利用短纤维增强材料对降雨引起的河堤坡面侵蚀进行控制的实验研究 穆罕默德·祖拜尔·扎法尔·沙阿（Muhammad Zubair Zafar Shah）和 洋崎淳治（Junji Yagisawa）

《GeoHazards》：Experimental Investigation of Rainfall-Induced Erosion Control of River Levee Slopes Using Short Fiber Reinforcement Muhammad Zubair Zafar Shah and Junji Yagisawa

　　摘要 降雨引起的侵蚀对河堤坡度构成了严重威胁，雨滴冲击和地表径流会引发颗粒脱落、沟壑形成和侵蚀沟的发展，导致土壤快速流失和局部不稳定。本研究在可控降雨条件下，通过实验评估了短纤维加固作为河堤坡度侵蚀控制措施的效果。实验室使用的堤坝模型由均匀的土壤混合物制成，并在恒定湿度条件下进行压实。模拟降雨强度分别为50毫米/小时和100毫米/小时。通过时间序列观测监测侵蚀进展，并利用沉积物收集和三维表面测量数据进行量化。对比未加固和纤维加固的坡度，以研究纤维桥接和表面锚固对侵蚀发生和发展的影响。结果表明，短纤维加固延缓了沟壑形成并减少了土壤流失。在50毫米/小时的降雨强度下，1%的椰壳纤维使侵蚀质量减少了约70%，而聚丙烯纤维则减少了约42%。这些发现表明，短天然纤维可以有效提高压实河堤坡在降雨条件下的抗侵蚀能力。

1. 引言
河堤是洪水风险管理系统的基本组成部分，为社区、基础设施和农业用地提供第一道防洪防线。由于气候变化，极端天气事件变得更加频繁和强烈[1,2]。除了保护功能外，河堤系统还通过帮助社会适应水文变化、减少对城市和农业活动的干扰以及支持长期社会经济稳定来提高气候适应能力[3,4]。全球多次重大洪水灾害都凸显了河堤基础设施的关键作用。例如，2010年左右，巴基斯坦、印度、中国、哥伦比亚和澳大利亚等国家都经历了破坏性洪水，其中中国报告的年度经济损失最大（510亿美元）[5,6]。巴基斯坦的季风导致严重的人道主义影响，包括约两千人死亡，这突显了洪水灾害的反复发生及其对有效准备和洪水管理策略的持续需求[7,8]。日本也因台风和极端降雨而遭受了严重的河堤基础设施破坏，包括河堤和护岸失效以及广泛的淹没[9,10]。随着风暴降雨强度的增加，堤坝退化和失效的风险变得更加严重，这迫切需要提高河堤在极端水文气象条件下的抵御能力[11]。
虽然溢流和渗漏被广泛认为是河堤系统的主要失效机制，但降雨引起的山坡表面侵蚀也会逐渐破坏河堤。雨滴冲击会导致土壤颗粒脱落，而地表径流会汇集成沟壑，可能在高强度风暴中加速土壤流失和局部坡度退化[12,13,14]。沟渠侵蚀尤其严重，因为集中水流可以侵蚀深层渠道，增强沉积物流动性，并在超过集中水流侵蚀阈值时引发快速的地形变化[12,13,15]。在自然条件下研究降雨驱动的侵蚀具有挑战性，因为降雨特性（强度、持续时间、空间均匀性和水滴大小分布）使得系统地研究侵蚀过程和缓解措施变得复杂。因此，降雨模拟器被广泛用于在可控的实验室或小规模条件下再现降雨条件，从而在一致的边界条件下系统地评估侵蚀的发生和发展[16,17]。受控模拟支持沉积物输出和径流响应的测量，结合表面测绘，可以了解侵蚀如何以及在哪里集中形成沟壑[17,18,19]。
与传统的表面保护措施（如植被、 mats和土工织物）相比，纤维加固作为一种基于土壤的侵蚀缓解策略越来越受到关注，因为分散在土壤中的纤维可以提高抗拉强度，改善颗粒之间的互锁作用，并桥接正在形成的微裂纹，从而总体增强土壤稳定性，减少降雨和径流下的土壤脱落[20,21,22]。天然纤维（如椰壳纤维）因其可生物降解性和在侵蚀控制产品中的广泛应用而特别适合可持续侵蚀控制。多项现场和实验室研究表明，当正确安装和维护基于椰壳纤维的系统时，可以显著减少侵蚀[23,24]。合成纤维（如聚丙烯纤维）在潮湿条件下具有耐用性和机械稳定性，分散的聚丙烯纤维在岩土加固应用中得到了广泛研究[25,26]。然而，纤维加固土壤的抗侵蚀性能可能对纤维用量敏感：过量的纤维含量可能会降低混合均匀性并产生局部异质性（如聚集），从而降低抗侵蚀能力[22,27]。
许多侵蚀研究的另一个局限性是，仅凭沉积物产量可能无法完全描述侵蚀形态的变化。3D表面测量的最新进展，包括地面激光扫描和基于运动的结构（SfM）摄影测量技术，使得使用差异深度模型（DEM-of-Difference）方法量化表面隆降和侵蚀体积成为可能，从而加强了处理效果的解释[28,29,30]。此外，消费级深度传感器（如智能手机激光雷达）在重复近距离扫描方面显示出潜力，当谨慎用于比较分析时，可以支持低成本、频繁的表面监测[31,32]。尽管人们对纤维加固土壤的兴趣日益增加，但相对较少的研究系统地考察了其在可控降雨条件下抑制河堤坡度降雨诱导表面侵蚀过程的有效性。特别是，关于天然纤维和合成纤维的比较实验评估，以及对增强侵蚀抑制机制的剂量效应的研究仍然有限。
因此，本研究在可控降雨条件下，通过比较不同含量的椰壳纤维和聚丙烯纤维，实验性地研究了河堤型坡度上的降雨诱导侵蚀，并探讨了短纤维加固作为侵蚀控制措施的作用。通过时间序列观测侵蚀发展，结合沉积物损失测量和重复的三维表面扫描，量化了输出物质和原位形态变化。本研究的目标如下：（1）量化降雨强度对压实堤坝土壤中沟壑形成和发展过程的影响；（2）在相同的边界条件下，比较可生物降解的椰壳纤维和合成聚丙烯纤维的侵蚀抑制效果；（3）确定一种最佳纤维用量，以最大化抗侵蚀能力，同时不引入降低均匀性和性能的混合相关缺陷（如聚集/异质性）[12,13,14,15,16,17,18,19,23,24,25,26,27]。

2. 材料与方法
2.1. 实验装置
堤坝实验在一个专门建造的开放式测试设施中进行，该设施设计用于：（i）支持堤坝坡度的可重复建造和压实；（ii）实现均匀降雨；（iii）在降雨前后进行无障碍的表面监测和三维扫描。主要实验单元由一个放置在桥式支撑基础框架上的木制堤坝箱组成，形成了一个稳定的 plataforma，用于土壤放置、湿润和侵蚀过程观察。图1a显示了实验装置的概览。
2.1.1. 支撑框架和双测试布局
使用桥式管道/框架组装了一个刚性基础平台，将堤坝箱安装并水平定位在其上。这一基础确保了模型在长时间降雨和径流发展过程中保持稳定，同时为重复表面扫描提供了一个一致的参考水平。整个测试平台支持一个沿纵向方向长约1.0米的堤坝模型。
为了提高实验效率并保持相同的边界条件，测试箱的总宽度为60厘米，内部划分为两个独立的30厘米宽的通道，如图1b所示。这种配置允许在同一降雨事件下同时进行两次测试（例如，未加固与纤维加固），从而最小化降雨分布或房间条件的小差异造成的变化。使用垂直内隔板防止两个通道之间的交叉流动和沉积物混合。
2.1.2. 堤坝箱制造和防水
堤坝箱由胶合板制成，选择这种材料是因为其成本效益高且易于制造。为了防止降雨测试期间吸水和结构减弱，所有内表面和接缝均使用防水胶带密封，形成了防止水分渗入木材的实际屏障。没有使用丙烯酸或金属容器；相反，整个土壤放置、压实、降雨应用和扫描过程都使用木制箱子作为结构容器。箱子的顶部是开放的，这允许无障碍的降雨输送，并简化了上方的近距离激光雷达扫描。
开放式侵蚀室在降雨-侵蚀实验中广泛使用，因为它们允许与大气直接互动，从上方控制降雨，并提供直接的视觉/表面访问以进行监测和测量。
2.1.3. 堤坝几何形状和成形程序
在每个30厘米的测试通道内，建造了一个堤坝坡度，以模拟巴基斯坦防洪堤和灌溉/渠道堤坝中常见的典型土堤几何形状，这些地方常见降雨引起的表面侵蚀。目标几何形状为：堤顶高度50厘米，堤顶宽度30厘米，坡长40厘米，逐渐过渡到堤脚高度10厘米和堤脚长度30厘米。选择这种几何形状是为了在强烈降雨下重现真实的径流集中和下游流动加速，从而促进沟壑的形成和发展[33]。坡面使用成形模板构建，大约呈现1:1（V:H）的坡度，以在模拟降雨下实现真实的径流集中和渠道化。所有实验中都使用相同的模板，以重现相同的横截面轮廓，并减少初始表面条件的差异，以便将侵蚀响应差异主要归因于降雨条件和加固条件，而不是几何不一致性。
为了确保所有测试的可重复性，使用模板指导坡面的形成。每次建造后，都会轻轻修整坡面，去除不需要的凹陷或不规则之处，以便在降雨期间观察到的任何沟壑特征都能归因于降雨条件和土壤/纤维条件，而不是初始表面缺陷。
2.2. 降雨条件
降雨使用实验室人工降雨系统进行，如图1c所示，该系统配备有泵单元、水箱和可移动的提升装置，用于支撑降雨喷嘴组件。降雨单元位于堤坝箱上方，以确保降雨覆盖整个测试区域，包括两个30厘米宽的通道，从而确保配对实验暴露于相同的降雨事件。每次运行前，都按照制造商的操作程序准备系统：充满水箱，检查供水线路，并激活泵以建立稳定的流量。然后根据设备手册将降雨提升装置提升到工作位置（约3米高）并固定。
本研究使用了两种降雨强度：分别为50毫米/小时和100毫米/小时。所选的降雨强度（50毫米/小时和100毫米/小时）代表了先前关于降雨诱导侵蚀研究中常见的中等和高强度降雨条件[34,35]。选择这些值是为了模拟影响堤坝坡度的典型和严重降雨情况，并评估不同水力条件下的纤维加固性能。该设备通过专用排放线路选择降雨强度；目标强度对应的阀门线路打开，而另一线路保持关闭。操作过程中，通过内置调节系统控制排放压力，并以减压阀的出口压力作为主要操作指标。根据手册，50毫米/小时设置的参考出口压力为0.24 MPa，100毫米/小时设置的出口压力为0.18 MPa，这些值在降雨应用期间作为操作目标。需要注意的是，当前降雨模拟器中的出口压力与降雨强度之间的关系并非线性。系统为每个目标强度级别使用单独校准的排放线路和喷嘴配置。因此，较高的降雨强度（100毫米/小时）是通过不同的流动配置实现的，该配置在较低的测量出口压力（0.18 MPa）下产生更大的流量，而50毫米/小时条件对应于0.24 MPa的出口压力。因此，出口压力值是设备特定的操作设置，不应将其解释为与降雨强度成正比。为了确保准确性，在每次实验前都会通过测量（毫米/小时）独立验证降雨强度。在正式运行之前，通过收集固定时间间隔的降雨量并将其深度转换为强度（毫米/小时）来验证降雨强度。通过在三个点（两端和中心）进行测量，验证了1米测试宽度范围内降雨的空间均匀性，并计算出Christiansen均匀性系数约为95.7%，表明降雨覆盖非常均匀，适合进行比较侵蚀实验。平均降雨滴径约为2毫米。一旦测量到的强度在可接受的范围内与目标值相匹配，且侧向差异被最小化，所有实验都保持相同的设备设置以确保一致性。降雨在整个测试过程中以恒定强度施加：50毫米/小时持续120分钟，以及100毫米/小时持续60分钟。选择这两种强度是为了代表中等和高侵蚀强度，并在相同的边界条件下研究侵蚀起始和沟壑发展的强度依赖性差异。

2.3 土壤和纤维特性
在实验室中准备了一种可重复使用的堤坝材料，这是一种代表土堤的壤土混合物。该土壤由40%的硅砂（7号）、40%的粉砂（#250）和20%的粘土（Showa DL）按干重组成。使用固定的质量比例确保了样品制备的可重复性，并允许在一致的基材条件下比较侵蚀响应，如表1所示。表1. 用于堤坝模型的土壤组成。使用制造商提供的硅砂7号和粉砂#250的粒径分级信息定义了各组成土壤的粒径特性。基于这些数据，为各个组分准备了粒径分布（PSD）曲线，并得出了中值粒径（d50）和均匀性系数（Cu）等特征参数。通过混合这些组分并按质量加权（40/40/20）也生成了壤土混合物的代表性PSD曲线，为可重复性提供了统一的文档基础。各组成土壤的PSD曲线显示在图2a中，关键材料特性总结在表2中。图2. 土壤特性和纤维润湿特性：(a) 土壤材料的粒径分布；(b) 干密度—含水量关系（“×”符号表示实验数据点，实线连接数据点以供参考）；(c) 椰棕纤维的水滴测试；(d) 聚丙烯（PP）纤维的水滴测试。表2. 土壤特性。
使用标准Proctor试验评估了混合壤土的压实行为，以建立模型构建时一致的水分条件。最佳含水量（OMC）为14%，如图2b所示，所有土壤批次在放置前都制备得接近这个值。对于每个批次，首先将纤维（如果使用的话）与干土混合，然后逐渐加水，并充分搅拌直至混合均匀。然后将调湿后的混合物密封并使其达到平衡，以确保样品中的水分分布一致。
选择短纤维是因为它们可以在土壤基质中实现更均匀的分布，并且相比长纤维具有较低的缠结倾向。所选纤维长度（聚丙烯为15毫米，椰棕为20毫米）反映了常见的商业产品。虽然纤维长度可能会影响加固性能，但先前的研究表明，在最佳范围之外，强度提升效果变得微弱，中间长度的纤维（例如15毫米和20毫米）之间的差异很小，这是由于纤维分布效率降低和长纤维的活化不完全 [36,37]。因此，本研究关注在典型材料配置下的实际性能。研究了两种短纤维加固材料：聚丙烯（PP）作为合成纤维，以及椰棕作为天然可降解纤维。聚丙烯和椰棕纤维的长度分别为15毫米和20毫米。纤维含量定义为干土质量的百分比。加固案例包括PP添加量为1.0%和椰棕添加量为1.0%、1.5%以及2.0%，如表3所总结，同时还包括未加固的对照组。在水分调理之前，先将纤维与干土混合，以改善分散性并减少制备过程中的分离。采用这种混合顺序是为了在整个测试过程中保持均匀性，并确保观察结果的一致性。侵蚀行为的差异主要与加固条件和降雨强度有关，而非样品制备的不一致性。表3. 纤维规格。
椰棕和聚丙烯纤维的接触角演变和润湿行为表明了椰棕纤维的亲水性吸收和聚丙烯纤维的持久疏水性。为了研究加固纤维的润湿行为，对椰棕和聚丙烯纤维进行了定性的接触角测量，如图2c,d所示。这项定性测试旨在说明天然纤维和合成纤维之间的润湿行为差异，这些差异可能会影响降雨侵蚀过程中的土壤-纤维相互作用和水分保持。将单个纤维水平固定在平坦表面上，然后在室温下用滴管轻轻将一小滴水滴在纤维表面。使用智能手机相机以指定时间间隔捕捉液滴的连续图片。使用ImageJ软件（版本1.53t）分析捕获的图片，通过拟合液滴轮廓来估计表观接触角。这些测量旨在提供椰棕和聚丙烯纤维亲水性和疏水性行为的指示性比较，而不是精确的表面能量化，如表4所示。将纤维以统一的混合顺序加入土壤中，以促进均匀分散。对于加固案例，首先将所需纤维质量（基于干土重量）混合到干砂-粉砂-粘土混合物中，直至视觉上均匀。然后逐渐加水，使混合物接近目标压实含水量（OMC），并继续混合以最小化分离和纤维聚集。混合后，将制备好的土壤密封并短暂平衡，以确保在放入堤坝箱并进行压实之前水分分布保持一致。表4. 椰棕纤维和聚丙烯纤维的接触角演变。

2.4 堤坝模型构建
每个堤坝模型都是使用标准化和可重复的程序构建的，以确保所有降雨运行和加固案例之间的一致性。放置之前，将测试箱放置在托盘管基础上，并检查内部通道隔板，确保两个30厘米宽的通道保持独立且密封良好。这种准备工作有助于保持均匀的几何形状和边界条件，并确保后续的表面测量基于一致的初始条件。根据目标混合比例（40%砂、40%粉砂和20%粘土）提前准备土壤。对于纤维加固案例，首先将所需的纤维质量混合到干土中，然后逐渐加入水中，使其接近最佳含水量，如2.3节所述。然后将调湿后的土壤分层铺设到每个通道中，每次铺设厚度约为5厘米，并在每层之后进行压实。堤坝模型以大约5-6厘米的厚度分层构建。每层使用钢制手动压实机（落锤型；Asaka Industrial Co., Ltd., 大阪，日本）进行压实，压实头尺寸为20厘米×20厘米。从50厘米的高度落下3.2千克的重锤。每个压实点由同一操作员以一致的方式施加总共30次敲击，以确保所有测试案例的压实能量均匀。压实过程遵循标准Proctor试验得到的目标干密度进行，从而确保所有样品的压实条件一致。
达到顶部高度后，使用刚性模板塑造坡面，以再现每次测试相同的横截面几何形状。堤坝的建造高度为50厘米，宽度为30厘米，坡面形成大约1:1（V:H）的坡度，过渡到脚部部分（脚部高度：10厘米；脚部长度：30厘米）。完成后的表面经过修整，去除不规则部分，提供平滑且一致的初始条件。成形后立即记录和扫描表面，以获得用于后续侵蚀体积估计的降雨前参考地形。
表5中列出的每个实验案例都在指定的降雨和加固条件下进行了一次测试，并重复每个测试通道的程序以提高可重复性。为了确保在整个数据集中清楚地识别和一致地跟踪实验条件，每个测试都分配了一个唯一的案例ID。表5. 所有实验条件的摘要。命名约定编码了本研究中使用的关键变量：前缀表示加固条件（C = 未加固对照，PP = 聚丙烯添加量为1.0%，CF = 椰棕纤维），前缀后的数字表示降雨强度（50或100毫米/小时），对于椰棕加固案例，还明确包含了纤维含量（例如，CF1、CF1.5和CF2）。这种标准化编码方案在整个数据收集、图像/扫描文件组织和后续定量分析中得到应用，以保持可追溯性，并能够在相同的降雨条件下直接比较配对测试。

2.5 侵蚀测量和表面扫描
为了量化降雨实验期间的表面形态变化，使用集成在iPhone设备中的LiDAR传感器和Polycam应用程序（Polycam Inc., San Francisco, CA, USA）进行了三维表面扫描。在降雨实验前以及降雨过程中每10分钟间隔对堤坝表面进行扫描，以捕捉渐进的表面变形和侵蚀发展。每次扫描时，设备系统地在堤坝表面上方移动，以捕获大约2厘米的空间分辨率的高分辨率地形数据。Polycam应用程序生成了表面的三维网格模型，该模型以STL格式导出，其中包含x、y和z坐标信息。从每个扫描阶段获得的STL文件使用Blender软件5.0（Blender Foundation, Amsterdam, The Netherlands）进行处理，以重构数字表面模型。通过计算初始表面模型和后续扫描表面之间的体积差来估算侵蚀体积。这一过程允许量化降雨实验期间的侵蚀和沉积物损失的时间演变。

3 结果
3.1 在降雨强度为50毫米/小时下的堤坝侵蚀
在50毫米/小时的降雨强度下，未加固的对照坡面在早期表现出表面密封现象，随后在降雨实验过程中形成了浅沟。这些沟逐渐变宽并合并，沿优先流动路径形成了连续的浅沟壑。侵蚀深度缓慢增加，主要通过表面冲刷和局部剥离进行。
图3展示了在降雨率为50毫米/小时时，四个时间间隔（0、40、80和120分钟）内表面侵蚀的演变过程。该图比较了三对案例：(a) 聚丙烯加固坡面（PP_50）和未加固对照（C_50），(b) 椰棕纤维添加量为1.0%（CF1_50）和聚丙烯添加量为1.0%（PP_50），以及(c) 椰棕纤维添加量为1.5%（CF1.5_50）和2.0%（CF2_50）。在初始阶段（t = 0-40分钟），两个坡面主要表现出表面润湿和扩散性片流，仅有轻微的纹理变化，表明侵蚀主要由雨滴冲击和浅层径流引起，没有明显的渠道形成。到t = 40-80分钟时，局部微沟和优先流动路径变得更加明显，特别是在对照坡面上，表明径流开始集中并超过了易受攻击区域的沟蚀阈值。图3. 在50毫米/小时降雨下，0、40、80和120分钟时堤坝坡面上侵蚀发展的时间序列照片：(a) PP_50 vs. C_50，(b) CF1_50 vs. PP_50，以及(c) CF1.5_50 vs. CF2_50。受侵蚀影响的区域用虚线轮廓标出。在(b)中，蓝色方块表示CF1_50的侵蚀区域，而红色方块表示放大视图中的PP_50的侵蚀区域。在后期阶段（t = 80-120分钟），两种情况之间的差异更加明显。控制坡面（C_50）表现出更明显的侵蚀特征，包括更深的切割痕迹和在下坡及坡脚区域扩宽的流路，同时伴有明显的沉积物重新分布和沉积。相比之下，添加聚丙烯加固的坡面（PP_50）显示出相对有限的切割痕迹和更分散的浅层侵蚀痕迹，表明连续沟壑网络的形成受到抑制，沟蚀作用也较弱。控制案例表现出更大的受侵蚀区域和更严重的坡脚侵蚀，而聚丙烯加固的坡面则表现出较小的扰动区域和较浅的沟壑特征。在对控制坡面和聚丙烯加固坡面的比较之后，图3b进一步通过比较添加1.0%椰壳纤维（CF1_50）和添加1.0%聚丙烯（PP_50）在相同降雨强度（50毫米/小时，持续120分钟）下的侵蚀情况来探讨侵蚀的发展。在测试开始时（t = 0–40分钟），两个坡面主要都表现出均匀的湿润和片状流动，表面仅有轻微的扰动。在t = 40–80分钟时，两个案例的侵蚀都仅限于浅层、不连续的沟壑，表明径流集中发生在局部，但在这种降雨条件下没有发展成深切割的沟道。随着测试的进行（t = 80–120分钟），两种加固措施之间的差异变得更加明显。聚丙烯加固的坡面显示出更清晰的连续沟壑痕迹和更广泛的受侵蚀区域，而椰壳纤维加固的坡面则显示出较小且较为孤立的沟壑特征。

在比较了控制坡面和聚丙烯加固坡面的基础上，图3b进一步通过比较添加1.0%椰壳纤维（CF1_50）和添加1.0%聚丙烯（PP_50）在相同降雨条件下的侵蚀情况来探讨侵蚀的发展。在测试开始时（t = 0–40分钟），两个坡面主要都表现出均匀的湿润和片状流动，表面仅有轻微的扰动。在t = 40–80分钟时，两个案例的侵蚀都仅限于浅层、不连续的沟壑，表明径流集中发生在局部，但在这种降雨条件下没有发展成深切割的沟道。随着测试的进行（t = 80–120分钟），两种加固措施之间的差异变得更加明显。聚丙烯加固的坡面显示出更清晰的连续沟壑痕迹和更广泛的受侵蚀区域，而椰壳纤维加固的坡面则显示出较小且较为孤立的沟壑特征。放大的图像显示，尽管CF1_50和PP_50的总侵蚀面积相似，但PP_50表现出更深且更集中的侵蚀特征，表明局部流路的形成更为明显。相比之下，CF1_50表现出更浅且分布更广的侵蚀，表明椰壳纤维有助于分散水流能量并限制了垂直切割。总体而言，CF1_50和PP_50都将侵蚀主要限制在小规模的沟壑中，而不是深的沟壑；然而，CF1_50在限制侵蚀范围和连通性方面表现优于PP_50。

在比较了CF1_50和PP_50之后，图3c通过比较添加1.5%椰壳纤维（CF1.5_50）和添加2.0%椰壳纤维（CF2_50）在相同降雨条件（50毫米/小时，持续120分钟）下的侵蚀情况来探讨椰壳纤维用量对侵蚀的影响。在测试早期（t = 0–40分钟），两个坡面主要都表现出均匀的湿润和轻微的扰动，没有明显的深沟形成。随着降雨的持续，侵蚀特征开始在下坡和坡脚附近局部化，因为径流自然集中在这些区域。对于CF1.5_50，可见的侵蚀首先出现在坡脚区域，并从坡底向上发展成小规模的沟壑（图3c）。与控制案例（图3a）相比，受侵蚀区域相对较小，表明加固材料提高了对50毫米/小时降雨的抵抗力。然而，结合CF1_50的结果（图3b），1.5%椰壳纤维的案例显示出更集中在坡脚的沟壑和更大的受侵蚀区域，表明其表面稳定效果不如1.0%椰壳纤维在相同降雨条件下的效果强。相比之下，CF2_50表现出不同的反应，这与制备过程中的不均匀性有关。这种混合物由于混合和压实过程中纤维团聚而更难以制备，其降雨响应也反映了这种不均匀性。上层表面层出现了退化和剥落现象，表明表面完整性受损（图3c）。这种行为表明，超过最佳椰壳纤维含量会降低性能，因为会形成脆弱、不均匀的区域，更容易受到降雨驱动的表面破坏，即使在中等降雨强度下也是如此。总体而言，时间序列比较支持剂量敏感性的结论：椰壳纤维加固在中等含量时是有益的，但更高的含量（2.0%）会产生混合相关缺陷，导致表面退化。

在降雨强度为100毫米/小时的条件下，所有测试案例的侵蚀过程都加速了。控制坡面在最初的10分钟内迅速形成了沟壑，随后出现了明显的沟蚀加深和向源头方向的扩展。沟蚀的发展主要由集中水流和沟壑交叉处的局部塌陷驱动。图4显示了在高强度降雨（100毫米/小时，持续60分钟）下，四个时间点（t = 0、20、40和60分钟）的地表侵蚀演变时间序列照片。该图比较了三种情况：(a) 未加固的控制坡面（C_100）和聚丙烯加固坡面（PP_100）；(b) 添加1.0%椰壳纤维（CF1_100）；以及(c) 添加1.5%（CF1.5_100）和2.0%（CF2_100）的椰壳纤维加固坡面。与50毫米/小时的测试相比，100毫米/小时下的侵蚀进展更快，表明雨滴撞击能量更大，径流生成更快，流速集中更早。图4展示了在100毫米/小时降雨下0、20、40和60分钟时堤岸坡面上的侵蚀发展时间序列照片：(a) C_100与PP_100，(b) CF1_100，以及(c) CF1.5_100与CF2_100。受侵蚀区域用虚线轮廓标出。即使在早期（t = 20分钟），控制坡面（C_100）也表现出明显的表面破坏和局部切割（轮廓区域）。到t = 40分钟时，C_100的侵蚀显著加剧，出现了大面积的受侵蚀区域和明显的坡脚侵蚀。到测试结束时（t = 60分钟），控制坡面表现出严重的表面破坏和大量的物质移除。相比之下，如图4a所示，聚丙烯加固坡面（PP_100）在同一时间段内保持了更稳定的表面状态。尽管侵蚀特征仍然表现为局部斑块和浅层沟痕，但受侵蚀区域较小且相互连接程度较低，向深切割的进展也相对受到抑制。

图4c比较了在100毫米/小时降雨条件下（持续60分钟）添加1.5%椰壳纤维（CF1.5_100）和2.0%椰壳纤维（CF2_100）的椰壳纤维加固案例。在早期阶段（t = 0–40分钟），两个坡面主要都表现出表面湿润和轻微扰动，没有明显的深沟形成。随着降雨的持续，侵蚀特征开始在下坡和坡脚附近局部化，因为径流自然集中在这些区域。对于CF1.5_50，受侵蚀区域首先在坡脚附近显现，并从坡底向上发展成小规模沟壑（图3c）。与控制案例（图3a）相比，受影响区域相对较小，表明加固材料提高了对50毫米/小时降雨的抵抗能力。然而，结合CF1_50的结果（图3b）来看，1.5%椰壳纤维的案例显示出更集中在坡脚的沟蚀和更大的受侵蚀区域，表明其表面稳定效果不如1.0%椰壳纤维在相同降雨条件下的效果。相比之下，CF2_50表现出不同的反应，这与制备过程中的不均匀性有关。这种混合物由于混合和压实过程中的纤维团聚而更难以制备，其降雨响应也反映了这种不均匀性。上层表面层出现了退化和剥落现象，表明在某些区域表面完整性丧失（图3c）。这种行为表明，超过最佳椰壳纤维含量会降低性能，因为会产生脆弱、不均匀的区域，从而更容易受到降雨驱动的表面破坏，即使在中等降雨强度下也是如此。总体而言，时间序列比较支持剂量敏感性的结论：在中等椰壳纤维含量下，椰壳纤维加固是有益的，但更高的含量（2.0%）引入了混合相关缺陷，促进了表面退化。

在降雨强度为100毫米/小时的条件下，所有测试案例的侵蚀过程都加速了。控制坡面在最初的10分钟内迅速形成了沟壑，随后出现了明显的沟蚀加深和向源头方向的扩展。沟蚀的扩散主要受集中水流和沟壑交叉处的局部塌陷驱动。图4展示了在高强度降雨（100毫米/小时，持续60分钟）下，四个时间点（t = 0、20、40和60分钟）的地表侵蚀演变时间序列照片。该图比较了三组情况：(a) 未加固的控制坡面（C_100）和聚丙烯加固坡面（PP_100）；(b) 添加1.0%椰壳纤维（CF1_100）；以及(c) 添加1.5%（CF1.5_100）和2.0%（CF2_100）的椰壳纤维加固坡面。与50毫米/小时的测试相比，100毫米/小时下的侵蚀进展更快，表明雨滴撞击能量更大，径流生成更快，流速集中更早。图4显示了在100毫米/小时降雨下0、20、40和60分钟时堤岸坡面上的侵蚀发展时间序列照片：(a) C_100与PP_100，(b) CF1_100，以及(c) CF1.5_100与CF2_100。受侵蚀区域用虚线轮廓标出。即使在早期（t = 20分钟），控制坡面（C_100）也表现出明显的表面破坏和局部切割（轮廓区域）。到t = 40分钟时，C_100的侵蚀显著加剧，形成了大面积的受侵蚀区域和明显的坡脚侵蚀。到测试结束时（t = 60分钟），控制坡面表现出严重的表面破坏和大量物质移除。相比之下，如图4a所示，聚丙烯加固坡面（PP_100）在同一时间段内保持了更稳定的表面状态。尽管侵蚀特征仍表现为局部斑块和浅层沟痕，但受侵蚀区域较小且相互连接程度较低，向深切割的进展也相对受到抑制。

图4c比较了在100毫米/小时降雨条件下（持续60分钟）添加1.5%椰壳纤维（CF1.5_100）和2.0%椰壳纤维（CF2_100）的椰壳纤维加固案例。由于降雨强度高，两个坡面都迅速产生了表面响应。在CF1.5_100中，侵蚀主要表现为局部沟蚀，表面扰动集中在优先流道上，且扩宽程度有限。相比之下，CF2_100表现出更广泛的表面破坏，随着降雨的进行，上层表面出现了更大的受侵蚀区域和明显的剥落/退化。在100毫米/小时的降雨条件下，由于雨滴撞击更强和径流生成更多，侵蚀进展比50毫米/小时的测试更快。然而，如图4b所示，添加1.0%椰壳纤维的坡面（CF1_100）在整个60分钟时间内保持了相对较好的表面完整性。在早期阶段（t = 0–20分钟），坡面主要表现出湿润和片状流动痕迹，没有明显的沟道形成。随着降雨的持续（t = 40分钟），仅在少数优先流道位置出现了小规模的、不连续的沟壑，这些特征保持浅层且相互分离，没有形成连续的沟壑网络。到测试结束时（t = 60分钟），受侵蚀区域变得更加明显，但仍局限于局部斑块和短沟痕，没有大规模的表面剥落或快速深切割。

为了支持视觉观察和侵蚀严重程度的评估，使用了基于智能手机的LiDAR传感器对堤岸坡面的表面变形进行了测量。在每次降雨测试前后都对所有实验案例进行了表面扫描。图5显示了每个测试案例的累积侵蚀质量。在所有情况下，侵蚀质量随降雨时间的增加而逐渐增加。曲线在降雨初期通常呈现缓慢增长，随着侵蚀特征的发展和径流路径在坡面上的集中，增长速度加快。图5显示了在(a) 50毫米/小时（120分钟）和(b) 100毫米/小时（60分钟）降雨条件下的累积侵蚀质量。在50毫米/小时的降雨强度下，如图5a所示，控制坡面的累积侵蚀质量最高。所有加固案例的侵蚀质量相对于控制坡面都有所减少，但减少程度很大程度上取决于纤维类型和用量。添加1.0%椰壳纤维（CF1_50）在整个测试过程中始终显示出最低的侵蚀质量。添加1.0%聚丙烯（PP50）的侵蚀质量相对于控制坡面有所减少，但仍然高于CF1_50。将椰壳纤维含量增加到1.0%以上并未带来进一步的改善：CF1.5_50的侵蚀质量高于CF1_50，而CF2_50的累积损失甚至更高。在100毫米/小时的降雨条件下（60分钟）也观察到了类似的排名（图5b），但由于降雨强度更高，侵蚀质量的积累速度更快，因为产生了更强的雨滴撞击和更早的流速集中。控制坡面表现出快速的侵蚀增长和最高的最终质量损失。加固坡面的侵蚀质量明显低于控制坡面，其中添加1.0%椰壳纤维（CF1_100）随时间的累积损失最小，表明即使在极端降雨条件下，这种用量也能最有效地延缓侵蚀进程。聚丙烯相对于控制坡面减少了侵蚀，但其效果仍不如添加1.0%椰壳纤维。更高的椰壳纤维含量（1.5%和2.0%）并未带来额外的好处，反而导致累积侵蚀量增加。

基于LiDAR的体积损失统计结果总结在表6中。所有情况下，体积损失随时间逐渐增加，而加固坡面的体积损失通常小于未加固的控制坡面。在50毫米/小时（120分钟）的条件下，控制坡面的体积损失为1290立方厘米，而CF1_50的体积损失最低（370立方厘米；减少了约71%）。PP_50和CF1.5_50的体积损失相似（740立方厘米；减少了约42%），而CF2_50的体积损失最大（1000立方厘米）。在100毫米/小时（60分钟）的条件下，控制坡面的体积损失为1200立方厘米，CF1_100的体积损失再次最低（380立方厘米；减少了约68%）。随后是PP_100（670立方厘米），CF1.5_100（740立方厘米），以及CF2_100（1020立方厘米）。表6总结了基于LiDAR的表面比较得出的侵蚀体积估计值。

实验结果清楚地显示了各测试案例之间的侵蚀发展差异，特别是在沟壑连通性、累积侵蚀质量和基于LiDAR的侵蚀体积方面。虽然第3节描述了观察到的侵蚀模式和案例之间的定量差异，但本节解释了导致这些趋势的机制，并讨论了它们对堤岸坡面纤维加固侵蚀控制的影响。

在两种降雨强度下，未加固的控制坡面都迅速从表面湿润和片状流动转变为径流集中、沟蚀开始，而在更严重的条件下，还出现了连续的沟壑网络和类似沟蚀的切割。这一序列反映了降雨驱动侵蚀的典型过程，其中雨滴撞击导致颗粒脱落，浅层地表径流逐渐集中在优先流道上，一旦超过局部阈值，侵蚀就会加速。短纤维加固通过增加近表面的颗粒脱落抵抗力和限制发展中的沟壑的连通性和深度来改变这一进程。累积侵蚀质量和基于LiDAR的体积损失的减少表明，加固主要通过两种耦合效应发挥作用：(i) 通过拉伸约束和颗粒互锁（纤维桥接）实现机械稳定；(ii) 保持更连贯的表面层，减少了集中水流扩展成更大连接侵蚀区域的能力。这些机制与第3.1节和第3.2节中的视觉观察结果一致，即加固后的坡面通常表现出较小的扰动区域和较少的沟壑网络。

除了机械效应外，实验还表明纤维的润湿性影响了降雨水与加固土壤表面之间的相互作用。亲水性椰壳纤维促进了湿润和更紧密的土壤-纤维接触，从而支持更均匀的流动并减少了沟壑的连通性。相比之下，疏水性聚丙烯倾向于在纤维界面排斥水，可能导致径流沿优先流道局部集中。这种润湿行为的差异可能部分解释了为什么在类似加固比例下，椰壳纤维加固的坡面通常表现出较小的侵蚀斑块和较低的累积侵蚀。这一概念差异在图6中以示意图的形式进行了总结，将观察到的侵蚀模式与亲水性-疏水性行为联系起来。如图6所示，观察到的润湿行为差异可以归因于纤维表面特性与周围土壤基质之间的相互作用。概念模型强调了亲水性纤维如何促进水分扩散和改善粘结，而疏水性纤维则倾向于抵抗湿润，导致界面相互作用减少。总体而言，即使在高强度条件（100毫米/小时）下，改善效果仍然明显，所有情况下侵蚀进程都加快了。这表明，尽管加固可以在极端情况下延缓侵蚀，但当降雨能量和径流速率增加时，仍无法完全防止表面破坏。图6展示了亲水性-疏水性对椰纤维和聚丙烯（PP）纤维在降雨驱动下的侵蚀作用的概念示意图。4.2 PP与椰纤维的性能比较及最佳椰纤维用量的确定性能排名在各个数据集中都是一致的：1%的椰纤维显著降低了侵蚀程度，其次是1.5%的椰纤维，而2%的椰纤维不仅没有进一步改善，反而表面稳定性变得更差。从机制上看，1%的PP纤维由于其良好的分散性和稳定的纤维几何结构而提供了明显的加固效果。然而，其光滑且疏水的特性限制了与土壤-纤维界面的湿润作用。相比之下，椰纤维结合了机械贡献（更粗糙的质地和在土壤基质中更强的锚固力）以及亲水倾向，促进了湿润和紧密的土壤-纤维接触。这种组合可能是CF1情况下观察到的表面稳定性提高的原因。定量侵蚀结果也表明，椰纤维的加固效果具有明显的剂量依赖性。重要的是，结果还显示了椰纤维用量的敏感性：从1%增加到1.5%并没有进一步增强抗侵蚀能力，而增加到2%反而降低了性能。这种趋势在累积侵蚀质量曲线和LiDAR测量的侵蚀体积中都很明显。这表明存在一个最佳用量范围，在这个范围内，加固足以抑制沟蚀的发展，同时仍能保证均匀混合和压实。一旦纤维含量过高，局部异质性会增加，从而抵消机械优势，特别是在径流集中的坡脚和较低坡度处。这种行为也在时间序列图像中得到了体现，较高椰纤维含量的区域出现了局部表面恶化和剥落现象，表明过量的纤维添加会降低表层结构的整体性。4.3 意义、局限性与未来研究方向从实际角度来看，结果表明短纤维加固是一种可行的措施，可以增强堤岸斜坡对降雨驱动的沟蚀和沟壑发展的抵抗力，其中1%的椰纤维在测试条件下是最有效和一致的选择。研究结果还强调了另一个重要的建造方面的影响：性能不仅取决于纤维的强度贡献，还取决于混合均匀性和压实质量。如果纤维含量过高，混合过程中可能会发生纤维团聚，导致出现异质区域，从而降低抗侵蚀能力。需要注意的是，聚丙烯和椰纤维之间的纤维长度差异可能会引入混淆因素。虽然本研究主要关注纤维类型和剂量的影响，但纤维长度的影响无法完全隔离，应在未来的工作中系统地进行研究。在局限性方面，实验是在实验室规模下，在受控降雨和固定几何条件下进行的，这加强了比较的可靠性，但无法完全反映现场变异性（例如植被、干燥开裂、空间变化的压实以及多事件风暴序列）。此外，本研究中的接触角测量是定性的，仅用于纤维润湿性的比较解释。由于使用了简化的基于图像的分析方法，以及测量弯曲和不规则纤维表面液滴的固有难度，所报告的数值应被视为指示性的而非精确的。智能手机LiDAR被用作估算表面变化的比较工具，而非高精度测量方法。未来的研究应使用更高分辨率的技术（如TLS或SfM并设置控制目标）来量化不确定性并验证体积变化。进一步的研究应探讨纤维长度/纵横比、反复湿润-干燥、天然纤维的老化、组合系统（纤维+表面覆盖/植被）的影响，以及将实验室结果转化为适用于极端降雨条件下堤坝和路堤保护的实际设计指南。5. 结论本研究调查了压缩堤岸斜坡在降雨作用下的表面侵蚀情况，并评估了短纤维加固作为实际缓解措施的效果，在控制降雨强度为50毫米/小时（120分钟）和100毫米/小时（60分钟）的条件下进行了评估。基于时间序列观察、累积侵蚀质量和基于LiDAR的侵蚀体积估算，得出以下结论：在当前实验条件下，短纤维加固相比未加固的对照组能够提高抗侵蚀能力，主要是通过限制沟蚀的发展和减缓向更深侵蚀特征的进展。在测试条件下，椰纤维的表现优于聚丙烯纤维，提供了更强的斜坡表面稳定性。这种改善在视觉侵蚀模式和定量测量中都得到了一致的观察。确定了1.0%的椰纤维为有效的加固水平，在这种用量下，既有效减少了侵蚀，又保持了良好的混合均匀性和建造可行性。在50毫米/小时的降雨条件下，1%的椰纤维使侵蚀质量减少了约70%，而1%的聚丙烯减少了约42%。将椰纤维含量增加到超过测试的有效水平并没有进一步提高抗侵蚀能力。较高的纤维用量导致混合不均匀和局部纤维团聚，从而降低了加固效率，有时还会促进局部表面恶化。总体而言，结果表明，大约1%含量的短椰纤维是一种有前景且实用的选择，可以提高堤岸斜坡对降雨驱动的沟蚀的抵抗力。需要注意的是，本研究的结果基于受控的实验室实验，实际现场情况更为复杂，在实际应用之前需要进一步进行真尺度验证。此外，本研究的局限性在于每个降雨条件都只进行了一次受控的对比实验；因此，结果主要表明了处理趋势而非统计显著性。未来的研究应包括重复实验，以量化变异性、不确定性和置信水平。