方案为边坡土壤占62.4%、破碎后的岩石材料占35.6%、截段植物秸秆占2%。其中，大颗粒岩石材料破碎到10 mm及以下，植物秸秆截段长度约为2 cm，直径为2 mm以下，再加入2%腐熟过的生物化肥（猪粪∶鸡粪∶牛粪=1∶3∶2）和菌剂进行混合。

各材料的质量按1 kg/hm²土壤质量换算。根据工程要求，将重构后的土壤分层碾压填筑成边坡模型。然后采用环刀取样烘干称重法、比重瓶法和计算法得到重构后土体的基本力学参数，测得重构后土体的干密度为1.67 g/cm³，比重为2.57，孔隙率为35.01%，饱和含水率为20.96%。

1.2 边坡模型设计

建立人工模拟降雨边坡需遵循几何尺寸相似原理，即边坡物理模型与原型在长度和高度上数值成比例，坡角与原型一致。几何尺寸相似比公式如下所示：

C_I=I_p/I_m（1）

式中：C_I为边坡几何尺寸相似比；I_p为原型边坡尺寸（m）；I_m为人工模拟降雨边坡尺寸（m）。

原型边坡长度为15 m，坡顶高为10.5 m（包含0.3 m覆土厚度），坡底高为3 m，坡宽为6 m，设有30°，35°，40° 3种坡度。人工模拟降雨边坡模型长度为2 m，坡顶高为1.4 m（包含覆土厚度，为保证试验结果的可比性，覆土厚度选择0.3 m），坡底高为0.4 m，坡宽为0.8 m，坡度与原型边坡一致。由公式（1）可知，边坡几何相似比为7.5∶1。

1.3 护坡植物种植

鉴于紫花苜蓿和狗尾草具有速生特性，且在露天煤矿排土场中已形成天然种群优势，因此被选取为本研究的护坡植物。为方便将植物移栽到人工降雨边坡上，种植容器选择PVC管。重构土壤按照干密度为1.67 g/cm³分3层装入PVC管后，将两种植物种子分开种入PVC管中，制备植物种植试验试样，然后将种植箱（60 cm×30 cm×50 cm）中预铺40 cm的重构土壤，最后装入植物试样进行种植养护。植物种植试验流程见图1。为使试验更加贴合排土场边坡实际情况，降雨边坡所用土壤为1.1中的重构土壤，边坡土体要进行分层压实，每层需刮毛后进行下一层填土。为使植被覆盖边坡达到有效的减流减沙效果，防止水土流失，故设计紫花苜蓿和狗尾草覆盖度为65%±2%。通过前期的植物种植试验，将生长3个月的紫花苜蓿和狗尾草从种植箱中整体移入降雨边坡上，并自然生长1周使植物根系与边坡土壤融合后，开始人工模拟降雨试验。为进一步研究植物根系对加筋土体的抗冲能力以及根系对浅层土体稳定性的影响，除两种植物覆盖边坡，外加1组无植物覆盖边坡作为对照组。

1.4 测试仪器和设备

人工模拟降雨分为降雨装置（图2）、侵蚀物收集槽和降雨冲刷槽（图3）3个部分，降雨冲刷槽内部尺寸如图4所示（为使降雨冲刷槽更加稳固，将冲刷槽埋深0.2 m），可实现最大坡度为45°。降雨装置主要由水流控制装置、喷头和降雨装置框架组成。降雨装置框架尺寸：长（3 m）×宽（3.3 m）×高（4 m）。试验过程中主要通过控制水流量计的水压阀门来控制流量的大小，从而达到调整试验所需降雨强度的目的。采用水泵作为降雨的供水系统并由18个喷头完成模拟降雨，雨滴大小可以通过旋转喷头进行调节。降雨过程中边坡上冲刷下来的侵蚀物流向收集槽，并通过收集桶进行收集。试验前进行人工降雨测试，提前设定降雨强度，并在人工降雨装置周围及降雨边坡收集槽中随机布置20个量筒，根据一定的降雨时长内量筒中的水量计算降雨强度和降雨均匀系数，均匀系数计算公式如下：

q=\mathrm{1}-{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}\frac{\left|h_i-h\right|}{nh}（2）

式中：q为降雨均匀系数；h_i为第i个量筒中积累的水量（mm）；h为各量筒中积累的平均水量（mm）；n为量筒的个数。测定后计算降雨均匀系数为0.85，满足试验要求。

为研究降雨对根系在改善地表浅层土壤稳定性方面的作用，对边坡在水平和竖直方向上的位移变化趋势与降雨持续时间的关系进行分析。试验过程中，观察到随着降雨时间的延长，边坡表面土壤呈现出不同程度的位移现象（图5）。

通过使用精度达0.01 mm的激光位移传感器和数据记录设备，每5 min对坡肩、坡中和坡脚的监测点进行一次水平和垂直位移的测量。这些监测点在相同高度上的间隔为1 cm，每个高度设置有3个点。各位置的水平和竖直位移均取同一高度3个点的平均值。监测点的布局方式在不同坡度的边坡上如图6所示。

1.5 试验方案

根据阜新市2024年5月的最大降雨强度，设计降雨强度为68 mm/h，降雨历时为45 min，边坡坡度为30°，35°和40°。本研究设置每种坡度各有3个平行边坡，将2种草本植物和3个坡度完全组合，每种植物设计6场，每场同时进行3次重复试验，植被覆盖边坡总计进行12场人工模拟降雨。每场试验开始的前一天，对待降雨边坡进行预降雨，然后使用塑料布对边坡进行密封，以确保每场降雨试验边坡含水率保持一致，待静置一天后，开始进行降雨试验。试验自坡面产生径流后开始，每5 min对径流进行一次收集，收集的边坡径流倒入量筒中进行体积测量，并放在室内静置沉淀8 h，然后将量筒中上清液倒入另一量筒中进行体积和质量测定，对剩下的沉淀物质量进行测定（测定过程中忽视蒸发量）。每完成一场人工模拟降雨试验，测定0—30 cm土层深度的含水率，最后铲掉浅层30 cm的根-土复合体，并重新对边坡30 cm以下的土体进行平整，并经过1周后重新对边坡表层进行覆土。

2 结果与分析

2.1 坡面产流分析

在降雨模拟试验中，径流率是表征坡面径流变化情况的重要指标。径流对边坡坡面土体的剥蚀、搬运、沉积过程产生显著的影响，通过研究径流的变化规律可以深入了解坡面在降雨过程中径流产生机理。从图7可知，不同坡度下各工况边坡径流率随着降雨历时均呈现相同的趋势：降雨初期径流率快速上升，随后波动上升，随着降雨历时增加逐渐趋于稳定。分析其原因可知，在降雨初期由于土体含水率较低，雨水渗入土体中，此时的径流率较小。随着降雨历时的增加，边坡浅层土体逐渐饱和，此时土体的渗透能力逐渐减弱，径流超过入渗，雨水在边坡表面转化为径流量逐渐增加，故随着降雨历时的增加径流率波动上升^［9］。当边坡浅层土体完全饱和时，此时土体的渗透性达到稳定状态，径流的产生趋于稳定，与此同时，此时的径流率最大。

对比图7的数据，不同坡度下紫花苜蓿和狗尾草覆盖边坡的径流率远小于无植物覆盖边坡，说明植物覆盖可以有效防治水土流失现象。当径流率处于稳定阶段时，相比无植物覆盖边坡，紫花苜蓿边坡的径流率减少126.7~244.1 ml/（min·m²），狗尾草边坡减少131.3~259.6 ml/（min·m²）；由此可知，狗尾草对径流率减少效果最明显，即狗尾草边坡>紫花苜蓿边坡>无植物覆盖边坡。这是由于相较于无植物覆盖边坡，植被边坡浅层土体中根系的存在，一方面对雨水进行截留，另一方面使得浅层土体的孔隙率增加，提高土体的降雨入渗能力，减缓坡面的径流，从而降低坡面的径流率^［10-11］。并且紫花苜蓿边坡径流率要大于狗尾草边坡，这是由二者根系结构所造成的。紫花苜蓿根系为根蘖型，其侧根沿主根向下生长；狗尾草根系为根茎型根系，其根系数量多且密集分布于靠近地表土层深度中，致使狗尾草边坡浅层土体中的下渗通道更多，且坡面的粗糙程度更大，所以狗尾草边坡坡面径流路径变长，径流率较低。由图7可知，在相同的降雨条件下，不同工况边坡径流率随着坡度的增加而增加，这是由于边坡坡度相对较大时，边坡的投影面积较小，降雨冲刷面积较小，但是由于边坡较陡，边坡坡面的径流受到的重力作用就越多，径流速度变快。所以相同工况下，坡度大的边坡径流率相对较大，这与金鑫等^［12］的结论一致。

2.2 坡面产沙分析

侵蚀率作为评估坡面在降雨冲刷下的侵蚀强度的关键参数，由图8可见，3种工况的边坡在降雨期间展现出一致的侵蚀变化规律：初期侵蚀率急剧上升，随后迅速达到峰值并快速下降；中期下降趋势转为波动缓慢下降，最后趋于稳定。这是由于在降雨初期，土粒在雨滴击溅作用下，边坡坡面形成一些粒径较小的团聚体，这些团聚体受到外力的作用继续分散、运动，形成泥浆，同时泥浆会堵塞雨水下渗的通道，促进地表径流的产生，最终这些团聚体就会随着径流裹挟下流走。随着降雨的继续进行，坡面易被冲刷侵蚀的土颗粒逐渐减少，水稳性团聚体占比逐渐增高，产沙量逐渐波动减小，最终趋于稳定状态。坡面侵蚀量主要受到植物覆盖和坡度等方面的影响，是衡量径流的冲刷能力和浅层土体抗蚀能力的重要指标^［13］。

图9揭示不同植被覆盖下坡面累计产沙量的差异。无植被覆盖的边坡始终表现出较高的产沙量，相比之下，紫花苜蓿和狗尾草覆盖的边坡其侵蚀程度有所不同。在相同降雨条件下，30°，35°，40°的无植被边坡累计产沙量分别为5 626.4 g，7 700.8 g，9 525 g。紫花苜蓿覆盖的边坡，30°，35°，40°的累计产沙量分别占无植被覆盖边坡的35.36%，44.02%和59.24%，而狗尾草覆盖的边坡则分别占无植被覆盖边坡的18.75%，36.52%和47.37%。由此可知，在相同的降雨条件下，随着坡度的增加，植物根系对边坡浅层土体提高的抗蚀能力减弱。同时在相同的降雨条件下，狗尾草边坡的泥沙流失量要小于紫花苜蓿边坡，而无植物覆盖边坡的泥沙流失量要远大于紫花苜蓿边坡和狗尾草边坡，即无植物覆盖边坡>紫花苜蓿边坡>狗尾草边坡。这种差异与径流率变化的原理相吻合。

在相同的降雨条件下，3种工况下的边坡累计产沙量随坡度的增加呈现上升趋势。具体而言，30°无植物覆盖边坡、紫花苜蓿边坡和狗尾草边坡的累计产沙量分别占35°相同覆盖条件边坡的73.06%，58.69%，37.52%；分别占40°相同覆盖条件边坡的59.07%，36.42%，23.39%。分析其原因后得出：一方面，坡度的增大改变雨滴冲击坡面的角度，使得团聚体易于解体，促使土壤结构受损，从而加剧径流紊动性；另一方面，随着坡度的增大，水流在重力方向上的分力变大，径流动能增大，冲刷能力增强，导致边坡侵蚀量增加，浅层土体的稳定性因此降低^［14-15］。

2.3 坡面水沙分析

在雨水冲刷的作用下，土壤粒子的脱落和迁移通常需要水作为媒介。研究显示，当降雨强度相同时，坡度越大，产沙速率的峰值越高，导致的侵蚀产沙量也越多^［16-17］。这表明径流与产沙量存在某种联系，这种联系可以被用作评估土壤抗侵蚀性的参数^［18-19］。不同坡度和不同工况条件下的边坡累计产沙量随累计径流量变化的趋势如图10所示。

从图10可以观察到，随着边坡角度的增大，累计径流量和累计产沙量都呈现正比例的上升趋势；此外，随着坡度的增加，单位时间内产沙量在单位径流量中的比例也在逐渐提高；紫花苜蓿覆盖的边坡和狗尾草覆盖的边坡的累计产沙量随着坡度的增大而更接近于无植被覆盖边坡；特别是在40°的坡度下，紫花苜蓿边坡与无植被边坡的产沙情况最为接近。坡面水沙试验结果可知，坡度的增大会使产沙量随径流量的变化更为敏感。产生这种现象的原因在于随着坡度增加，径流的侵蚀和输移能力明显增强，径流变化对水动力参数的影响变大，进而显著加剧产沙量对径流波动的响应程度。这与侯宁^［20］的研究结论保持一致。

2.4 坡面位移量分析

2.4.1 坡肩位移量

图11A和B分别揭示在不同坡度条件下，无植被覆盖边坡、紫花苜蓿覆盖边坡以及狗尾草覆盖边坡在坡肩处的水平位移量和竖直位移量随降雨持续时间的变化规律。由图11可知，尽管坡度各异，但位移量变化的总体趋势相同：在降雨开始的15 min内，水平和竖直位移量逐渐上升，接着在15~25 min继续保持缓慢增长，然后在25 min后急剧增长。坡度的增大导致曲线变化出现拐点的时间提前，同时边坡产生位移的速度也随之加快。相同的降雨条件下，坡度越大，坡肩产生的水平方向位移量和竖直方向位移量越大，坡肩的稳定性越差。产生这种现象的原因在于坡肩作为坡体易发生拉裂的应力集中区域，其坡度越大，重力沿坡面的剪切分力越大，同时坡肩处的张力带也随之发展和集中，使其更易发生张拉破坏^［21］。相同的降雨条件下，坡度增大会使坡肩的拉应力水平显著提升，导致所有工况的位移发展加快，坡肩位移拐点提前出现，这与曾红艳、陈浩^［22-23］等的研究结果具有一致性。

2.4.2 坡中位移量

图12A和B分别揭示在不同坡度条件下，无植被覆盖边坡、紫花苜蓿覆盖边坡以及狗尾草覆盖边坡在坡中处的水平位移量和竖直位移量随降雨持续时间的变化规律。由图12可知，不同坡度边坡的变化曲线都经历较平缓—缓慢增长—较快增长的变化过程。无植物覆盖边坡坡度为30°，35°和40°时，坡中的土体水平方向和竖直方向位移量均在降雨15 min时增长较快；紫花苜蓿边坡坡度为30°，35°和40°时，坡中的土体水平方向位移量分别在降雨25 min，20 min，20 min时增长较快，竖直方向位移量均在降雨20 min时增长较快；狗尾草边坡坡度为30°，35°和40°时，坡中的土体水平方向位移量分别在降雨35 min，30 min，30 min时增长较快，竖直方向位移量均在降雨20 min时增长较快。由此可知，在相同的降雨条件下，坡度越大，坡中位移出现较快速增长的时间越早，坡中产生的水平方向位移量和竖直方向位移量越大，即边坡破坏的速度越快，破坏程度越严重。值得注意的是，与紫花苜蓿边坡相比，狗尾草边坡在水平和竖直位移出现快速增加的时间有所延迟。坡中作为坡体潜在滑动面的关键剪切区域，其位移规律的产生机理与坡肩既有区别又相互关联。随着坡度增加，剪切应力显著增大，同时降雨入渗路径缩短，使滑裂面附近土体更早饱和，导致抗剪强度明显衰减，坡中位移拐点因此提前，这与赵旭等^［24］的研究结果保持一致。在相同坡度下，狗尾草密集的根网体系能形成更有效的抗剪加筋层，相比紫花苜蓿的主—侧根体系更能延缓剪切变形，从而使坡中位移拐点相对延后。这与王一冰等^［25］的研究结论相符。

2.4.3 坡脚位移量

图13A和B分别揭示在不同坡度条件下，无植被覆盖边坡、紫花苜蓿覆盖边坡以及狗尾草覆盖边坡在坡脚处的水平位移量和竖直位移量随降雨持续时间的变化规律。由图13A可知，3种工况边坡坡脚处的水平位移量遵循30°<35°<40°的顺序，且坡度越大，坡脚处产生水平方向位移的时间越早。在图13B中，负竖直位移标志土体的堆积现象。其中，3种工况边坡在坡度为30°时，坡脚的土体堆积高度均在20 min时增长较快；当坡度为35°时土体的堆积高度分别在10 min，15 min，20 min时增长较快；当坡度为40°时土体的堆积高度分别在10 min，10 min，15 min时增长较快，无植物覆盖边坡和紫花苜蓿边坡虽均在10 min时土体堆积增长较快，但是紫花苜蓿边坡坡脚土体堆积高度小于无植物覆盖边坡。说明随着坡度的增大，曲线呈现下降趋势的时间点提前，同时边坡发生位移的速度加快。在同一时间，相同的坡度下，狗尾草覆盖边坡在竖直方向的土体堆积高度普遍低于紫花苜蓿。坡脚处是边坡坡体径流冲刷和泥沙沉积的主要区域。随着坡度增大，径流侵蚀能力与重力沿坡面的分力显著增强，促使剥离土粒更快向坡脚运移并堆积^［26］，从而表现出水平位移加速、竖直堆积曲线的下降拐点提前的规律。狗尾草形成的密集根系网络能够更加有效地延滞径流，显著削弱泥沙输移能力，从而导致坡脚土体的堆积高度相对最低。这与李云鹏等^［27］的研究结果保持一致。

通过图11—13的分析可知，3种工况边坡在不同坡度下，水平和竖直位移量的分布位置显示出相似性。具体来说，在30°和35°时无植被覆盖边坡、紫花苜蓿覆盖边坡和狗尾草覆盖边坡的最大水平位移量出现在坡中，随着坡度增大，边坡破坏模式从剪切滑动逐渐转变为拉—剪复合型破坏，导致水平位移分布从坡中向坡肩扩展，40°时则出现在坡肩和坡中。30°时竖直方向的最大位移量出现在坡肩和坡中，随着坡度增大，边坡潜在滑动面逐渐浅层化和集中化，促使35°和40°边坡的竖向位移向坡中区域集中。这一规律与孙书伟、张硕^［28-29］等的研究相符。对比相同坡度下各工况的坡肩、坡中和坡脚位移量数据，狗尾草覆盖边坡的位移量最小，紫花苜蓿其次，最后是无植被覆盖边坡。这明显体现出植物根系在抑制浅层土体位移方面的重要作用。而在不同坡度下，狗尾草对于稳定坡面浅层土体的效果最为显著。

3 结 论

基于大型边坡模型，针对不同坡度，不同植被覆盖、无植被覆盖边坡开展人工降雨模拟试验，对比分析坡度对植被、裸土边坡坡面产沙、坡面产流、坡面水沙和坡面位移量的影响，结合试验现象，得到以下结论：

（1） 在降雨过程中，边坡坡面径流率随着降雨历时的增加可分为3个阶段：快速上升、波动上升和趋于稳定；坡面侵蚀率在降雨过程中有着相似的规律，即开始快速上升，达到峰值后波动下降，最后趋于稳定。

（2） 在降雨过程中，紫花苜蓿边坡和狗尾草边坡径流率和侵蚀率远小于无植物覆盖边坡。坡度是影响坡面径流量和产沙量的主导因素，其次是植物类型。其中，在不同坡度下，狗尾草的减流减沙效果要好于紫花苜蓿。

（3） 在相同坡度下，无植物覆盖边坡、紫花苜蓿边坡和狗尾草边坡累计产沙量与累计径流量随着降雨历时的增加均呈正相关递增。随着坡度的增加累计径流量和累计侵蚀量均呈正相关递增趋势，并且累计产沙量随着累计径流量的增加而增加，表明坡度会使产沙量随径流量的变化更为敏感。

（4） 边坡在相同的工况，不同的坡度时：坡度越大，坡体（坡肩、坡中、坡脚）开始产生水平方向和竖直方向的位移时间越早，坡体产生破坏的速度越快。边坡在相同的坡度，不同的工况时：相较于无植物覆盖边坡和紫花苜蓿边坡，狗尾草边坡的水平方向和竖直方向的位移量较小，故狗尾草对加固边坡浅层土体具有一定优势。

参考文献

[1] 陈兰兰，夏益强，肖海平，等.露天矿边坡稳定性监测方法研究现状及进展［J］.测绘通报，2022（5）：7-13.

[2] Chen L L， Xia Y Q， Xiao H P， et al. Research status and progress of slope stability monitoring methods in open-pit mines［J］. Bulletin of Surveying and Mapping， 2022（5）：7-13.

[3] Gasser E， Schwarz M， Simon A， et al. A review of modeling the effects of vegetation on large wood recruitment processes in mountain catchments［J］. Earth-Science Reviews， 2019，194：350-373.

[4] 陈阳，吕辉，毕莹，等.国内外典型露天矿山坍塌事故案例分析与启示［J］.中国煤炭，2024，50（4）：63-67.

[5] Chen Y， Lv H， Bi Y， et al. Analysis and enlightenment of typical collapse accidents in open-pit mines at home and abroad［J］. China Coal， 2024，50（4）：63-67.

[6] 付江涛，李光莹，虎啸天，等.植物固土护坡效应的研究现状及发展趋势［J］.工程地质学报，2014，22（6）：1135-1146.

[7] Fu J T， Li G Y， Hu X T， et al. Research status and development tendency of vegetation effects to soil reinforcement and slope stabilization［J］. Journal of Engineering Geology， 2014，22（6）：1135-1146.

[8] 杨永宇.贵州红黏土地区生态护坡试验研究［D］.贵阳：贵州大学，2021.

[9] Yang Y Y. Experimental study on ecological slope protection in red clay area of Guizhou［D］. Guiyang： Guizhou University， 2021.

[10] Wang R H， Zhao K Q， Wei C， et al. Slope protection effect of typical vegetation in the Three Gorges Reservoir area under extreme rainfall［J］. iScience， 2024，27（6）：110057.

[11] 张旭昇，薛天柱，马灿，等.雨强和植被覆盖度对典型坡面产流产沙的影响［J］.干旱区资源与环境，2012，26（6）：66-70.

[12] Zhang X S， Xue T Z， Ma C， et al. Impacts of rainfall intensity and grass coverage on runoff and sediment yield on typical slopingl land［J］. Journal of Arid Land Resources and Environment， 2012，26（6）：66-70.

[13] 王瑞红，李明鑫，张瀚，等.不同植被盖度对三峡库区边坡减蚀的室内模拟降雨研究［J］.水土保持学报，2023，37（1）：59-64.

[14] Wang R H， Li M X， Zhang H， et al. Study on indoor simulated rainfall with different vegetation coverage on slope erosion reduction in the Three Gorges Reservoir area［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2023，37（1）：59-64.

[15] 许旭堂，简文彬，吴能森，等.降雨入渗影响下边坡中的非饱和渗流特性［J］.地球科学，2018，43（3）：922-932.

[16] Xu X T， Jian W B， Wu N S， et al. Unsaturated seepage characteristics of slope under rainfall infiltration［J］. Earth Science， 2018，43（3）：922-932.

[17] 邵莲芬，曾红彪，李雄峰，等.矿山边坡坡度对降雨入渗与侵蚀过程影响试验［J］.人民黄河，2016，38（4）：74-78.

[18] Shao L F， Zeng H B， Li X F， et al. Experimental study on rainfall infiltration and runoff erosion process with the gradient of mining slope［J］. Yellow River， 2016，38（4）：74-78.

[19] Fusun S， Jinniu W， Tao L， et al. Effects of different types of vegetation recovery on runoff and soil erosion on a Wenchuan earthquake-triggered landslide， China［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2013，68（2）：138-145.

[20] 金鑫，翟婷，汪蓬，等.黄土和红壤坡面侵蚀差异及其与土壤性质的关系［J］.水土保持学报，2023，37（4）：118-123.

[21] Jin X， Zhai T， Wang P， et al. Difference of slope erosion between loess and red soil and its relationship with soil properties［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2023，37（4）：118-123.

[22] Assouline S， Ben-Hur M. Effects of rainfall intensity and slope gradient on the dynamics of interrill erosion during soil surface sealing［J］. Catena， 2006，66（3）：211-220.

[23] 苏远逸，李鹏，任宗萍，等.坡度对黄土坡面产流产沙过程及水沙关系的影响［J］.水土保持研究，2020，27（2）：118-122.

[24] Su Y Y， Li P， Ren Z P， et al. Effect of slope gradient on the process of runoff and sediment yield and water-sediment relation on the loess slope［J］. Research of Soil and Water Conservation， 2020，27（2）：118-122.

[25] 速欢，王文龙，康宏亮，等.露天矿排土场平台-边坡系统侵蚀形态及径流产沙特征［J］.应用生态学报，2020，31（9）：3194-3206.

[26] Su H， Wang W L， Kang H L， et al. Erosion morphology and the characteristics of runoff and sediment yielding in platform-slope system of opencast coal mine［J］. Chinese Journal of Applied Ecology， 2020，31（9）：3194-3206.

[27] El-Din Fawzy H， Basha A M， Botross M N. Estimating a mathematical formula of soil erosion under the effect of rainfall simulation by digital close range photogrammetry technique［J］. Alexandria Engineering Journal， 2020，59（6）：5079-5097.

[28] 崔钦凯，刘俊娥，陈浩，等.草被覆盖、雨强和坡度对黄土坡面径流含沙量的影响［J］.水土保持学报，2023，37（5）：40-47.

[29] Cui Q K， Liu J E， Chen H， et al. Influence of grass coverage， rain intensity and slope on sediment concentration of runoff on loess slope［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2023，37（5）：40-47.

[30] 贾立志，张泽洪.不同逆坡耕作强度对干热河谷区坡耕地水蚀的影响［J］.水土保持学报，2020，34（3）：14-19，27.

[31] Jia L Z， Zhang Z H. Effect of different upslope tillage intensity on water erosion on sloping farmland in the dry-hot valley of Jinsha River［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2020，34（3）：14-19，27.

[32] 郑腾辉，周旺，刘涛，等.连续模拟降雨下岩溶区含砾石堆积体坡面径流产沙特征［J］.水土保持学报，2020，34（3）：55-60.

[33] Zheng T H， Zhou W， Liu T， et al. Characteristics sediment yield and runoff on the slope surface of gravel accumulation in karst area under continuous simulated rainfall［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2020，34（3）：55-60.

[34] 侯宁.不同雨型和坡度下耕作侵蚀对紫色土坡地产沙的影响［D］.四川 雅安：四川农业大学，2021.

[35] Hou N. Effects of tillage erosion on sediment yield of purple soil under different slopes and rainfall patterns［D］. Yaan， Sichuan： Sichuan Agricultural University， 2021.

[36] 孙巍锋，赵冠华，兰恒星，等.西藏某陡顺倾岩质边坡变形破坏机制分析［J］.工程地质学报，2025，33（1）：341-355.

[37] Sun W F， Zhao G H， Lan H X， et al. Analysis of deformation and failure mechanism of steep bedding rock slope［J］. Journal of Engineering Geology， 2025，33（1）：341-355.

[38] 曾红艳，吴美苏，周成，等.根系与植筋带固土护坡的力学机理试验研究［J］.岩土工程学报，2020，42（S2）：151-156.

[39] Zeng H Y， Wu M S， Zhou C， et al. Experimental study on reinforcement mechanism of vegetated slopes with root system and vertical geotextile belts ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2020，42（S2）：151-156.

[40] 陈浩，王豆豆，崔钦凯，等.草地植被冠层与根系对黄土坡面侵蚀过程的影响［J］.生态学报，2024，44（15）：6841-6853.

[41] Chen H， Wang D D， Cui Q K， et al. Effects of canopy and root of grassland vegetation on erosion processes of the Loess Plateau［J］. Acta Ecologica Sinica， 2024，44（15）：6841-6853.

[42] 赵旭，范豪举，许敬叔，等.降雨条件下植被根系对非饱和土浅层滑坡的加固作用［J］.北京工业大学学报，2024，50（9）：1100-1110.

[43] Zhao X， Fan H J， Xu J S， et al. Impact of vegetation root reinforcement on the shallow slope stability of unsaturated soil under rainfall infiltration conditions［J］. Journal of Beijing University of Technology， 2024，50（9）：1100-1110.

[44] 王一冰，吴美苏，周成.组合根系加固坡土的直剪试验及数值模拟［J］.岩土工程学报，2020，42（S1）：177-182.

[45] Wang Y B， Wu M S， Zhou C. Direct shear tests and numerical simulation on slope soils reinforced by composite roots［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2020，42（S1）：177-182.

[46] 黄晓虎，王常明，宋朋燃，等.黄土边坡降雨侵蚀特征的物理模拟试验研究［J］.工程地质学报，2015，23（4）：725-730.

[47] Huang X H， Wang C M， Song P R， et al. Physical simulation experiment for characteristics of loess slope erosion［J］. Journal of Engineering Geology， 2015，23（4）：725-730.

[48] 李云鹏，陈建业，陈学平，等.五种护坡草本植物根系固土效果研究［J］.中国水土保持，2021（1）：41-45，5.

[49] Li Y P， Chen J Y， Chen X P， et al. Study on soil consolidation effect of five kinds of herbaceous plants for slope protection［J］. Soil and Water Conservation in China， 2021（1）：41-45，5.

[50] 孙书伟，李圆，胡家冰，等.露天矿不同岩土强度边坡破坏机制对比研究［J］.煤炭学报，2024，49（S2）：746-755.

[51] Sun S W， Li Y， Hu J B， et al. Comparative tests on failure mechanisms of slopes with different geotechnical strengths in open-pit mines［J］. Journal of China Coal Society， 2024，49（S2）：746-755.

[52] 张硕，裴向军，黄润秋，等.黄土填方边坡降雨入渗特征及变形破坏模式的模型试验［J］.中国公路学报，2019，32（9）：32-41，50.

[53] Zhang S， Pei X J， Huang R Q， et al. Model test on seepage characteristics and deformation failure modes of loess fill slope under rainfall［J］. China Journal of Highway and Transport， 2019，32（9）：32-41，50.

基金资助

辽宁省教育厅基本科研项目“低品质固废复合膏体充填采矿围岩变形与地压控制研究”(LJ242410147078)

本溪钢铁（集团）矿业有限责任公司歪头山铁矿科研项目“高压辊磨超细尾矿制备复合生态复垦土技术研究”