擾動高沙土侵蝕規(guī)律的試驗研究

張以森，郭相平，吳玉柏，周華強

(1.河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇南京 210098; 2.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210017)

我國正處在城市化、工業(yè)化和現(xiàn)代化進程中，各類工礦企業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施在施工建設(shè)和生產(chǎn)運行過程中產(chǎn)生了大量的擾動土和擾動坡面，使得建設(shè)項目區(qū)域內(nèi)水力侵蝕現(xiàn)象嚴重，其產(chǎn)沙量增加至建設(shè)期之前的30～80倍[1].建設(shè)項目引起的水土流失，不僅破壞土地資源，而且會危及施工現(xiàn)場及附近居民的安全.工程擾動土堆積，不僅占用土地、破壞植被，降雨引起的水土流失還會污染水體，影響環(huán)境，甚至導(dǎo)致堆土滑塌，堵塞道路和排水系統(tǒng)，給人民生命和財產(chǎn)安全造成威脅.與一般自然坡面的侵蝕不同，擾動土的堆積坡度可由人為控制，并受到土壤質(zhì)地和施工機械爬坡能力的影響.通過合理控制邊坡，可以改變擾動土的侵蝕強度，并盡可能減少堆土的占地面積.目前，建設(shè)項目擾動土的研究主要集中在侵蝕模數(shù)的預(yù)測方面[2-4]，對其結(jié)合施工機械爬坡能力和占地，尋求適當(dāng)堆土坡度以及侵蝕規(guī)律的研究較少.筆者通過模擬試驗，對江蘇省高沙土區(qū)擾動土堆積坡面的侵蝕規(guī)律進行了研究，以期對于施工過程中堆土的防護有所幫助.

1 試驗設(shè)計與試驗過程

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2009年8—9月在南京林業(yè)大學(xué)人工模擬降雨大廳進行，降雨設(shè)備為下噴式人工降雨器，降雨高度為6m，有效降雨面積為30m2，降雨均勻度在85%以上.試驗土槽為移動式變坡鋼槽，尺寸為2m×3m×0.3m，縱向坡長為3m.鋼槽下有小孔，用來模擬水分下滲.坡度調(diào)節(jié)范圍為0°～45°.根據(jù)堆土機械的攀爬能力和沙土內(nèi)摩擦角，本文試驗設(shè)計5°，10°，15°，20°，26.5°(1∶2坡度)5個坡度.試驗設(shè)計的降雨強度為50mm/h，次降雨量分別為5mm，15mm，25mm，45mm，65mm，共25個處理，各處理重復(fù)2次，共50次.各處理取平均值進行計算和分析.

試驗土壤為江蘇通南地區(qū)高沙土，取自如皋市搬經(jīng)鎮(zhèn)，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為0.56%，土壤各粒級質(zhì)量分數(shù):大于0.05mm為74.2%，0.01～0.05mm為5.42%，0.001～0.01mm為16.23%，小于0.001mm為4.15%.土壤自然風(fēng)干后，去除樹葉、石塊等雜物，在鋼槽底部鋪紗布，然后分層裝土，每層厚5 cm，按1.35g/cm3干密度逐層壓實，土壤層總厚度為20cm.裝滿后將表土平整壓實.

每次試驗的前1天下午，將鋼槽坡度調(diào)整為10°，在50mm/h的雨強下對坡面降雨，坡面剛好產(chǎn)流時停止降雨，以保證每次降雨的下墊面條件一致，減少試驗土槽的空間變異性.

試驗前將鋼槽用防水布覆蓋防水，鋼槽周圍放上量雨筒.調(diào)節(jié)降雨強度直至設(shè)計雨強，穩(wěn)定后打開防水布開始試驗.

1.2 測試內(nèi)容與方法

a.徑流量:每個鋼槽的出口處放置一個水桶，采用體積法測定.

b.泥沙濃度:開始產(chǎn)流后，每隔2min在鋼槽出口處接取200mL水樣，然后用烘干法測量泥沙濃度.

c.侵蝕量:降雨結(jié)束后，把桶中徑流產(chǎn)物充分攪勻，迅速取出1L水樣，用烘干法測泥沙量，根據(jù)總徑流量計算總侵蝕量.

2 結(jié)果與分析

2.1 坡度對泥沙質(zhì)量濃度的影響

圖1 坡度對泥沙質(zhì)量濃度的影響(降雨量45mm)Fig.1 Effect of slope angle on sediment concentration (rainfall amount of 45mm)

產(chǎn)流初期，泥沙濃度比較低，5min后，各坡度徑流中泥沙質(zhì)量濃度快速上升并達到最大值，然后隨著時間延續(xù)而逐漸下降，下降趨勢較為平緩，如圖1所示.

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因可能是:(a)降雨初期，土壤表面疏松，雨滴擊濺侵蝕強烈，形成大量細小土壤顆粒，導(dǎo)致泥沙質(zhì)量濃度迅速上升;(b)隨著降雨延續(xù)，初期產(chǎn)生的細小顆粒填充了原有的土壤空隙，表土板結(jié)形成致密層，土壤顆粒作用力增大，抗蝕能力增加.土壤結(jié)構(gòu)變得密實，導(dǎo)致泥沙質(zhì)量濃度降低.土壤板結(jié)造成入滲率降低，坡面徑流深度增加，削弱了雨滴擊濺侵蝕能力，并可降低坡面水流的紊動程度，導(dǎo)致水流挾沙能力下降.

從圖1還可以看出，隨著坡度的增加，坡面徑流中泥沙質(zhì)量濃度迅速提高，在接近20°時達到極值.當(dāng)坡度超過20°時，泥沙質(zhì)量濃度趨于穩(wěn)定，表明試驗所采用之?dāng)_動沙土的臨界坡度為20°～26.5°.

2.2 土壤侵蝕量與降雨量和坡度的關(guān)系

由圖2看出，在不同坡度的情況下，徑流量隨著降雨量的增大而線性增加，達到極顯著相關(guān)水平，且隨著坡度增加，直線斜率(類似于徑流系數(shù))增加，見表1.由圖3可見，侵蝕量與降雨量之間的關(guān)系近乎直線，這與以往研究結(jié)論相一致[5-8].坡度較小時(小于15°)，降雨初期單位降雨量的侵蝕量很小，存在產(chǎn)生侵蝕的最小啟動雨量(約為5mm)，而后增加速率較快，這與初期入滲速率大、產(chǎn)流少有關(guān).坡度較大時，最小啟動雨量變小，且初期侵蝕速率高于后期，這與早期徑流中泥沙濃度較高相一致(見圖1).

圖2 徑流量與降雨量的變化Fig.2 Relationship between runoff amount and rainfall amount

圖3 土壤侵蝕量與降雨量的變化Fig.3 Relationship between erosion amount and rainfall amount

坡度小于20°時，在雨量較小(小于25mm)的情況下，侵蝕量隨坡度的增加而提高的速率不大，在高雨量(大于25mm)情況下，侵蝕量則隨坡度增加而迅速升高，如圖4所示.對于各種雨量，坡面在15°～20°之間有劇烈躍升，并在20°時達到極值.超過該坡度，侵蝕量開始下降，如圖3所示.這表明，擾動高沙土的臨界坡度在20°～26.5°之間，這與陳發(fā)揚等[9-12]的研究相一致.

隨著坡度的增加，濺蝕侵蝕量增加，坡面流速加快，徑流侵蝕能力增加，而且斜坡土體的重力分量增加，土壤顆粒更易被徑流沖走.上述因素使得侵蝕量隨坡度增加有增大的趨勢.另一方面，隨著坡度的增大，承雨面變小，單位土面面積徑流量及沖刷量也相應(yīng)變小，這兩方面因素相互作用導(dǎo)致臨界坡度出現(xiàn).

表1 徑流量、侵蝕量與降雨量的回歸方程Table 1 Regression equations for runoff amount，erosion amount and rainfall amount

圖4 土壤侵蝕量隨坡度的變化(雨強mm/h)Fig.4 Relationship between erosion amount and slope angle(rainfall intensity:mm/h)

對于擾動土而言，通過坡面控制土壤侵蝕強度的作用是明顯的.可以看出，坡度為20°時，5mm降雨量產(chǎn)生的侵蝕量遠大于15°，25mm時的侵蝕量，25mm降雨量產(chǎn)生的侵蝕量大于15°，65mm時的侵蝕量.超過20°，侵蝕量隨坡度增加有降低的趨勢，但對于絕大部分行走式推土、裝卸設(shè)備而言，施工機械無法安全上行.而且，由于高沙土的內(nèi)摩擦角小、坡度過大，容易引起重力侵蝕(坍塌、滑坡等)，危及施工和周圍地區(qū)安全.因此，高沙土擾動坡面的堆放坡度應(yīng)盡量控制在20°以內(nèi).

相同雨強(mm/h)下，對5°～20°坡面侵蝕量和坡度關(guān)系進行回歸分析，結(jié)果如表2所示，表中，y為侵蝕量，g/m2;x為坡度;F0.01=34.12，F(xiàn)0.05=10.13.由表2和表3可以看出，隨著降雨量增加，侵蝕量與坡度之間的相關(guān)性(F值)增加，在20°時達到極值，然后開始降低.在降雨量為5mm時，侵蝕量與坡度的回歸方程不顯著;降雨量較大時(15～25mm)達到顯著水平;在45mm和65mm降雨量時，達到了極顯著水平.產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是:降雨量較小時，徑流量和侵蝕量也較小，放大了外部因素對土壤侵蝕的影響;而當(dāng)降雨量較大時，外部因素對土壤侵蝕的影響相對較小.

表2 侵蝕量與坡度的回歸方程Table 2 Regression equations for erosion amount and slope angle

2.3 侵蝕量與徑流量的關(guān)系

降雨量越大，徑流量也越大，土壤的侵蝕量也就越大.經(jīng)回歸分析表明，侵蝕量和徑流量呈線性相關(guān)，侵蝕量與徑流量在0.01水平上顯著，達到極顯著水平，如表3所示.表中，y為侵蝕量，g/m2;x為徑流量，L/m2; F0.01=21.20，F(xiàn)0.05=7.71.表3表明，控制徑流量，采用鋪蓋防水、設(shè)置排水溝等方法，是減少擾動土坡面土壤侵蝕量的有效手段.

表3 侵蝕量和徑流量的回歸方程Table 3 Regression equations for erosion amount and runoff amount

進一步分析還可以發(fā)現(xiàn)，隨著坡度增加，單位徑流量的侵蝕量(相當(dāng)于流出坡面時的挾沙能力)增加，然后降低，呈現(xiàn)出明顯的拋物線關(guān)系，如圖5所示.

圖5 坡度與單位徑流侵蝕量關(guān)系Fig.5 Relationship between slope angle and soil erosion by runoff per unit

3 結(jié) 論

a.擾動高沙土坡面降雨初期徑流泥沙質(zhì)量濃度較高，而后呈逐漸下降趨勢.

b.侵蝕量與降雨量正相關(guān).低于15°時，存在產(chǎn)生侵蝕最小啟動雨量，約為5mm.

c.擾動高沙土在20°～26.5°之間存在臨界坡度.與降雨量相比，坡度對侵蝕量的影響更為明顯.考慮到施工機械爬坡能力和高沙土的內(nèi)摩擦角較小，將擾動堆土坡面控制在20°以內(nèi)對降低侵蝕較為有利.

d.侵蝕量與徑流量正相關(guān).單位徑流的侵蝕量與坡度呈拋物線關(guān)系.坡面超過15°時，通過技術(shù)措施減少坡面徑流量是控制坡面侵蝕的有效手段.

e.上述結(jié)論僅為室內(nèi)模擬試驗所得，其正確性有待進一步證實.

對土壤侵蝕較為嚴重的降雨類型為暴雨，本文試驗所用的降雨強度達到了暴雨級別，因此試驗結(jié)論適合于強降雨下的降雨侵蝕，中小雨強下的侵蝕規(guī)律還需要進一步研究.本文試驗中的侵蝕為坡面侵蝕，沒有發(fā)生溝蝕現(xiàn)象.

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