排土場(chǎng)水蝕野外與室內(nèi)試驗(yàn)研究進(jìn)展

曹艷偉

（鄂爾多斯市科技事業(yè)發(fā)展中心 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

露天煤礦開采嚴(yán)重破壞地表植被及土壤結(jié)構(gòu)，對(duì)脆弱生態(tài)系統(tǒng)造成不可恢復(fù)影響。露天煤礦大面積開采中，大量棄土棄渣堆積成結(jié)構(gòu)疏松、穩(wěn)定性差的排矸場(chǎng)、排土場(chǎng)，《煤炭工業(yè)露天礦邊坡工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51289-2018）、《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50197-2015）等相關(guān)規(guī)范對(duì)排土場(chǎng)壓實(shí)度沒有定量指標(biāo)要求，短期內(nèi)排土場(chǎng)邊坡沒有植被保護(hù)，在降雨等自然因素作用下，易出現(xiàn)嚴(yán)重水蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致大量水土及碳氮磷等營(yíng)養(yǎng)成分流失，土壤荒漠化問題更加突出，嚴(yán)重時(shí)易引發(fā)崩塌、滑坡、塌陷等自然災(zāi)害。

本文在分析大量研究成果并結(jié)合實(shí)際工程的基礎(chǔ)上，總結(jié)礦區(qū)排土場(chǎng)邊坡水蝕問題的試驗(yàn)研究進(jìn)展、亟須研究與解決的難點(diǎn)與“瓶頸”問題，進(jìn)一步推動(dòng)礦區(qū)排土場(chǎng)邊坡水蝕現(xiàn)象的研究。

1 野外試驗(yàn)研究

張樂濤等通過野外放水試驗(yàn)，研究在徑流沖刷條件下典型堆積體36°陡坡的侵蝕過程。結(jié)果表明，重力侵蝕是徑流含沙量變化的主要因素，土壤剝蝕率與單寬流量呈線性變化，與時(shí)段產(chǎn)沙量、流寬呈函數(shù)關(guān)系。

史東梅等采用野外實(shí)地放水沖刷試驗(yàn)研究邊坡徑流侵蝕過程，采用的放水沖刷試驗(yàn)裝置由水源、蓄水箱、穩(wěn)壓水泵、流量計(jì)及水閥、溢流槽、試驗(yàn)小區(qū)、集流槽、徑流桶組成。試驗(yàn)結(jié)果表明，在放水量增大時(shí)，邊坡侵蝕動(dòng)力隨之增加，侵蝕過程中產(chǎn)流量受細(xì)溝發(fā)育影響比較顯著，造成產(chǎn)沙波動(dòng)的主要原因是在重力作用下侵蝕溝壁土體崩塌脫落。

黃孝鵬通過現(xiàn)場(chǎng)模擬降雨對(duì)邊坡沖刷過程試驗(yàn)，分析降雨對(duì)邊坡沖刷后產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及降雨入滲規(guī)律，人工模擬降雨裝置主要包括降雨控制系統(tǒng)、模型試驗(yàn)槽及泥沙收集系統(tǒng)3 個(gè)部分。試驗(yàn)結(jié)果表明，邊坡侵蝕主要影響因素是降雨強(qiáng)度，隨降雨強(qiáng)度增大，徑流量、對(duì)坡面沖濺作用力、坡面侵蝕產(chǎn)沙量均呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)；降雨類型為均勻型時(shí)，當(dāng)坡度增大時(shí)，地表累積徑流量隨之增大。

速歡等通過野外放水沖刷試驗(yàn)研究露天礦排土場(chǎng)邊坡侵蝕過程。試驗(yàn)結(jié)果表明，排土場(chǎng)平臺(tái)、邊坡的流速與產(chǎn)沙率隨放水歷時(shí)變化現(xiàn)象均為突變—波動(dòng)—穩(wěn)定3 個(gè)階段。在進(jìn)行野外放水試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)場(chǎng)地條件優(yōu)勢(shì)較為明顯，能夠建立大型試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，能夠減弱模型邊界的影響，其結(jié)果在一定程度上更接近于實(shí)際情況。

2 室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究

王瑄等通過室內(nèi)土槽放水沖刷試驗(yàn)，研究坡面土壤剝蝕率受水蝕因子坡度、流量、水流剪切力、水流功率、單位水流功率、單寬能耗等影響情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤剝蝕率與坡度、流量、水流剪切力呈冪函數(shù)關(guān)系，與水流功率、單寬能耗呈線性關(guān)系，與單位水流功率呈三次方關(guān)系。

Shi Z H等通過對(duì)不同坡度的邊坡進(jìn)行降雨模擬試驗(yàn)，分析土質(zhì)邊坡在降雨條件下的侵蝕過程與沉積物分選過程的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，邊坡水土流失主要是懸浮、推移滾動(dòng)及接觸共同作用的結(jié)果，在邊坡細(xì)溝開始發(fā)育后，邊坡侵蝕的主要原因是推移滾動(dòng)大中型沉積顆粒進(jìn)行遷移。

Jijun He 和He J J等建立坡度為10°的模擬降雨試驗(yàn)的模型，通過改變降雨強(qiáng)度，研究粘性土、黃土邊坡的徑流、細(xì)溝演變與侵蝕率之間的關(guān)系。結(jié)果表明，邊坡侵蝕含沙量和侵蝕率隨時(shí)間的變化與滴坑和細(xì)溝的出現(xiàn)具有良好的一致性，降雨強(qiáng)度的增加對(duì)粘性土邊坡侵蝕含沙量和侵蝕率影響不大、對(duì)黃土邊坡的影響較為明顯。

董旭在中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所人工模擬降雨大廳進(jìn)行黃土坡面細(xì)溝侵蝕室內(nèi)模擬試驗(yàn)，設(shè)計(jì)6種坡度、5種流量組合試驗(yàn)方案，用以研究細(xì)溝流對(duì)黃土坡面侵蝕過程及侵蝕過程中水動(dòng)力學(xué)特征、跌坑作用。結(jié)果表明，細(xì)溝流平均流速與徑流流量、過水?dāng)嗝鎸挾扰c徑流流量、土壤剝蝕率與流量、土壤剝蝕率與坡度均呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，當(dāng)坡度增加時(shí)，細(xì)溝流跌坑平均深度也隨之增加。

姜義亮等在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工模擬降雨大廳，對(duì)黑土區(qū)坡面在降雨條件下侵蝕過程進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)包括兩種降雨強(qiáng)度、兩種匯流速率及4 種組合方式。試驗(yàn)結(jié)果表明，坡面土壤侵蝕產(chǎn)沙受降雨影響程度大于匯流作用。

Guo Zhonglu等采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究降雨—徑流耦合作用對(duì)土質(zhì)邊坡的侵蝕過程，分析降雨及徑流單獨(dú)作用與耦合作用下水動(dòng)力參數(shù)流速、雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)、水流功率、剪應(yīng)力、曼寧系數(shù)等的變化規(guī)律。結(jié)果表明，雷諾數(shù)和平均流速都是單位輸沙量和徑流中溶質(zhì)運(yùn)移的良好指標(biāo)，在多元回歸模型中，雷諾數(shù)是單位輸沙量的最佳預(yù)測(cè)因子，平均流速是用于估算降雨和流入組合條件下徑流中溶質(zhì)運(yùn)移較好參數(shù)。

董亮基于實(shí)體工程勝利東二礦露天煤礦排土場(chǎng)，在室內(nèi)建立二階排土場(chǎng)模型，采用稀土元素示蹤技術(shù)，研究在不同降雨條件下排土場(chǎng)邊坡細(xì)溝侵蝕過程、產(chǎn)流產(chǎn)沙特征、侵蝕泥沙來源、侵蝕泥沙量及不同部位的泥沙對(duì)侵蝕的貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明，隨降雨強(qiáng)度增加，排土場(chǎng)邊坡產(chǎn)流時(shí)間逐漸縮短、坡面流速與細(xì)溝間流速均增大，侵蝕泥沙主要來源是排土場(chǎng)第一階邊坡的產(chǎn)沙。

劉展采用西安理工大學(xué)水資源研究所的下噴式模擬降雨裝置開展室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究高陡邊坡在降雨條件下產(chǎn)流產(chǎn)沙特征、含水率變化規(guī)律、侵蝕動(dòng)力參數(shù)（即徑流平均流速、雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)、阻力系數(shù)）變化規(guī)律等。結(jié)果表明，在間歇性降雨條件下，坡面產(chǎn)流時(shí)間隨坡度、降雨場(chǎng)次增加而縮短；坡面流速隨降雨場(chǎng)次、坡度增加而增大；坡面徑流為層流時(shí)，雷諾數(shù)隨降雨場(chǎng)次增加而增大、隨坡度增大而減??；坡面徑流為急流時(shí)，弗勞德數(shù)隨坡度增加而增大；徑流阻力系數(shù)隨坡度增加而減小。

黃予以高速公路棄渣場(chǎng)邊坡為研究對(duì)象。采用人工模擬降雨系統(tǒng)與移動(dòng)式手搖變坡鋼槽進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)，分析邊坡土壤侵蝕速率、總產(chǎn)沙量、水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的特征。結(jié)果表明，土壤侵蝕速率隨產(chǎn)流時(shí)間變化規(guī)律為先增大后平緩或多峰多谷現(xiàn)象，坡面徑流平均流速與降雨強(qiáng)度及徑流深度與降雨強(qiáng)度均呈現(xiàn)正比關(guān)系，土壤顆粒組分的差異性受降雨強(qiáng)度影響較小。

Xin Quan等通過室內(nèi)降雨模擬試驗(yàn)，結(jié)合地面激光掃描技術(shù)，研究?jī)煞N黃土不同坡度下受水蝕作用時(shí)徑流和侵蝕泥沙變化規(guī)律、坡面土壤侵蝕和泥沙沉積的空間分布特征及坡面土壤粗糙程度、沉積物粒徑與侵蝕沉積之間的關(guān)系。結(jié)果表明，土壤粒徑組成和坡度對(duì)侵蝕空間分布、徑流、沉積物濃度變化規(guī)律及邊坡表面侵蝕—沉積的空間變化有重要影響。

李葉鑫等通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究在暴雨作用下排土場(chǎng)平臺(tái)—邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕過程，試驗(yàn)過程中，采用不同的降雨強(qiáng)度與土體裂縫深度，分析排土場(chǎng)平臺(tái)—邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕演變過程、產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及侵蝕溝形態(tài)特征。試驗(yàn)結(jié)果表明，排土場(chǎng)平臺(tái)—邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕演變過程分為土壤濺蝕與面蝕、裂縫充水與坍塌、細(xì)溝侵蝕、裂縫貫穿、坡肩垮塌和穩(wěn)定階段6個(gè)階段，土壤侵蝕過程是水力侵蝕和重力侵蝕共同作用的結(jié)果。

研究者在對(duì)土質(zhì)邊坡侵蝕過程及影響因素進(jìn)行研究時(shí)，更傾向于進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)，主要因?yàn)槭覂?nèi)模型試驗(yàn)?zāi)軌蛴行У乜刂圃囼?yàn)條件、減少周圍環(huán)境對(duì)試驗(yàn)過程的影響、縮短試驗(yàn)周期，可以提高試驗(yàn)效率，且能夠較為準(zhǔn)確地建立影響因素之間的關(guān)系。

3 結(jié)語

排土場(chǎng)邊坡水蝕過程是一個(gè)兩相耦合、高濃度、強(qiáng)非線性等復(fù)雜條件下的運(yùn)動(dòng)。野外試驗(yàn)有較為突出的試驗(yàn)場(chǎng)地優(yōu)勢(shì)，能夠有效地分析邊坡侵蝕過程，更貼近于真實(shí)工況，但其試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，無法準(zhǔn)確控制各影響因素，受外界環(huán)境的影響比較嚴(yán)重。室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)軌蛴行Э刂聘饔绊懸蛩兀治龈饔绊懸蛩亻g的變化規(guī)律，但受試驗(yàn)室條件限制，進(jìn)行大尺度邊坡模型侵蝕試驗(yàn)較為困難，受模型邊界條件影響比較嚴(yán)重，且所獲得的參數(shù)均為時(shí)間段或斷面的平均值，無法描述邊坡侵蝕過程的時(shí)空差異性。