巖溶區(qū)煤礦工程堆積體邊坡細(xì)溝發(fā)育及其水沙關(guān)系研究*

林 姿 史東梅? 婁義寶 蔣光毅 彭旭東 李葉鑫

(1 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715）

（2 重慶市水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，重慶 401147）

（3 貴州大學(xué)林學(xué)院，貴陽(yáng) 550025）

（4 遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新 123000）

工礦區(qū)水土流失是由于人為擾動(dòng)地面或堆置固體廢棄物而造成水資源和土地資源的破壞和損失[1］。作為我國(guó)主要能源之一的煤礦工程在建設(shè)和生產(chǎn)運(yùn)行期間的各種活動(dòng)會(huì)大量占?jí)和恋刭Y源并產(chǎn)生各種廢棄堆積物，對(duì)周邊水資源、土地資源、植被資源、水文循環(huán)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量造成嚴(yán)重影響甚至破壞。煤礦工程建設(shè)所產(chǎn)生的大量棄土、石、渣，在水力和重力作用下極易發(fā)生誘發(fā)性崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[2］。一旦坡面水流將地面切割出一定高差后，溝道兩側(cè)的物質(zhì)勢(shì)能得到釋放機(jī)會(huì)，形成水力與重力相伴發(fā)生的復(fù)合侵蝕[3］。當(dāng)坡面侵蝕形式由面狀侵蝕發(fā)展為細(xì)溝侵蝕時(shí)，侵蝕量會(huì)成倍或數(shù)十倍增長(zhǎng)[4-5］，可達(dá)到坡面總侵蝕量70%以上[6］。目前對(duì)工程堆積體坡面土壤侵蝕過(guò)程研究集中在工程堆積體陡坡土壤侵蝕過(guò)程[7］、邊坡面蝕[8］、棄土場(chǎng)侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程[9］、邊坡土壤流失量的預(yù)測(cè)[10-11］、煤礦工程建設(shè)松散棄渣誘發(fā)人為泥石流發(fā)育特征[12-13］及工程堆積體水土流失防治等[14-15］，較少涉及重力作用對(duì)坡面細(xì)溝形態(tài)特征的影響。坡面上跌水的形成是侵蝕方式變化的重要分界點(diǎn)，標(biāo)志著細(xì)溝開(kāi)始形成[16］，重力作用對(duì)其形成和坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙變化有直接影響。因此本文以煤礦工程堆積體為研究對(duì)象，采用野外實(shí)地放水沖刷法，重點(diǎn)研究：（1）工程堆積體坡面細(xì)溝侵蝕發(fā)生特征，分析坡面土壤侵蝕發(fā)展階段特征；（2）重力作用對(duì)不同堆積體坡面水沙關(guān)系的影響大小及形成原因；（3）重力作用對(duì)細(xì)溝發(fā)育過(guò)程的影響。研究結(jié)果對(duì)于正確認(rèn)識(shí)煤礦工程堆積體坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征、影響因素及土壤侵蝕量預(yù)測(cè)模型建立具有重要科學(xué)意義，也有助于科學(xué)認(rèn)識(shí)重力作用在工程堆積體人為誘發(fā)性崩塌、滑坡和邊坡穩(wěn)定性分析中的作用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

工程堆積體來(lái)源于重慶市5大礦區(qū)之一的天府煤礦，該礦區(qū)處于喀斯特巖溶區(qū)；重慶市喀斯特巖溶區(qū)分布面積可達(dá)3×104km2，在該地區(qū)分布有大量錳礦、煤礦、石灰石等建設(shè)項(xiàng)目。當(dāng)?shù)囟嗄昶骄涤炅吭? 000 mm以上，工程堆積體在暴雨條件下極易發(fā)生誘發(fā)性崩塌、滑坡等嚴(yán)重土壤侵蝕現(xiàn)象。采樣區(qū)成土母巖主要是石灰?guī)r、泥灰?guī)r，土壤主要是暗紫色水稻土、暗紫泥土、礦子黃泥土、冷沙黃泥土等，工程堆積體由土壤、不同徑級(jí)的石灰?guī)r及泥灰?guī)r碎屑及塊石所組成的巖土混合物，這種物質(zhì)組成在喀斯特礦區(qū)普遍存在。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其邊坡坡度多在25.5°～38°之間變化，為客觀反映不同堆放坡度條件下煤礦工程堆積體邊坡的侵蝕特征，本文設(shè)計(jì)了四種不同坡度25°、30°、35°、40°工程堆積體下墊面開(kāi)展試驗(yàn)研究。將同一批煤礦工程堆積體均勻分層填入4個(gè)不同坡度（25°、30°、35°、40°）試驗(yàn)小區(qū)，試驗(yàn)小區(qū)坡長(zhǎng)10 m，寬1 m。各小區(qū)的布置情況見(jiàn)表1。試驗(yàn)所用工程堆積體容重約為1.23 g·cm-3，總孔隙度為52.96%，毛管孔隙度為13.45%，非毛管孔隙為39.31%，黏聚力為9.82 kPa，內(nèi)摩擦角為29.68°。每次放水沖刷試驗(yàn)前，用鐵耙將小區(qū)坡面平整，同時(shí)在小區(qū)內(nèi)采集工程堆積體土壤樣品，測(cè)定其物理性質(zhì)，試驗(yàn)小區(qū)基本情況如表1所示。

1.2 野外放水沖刷試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013年7—8月在西南大學(xué)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失定位試驗(yàn)基地進(jìn)行（圖1）。根據(jù)當(dāng)?shù)乇┯隁v時(shí)以及暴雨頻率在試驗(yàn)小區(qū)上所產(chǎn)生的單寬流量特征，為揭示流量對(duì)煤礦工程堆積體邊坡細(xì)溝發(fā)育特征的影響，本文放水流量采用10、15、20、25、30 L·min-1五個(gè)梯度，沖刷時(shí)間設(shè)計(jì)為60 min。

小區(qū)頂端放置1個(gè)簸箕型溢流槽，以保證水流以薄層形式均勻向下流動(dòng)。水流經(jīng)穩(wěn)壓水泵及流量計(jì)后流入溢流槽，并通過(guò)溢流槽上端閥門控制流量。試驗(yàn)前，率定放水流量若干次，保證放水流量與設(shè)計(jì)流量誤差不超過(guò)5%。記錄產(chǎn)流時(shí)間，產(chǎn)流10 min內(nèi)每1 min接取1次徑流泥沙樣，10 min后每隔3 min接取1次泥沙樣，用烘干法（105℃）測(cè)定泥沙量。流速的測(cè)定是在坡面上、中、下斷面中間位置，采用染色法測(cè)定坡面表層最大流速并根據(jù)徑流流態(tài)進(jìn)行修正（過(guò)渡流修正系數(shù)為0.7，紊流修正系數(shù)為0.8）。流寬、流深采用直尺測(cè)量，分上、中、下三個(gè)斷面測(cè)定。

2 結(jié) 果

2.1 工程堆積體坡面細(xì)溝侵蝕發(fā)生特征

細(xì)溝是坡面侵蝕的一種類型，細(xì)溝形成是坡面土壤侵蝕程度加劇的主要標(biāo)志，也是造成坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量變化的主要原因[17］；由于徑流匯集面積和流速不斷增大，坡面水流沖刷能力大大增加，引起工程堆積體坡面不均勻凹陷，從而在地表上逐漸形成細(xì)溝，對(duì)工程堆積體細(xì)溝發(fā)育程度的影響因不同下墊面類型而有很大差異。由不同坡度條件下工程堆積體坡面侵蝕過(guò)程的幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)間可見(jiàn)（表2），工程堆積體坡面產(chǎn)流時(shí)間隨放水流量增大而縮短且坡度越大其產(chǎn)流時(shí)間越短，細(xì)溝出現(xiàn)時(shí)間越短；在各場(chǎng)沖刷試驗(yàn)中，產(chǎn)流時(shí)間最遲（2 558 s）發(fā)生在25°坡面、10 L·min-1徑流沖刷條件下，而產(chǎn)流時(shí)間最早（76s）發(fā)生在40°坡面、25 L·min-1徑流沖刷條件下，這種現(xiàn)象主要與前期土壤含水率大小有關(guān)。各種工程堆積體坡面細(xì)溝出現(xiàn)時(shí)間也與放水流量、坡度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即放水流量越大、坡度越大，細(xì)溝出現(xiàn)時(shí)間越短；細(xì)溝最快出現(xiàn)為4s、最慢為97s，二者時(shí)間相差24倍，這主要因?yàn)闆_刷徑流量越大、則坡面泥沙流失越快，細(xì)溝出現(xiàn)時(shí)間越短。微地形（坡度）條件也是決定坡面細(xì)溝下切快慢和發(fā)育程度的原因之一，坡度越大、則重力作用對(duì)邊坡細(xì)溝發(fā)育影響越大、細(xì)溝下切越快，出現(xiàn)時(shí)間越短。

表1 試驗(yàn)小區(qū)基本情況Table 1 Basic information of the experimental plots

圖1 工程堆積體實(shí)驗(yàn)裝置及沖刷過(guò)程示意圖Fig. 1 Schematic of the field scouring experiment apparatus and its scouring process on engineering waste piles

工程堆積體坡面細(xì)溝形成后，由于細(xì)溝壁土體崩塌、脫落、下滑的隨機(jī)性，使得坡面徑流含沙量相應(yīng)增大且呈現(xiàn)波動(dòng)性變化趨勢(shì)（圖2）。不同坡度條件下工程堆積體坡面含沙量波動(dòng)變化隨沖刷時(shí)間呈現(xiàn)變化幅度減小趨勢(shì)，工程堆積體坡面侵蝕過(guò)程可分為片蝕和細(xì)溝侵蝕2個(gè)階段。

（1）砂礫化面蝕階段，即坡面開(kāi)始產(chǎn)流至細(xì)溝形成時(shí)的坡面侵蝕過(guò)程。該階段發(fā)生在產(chǎn)流后3 min以內(nèi)，此時(shí)坡面表面形態(tài)被徑流侵蝕破壞程度小，未形成跌坎和細(xì)溝[18］，隨著徑流侵蝕力增大達(dá)到足以剝離和分散坡面土壤時(shí)便發(fā)生侵蝕，這對(duì)坡面后續(xù)跌坎及細(xì)溝形成產(chǎn)生直接影響。

（2）細(xì)溝狀面蝕階段，即坡面跌坎形成細(xì)溝后的坡面侵蝕過(guò)程，可概括為細(xì)溝擴(kuò)張、過(guò)渡和穩(wěn)定3個(gè)發(fā)展階段。細(xì)溝擴(kuò)張階段主要發(fā)生在產(chǎn)流3～24 min之間，該階段坡面流沿坡面低凹處匯集，造成堆積體坡面集中沖刷現(xiàn)象并開(kāi)始形成細(xì)溝；同時(shí)由于在坡面細(xì)溝發(fā)育早期階段，細(xì)溝溝頭崩塌、溝壁崩塌等重力作用過(guò)程嚴(yán)重，造成坡面含沙量劇烈波動(dòng)變化現(xiàn)象，表現(xiàn)出明顯的水力—重力復(fù)合侵蝕特點(diǎn)。過(guò)渡階段主要發(fā)生在產(chǎn)流24～30 min之間，此時(shí)徑流沖刷形成的水力侵蝕作用減弱，坡面細(xì)溝長(zhǎng)寬深基本保持穩(wěn)定，細(xì)溝溝壁重力作用現(xiàn)象減弱，這造成徑流含沙量逐漸降低。穩(wěn)定階段則發(fā)生在產(chǎn)流30 min后，細(xì)溝溝壁重力作用成為該階段泥沙的主要來(lái)源，坡面徑流含沙量較小。

表2 不同工程堆積體坡面細(xì)溝侵蝕過(guò)程特征Table 2 Characteristics of rill erosion process on slopes of the piles different in slope gradient

2.2 重力作用對(duì)堆積體坡面水沙關(guān)系的影響

重力作用是影響工程堆積體坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要因素。坡面細(xì)溝壁土體崩塌、滑落是造成工程堆積體坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程中存在波動(dòng)現(xiàn)象的重要原因，也是坡面不穩(wěn)定的重要因素[19］。分析坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙變異系數(shù)及重力作用對(duì)總產(chǎn)沙量貢獻(xiàn)的關(guān)系（表3）可知，平均產(chǎn)流率與放水流量呈正相關(guān)關(guān)系（R2= 0.94），而與坡度關(guān)系不明顯；坡面產(chǎn)流率變異系數(shù)總體上隨著放水流量增大而增加，變異系數(shù)最大（374. 3%）為40°坡面、25 L·min-1徑流條件，最?。?.774%）為35°坡面、10 L·min-1徑流條件，二者相差48倍以上；主要原因在于當(dāng)徑流條件增大時(shí)，坡面細(xì)溝沖刷強(qiáng)烈，造成細(xì)溝溝壁崩塌，崩塌體在短時(shí)間內(nèi)會(huì)堵塞水流；而當(dāng)徑流匯集達(dá)到一定程度后，細(xì)溝內(nèi)崩塌體被迅速?zèng)_開(kāi)，這使得坡面徑流量在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈的波動(dòng)變化。工程堆積體坡面徑流含沙量總體上隨放水流量增大而增加，在各次沖刷條件下徑流含沙量最大為0.480 kg·L-1，最小為0.020 kg·L-1，二者相差24倍，這種現(xiàn)象主要是坡面水力侵蝕和細(xì)溝重力作用共同造成的。

圖2 不同工程堆積體坡面含沙量變化特征Fig.2 Variation of sediment yield on the slope of the pile relative to feature of the pile

工程堆積體坡面徑流含沙量變異系數(shù)在一定程度可反映重力對(duì)細(xì)溝作用的程度，變異系數(shù)越小則說(shuō)明在坡面侵蝕過(guò)程中徑流含沙量比較穩(wěn)定，重力對(duì)細(xì)溝作用較少或沒(méi)有發(fā)生；反之，重力對(duì)細(xì)溝作用嚴(yán)重。由圖3可知，在不同坡度坡面條件下，徑流含沙量變異系數(shù)均隨著放水流量增大呈現(xiàn)先增加、后減小的變化趨勢(shì)，且20 L·min-1放水條件下徑流含沙量變異系數(shù)將達(dá)到最大值，這表明重力作用明顯影響堆積體坡面細(xì)溝發(fā)育的臨界徑流條件為20 L·min-1。當(dāng)放水流量由10 L·min-1增加至20 L·min-1時(shí)，重力作用對(duì)坡面細(xì)溝程度逐漸增加并達(dá)到最大值，此時(shí)坡面徑流含沙量以重力作用產(chǎn)沙為主、水力侵蝕產(chǎn)沙為輔；當(dāng)放水流量由20 L·min-1增加至30 L·min-1時(shí)，重力作用對(duì)坡面細(xì)溝程度減弱，此時(shí)坡面含沙量以水力侵蝕和重力對(duì)細(xì)溝溝壁綜合作用為主。在不同放水流量作用下，徑流含沙量變異系數(shù)隨坡度增加也表現(xiàn)出先增加、后減小的變化特點(diǎn)，且均在35°坡度條件下，徑流含沙量變異系數(shù)達(dá)到最大值，這表明重力作用明顯影響堆積體坡面細(xì)溝發(fā)育的臨界坡度條件為35°。因此，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)工程堆積體水土保持措施布置時(shí)應(yīng)關(guān)注工程堆積體邊坡的坡度大小，避免在暴雨誘發(fā)條件下人為崩塌、滑坡、泥石流的發(fā)生。

表3 坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙變異系數(shù)及重力作用對(duì)總產(chǎn)沙量的貢獻(xiàn)Table 3 Variation coef fi cient of runoff and sediment yields and contribution of gravity to the total sediment yield on the slopes of the piles

圖3 徑流含沙量變異系數(shù)與放水流量和坡度的關(guān)系Fig. 3 Relationship of variation coefficient of the sediment concentration in runoff with discharged flow rate and slope gradient

在工程堆積體坡面細(xì)溝長(zhǎng)、寬、深發(fā)育過(guò)程中，重力作用對(duì)細(xì)溝侵蝕發(fā)生具有很大的偶然性，很難及時(shí)觀測(cè)和定量測(cè)定由水力作用單純主導(dǎo)的臨界侵蝕產(chǎn)沙量。因此本文采用細(xì)溝發(fā)育穩(wěn)定的徑流含沙量[21］（即每次沖刷試驗(yàn)中最后10 min的平均徑流含沙量）作為水力侵蝕含沙量上限值和重力作用對(duì)細(xì)溝侵蝕含沙量的下限值。由表3可見(jiàn)，在各次沖刷試驗(yàn)中重力作用對(duì)坡面產(chǎn)沙量貢獻(xiàn)最大為99.60%，最小為17.41%，這表明重力作用對(duì)工程堆積體坡面侵蝕是影響坡面產(chǎn)沙的重要因素，同時(shí)也是導(dǎo)致坡面徑流含沙量波動(dòng)變化的重要原因。

2.3 重力作用對(duì)堆積體坡面細(xì)溝形態(tài)發(fā)育的影響

相關(guān)研究表明，重力作用是造成坡面細(xì)溝由淺變深、由窄變寬的主要原因之一[19,22］，此處采用重力作用產(chǎn)沙貢獻(xiàn)表明重力作用對(duì)細(xì)溝形成發(fā)育的影響。由表4可知，在不同放水流量、坡度條件下，工程堆積體坡面細(xì)溝發(fā)育過(guò)程和特征差異明顯。坡面細(xì)溝平均溝寬、溝深均隨放水流量增大而增加，且坡度越大則細(xì)溝寬度、深度越大；這是由于在坡面細(xì)溝發(fā)育過(guò)程中，水流侵蝕會(huì)加劇溝底下切，使細(xì)溝變深，同時(shí)重力對(duì)細(xì)溝溝壁的作用會(huì)加速溝岸擴(kuò)張，使細(xì)溝變寬。在各次沖刷試驗(yàn)中，細(xì)溝溝寬最小7.89 cm，最大19.73 cm；細(xì)溝溝深最大6.73 cm，最小2.17 cm，細(xì)溝的溝深、溝寬極值均相差3倍左右，這說(shuō)明在堆積體坡面侵蝕過(guò)程中，徑流作用對(duì)溝深發(fā)展起主導(dǎo)作用，重力作用對(duì)溝寬發(fā)展起主導(dǎo)作用且兩種作用程度相當(dāng)，所造成的侵蝕產(chǎn)沙量均為坡面徑流泥沙的主要來(lái)源。

表4 不同工程堆積體坡面細(xì)溝發(fā)育特征Table 4 Characteristics of rill development in the engineering accumulation slopes

在相同徑流條件下，坡面細(xì)溝密度越大則相應(yīng)的侵蝕產(chǎn)沙量也越大；重力作用坡面產(chǎn)沙貢獻(xiàn)隨坡度和放水流量增加呈波動(dòng)趨勢(shì)變化。在坡面細(xì)溝發(fā)育過(guò)程中，由于沖刷初期細(xì)溝長(zhǎng)、寬、深和細(xì)溝密度均較?。?.35～1.90 m·m-2），水流沖刷形成的產(chǎn)沙量（1.74～2.39 kg）高于細(xì)溝溝壁重力坍塌形成的產(chǎn)沙量（0.46～1.77 kg）；在沖刷后期由于細(xì)溝長(zhǎng)、寬、深的擴(kuò)大和細(xì)溝密度變大（2.07～3.00 m·m-2），重力作用對(duì)細(xì)溝溝壁產(chǎn)沙量增加至149.00～162.7 kg，細(xì)溝溝壁崩塌泥沙可能堵塞水流，造成細(xì)溝水流流路發(fā)生改變使坡面細(xì)溝呈現(xiàn)S型發(fā)育。細(xì)溝溝壁崩塌主要與溝道下切、側(cè)蝕以及由于土壤含水率增大所致，造成的土壤黏聚力降低及土壤膨脹現(xiàn)象有關(guān)。細(xì)溝寬深比反映了坡面細(xì)溝下切程度及細(xì)溝溝壁發(fā)生崩塌等重力作用可能性，工程堆積體坡面細(xì)溝寬深比最大為4.36，最小為2.12，二者相差2倍；細(xì)溝寬深比隨放水流量和坡度增大而減小，說(shuō)明坡度增大會(huì)加劇溝底下切、增大重力作用對(duì)細(xì)溝溝壁侵蝕發(fā)生可能性。

3 討 論

坡面侵蝕過(guò)程及坡度對(duì)工程堆積體邊坡穩(wěn)定性有重要影響。相關(guān)研究表明，坡面徑流侵蝕對(duì)邊坡破壞形式主要包括邊坡淺部沖刷、淘蝕破壞及深部入滲溶蝕破壞3種形式[23-24］。在一次徑流沖刷后，工程堆積體坡面變得更加粗糙，這使得徑流流路更為集中，徑流動(dòng)力條件不均勻程度迅速增加；因此當(dāng)降雨徑流再次沖刷時(shí)，重力作用對(duì)坡面細(xì)溝侵蝕和溝壁崩塌等侵蝕更劇烈，造成了松散堆積坡面不穩(wěn)定程度加劇。同時(shí)坡面入滲水流會(huì)促使邊坡內(nèi)部土體含水率不斷增大，而入滲水的溶蝕作用會(huì)對(duì)土體內(nèi)部可溶性鹽類和膠結(jié)物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)侵蝕，這在一定程度上也增加了邊坡不穩(wěn)定性。同時(shí)工程堆積體中塊石會(huì)直接影響堆積體坡面侵蝕類型和形式，也會(huì)導(dǎo)致重力作用對(duì)坡面侵蝕和水力侵蝕貢獻(xiàn)率差異性。坡度作為影響坡面侵蝕發(fā)生與否的地形因子，可直接決定坡面土體穩(wěn)定狀態(tài)。坡度越大則坡面土體所受到的下滑力越大，最大靜摩擦力越小，同時(shí)坡度越大徑流流速越大，侵蝕潛能增加[25-27］。在不同坡度條件下，侵蝕發(fā)生形式及侵蝕量存在較大差別。根據(jù)本文研究，當(dāng)放水流量為15、20、25 L·min-1時(shí)，35°坡面的徑流含沙量變異系數(shù)最大、重力作用對(duì)坡面產(chǎn)沙貢獻(xiàn)最大（圖4），這表明小于35°的坡面以水力侵蝕產(chǎn)沙為主，而大于35°坡面以重力作用產(chǎn)沙為主；在最?。?0 L·min-1）和最大放水流量（30 L·min-1）條件下，35°坡面徑流含沙量變異系數(shù)較小、重力作用對(duì)坡面產(chǎn)沙貢獻(xiàn)也較小，初步判定，該流量條件下徑流侵蝕對(duì)坡面含沙量貢獻(xiàn)最大的臨界坡度為35°。王文龍等[28］對(duì)5°、15°、25°及35°條件下坡面侵蝕過(guò)程的研究也表明，坡溝系統(tǒng)在5°、15°和25°坡度條件下，坡面土壤侵蝕方式以濺蝕、片蝕和溝蝕為主，而大于或等于35°條件時(shí)，坡面土壤侵蝕方式以切溝為主，且有崩塌、滑塌等侵蝕發(fā)生。研究均表明在坡面細(xì)溝侵蝕過(guò)程中，細(xì)溝溝壁崩塌等侵蝕發(fā)生不僅取決于微地形條件，還決定于細(xì)溝被徑流沖刷淘蝕的程度，因此今后應(yīng)加強(qiáng)重力與降雨、徑流、微地形（坡度和坡長(zhǎng)）、坡面細(xì)溝發(fā)育形態(tài)之間的定量研究，不同土石比工程堆積體坡面徑流連續(xù)沖刷過(guò)程及其邊坡穩(wěn)定性的模擬研究，為重力作用對(duì)坡面侵蝕過(guò)程模擬研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

土壤抗剪強(qiáng)度是影響坡面侵蝕發(fā)生的重要原因之一，它決定了坡面土體內(nèi)部力學(xué)穩(wěn)定性。研究表明，坡面土體穩(wěn)定性取決于土壤摩擦阻力和土壤內(nèi)聚力[29］，而土壤含水率及密實(shí)度則是影響重力作用的主要因素[30］。根據(jù)本文研究，工程堆積體土壤黏聚力在16.18%含水率時(shí)可達(dá)最大14.64 kPa，隨含水率增大呈先增加后減小變化趨勢(shì)，而內(nèi)摩擦角則隨含水率增加而減?。▓D5）。重力作用明顯影響堆積體坡面細(xì)溝發(fā)育的臨界坡度條件為35°，其數(shù)值大于工程堆積體內(nèi)摩擦角（30.79°）。相關(guān)研究也表明，土壤抗剪強(qiáng)度和水分含量呈反比關(guān)系[31］。當(dāng)坡面土壤含水率增大時(shí)，不僅會(huì)增大土體沿坡向的重力分力，而且會(huì)減小土體黏聚力和內(nèi)摩擦角，使土體或土層處于失穩(wěn)狀態(tài)。因此，根據(jù)上述坡面土體抗剪強(qiáng)度和含水率量化關(guān)系，在雨季及時(shí)采取邊坡防護(hù)措施，以提高工程堆積體穩(wěn)定性，防止暴雨誘發(fā)性崩塌、滑坡、泥石流災(zāi)害發(fā)生的可能性。植被在提高邊坡土壤的抗侵蝕能力、增強(qiáng)土壤的穩(wěn)定性中起著至關(guān)重要的作用，細(xì)根、中等直徑的根系分泌物對(duì)土體顆粒起到黏結(jié)作用，從而提高土壤的黏聚力c，進(jìn)而提高土壤的抗剪強(qiáng)度[32］，今后應(yīng)加強(qiáng)植物根系、土壤含水率、土壤緊實(shí)度與土體抗剪強(qiáng)度相互作用關(guān)系研究，尋求減弱重力作用對(duì)坡面侵蝕有效途徑。

圖4 重力作用產(chǎn)沙貢獻(xiàn)與坡度的關(guān)系Fig.4 Relationship between contribution of gravity and slope gradient

圖5 土壤含水率與黏聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系Fig.5 Relationships of soil water content with cohesive strength and internal friction angle

4 結(jié) 論

工程堆積體坡面侵蝕過(guò)程可分為面蝕（產(chǎn)流3 min內(nèi)）和細(xì)溝侵蝕階段，其中細(xì)溝侵蝕存在擴(kuò)張（3～24 min）、過(guò)渡（24～30 min）和穩(wěn)定（30 min后）3個(gè)發(fā)展過(guò)程。工程堆積體坡面細(xì)溝出現(xiàn)時(shí)間與放水流量、坡度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，細(xì)溝出現(xiàn)時(shí)間最快為4 s，最慢為97 s，二者約相差24倍。重力作用是影響工程堆積體邊坡產(chǎn)流產(chǎn)沙及波動(dòng)變化的重要原因。在坡面侵蝕過(guò)程中產(chǎn)流率變異系數(shù)在7.77%～374.3%之間，產(chǎn)沙率變異系數(shù)在1.75%～1021%之間；重力作用對(duì)工程堆積體邊坡總產(chǎn)沙量貢獻(xiàn)在17.41%以上，最高可達(dá)99.60%；初步判定，重力作用明顯影響堆積體邊坡細(xì)溝發(fā)育的臨界徑流條件為20 L·min-1，臨界坡度條件為35°。徑流作用主導(dǎo)細(xì)溝深度發(fā)展，而重力作用主導(dǎo)細(xì)溝寬度發(fā)展，兩種主導(dǎo)作用對(duì)工程堆積體邊坡細(xì)溝發(fā)育影響程度相當(dāng)。工程堆積體邊坡細(xì)溝溝寬在7.89～19.73 cm之間，溝深介于2.17～6.73 cm，寬深比介于2.12～4.36，細(xì)溝密度介于1.35～3.00 m·m-2；邊坡細(xì)溝平均溝寬、溝深均隨放水流量增大而增加，且坡度越大、細(xì)溝寬度、深度越大；在相同徑流條件下，侵蝕產(chǎn)沙量隨邊坡細(xì)溝密度增大而增大。