模擬上方來(lái)水對(duì)工程開(kāi)挖面沖刷的試驗(yàn)研究

程冬兵，孫俊琦，張平倉(cāng)，張長(zhǎng)偉，任 亮，黃旭華，徐 燦

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水土保持研究所，武漢 430010)

模擬上方來(lái)水對(duì)工程開(kāi)挖面沖刷的試驗(yàn)研究

程冬兵，孫俊琦，張平倉(cāng)，張長(zhǎng)偉，任 亮，黃旭華，徐 燦

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水土保持研究所，武漢 430010)

工程開(kāi)挖面是生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失的主要來(lái)源之一，開(kāi)挖面下墊面改變劇烈，產(chǎn)生的水土流失既有傳統(tǒng)水土流失的共性，又有其自身的特殊性。其中有匯水影響開(kāi)挖面占總開(kāi)挖面數(shù)量的94%。通過(guò)人工開(kāi)挖坡面小區(qū)及放水沖刷試驗(yàn)?zāi)M匯水影響，研究上方來(lái)水條件下開(kāi)挖面水土流失規(guī)律，以期為開(kāi)挖邊坡水土流失預(yù)測(cè)及防治提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。結(jié)果顯示：放水沖刷試驗(yàn)過(guò)程中基本沒(méi)有初損歷時(shí)，徑流系數(shù)普遍偏大；侵蝕外營(yíng)力放水流量、下墊面因素坡度、坡長(zhǎng)等對(duì)開(kāi)挖面土壤侵蝕均有重要的影響，均與單位面積土壤流失量呈極顯著相關(guān)；新舊開(kāi)挖面土壤流失量差異顯著，其倍數(shù)與坡度呈極顯著冪函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系；隨放水流量增大，各小區(qū)徑流量、單位面積產(chǎn)沙量均呈增大趨勢(shì)；同一放水流量，不同坡長(zhǎng)小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙差異不明顯；同一放水流量，不同坡度小區(qū)之間單位面積產(chǎn)沙量差異顯著，但徑流量差異不明顯。

開(kāi)挖面；上方來(lái)水；水土流失；生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目；匯水影響；沖刷試驗(yàn)

1 研究背景

工程開(kāi)挖作為生產(chǎn)建設(shè)過(guò)程中最為典型的人為擾動(dòng)方式之一，所形成的開(kāi)挖面具有物質(zhì)組成復(fù)雜、緊實(shí)度高、容重大、坡度陡等特點(diǎn)，極易發(fā)生嚴(yán)重的水土流失[1]，是生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失的主要來(lái)源之一。由于工程開(kāi)挖面下墊面改變劇烈，產(chǎn)生的水土流失既有傳統(tǒng)水土流失的共性，也有其自身的特殊性。目前傳統(tǒng)自然因素影響下的水土流失相關(guān)研究較為深入，但生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失研究還處于初期階段[2]，尤其是工程開(kāi)挖面水土流失專(zhuān)門(mén)研究非常有限。根據(jù)筆者前期研究[1]，按開(kāi)挖面上方有無(wú)匯水影響，開(kāi)挖面可劃分有匯水影響開(kāi)挖面和無(wú)匯水影響開(kāi)挖面2大類(lèi)。其中有匯水影響開(kāi)挖面指坡面開(kāi)挖未越過(guò)分水嶺，在坡面上方有一定匯水面積但無(wú)攔截水措施。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，有匯水影響開(kāi)挖面占總開(kāi)挖面數(shù)量的94%，即絕大多數(shù)開(kāi)挖面發(fā)生水土流失的外營(yíng)力為上方來(lái)水。已有研究表明[3]，當(dāng)坡面接受上方匯水后，各侵蝕方式演變速度明顯加快，侵蝕產(chǎn)沙量迅速增大。因?yàn)樯戏接袇R水時(shí)，使坡面下方的徑流量和流速增大，從而引起坡面徑流侵蝕能力加大。為此，通過(guò)人工開(kāi)挖坡面小區(qū)及放水沖刷試驗(yàn)，研究上方來(lái)水條件下開(kāi)挖面水土流失規(guī)律，以期為開(kāi)挖邊坡水土流失預(yù)測(cè)及防治提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持學(xué)科發(fā)展。

2 材料與方法

2.1 開(kāi)挖面小區(qū)布置

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在長(zhǎng)江科學(xué)院沌口科研基地，地處武漢市西南部“武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)”。該區(qū)屬壟崗低丘地貌，地層分布主要為第四系全新統(tǒng)洪、坡積層，母質(zhì)為第四紀(jì)紅色黏土，土壤類(lèi)型為紅壤，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨水充沛，多年平均氣溫為16.6℃，多年平均降水量為1 270 mm。

在科研基地水塘邊選擇一小塊荒地，按照水利部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水土保持試驗(yàn)規(guī)范》(SL 419—2007)有關(guān)要求，通過(guò)挖機(jī)開(kāi)挖、人工修整，設(shè)計(jì)了20°，30°，35°，50°，65°等5個(gè)坡度，每個(gè)坡度再設(shè)計(jì)2～3個(gè)坡長(zhǎng)，共13個(gè)小區(qū)，具體規(guī)格詳見(jiàn)表1。

2.2 研究方法

采用自制的放水試驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)0.5，1.0，1.5 L/s 3個(gè)流量(按匯水面積50 m2，按雨強(qiáng)1.0，2.0，3.0 mm/min，徑流系數(shù)0.6換算而得)，小區(qū)布置妥當(dāng)后，先對(duì)下墊面進(jìn)行取樣，獲取重度、質(zhì)地、含水量等指標(biāo)。通過(guò)特制的儲(chǔ)水裝置、水泵、控制閥等，將放水量進(jìn)行率定達(dá)設(shè)計(jì)值。試驗(yàn)開(kāi)始，打開(kāi)控制閥，記錄人員同時(shí)按下2塊電子表，一塊用于記錄放水總時(shí)間，另一塊用于坡面產(chǎn)流后控制采樣人員的采樣時(shí)間。取樣時(shí)間間隔：前3 min為1 min一個(gè)樣；3～7 min為2 min一個(gè)樣；7～10 min為3 min一個(gè)樣；10 min后，每隔5 min一個(gè)樣。具體的取樣時(shí)間為產(chǎn)流后的1，2，3，5，7，10，15，20，25，30，35，40 min，……。當(dāng)土壤侵蝕基本穩(wěn)定后，及時(shí)關(guān)閉控制閥，待坡面沒(méi)有徑流流下后，記錄人員記錄產(chǎn)流終止時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)所采集的樣品、渾水總量進(jìn)行稱(chēng)量，樣品帶回試驗(yàn)室，烘干稱(chēng)重，換算該場(chǎng)次放水沖刷試驗(yàn)的水土流失量。同一坡面在完成一次放水沖刷試驗(yàn)后至少靜置24h后方可開(kāi)展下一場(chǎng)放水沖刷試驗(yàn)。

表1 開(kāi)挖面小區(qū)規(guī)格參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 水土流失總體特征

自2013年9月至10月，共開(kāi)展52場(chǎng)放水沖刷試驗(yàn)。相比降雨條件下水土流失過(guò)程[4]，放水沖刷試驗(yàn)由于來(lái)水量大，即使是最小流量0.5 L/s，也相當(dāng)于特大暴雨級(jí)別產(chǎn)生的徑流量。放水試驗(yàn)過(guò)程中，基本沒(méi)有初損歷時(shí)，即使有，也是上方來(lái)水流過(guò)坡面的時(shí)間，這與降雨條件下水土流失過(guò)程存在很大差異。且徑流系數(shù)基本處于0.6～0.9之間，也比降雨條件下徑流系數(shù)普遍要大。

放水試驗(yàn)初期，由于坡面開(kāi)挖后殘留的土壤(土塊)碎屑物較多，或還有一些大大小小的裂隙，經(jīng)水流沖蝕作用，坡面碎屑物很容易被水流剝蝕攜帶，泥沙樣非常渾蝕，常伴有大塊土粒，侵蝕速率大。同時(shí)，這一階段因部分水入滲損失，徑流率相對(duì)較小。隨時(shí)間延長(zhǎng)，碎屑物或裂隙逐漸被沖蝕干凈，徑流率逐漸增大并趨于穩(wěn)定，而侵蝕速率逐漸減少，也并趨于穩(wěn)定。一般30 min以后，產(chǎn)流產(chǎn)沙均基本趨于穩(wěn)定，如圖1所示。

圖1 上方來(lái)水條件下開(kāi)挖面水土流失過(guò)程

將13個(gè)小區(qū)放水試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，見(jiàn)圖2。結(jié)果顯示，放水流量對(duì)開(kāi)挖面水土流失有顯著影響，隨流量增大，各小區(qū)產(chǎn)沙量和徑流量均隨之增大。

圖2 上方來(lái)水條件下開(kāi)挖面水土流失總體特征

從圖2可見(jiàn)同一放水流量條件下，產(chǎn)沙量和徑流量具有基本的變化趨勢(shì)。

總體說(shuō)明，侵蝕外營(yíng)力放水流量，下墊面因素坡度、坡長(zhǎng)等對(duì)開(kāi)挖面土壤侵蝕均有重要的影響。為驗(yàn)證及定量闡明各因素對(duì)開(kāi)挖面水土流失的影響程度，將各影響因子指標(biāo)與單位面積土壤流失量和徑流量進(jìn)行相關(guān)分析，見(jiàn)表2。

結(jié)果顯示，坡長(zhǎng)、坡度、流量、總放水量等參數(shù)均與單位面積土壤流失量呈極顯著相關(guān)，說(shuō)明這些參數(shù)均顯著影響著開(kāi)挖面侵蝕產(chǎn)沙。除坡度、坡長(zhǎng)2指標(biāo)外，流量、總放水量與徑流量呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.961，說(shuō)明徑流量受放水流量影響更密切。

表2 水土流失影響因子相關(guān)分析結(jié)果

注:**為極顯著相關(guān);*為顯著相關(guān)。

同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)坡長(zhǎng)與單位面積土壤流失量呈顯著負(fù)相關(guān)，分析其中原因可能是受其它因素的交互影響，有待下一步深入探討。而且，也發(fā)現(xiàn)上方來(lái)水條件下單位面積土壤流失量與徑流量相關(guān)性不如降雨條件下土壤流失量與徑流量相關(guān)性密切[4]。

圖3 新舊開(kāi)挖面土壤流失量倍數(shù)與坡度的關(guān)系

另外，根據(jù)筆者調(diào)查[1]，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，坡面新開(kāi)挖后，在坡面上會(huì)殘留一層松散碎屑物，坡度越緩，殘留量越多，隨坡度增大，由于重力作用，部分松散碎屑物會(huì)滾落在坡腳，坡面殘留的松散碎屑物較少。當(dāng)經(jīng)歷一場(chǎng)降雨或水流后，不論這次降雨或流水的大小，只要有產(chǎn)流，這些松散碎屑物基本會(huì)一次性被剝蝕干凈。為此，本研究針對(duì)此現(xiàn)象，通過(guò)同一流量0.5 L/s對(duì)同一坡長(zhǎng)不同坡度新舊開(kāi)挖面小區(qū)進(jìn)行放水沖刷試驗(yàn)，對(duì)比土壤流失量的差異，以期尋找其中的規(guī)律，如圖3所示。

結(jié)果顯示，新舊開(kāi)挖面土壤流失量倍數(shù)與坡度呈極顯著冪函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，一方面驗(yàn)證了新舊開(kāi)挖面土壤流失量存在很大差異，另一方面定量解釋了新舊開(kāi)挖面土壤流失量差異與坡度的變化關(guān)系。另外，盡管建立的公式還有待于后期修訂完善，但其冪函數(shù)關(guān)系可作為下一步開(kāi)挖面土壤侵蝕模型建立的重要參考依據(jù)。

3.2 不同坡長(zhǎng)水土流失特征

坡長(zhǎng)作為影響水土流失重要地形地貌因子，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)坡長(zhǎng)對(duì)土壤侵蝕的影響比較復(fù)雜，所得到的結(jié)論有很大的不同[5-6]。為闡明坡長(zhǎng)對(duì)開(kāi)挖面水土流失的影響，選擇坡度20°的1#,2#,3#和30°的4#,5#,6#以及35°的7#,8#,9#，共3組9個(gè)不同坡長(zhǎng)開(kāi)挖面小區(qū)，分析不同放水流量條件下不同坡長(zhǎng)開(kāi)挖面小區(qū)水土流失特征，如圖4所示。

圖4 不同坡長(zhǎng)開(kāi)挖面水土流失特征

結(jié)果顯示，隨放水流量增大，各小區(qū)徑流量、單位面積產(chǎn)沙量均呈增大趨勢(shì)。

同一放水流量，不同坡長(zhǎng)小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙差異不明顯。隨坡長(zhǎng)增加，徑流量和單位面積產(chǎn)沙量趨勢(shì)變異較大。這與前面表2相關(guān)分析結(jié)果是相一致的，這也證實(shí)坡長(zhǎng)影響水土流失的機(jī)制非常復(fù)雜。

3.3 不同坡度水土流失特征

坡度是地貌形態(tài)特征的主要要素，地表徑流產(chǎn)生的能量是徑流質(zhì)量和流速的函數(shù)，而徑流量的大小和流速主要取決于徑流深與地面坡度。因此，坡度直接影響徑流的沖刷能力[7]。為闡明坡度對(duì)開(kāi)挖面水土流失的影響，選擇坡長(zhǎng)均為3 m的20°，30°，35°，50°，65°五個(gè)不同坡度開(kāi)挖面小區(qū)，分析不同放水流量條件下不同坡度開(kāi)挖面小區(qū)水土流失特征，如圖5所示。

圖5 不同坡度開(kāi)挖面水土流失特征 Fig．5 Featuresofwaterandsoillossofexcavatedslopewithdifferentslopegradients

結(jié)果顯示，隨放水流量增大，各小區(qū)徑流量、單位面積產(chǎn)沙量均呈增大趨勢(shì)。

同一放水流量，不同坡度小區(qū)之間單位面積產(chǎn)沙量差異顯著，隨坡度增加，單位面積產(chǎn)沙量呈明顯增大趨勢(shì)。而在放水流量不變的情況下，徑流量差異不明顯，這是因?yàn)椴煌^(qū)雖坡度不同，但由于入滲損失均較小，導(dǎo)致產(chǎn)流量不同坡度小區(qū)之間差異不明顯。這與前面表2相關(guān)分析結(jié)果是相一致的，單位面積產(chǎn)沙量與坡度呈極顯著正相關(guān)，而徑流量與坡度相關(guān)性不顯著。

4 結(jié) 論

(1)相比降雨條件下水土流失過(guò)程，放水沖刷試驗(yàn)過(guò)程中基本沒(méi)有初損歷時(shí)，且徑流系數(shù)基本處于0.6～0.9之間，也比降雨條件下徑流系數(shù)普遍要大。

(2) 侵蝕外營(yíng)力放水流量、下墊面因素坡度、坡長(zhǎng)等對(duì)開(kāi)挖面土壤侵蝕均有重要的影響，均與單位面積土壤流失量呈極顯著相關(guān)。新舊開(kāi)挖面土壤流失量存在很大差異，且新舊開(kāi)挖面土壤流失量倍數(shù)與坡度呈極顯著冪函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(3) 隨放水流量增大，各小區(qū)徑流量、單位面積產(chǎn)沙量均呈增大趨勢(shì)。同一放水流量，不同坡長(zhǎng)小區(qū)差異不明顯。隨坡長(zhǎng)增加，徑流量和單位面積產(chǎn)沙量趨勢(shì)變異較大。同一放水流量，不同坡度小區(qū)之間單位面積產(chǎn)沙量差異顯著，但徑流量差異不明顯。

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(編輯：劉運(yùn)飛)

Experimental Study on Erosion of Engineering Excavated Slopeby Simulating Up-slope Runoff

CHENG Dong-bing, SUN Jun-qi, ZHANG Ping-cang, ZHANG Chang-wei, REN Liang, HUANG Xu-hua, XU Can

(Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010, China)

Engineering excavated slope is one of the main causes of water and soil loss in production and construction projects. The water and soil loss in excavated slope caused by violent changes in underlying surface has conventional features and also has its own unique characteristics. The excavated slope affected by up-slope runoff accounts for 94% of the total number of excavated slopes. In this paper the effect of up-slope runoff on the regularity

of water and soil loss is researched through scouring experiments on artificial excavated slope. Results show that there is no initial abstraction duration in general, and runoff coefficient is high. Flow rate, slope gradient and slope length are in significant correlation with soil loss per unit area, indicating that these factors have important effect on the soil erosion of excavated slope. Furthermore, there is apparent difference between the soil loss of newly excavated slope and previously excavated slope. This difference is in significant negative power regression relation with slope gradient. With the rise of flow rate, runoff and per unit sediment yield increase accordingly. In the presence of the same flow rate, there is slight difference in runoff and sediment yield among different plots with different slope lengths, but when the slope gradient is different, there is obvious difference in sediment yield rather than in runoff.

excavated slope; up-slope runoff; water and soil loss; production and construction project;catchment effect; scouring experiment

2014-01-23 ；

2014-03-07

水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(201201048)

程冬兵(1979-)，男，江西樂(lè)平人，高級(jí)工程師，博士，主要從事水土保持、土壤水動(dòng)力學(xué)研究，(電話)027-82829611(電子信箱)xiao2005zhu@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.05.007

2015,32(05):37-40,56

S157

A

1001-5485(2015)05-0037-04