喀斯特槽谷區(qū)巖石與坡面夾角對坡面集中流水力學(xué)特性的影響*

曾榮昌，張玉啟，何丙輝，李天陽，曾 成

（西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400715）

坡面集中水流可剝離、搬運大量泥沙，是坡面土壤侵蝕發(fā)生的主要動力源[1]。不同于一般明渠流，坡面集中流受降雨特性、坡度及床面狀況等因素的影響，水流結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，使準確描述其水力學(xué)特性變得更加困難[2]。水力學(xué)參數(shù)中雷諾數(shù)（Re）和Darcy-Weisbach阻力系數(shù)（f）等是表征徑流水力學(xué)特性的主要指標(biāo)[3-4]。目前，國內(nèi)外關(guān)于各類下墊面情況下坡面水流Re與f的耦合變化特征研究較多[5-8]，但由于試驗條件不同，二者間的數(shù)學(xué)關(guān)系還未獲得統(tǒng)一認識[9-13]。張光輝[14]發(fā)現(xiàn)坡面薄層水流Re與f呈良好的冪函數(shù)負相關(guān)關(guān)系。李占斌等[15]發(fā)現(xiàn)黃土區(qū)陡坡條件下Re與f之間存在顯著的指數(shù)關(guān)系。另有研究則認為f-Re隨坡度的變化表現(xiàn)為不同的數(shù)學(xué)關(guān)系[3，16]。因此，還需要更多實測數(shù)據(jù)來闡明不同條件下f-Re的耦合關(guān)系，并揭示引發(fā)二者關(guān)系變化的內(nèi)在機理。

西南喀斯特槽谷區(qū)是中國南方喀斯特分布面積最大的“老、少、邊、山、窮”地區(qū)，其地表巖層裸露，地下裂隙發(fā)育豐富，形成了特殊的“二元”空間結(jié)構(gòu)。與其他喀斯特地貌不同，該區(qū)緊密式箱型背斜/向斜構(gòu)造、巖層傾角大、典型順/逆層邊坡地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育充分等特征使得地表裸露的巖石與坡面之間具有不同夾角[17]，導(dǎo)致其存在著不同的產(chǎn)流產(chǎn)沙方式和地表徑流水力學(xué)特性[18]。出露地表的巖石在降雨過程中易改變徑流路徑，使局部徑流匯聚成集中流[19]，造成劇烈的土壤侵蝕。目前，針對喀斯特槽谷區(qū)坡面水土流失方式[20-23]，產(chǎn)流產(chǎn)沙變化[24-26]等方面已有大量研究，但對造成侵蝕的水動力學(xué)機制認識還不深入。對該區(qū)不同巖石與坡面夾角條件下集中流水力學(xué)特性，特別是對f-Re的耦合關(guān)系的影響研究還很少見。因此，本文通過模擬喀斯特槽谷區(qū)“二元”空間結(jié)構(gòu)，采用室內(nèi)土槽放水沖刷試驗，研究在限定孔隙下，不同坡度、流量和巖石與坡面夾角條件下坡面集中流的流態(tài)、阻力等水力學(xué)特性隨沖刷歷時的變化規(guī)律，并探究巖石與坡面夾角影響下f-Re間的耦合關(guān)系，以期為建立和完善喀斯特槽谷區(qū)土壤侵蝕預(yù)報模型提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗土壤采自重慶市北碚區(qū)雞公山（106°27′19″E，29°47′41″N）碳酸鹽發(fā)育的石灰性土坡耕地（0～30 cm），土壤粒徑組成及容重見表1。試驗前將土壤風(fēng)干并過10 mm篩。為模擬喀斯特槽谷區(qū)不同巖石與坡面夾角條件，確保盡可能地接近野外實際情況，選擇9塊直徑大于25 cm的不規(guī)則碳酸鹽石塊隨機排列在試驗鋼槽中，調(diào)試并測量出露地表的面積，確保試驗過程中巖石裸露率不變。因巖石體積一定，故巖土接觸面面積保持固定。

表1 試驗用土壤粒徑及容重 Table 1 Particle size distribution and bulk density of the test soil

試驗土槽為自制的可調(diào)孔（裂）隙度的變坡鋼槽（圖1），地下裂隙度為地下裂隙水平投影面積占鋼槽底板總面積的百分比[24]。其計算公式[27]為：

式中，S孔為圓孔交錯重合部分面積，m2；S底為土槽底板的面積，5 m2；π為圓周率，3.14；R為底板圓孔半徑，0.025 m；L為兩塊底板圓孔重合區(qū)域的最大弦長，m。

試驗的地下裂隙度可在0～5%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，土槽長5.0 m、寬1.0 m、深0.2 m，土槽上、下端分別設(shè)置地表、地下裂隙流集流槽，用于收集地表和地下徑流泥沙樣。前期預(yù)試驗結(jié)果表明，在試驗土槽寬度為1 m時，集中流及細溝發(fā)育均未達小區(qū)邊界，集中流在坡面形成的細溝能夠自由發(fā)育不受邊界限制，故沖刷土槽長5.0 m、寬1.0 m、深0.2 m的尺寸滿足試驗要求。

1.2 研究方法

室內(nèi)模擬試驗在西南大學(xué)后山人工降雨大廳內(nèi)進行。根據(jù)野外調(diào)查重慶市酉陽喀斯特槽谷區(qū)典型基巖裸露坡面，本試驗設(shè)置巖石裸露率為15%，地下裂隙度為2%（輕度發(fā)育）。結(jié)合實地調(diào)查巖石與坡面夾角的大小，巖石與坡面夾角設(shè)置為30°、60°、90°、120°、150°和180°（0°），其中巖石與坡面夾角180°（0°）為對照組。巖石與坡面夾角為30°和60°時，巖石傾向與坡向一致；夾角為120°和150°時，巖石傾向與坡向相反；夾角為90°和180°（0°）時，巖石分別與坡面垂直和平行（圖2）。根據(jù)研究區(qū)典型坡度和雨強，試驗坡度設(shè)計為10°、15°和20°，沖刷流量分別為5、7.5、10 L·min–1。按照巖石與坡面夾角、坡度和流量完全組合的方法進行試驗，每個組合試驗重復(fù)兩次，共計108場試驗。

利用鋼制變坡土槽（長5 m、寬1 m、深0.5 m）開展模擬試驗。試驗中在水槽底部0.2 m處設(shè)置兩塊可調(diào)節(jié)的帶圓孔鋼槽地板，通過錯位調(diào)節(jié)鋼槽圓孔實現(xiàn)地下裂隙模擬。土槽上端安裝有穩(wěn)流水箱（長 1 m、寬0.2 m、深0.2 m），用于沖刷時放水流量的控制。為保證水箱與土槽緊密連接，試驗過程中不漏水，水箱放置在土槽內(nèi)且用木板和紗布填充縫隙，因此實際沖刷長度為4.8 m（圖1）。

試驗開始前，調(diào)節(jié)鋼槽地板圓孔錯位，使其裂隙達到設(shè)計值2%。試驗填土厚度為20 cm，按上層15 cm（容重1.2 g·cm–3），下層5 cm（容重1.3 g·cm–3）計算填土量后分層填裝。在土槽兩邊內(nèi)壁處涂抹凡士林，兩側(cè)填土稍高于其他部分以減小邊緣效應(yīng)。填土過程中使用特制木板壓實耙平土壤。填土完成后將直徑大于25 cm的石灰?guī)r塊石按巖石裸露率15%及相應(yīng)固定巖土接觸面積隨機排列裝于土槽內(nèi)。采用坡度傾斜儀將夾角調(diào)整到設(shè)計水平后，壓實巖石與土壤接觸面，保證與野外實際情況一致。使用側(cè)噴式降雨器降小雨，觀察到地下產(chǎn)生均勻不間斷漏滲且地表有蓄流時停止降雨，使其達到飽和，放置48 h。

試驗開始時，調(diào)整變坡水槽至設(shè)計坡度。打開出水閥門，開始放水。使用量筒對放水流量進行率定，保證放水流量與設(shè)計流量相對誤差≤2.5%。待流量達到設(shè)計值且出流穩(wěn)定后，調(diào)整水箱與土槽過渡段左右高度使水流集中在一側(cè)出流，保證水流出流集中。試驗中，分別在距底端1 m、2.5 m、3.5 m處設(shè)置測定斷面，測定流速、水深及水寬。前期預(yù)試驗表明，沖刷歷時為18 min時產(chǎn)流產(chǎn)沙基本穩(wěn)定，故本文沖刷時間設(shè)置為18 min。在前6分鐘每分鐘測定流速、水深及水寬，后12分鐘每隔1.5 min測定流速、水深及水寬。采用染色法測定流速，測距為0.5 m；用薄鋼尺量測水深及水寬，用溫度計測量水流溫度用于計算水運動黏滯系數(shù)。每場沖刷試驗結(jié)束后，根據(jù)沖刷溝道深度更換表層土壤，將表面抹平打毛后為下一場試驗作準備。

1.3 數(shù)據(jù)處理

染色法測得的流速為水流表面流速，根據(jù)表面流速計算所得水流流態(tài)，將測得的流速分別乘0.67、0.70和0.80的修正系數(shù)[11]，從而得到水流的平均流速。本試驗水流平均流速變化范圍為0.17～0.46 m·s–1，標(biāo)準差變化于0.0001～0.15；水流平均水深變化范圍為0.50～2.40 cm，標(biāo)準差變化于0.005～0.83。徑流雷諾數(shù)Re是判斷水流流態(tài)的重要指標(biāo)，當(dāng)Re<900時，水流為層流；9002000時水流處于紊流狀態(tài)[7]，其計算公式為：

式中，V為水流平均流速，m·s–1；R為水力半徑，m；R=A/P，A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；P為濕周，m；P=2h+b，h為徑流深，m；b為徑流寬，m；ν為水運動黏滯系數(shù)，m2·s–1，ν=0.01775×10–4/（1+0.0337 t+0.000221 t2）；t為水溫，℃。

Darcy-Weisbach阻力系數(shù)f計算公式為：

式中，g為重力加速度，m·s–2；S為水力坡降，S=sinθ，θ為試驗坡度，°。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用Excel2016進行試驗數(shù)據(jù)的整理，采用SPSS24.0對Re和f之間關(guān)系進行線性、對數(shù)和冪函數(shù)擬合。本文顯著水平設(shè)置為：P<0.05為關(guān)系顯著，P<0.01為關(guān)系極顯著。使用 Origin2018及AutoCAD2018進行作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同巖石與坡面夾角條件下徑流雷諾數(shù)Re隨沖刷歷時的變化

不同流量、坡度和巖石與坡面夾角條件下徑流雷諾數(shù)Re隨沖刷時間的變化過程如圖3所示。在試驗條件下，Re變化范圍為517～3 343，與李占斌等[15]在陡坡條件下放水沖刷的研究結(jié)果相似。集中水流在1 min之內(nèi)快速沖刷出細溝，使得每場試驗Re變化范圍不大。流量為5 L·min–1條件下，試驗時段內(nèi)各組合的徑流流態(tài)為過渡流。隨著坡度和流量的增大，水流重力勢能和動能增加，流速增大，徑流紊動性增加，徑流處于以紊流為主過渡流為輔 的交替狀態(tài)。當(dāng)流量和坡度均達到最大時，不同巖石與坡面夾角條件下的地表徑流均處于紊流狀態(tài)。Re隨著流量的增加而增大，但隨坡度變化規(guī)律不明顯，這與楊大明等[28]在室內(nèi)放水沖刷黃綿土的研究結(jié)果類似。這是由于單寬流量越大，單位時間通過某一斷面的徑流量越多，水深和流速越大，Re也越大[4]。

由圖3可知，巖石與坡面夾角對Re隨時間變化過程的影響較復(fù)雜，不同夾角條件下的徑流雷諾數(shù)對坡度和流量的響應(yīng)規(guī)律不同。10°坡面、5 L·min–1流量時，各巖石與坡面夾角下坡面集中流Re隨沖刷歷時總體表現(xiàn)出增大的趨勢，這與張樂濤等[29]研究結(jié)果相似。試驗前5 min內(nèi)溝道形態(tài)阻力增大，隨 著溝道深度增加，巖石對水流阻擋作用增大，流速減小，但水力半徑增大變化大于流速減小的變化，使得Re增加并始終保持發(fā)展或穩(wěn)定態(tài)勢[6]。巖石與坡面夾角為180°時，10°坡面各流量條件下，Re隨時間變化波動性增加，變化范圍為803～2 295。在其他坡度條件下其Re則隨沖刷歷時波動減小，說明坡度對于夾角180°條件下Re隨沖刷歷時變化的影響較大。巖石與坡面夾角為30°時，10°坡面、7.5 L·min–1和10 L·min–1流量下與15°坡面、5 L·min–1流量以及20°坡面全流量條件下，Re均隨沖刷歷時總體呈減小趨勢，這是由于夾角為30°時，巖石對地表水流阻擋作用最小[30]，水流受慣性力影響較大。隨著坡度和流量的增大，徑流能量增加，侵蝕能力增強，溝道深度及侵蝕形態(tài)復(fù)雜程度增大，溝道糙度變大，此時地下裂隙和溝道形態(tài)對地表徑流雷諾數(shù)影響較大[31]，流速減小快于徑流深增加，Re隨時間變化逐漸減小。在其他坡度和流量條件下Re隨沖刷歷時變化不一，規(guī)律性不強，表明巖石與坡面夾角30°的Re隨沖刷歷時變化趨勢受坡度和流量的雙重影響。在巖石與坡面夾角60°條件下，15°和20°坡面、10 L·min–1流量的Re隨時間變化表現(xiàn)為先增大后減小，最大值出現(xiàn)在4～6 min內(nèi)，這與李天陽等[32]研究結(jié)果類似。這是水深和流速變化綜合作用的結(jié)果，在沖刷過程前期流速較大且水力半徑快速增加，Re增大。在6 min以后，跌坎被沖開，壅水減少，溝道加深促進了地下漏滲，溝道中水力半徑有減小的趨勢，水流能量減少，流速減小較快，二者綜合作用導(dǎo)致Re減小。10°坡面、7.5 L·min–1流量和15°坡面、5 L·min–1流量條件下，其Re隨沖刷歷時總體呈增大趨勢，而在10°坡面、10 L·min–1流量，15°坡面、7.5 L·min–1流量與 20°坡面下的5 L·min–1及7.5 L·min–1流量條件時，其Re隨沖刷歷時呈減小趨勢。這可能是沖刷水流能量不同導(dǎo)致了不同的溝道侵蝕強度，在巖石與坡面夾角和地下裂隙影響下流速和水深變化不一致所造成的。巖石與坡面夾角為90°時，15°坡面、10 L·min–1流量和20°坡面、7.5 L·min–1流量的Re隨沖刷歷時先增大后減小，其原因與夾角60°條件下一致。15°和20°兩個坡面下5 L·min–1流量和20°坡面、10 L·min–1流量的Re則隨沖刷歷時逐漸減小。在15°和20°兩個坡面、10 L·min–1流量條件下，巖石與坡面夾角為120°、150°和180°的Re隨沖刷歷時變化規(guī)律較為明顯，均逐漸減小，且在前4 min內(nèi)減少較快。這可能是因為當(dāng)夾角大于60°時，巖石傾向與坡面水流流向不同，巖石對能量較大水流阻擋效應(yīng)明顯。前4 min內(nèi)隨著沖刷進行，巖石對水流阻擋作用增強，水流黏滯力占主導(dǎo)作用，水深增大；但隨著溝道下切，地下裂隙也使得地下漏失量增多，溝道水流能量減小，在溝道形態(tài)阻力和巖石阻擋綜合作用下，流速減小快于水力半徑增加，Re呈現(xiàn)減小趨勢。在其他坡度和流量條件下，夾角120°、150°和180°的Re隨沖刷歷時變化規(guī)律不一，說明沖刷水流能量大小影響著不同巖石與坡面夾角的Re隨沖刷歷時變化趨勢。

相較于巖石與坡面夾角30°和60°，當(dāng)夾角大于60°時，試驗過程中Re的變化更為穩(wěn)定。Re的突變常伴隨水流沖刷部位侵蝕作用的增強[33]，這說明巖石與坡面夾角為30°和60°時水土流失方向主要是沿坡面順流而下，隨著巖石與坡面夾角增大，巖石有利于控制地表侵蝕發(fā)生的變化過程，從而減小地表侵蝕的強度，此時地表水流在地下裂隙存在的情況下，主要通過地下漏滲方式帶走土壤顆粒，這與Cruz Nunes等[34]研究結(jié)果類似。

2.2 不同巖石與坡面夾角條件下徑流阻力系數(shù)f隨沖刷歷時的變化

試驗條件下阻力系數(shù)隨時間變化如圖4所示。細溝侵蝕過程中水流所受阻力與流量和坡度密切相關(guān)。本試驗結(jié)果顯示f隨坡度增大而增大，隨流量增大而減小，這與白玉潔等[35]研究結(jié)果相反，與申楠等[36]研究結(jié)果類似。這可能與在地下裂隙和巖石與坡面夾角的影響下，流量和坡度變化引起徑流深、相對糙度D/h以及溝道形態(tài)的變化有關(guān)[4]。坡度增大，水流勢能轉(zhuǎn)化為動能的能量增加，水流沖刷能力增強，溝道形態(tài)阻力增大，溝道深度增加導(dǎo)致地下漏滲增多，地表徑流能量減小，增大了徑流阻力。當(dāng)流量增大時，水深增大，相對糙率減小，雖然徑流沖刷改變溝道形態(tài)產(chǎn)生形態(tài)阻力，但流量由小變大時引起的糙率減小的程度大于形態(tài)變化引起的阻力增大的程度[3]，因此f隨流量的增大而減小。

試驗過程中f值介于0.62～5.70，這與張翔等[37]研究結(jié)果有所不同，這可能是由于本試驗設(shè)置的坡度、流量等條件以及下墊面特性、土壤粒徑及其排列與前人不同而造成的。隨著沖刷時間的延長，各條件下的f總體表現(xiàn)出增大的趨勢，這與前人研究 結(jié)果類似[38]。試驗剛開始時，集中水流僅受到顆粒阻力和巖石阻擋作用，來自細溝床面的摩擦阻力及其產(chǎn)生的水流紊動作用小，阻力較小。隨后集中水流快速切出細溝，溝道形態(tài)阻力產(chǎn)生，f增大。在沖刷過程中，由于巖石阻擋作用，巖土界面處流速和水深發(fā)生突變，水流紊動性增強，加劇水流沿流程的橫斷面與縱降比不規(guī)則性，對溝床的局部沖刷和剪切作用增強[33，39]。試驗中觀察到徑流流經(jīng)的巖石上部和側(cè)部出現(xiàn)較深壅水及跌水，該處侵蝕程度較大，溝道形態(tài)阻力增加，這與王恒松等[19]在喀斯特野外地區(qū)觀察到的侵蝕現(xiàn)象一致。水流經(jīng)過巖石時發(fā)生明顯的側(cè)切現(xiàn)象，流程增加，阻力隨之增大[7]。且隨著侵蝕溝道深度不斷增大，巖石阻擋作用進一步增強，水流路徑起伏變大，水力坡度逐漸增大，溝道摩擦力對水流的阻滯作用增強，水流在運動過程中克服阻力所做的功也越大[40]。同時地下裂隙的影響程度不斷增大，地下漏滲增加，地表水流能量減小，綜合作用使得f增大或保持平穩(wěn)趨勢。由于各條件下水流能量、巖石與坡面夾角不同，使得水流攜沙能力、土壤侵蝕程度和巖石阻擋作用不同[13]，進而產(chǎn)生不同的細溝形態(tài)，在相對糙率D/h變化和沖刷后期水流對溝道的磨蝕作用影響下，各試驗過程中f的變化不盡相同[4]。

與巖石與坡面夾角小于90°時的f變化過程相比，夾角為120°和150°時f變化過程更為穩(wěn)定。說明巖石與坡面夾角大于60°時，巖石對于水流有較強的阻擋作用，此時巖石有利于控制徑流沖刷過程平穩(wěn)。上述研究結(jié)果表明在喀斯特槽谷區(qū)，溝道水流阻力不僅受坡度、流量等水力條件和侵蝕形態(tài)本身的影響，還與地下裂隙和巖石與坡面夾角有關(guān)。

2.3 Re、f和巖石與坡面夾角的關(guān)系

本試驗研究結(jié)果表明各坡度和流量組合條件下，Re和巖石與坡面夾角關(guān)系不顯著（P>0.05），而f和巖石與坡面夾角間的關(guān)系在各流量和坡度組合下表現(xiàn)不同。在20°坡面、10 L·min–1流量條件下，f與巖石與坡面夾角（x）間的作用關(guān)系可表示為：

式中，f為阻力系數(shù)；x為巖石與坡面夾角，°。

由式（5）和式（6）可知，水流能量較大時，巖石與坡面夾角30°條件對于f和巖石與坡面夾角關(guān)系影響顯著。結(jié)合圖4分析，這和在夾角30°時沖刷過程中的巖石對于大能量水流阻擋作用較小有關(guān)。此時集中水流沖刷能力強，試驗中觀察到由于能量較大，水流更易直接流經(jīng)巖石光滑表面，沖擊巖石下部土體，產(chǎn)生深度較大的跌水，劇烈的沖刷作用使得溝道形態(tài)阻力較大。同時溝道被快速下切出較大的深度，地下漏滲增加，這與嚴友進等[27]研究結(jié)果類似。沖刷過程中發(fā)現(xiàn)巖石與坡面夾角150°條件下地下產(chǎn)流速率從3 min的0.52 L·min–1增大至18 min的1.18 L·min–1，而夾角30°的地下產(chǎn)流速率 從3 min的0.3 L·min–1增大至18 min的2.06 L·min–1。地表沖刷流量減小，水流流速減小，f增大。以上綜合因素作用使得水流能量較大時，巖石與坡面夾角30°的f相對于其他夾角較大，從而影響著f和巖石與坡面夾角關(guān)系。

同時由式（6）可知，無夾角30°影響時，20°坡面、10 L·min–1流量條件下f和巖石與坡面夾角呈顯著的冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系。這可能是由于巖石的存在重塑了坡面構(gòu)造，隨著巖石與坡面夾角的增大，巖石對大能量的水流阻擋作用也逐漸增大，不同夾角條件下的巖石通過影響溝道中集中流水力坡降從而影響坡度的實際作用效果，在水力作用下產(chǎn)生不同侵蝕形態(tài)和徑流深，進而影響到徑流阻力[41]。

2.4 f與Re的關(guān)系

不同巖石與坡面夾角下f和Re的擬合關(guān)系見表2。Roels[13]研究了細溝出現(xiàn)前后的f-Re關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者的關(guān)系可以用對數(shù)方程式描述。在本試驗條件下，巖石與坡面夾角小于90°時，對數(shù)方程可較好描述f與Re之間的關(guān)系；夾角大于等于90°時，冪函數(shù)方程決定系數(shù)R2較大。巖石與坡面夾角180°情況下的方程決定系數(shù)R2最小。

表2 不同巖石與坡面夾角條件下f-Re之間的關(guān)系 Table 2 Relationships between f and Re relative to angle between the rock and the slope

本研究中，巖石與坡面夾角為30°時，f與Re呈正相關(guān)。當(dāng)巖石與坡面夾角逐漸增大，兩者呈負相關(guān)，表明存在臨界巖石與坡面夾角值，使得Re增加，f開始減小。張科利[3]研究發(fā)現(xiàn)受坡度陡緩影響，溝道侵蝕程度及形態(tài)會有很大差異，從而使得坡度小于10°時，f與Re呈指數(shù)函數(shù)負相關(guān)；而在坡面為12°和15°時，二者呈指數(shù)函數(shù)正相關(guān)，表明坡度對水流阻力的變化趨勢有著決定性的影響作用。本文中，相同水力條件下，不同夾角的巖石對水流能量消減作用不同，在地下裂隙影響下產(chǎn)生不同的溝道沖刷形態(tài)和侵蝕程度，表明巖石與坡面夾角顯著影響f-Re關(guān)系，這與甘鳳玲等[30]研究結(jié)果一 致。試驗條件下，當(dāng)Re<1 791時，f與Re關(guān)系不顯著，當(dāng)Re>1 791時，f與Re則呈顯著正相關(guān)（圖5）。Shen和Li[42]在光滑下墊面條件下通過試驗得出Re>2 000時，f隨Re的增大而減小。這與本研究結(jié)果不同，可能是由于本試驗為集中水流動床沖刷試驗，水力條件不一致，同時特殊二元結(jié)構(gòu)和巖石與坡面夾角存在改變了坡體構(gòu)造，使得在紊流狀態(tài)下，水流沖刷作用導(dǎo)致地下漏滲增多、巖石阻擋作用以及溝道形態(tài)阻力增大，f隨Re的增大而增大。本文研究了喀斯特槽谷區(qū)不同巖石與坡面夾角條件下集中流f-Re的變化耦合關(guān)系，但基于該區(qū)域特殊二元地質(zhì)結(jié)構(gòu)特性，不同地下裂隙度對于地表集中流水力學(xué)特性的影響作用還需進一步研究。

3 結(jié) 論

試驗條件下，喀斯特槽谷區(qū)坡面集中水流Re變化范圍為517～3 343，其隨流量的增加而增大，隨坡度變化規(guī)律則不明顯。巖石與坡面夾角對Re隨時間變化過程的影響較復(fù)雜。10°坡面、5 L·min–1流量下，各巖石與坡面夾角的Re隨沖刷歷時均表現(xiàn)出增大趨勢。在其他條件下，則出現(xiàn)Re隨沖刷進行而減小的現(xiàn)象。f值介于0.62～5.70，隨坡度增大而增大，隨流量增大而減小。各試驗條件下的f隨沖刷歷時呈增大的變化趨勢。各坡度和流量組合條件下，Re和巖石與坡面夾角關(guān)系均不顯著，f和巖石與坡面夾角間的關(guān)系在各流量和坡度組合下表現(xiàn)不同。f與Re的耦合關(guān)系受巖石與坡面夾角的顯著影響。巖石與坡面夾角小于90°時，可用對數(shù)方程式來描述二者關(guān)系；夾角大于等于90°時，用冪函數(shù)方程描述二者關(guān)系更好。當(dāng)Re<1 791時，f與Re關(guān)系不顯著，當(dāng)Re>1 791時，f與Re則呈顯著正相關(guān)。本研究可豐富土壤侵蝕水動力學(xué)理論，并為建立和完善喀斯特槽谷區(qū)土壤侵蝕預(yù)報模型提供依據(jù)。