人工模擬降雨條件下坡面侵蝕特性的模型試驗研究

孫狂飆，袁 超，周 峙，羅 易，米 敏，張家銘

(1.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088；2.中國地質(zhì)大學(武漢)工程地質(zhì)與巖土防護學術(shù)創(chuàng)新基地&巖土鉆掘與防護教育部工程研究中心，湖北 武漢 430074;3.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

隨著高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，大量路基邊坡、棄土場、基坑坡面已成為新增水土流失的重要源頭[1-2]。邊坡綠化施工后植被生長并具有坡面防護能力需要一定的時間，在此期間若坡面抗沖刷能力差，坡面上的土體細顆粒會在徑流侵蝕作用下流失，導致土體結(jié)構(gòu)破壞，進而誘發(fā)一系列邊坡工程事故[3-4]。

針對坡面侵蝕問題，前人已開展了大量的研究工作[5]。如史志華等[6]、Gong等[7]和Selby[8]研究認為降雨是土壤水蝕的關(guān)鍵來源，坡形是影響土壤侵蝕的重要因素，直接影響坡面的侵蝕程度；王曉燕等[9]、沈海歐等[10]、李桂芳等[11]和趙宏渠等[12]通過模型試驗研究發(fā)現(xiàn)，隨著降雨強度的增加，坡面徑流量增大數(shù)倍，侵蝕量呈線性增加，降雨強度對坡面產(chǎn)流的影響最大，占權(quán)重的20%以上，且產(chǎn)流時間與降雨強度呈現(xiàn)負相關(guān)；譚貞學等[13]、Riekezapp等[14]、Shen等[15]和任瑞雪等[16]在室內(nèi)模型試驗中發(fā)現(xiàn)，不同坡度下細溝侵蝕率大于降雨強度的遞增速率，細溝侵蝕模數(shù)隨坡度同趨勢增大，且隨著降雨歷時的推移，產(chǎn)沙率增大并逐漸趨于穩(wěn)定；姜義亮等[17]、沈海鷗等[18]、鄭粉莉[19]研究指出，泥沙的產(chǎn)生主要由降雨作用導致，而匯流作用貢獻率占比較小，并通過雙土槽降雨試驗進行了驗證；Brodie等[20]對降雨強度與顆粒沖刷相關(guān)動能變化的理論關(guān)系進行了研究。

目前坡面侵蝕研究多采用室內(nèi)模型試驗[21]，模型主要為縮尺模型，鑒于模擬降雨的雨滴形狀、動能與自然條件下的差異，尺寸效應(yīng)及邊界效應(yīng)明顯，從而導致研究結(jié)果與實際情況存在較大的差異。此外，多數(shù)模型試驗[18]重點關(guān)注雨滴打擊作用對坡面侵蝕的影響，而且采用傳統(tǒng)單徑流小區(qū)降雨模型試驗，很難區(qū)分徑流侵蝕作用與雨滴打擊作用。鑒于目前研究的不足，本文采用足尺模型試驗，以期降低邊界條件對試驗結(jié)果的影響，并且試驗選用進口轉(zhuǎn)角型實心噴頭降雨系統(tǒng)，對降雨均勻度、影響半徑、雨滴粒徑及動能進行精確控制，盡可能保持與天然條件下的降雨一致，開展了人工模擬降雨條件下坡面侵蝕特性的模型試驗，研究了不同降雨強度和坡度對坡面侵蝕特征的影響，以期為水土流失防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本試驗選取池州長江公路大橋接線某路塹邊坡土體為研究對象。該路塹邊坡上覆地層以全新統(tǒng)(Q4)黏土、粉質(zhì)黏土為主，黏粒含量為28.2%～39.8%，粉粒含量為20.1%～42.0%；土樣的天然密度為1.652～1.863 g/cm3，天然含水率為15.6%～18.2%，液限為30.2%～37%，塑限為17.2%～22.1%，自由膨脹率為20%～42%，標準吸濕含水率為2.32%～4.51%。

研究區(qū)域雨量充沛，全年最大降水量為1 618.7 mm，最小降水量為440.8 mm，降水主要集中在6～9月份，占全年降水量的50%以上，降雨強度較大。該地區(qū)土壤侵蝕以水蝕為主，是本區(qū)水土流失及地質(zhì)災(zāi)害的重要誘發(fā)因素之一。

1.2 試驗設(shè)計

試驗?zāi)Ｐ拖涑叽鐬? m×3 m×2.6 m (長×寬×高)，模型試驗系統(tǒng)裝置由試驗區(qū)、降雨裝置、徑流裝置、過濾裝置、供水裝置組成，見圖1。根據(jù)試驗區(qū)天然降雨特點和工程實際情況，本次試驗采用3種代表性降雨強度(50 mm/h、75 mm/h、100 mm/h)、3種坡度(53°、30°、15°),每組試驗重復兩次，試驗筑坡保留后部坡頂面0.5 m空白區(qū)(未進行降雨試驗)，為后續(xù)試驗削坡處理做準備。

圖1 模型試驗系統(tǒng)裝置圖Fig.1 Model test device diagram

試驗土樣提前過篩，控制土體含水率并密封24 h，試驗斜坡按照設(shè)計密度1.3～1.4 g/cm3分層(每層10 cm)填筑壓實，并將壓實面打毛處理，保證填土斜坡的均勻性，填土完成后用塑料薄膜覆蓋靜置12 h。試驗前用雨量桶對降雨系統(tǒng)進行厘定，保證降雨均勻度和強度滿足設(shè)計要求。為了揭示雨滴打擊作用對坡面侵蝕的貢獻，在斜坡填筑過程中，預(yù)先在坡體中1.5 m處埋設(shè)隔水板，以便在試驗區(qū)左、右兩側(cè)進行對比試驗。試驗時，隔水板右側(cè)區(qū)域進行降雨，左側(cè)區(qū)域用透水紗網(wǎng)遮擋消除雨滴打擊作用，試驗過程中對兩側(cè)坡面進行觀測，記錄坡面產(chǎn)流時間。試驗前期間隔1 min采集一次徑流泥沙樣，趨于穩(wěn)定后調(diào)整為2 min采集一次，采集的泥沙樣利用篩分法分組后分別烘干(110℃、12 h)稱重，測定其相對含量。坡面流速測定采用高錳酸鉀溶液示蹤法，同一觀測時段取不同部位流速平均值作為坡面流速，坡面流速經(jīng)過修正得到實際坡面流速[22]。試驗時記錄坡面出現(xiàn)侵蝕溝的時間、數(shù)量、類型以及位置和形狀，用填土法估算侵蝕溝填土體積，用鋼尺測量侵蝕溝形態(tài)特征，同時記錄集流桶內(nèi)每時刻徑流總量的變化情況。坡體正前方采用高清照相機定時拍攝，記錄坡面變化情況。具體試驗參數(shù)設(shè)計見表1。

表1 試驗參數(shù)設(shè)計

1.3 數(shù)據(jù)分析處理

根據(jù)各時間段泥沙產(chǎn)量，綜合侵蝕溝填土體積、徑流桶中徑流總量的變化，推演坡面侵蝕過程，比對兩側(cè)試驗區(qū)段數(shù)據(jù)，計算不同特征參數(shù)。所有試驗數(shù)據(jù)處理均重復多次取平均值，不同變量數(shù)據(jù)利用SPSS軟件進行擬合分析，考慮降雨強度、坡度等變量的主效應(yīng)及不同指標之間的交互效應(yīng)是否顯著，研究各指標之間的相互變化規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡面產(chǎn)流過程分析

表2為不同坡度和降雨強度下坡面的產(chǎn)流時間。

表2 不同坡度和降雨強度下坡面的產(chǎn)流時間

由表2可知，隨著降雨強度的增大，坡面的產(chǎn)流時間明顯縮短；同一坡度(為53°)下，當降雨強度從50 mm/h增至100 mm/h時，坡面的產(chǎn)流時間差值由1倍增至2.5倍，坡面產(chǎn)流時間的變化趨勢呈指數(shù)型；同一降雨強度(為50 mm/h)下，當坡度由53°降至15°時，坡面的產(chǎn)流時間間隔從1.3 min增至1.9 min，坡面的產(chǎn)流時間曲線變化幅度變陡；當降雨強度增大時，坡度由大到小，坡面的產(chǎn)流時間間隔從3.2 min降至1.1 min。

在坡度一定時，隨著降雨強度的增大，坡面的產(chǎn)流時間減小；且坡度越緩，坡面的產(chǎn)流時間隨降雨強度的變化越明顯。這是因為：初始坡面土體含水率較低，在降雨初期，土體孔隙快速吸水、雨水下滲，小降雨強度條件下，土體飽和時間較長，大降雨強度使表面土壤快速吸濕、充填飽和，多余降雨迅速形成徑流[23]；降雨強度一定時，當坡度增大，雨水向下的自重分力增大，雨水流速相應(yīng)增大，雨水來不及下滲導致形成的徑流增多，坡面更容易產(chǎn)流，即隨著降雨強度、坡度的增加，土壤入滲率降低，坡面產(chǎn)流增加，這與文獻[24]的研究結(jié)論一致。右側(cè)降雨直接作用區(qū)與左側(cè)試驗區(qū)坡面的產(chǎn)流時間相近，說明雨滴打擊作用對坡面產(chǎn)流時間的影響較小，兩者的相關(guān)性差。

2.2 坡面徑流過程分析

圖2為不同降雨強度和坡度組合下左、右試驗區(qū)徑流強度變化曲線的對比圖。

由圖2可見，右側(cè)雨摘打擊作用試驗區(qū)由圖2(a)至圖2(c)徑流強度呈遞增趨勢，但隨著降雨強度和坡度的不同組合，徑流強度的增長趨勢存在明顯差異：當降雨強度為100 mm/h時，徑流強度最大值是降雨強度為50 mm/h的1.9倍；當降雨強度為50 mm/h時，徑流強度曲線達到峰值的時間為15～18 min，而降雨強度為100 mm/h時徑流強度達到峰值的時間為18～20 min，可見降雨強度對徑流強度的影響顯著，即隨著降雨強度的增大，地表徑流量增加，徑流強度隨之增強，其達到峰值的時間縮短。李桂芳等[11]研究認為坡度增大導致承雨面積減小、徑流強度降低，其與徑流強度的變化趨勢呈反比。坡度變化對徑流強度的影響較復雜，坡度、坡長和降雨強度綜合影響徑流強度，本試驗數(shù)據(jù)的整體變化趨勢顯示隨著降雨強度和坡度的增大，徑流強度增強。

右側(cè)雨滴打擊作用試驗區(qū)徑流強度的變化曲線分為緩慢產(chǎn)流、逐漸遞增、趨于穩(wěn)定三個階段，而左側(cè)無雨滴打擊作用試驗區(qū)僅存在后兩個階段；右側(cè)試驗區(qū)徑流強度的峰值大于左側(cè)試驗區(qū)，且隨著降雨強度的增大，同一坡度下左、右側(cè)試驗區(qū)徑流強度的差值增大。這是由于因降雨強度由50 mm/h增至100 mm/h時，右側(cè)試驗區(qū)徑流強度的擊濺作用逐漸增強，造成坡面入滲率不穩(wěn)定，故右側(cè)試驗區(qū)徑流強度的變化曲線存在第一階段，同時由于雨滴打擊作用導致侵蝕溝徑流增加，促使右側(cè)試驗區(qū)徑流強度的峰值較大。

圖2 不同降雨強度和坡度組合下左、右試驗區(qū)徑流強度變化曲線的對比Fig.2 Comparison of runoff intensity variation curves in left and right test area under different rainfall intensity and slope combination

2.3 坡面侵蝕過程分析

坡面侵蝕主要由泥沙流失導致，因此研究坡面產(chǎn)沙信息對土壤侵蝕預(yù)測與防治具有重要的意義[25]。徑流含沙量是反映坡面侵蝕快慢的指標，由于變化規(guī)律的相似性，本文僅選取降雨強度為50 mm/h和100 mm/h條件下不同坡度的徑流含沙量變化曲線(見圖3)來研究降雨對坡面侵蝕過程的影響。

由圖3可見，徑流含沙量變化曲線呈現(xiàn)動態(tài)變化，即徑流含沙量在降雨初期快速增加，短時間呈現(xiàn)減小趨勢后，快速增大至峰值并趨于穩(wěn)定；整體上來看降雨強度和坡度越大，徑流含沙量的增幅越明顯，達到峰值的時間越短，降雨強度對徑流含沙量的影響明顯大于坡度；左側(cè)無雨滴打擊作用試驗區(qū)徑流含沙量峰值為初始值的3～5倍，右側(cè)雨滴打擊作用試驗區(qū)徑流含沙量峰值為初始值的5～10倍；相同降雨強度條件下，初始徑流含沙量差值由圖3(a)的10～30 g/L增至圖3(c)的50～80 g/L等，初始徑流含沙量左側(cè)試驗區(qū)均大于右側(cè)試驗區(qū)。

為了揭示雨滴打擊作用的規(guī)律，姜義亮等[26]、王坤等[27]對模型斜坡直接提供徑流，對比研究不同降雨強度和匯流速率對坡面侵蝕的影響，試驗發(fā)現(xiàn)降雨對于土壤侵蝕的影響顯著大于匯流作用；安娟等[28]研究了坡面裸露與紗網(wǎng)覆蓋下土壤團聚體的遷移特征，結(jié)果顯示裸地土壤團聚體的流失量高于有覆蓋層的20%。本次試驗數(shù)據(jù)比對可知，降雨初期，徑流含沙量曲線呈現(xiàn)小范圍降低后、又升高的變化趨勢，這是因為水流將表面顆粒搬遷增大了徑流含沙量，但隨著松散的土顆粒流失減少使徑流含沙量又趨于遞減趨勢；降雨后期，徑流沖刷力穩(wěn)定，泥沙來源由侵蝕溝提供，徑流含沙量又變?yōu)檫f增趨勢。左側(cè)無雨滴打擊作用試驗區(qū)徑流含沙量大于右側(cè)雨滴打擊作用試驗區(qū)，這主要是因為：前期坡面產(chǎn)流較小，無雨滴打擊作用時，左側(cè)坡面能迅速形成穩(wěn)定的徑流將坡面較松散的土顆粒帶走，降雨初期徑流作用即可形成片蝕和小細溝，使侵蝕強度明顯增強，導致無雨滴打擊作用試驗區(qū)初始徑流含沙量較高；隨著降雨歷時的增加，坡面徑流逐漸增大趨于穩(wěn)定，形成的細溝、淺溝等逐漸增多并成為坡面侵蝕的主要方式，雨滴打擊作用加強了徑流向侵蝕溝搬運土顆粒的能力，使右側(cè)雨滴打擊作用試驗區(qū)徑流含沙量逐漸超過左側(cè)無雨滴打擊作用試驗區(qū)。因此，降雨強度越大，水體重力增加使雨滴打擊作用越強，則徑流含沙量的峰值越大，達到峰值的時間越短。

圖3 不同降雨強度、不同坡度下左、右側(cè)試驗區(qū)徑流含沙量變化曲線的對比Fig.3 Sediment variation curves of different slopes in left and right test areas with different rainfall intensities

2.4 坡面侵蝕特征

坡面侵蝕特征評價指標較多，侵蝕溝平均密度、產(chǎn)沙量、徑流總產(chǎn)沙量均為描述坡面侵蝕特征的主要指標。坡面侵蝕過程大致可分為濺蝕、片蝕、細溝、淺溝、切溝侵蝕幾個階段，本次模型試驗坡面侵蝕溝的特征見圖4。

圖4 模型試驗坡面侵蝕溝的特征Fig.4 Features of erosion ditch on the surface of model slope

在不同外部影響條件下，不同性質(zhì)的土壤會存在侵蝕差異:首先雨水對地表進行均勻的鱗片狀、層狀片蝕；隨著降雨歷時的推移，產(chǎn)生細溝，此時產(chǎn)沙量逐漸遞增；侵蝕溝不斷發(fā)展，擴大為淺溝、切溝，在徑流沖刷力以及土體自重作用下，侵蝕溝不斷加深、加寬。本文利用IPP對侵蝕溝照片進行處理，以準確分析坡面侵蝕特征，并根據(jù)填土法確定坡面侵蝕溝的實際體積，間接測算不同坡度和降雨強度條件下各種類型侵蝕溝的數(shù)量及產(chǎn)沙量，因試驗條件限制，本文僅選取細溝、淺溝、切溝3種侵蝕類型作為評價坡面侵蝕特征的指標，左側(cè)無雨滴打擊作用試驗區(qū)和右側(cè)有雨滴打擊作用試驗區(qū)坡面侵蝕特征的對比，見表3。

表3 有、無雨滴打擊作用試驗區(qū)坡面侵蝕特征的對比(左/右側(cè)試驗區(qū)對照)

由表3可知，不同降雨強度和坡度條件下細溝的數(shù)量占坡面侵蝕溝總數(shù)的65%以上，是坡面侵蝕的主要方式之一，對坡面形態(tài)發(fā)育、演變具有重要的影響；當坡度和降雨強度較小時，切溝的發(fā)育程度較低，坡面侵蝕類型和產(chǎn)沙來源主要為細溝、淺溝侵蝕；隨著坡度和降雨強度的增大，大坡度條件下切溝數(shù)量和產(chǎn)沙量為小坡度量級的2倍，切溝總產(chǎn)沙量貢獻率占比超過60%；左、右側(cè)試驗區(qū)對比發(fā)現(xiàn)，當雨滴打擊作用使侵蝕溝形態(tài)更加復雜，當雨滴打擊作用消除后，侵蝕溝的差異程度減小，溝形更加規(guī)則，且消除雨滴影響后的侵蝕溝發(fā)育程度和產(chǎn)沙量降低。

本文對不同降雨強度下的左、右側(cè)試驗區(qū)徑流總產(chǎn)沙量進行了顆粒級配分析，計算各粒徑土顆粒占顆?？傎|(zhì)量的百分比，同時為了研究坡度和降雨強度對不同粒徑土顆粒流失量的影響規(guī)律[29-31]，選取降雨強度為50 mm/h和100 mm/h下坡度為15°和53°左、右側(cè)試驗區(qū)各粒徑土顆粒流失量的百分比進行了對比分析，見圖5。

圖5 不同降雨強度、不同坡度左、右側(cè)試驗區(qū)土顆粒流失量百分比的對比Fig.5 Percentage of soil particle loss in left and right test areas with different rainfall intensity

由圖5可見，雨滴打擊作用導致大于2 mm與小于0.25 mm粒徑土顆粒流失量的差異最明顯，從圖5(a)到圖5(b)和圖5(c)到圖5(d)，左、右兩側(cè)試驗區(qū)大于2 mm粒徑土顆粒流失量百分比的差值由5%增大至10%，小于0.25 mm粒徑土顆粒流失量百分比的差值由6%增大至15%，因坡表面徑流優(yōu)先遷移細土顆粒，且降雨強度越大，雨滴打擊作用越強，土顆粒遷移作用越劇烈；隨著降雨歷時的增長，坡表面土顆粒逐漸流失，當小粒徑土顆粒來源減少時，雨滴開始對大粒徑土顆粒進行拆分、搬運，導致大于2 mm與小于0.25 mm粒徑土顆粒流失量的差異較大；同一降雨強度下，隨著坡度的增大，大于1 mm粒徑土顆粒流失量的百分比越高，坡度越大，越有利于大粒徑土顆粒向下搬運遷移；而對于0.25～1 mm粒徑土顆粒的作用規(guī)律恰好相反，無雨滴打擊作用試驗區(qū)0.25～1 mm粒徑土顆粒流失量的百分比大于雨滴打擊作用試驗區(qū)。

2.5 指標相關(guān)性分析

坡面侵蝕主要受降雨強度和坡度的影響，本次試驗以產(chǎn)流時間、徑流強度和徑流含沙量為測試指標，降雨強度、坡度為試驗指標，通過上述降雨模型試驗，從產(chǎn)流時間數(shù)據(jù)(見表2)可以看出：降雨強度和坡度對產(chǎn)流具有促進作用，兩者間交互作用為正相關(guān)，雨滴打擊作用僅使產(chǎn)流時間小幅度提前。徑流強度隨著降雨強度和坡度的不同組合，其增長趨勢存在明顯的差異：降雨強度對徑流強度的影響顯著，降雨增加了地表徑流量，使徑流強度增大、達到峰值的時間提前；而坡度變化對徑流強度的影響較復雜，當坡長不變時，坡度與徑流強度的變化趨勢成正相關(guān)，這與李君蘭等[32]、Kinnell[33]的研究結(jié)果相符合；雨滴打擊作用使徑流強度的變化階段多元化，同時導致徑流強度的峰值增大。分析發(fā)現(xiàn)土壤流失量與降雨強度、坡度之間的變化規(guī)律符合冪函數(shù)型，徑流強度對產(chǎn)沙量有促進作用，坡度和降雨強度與徑流含沙量具有正相關(guān)性，兩者的交互作用比單指標作用更加顯著，而降雨量與徑流含沙量的相關(guān)性不明顯。

3 結(jié)論與建議

本文通過降雨模型試驗對坡面侵蝕特性進行了研究，通過設(shè)置不同初始條件探究了土壤水力侵蝕過程和變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1) 坡面徑流過程中，產(chǎn)流時間隨著降雨強度、坡度的增大，初始產(chǎn)流時間提前；對比左、右兩側(cè)試驗區(qū)發(fā)現(xiàn)，坡面初始產(chǎn)流時間與雨滴打擊作用的相關(guān)性較??；降雨強度增大，徑流強度呈指數(shù)型增長；坡度變化對徑流強度的影響較復雜，坡度和降雨強度綜合影響徑流強度，試驗數(shù)據(jù)整體變化趨勢顯示隨著兩者數(shù)值的增大，徑流強度增加；雨滴打擊作用增大了右側(cè)試驗區(qū)徑流強度的峰值，同時導致徑流強度的變化階段存在差別，無雨滴打擊作用時，徑流強度值在降雨初期迅速增大，達到峰值的時間提前。

(2) 坡面侵蝕過程中，徑流含沙量的增長規(guī)律為初期增長、短時間減小后迅速增大至峰值后趨于穩(wěn)定；降雨強度和坡度越大，徑流含沙量越大、增幅越明顯，且兩者交互作用對徑流含沙量的影響大于單指標；雨滴打擊作用加強了水流的侵蝕力，使雨滴打擊作用試驗區(qū)初始徑流含沙量、徑流含沙量峰值更大，達到峰值的時間縮短。

(3) 坡面侵蝕特征主要由坡面侵蝕溝數(shù)量及產(chǎn)沙量體現(xiàn)，在降雨作用下，坡面侵蝕溝逐漸產(chǎn)生，細溝產(chǎn)生后產(chǎn)沙量快速增加；隨著降雨量的增加，細溝不斷發(fā)展，擴大為淺溝、切溝，產(chǎn)沙量前期主要由細溝侵蝕提供，隨著降雨強度、坡度的增大，切溝不斷發(fā)育并成為主要的產(chǎn)沙來源。雨滴打擊作用使坡面侵蝕溝形態(tài)更加復雜，侵蝕溝發(fā)育程度和產(chǎn)沙量也明顯增加，產(chǎn)沙量中粒徑大于2 mm、小于0.25 mm的土顆粒受降雨強度和坡度的影響最大，降雨強度越大，雨滴打擊作用越強，該粒徑區(qū)間的土顆粒流失量的變化越明顯。

根據(jù)本文試驗結(jié)果，并結(jié)合研究區(qū)降雨特點和坡面侵蝕特征，建議在工程施工期應(yīng)主動避開雨季，并提前做好導水、排水措施，坡面采取工程和生物覆蓋措施防止細粒土流失，對抑制雨滴打擊作用和水土流失具有積極的效果。

由于試驗條件的限制，本文未對試驗土體的壓實度和顆粒級配兩個影響因素進行研究，后續(xù)將會開展相關(guān)試驗做進一步的研究。