脈沖式液滴對(duì)非均勻沙坡面的濺蝕影響

徐嘉寧，彭清娥，張瑞雪，鹿?jié)裳?/p>

（四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065）

0 引 言

我國(guó)山地遼闊，丘陵地區(qū)和黃土地區(qū)的地形起伏明顯，加之雨季降水集中、人類活動(dòng)等綜合因素作用，土壤侵蝕問(wèn)題頻發(fā)。降雨導(dǎo)致的土壤侵蝕問(wèn)題一直是地質(zhì)研究以及災(zāi)害研究的重中之重，作為一種重要的土壤退化物理形式，雨滴擊濺是水蝕產(chǎn)生的動(dòng)力觸發(fā)因素，也是土壤侵蝕的初始階段［1］。降雨的濺蝕作用破壞原始坡面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致部分顆粒起動(dòng)脫離［2，3］，為后續(xù)的徑流侵蝕提供物料。研究表明，雨滴濺蝕量約占雨水總侵蝕量的83%，是薄層徑流沖刷侵蝕量的5倍，坡面所產(chǎn)生的泥沙絕大部分由雨滴擊濺所致［4，5］。因此對(duì)于雨滴打擊作用下濺蝕的變化趨勢(shì)及影響因素研究對(duì)于防治水土流失和泥沙災(zāi)害具有重要意義。作為流域的一個(gè)最基本的組成，坡面同時(shí)也是侵蝕發(fā)生最基本的部分。對(duì)于坡面水蝕和侵蝕來(lái)說(shuō)，最根本的動(dòng)力來(lái)源就是降雨［6］。因此，通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M出不同松散顆粒堆積體下墊面條件，觀察極端強(qiáng)降雨情況下的雨滴打擊濺蝕情況，探究在雨滴打擊侵蝕動(dòng)力條件下決定松散顆粒堆積體顆粒分散和搬運(yùn)的主要因素，將有利于深入理解坡面侵蝕機(jī)理，為正確防治泥沙災(zāi)害以及水土流失提供更基礎(chǔ)的理論依據(jù)。但之前的研究大多針對(duì)坡面整體輸沙率，對(duì)于液滴定點(diǎn)濺蝕的研究較少，為得出液滴定點(diǎn)脈沖式打擊對(duì)非均勻沙的濺蝕影響，于2021 年10 月在四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室泥沙大廳內(nèi)開(kāi)展雨滴濺蝕試驗(yàn)，分別對(duì)4 組不同中值粒徑的非均勻沙樣在4 種不同坡度條件下，采取6 種不同液滴數(shù)量的脈沖式液滴進(jìn)行試驗(yàn)，并通過(guò)對(duì)比其濺蝕過(guò)程和濺蝕坑型進(jìn)行分析得出相應(yīng)結(jié)論。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

液滴濺蝕試驗(yàn)裝置主要包括液滴發(fā)生裝置、阻風(fēng)管、沙礫層濺蝕下墊面、坡度調(diào)節(jié)臺(tái)、攝像機(jī)和補(bǔ)光設(shè)備。

液滴發(fā)生裝置由醫(yī)用輸液瓶改造而來(lái)，儲(chǔ)水瓶上部有一根連接大氣的導(dǎo)管，下部瓶口通過(guò)輸水軟管連接輸液針頭，針頭固定于距離濺蝕下墊面4.5 m 高的架子上以確保液滴下落點(diǎn)不變。液滴的下落頻率和直徑大小分別由輸水軟管上的滑輪式流量調(diào)節(jié)器和針頭型號(hào)控制。為消除風(fēng)力作用，在針頭固定架下方連接一個(gè)直徑8 mm 的PVC 阻風(fēng)管，該阻風(fēng)管上端口與針頭固定架在同一高程平面，并用鉛錘校核，使管外壁與懸線始終保持平行，確保液滴在下落過(guò)程中不會(huì)偏移到管內(nèi)壁上順流而下。阻風(fēng)管下方即為濺蝕下墊面，將砂樣放置在圓形透明玻璃皿中，玻璃皿規(guī)格為外徑10 cm、高度2 cm，厚1 mm，并置于小型調(diào)節(jié)臺(tái)上，該調(diào)節(jié)臺(tái)可通過(guò)旋轉(zhuǎn)滾輪在0°～90°范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)傾角，實(shí)現(xiàn)下墊面坡度調(diào)節(jié)。為記錄坡面濺蝕過(guò)程，同時(shí)在下墊面操作臺(tái)周圍布置攝像機(jī)和補(bǔ)光設(shè)備。本次試驗(yàn)選用索尼ILCE-7RM3微單相機(jī)，有效像素高達(dá)4 240 萬(wàn)，可實(shí)現(xiàn)399點(diǎn)相位檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦，425 點(diǎn)對(duì)比檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦，對(duì)焦面積廣。補(bǔ)光設(shè)備選用sutefoto XFAN 系列N20 LED 攝像專業(yè)補(bǔ)光燈，光照強(qiáng)度和角度可以根據(jù)需要自由調(diào)節(jié)，光源均勻穩(wěn)定。

圖1 液滴濺蝕試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of droplet sputtering test device

1.2 試驗(yàn)參數(shù)確定

本次試驗(yàn)的液滴由醫(yī)用一次性16號(hào)針頭產(chǎn)生，針頭外徑為1.6 mm，針長(zhǎng)38 mm，針口為薄壁長(zhǎng)斜面角。每次試驗(yàn)前對(duì)液滴直徑進(jìn)行校正，利用量筒收集連續(xù)下落的液滴，以球體形狀計(jì)算單顆液滴的平均直徑和質(zhì)量，并在液滴下落頻率穩(wěn)定后開(kāi)始試驗(yàn)。通過(guò)計(jì)算確定本次試驗(yàn)所用針頭產(chǎn)生的液滴直徑dy=3.65 mm，下落頻率為平均每分鐘56滴，試驗(yàn)下落高度4.5 m。

根據(jù)降雨終速計(jì)算式Vt= 3.05 + 2.32dy- 0.223d2y［7］（3 mm≤dy≤5 mm）算得其自然終速為Vt=8.54 m/s。在天然降雨中，雨滴降落終速在2～10 m/s 范圍內(nèi)，理論上來(lái)講，直徑5 mm 的雨滴終速可達(dá)9.09 m/s。本試驗(yàn)采用Image-J 圖像處理軟件中的Plugins→Tracking插件對(duì)用高速攝像機(jī)記錄的視頻圖像進(jìn)行手動(dòng)捕捉，測(cè)定液滴直徑及終速并與依照Vt= 3.05 + 2.32dy-0.223d（2y3 mm≤dy≤5 mm）計(jì)算所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。本次試驗(yàn)的液滴終速可達(dá)自然終速的88%以上［8］，試驗(yàn)成果可靠。試驗(yàn)?zāi)M液滴的各無(wú)量綱數(shù)與自然條件下同粒徑的雨滴參數(shù)較為接近，如表1，在動(dòng)力學(xué)上可以認(rèn)為本次模擬的液滴與天然雨滴相似，并將Vt取9.1 m/s［8］進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

表1 天然雨滴與試驗(yàn)?zāi)M液滴無(wú)量綱數(shù)計(jì)算表Tab.1 Calculation table of dimensionless number of natural raindrops and test simulated droplets

本次試驗(yàn)用沙為非均勻沙，非均勻沙的級(jí)配及下墊面坡度對(duì)于雨滴濺蝕有著不可忽視的重要影響［9，10］?；趯?duì)大量研究數(shù)據(jù)和試驗(yàn)實(shí)際體量的考慮，本次試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)粒徑水平，即將中值粒徑分別定為1，2，3，3.7 mm。選取粒徑為小于1，1～2，2～5，5～8，8～10 mm 已經(jīng)篩分好的非黏性沙粒組成試驗(yàn)用沙，各級(jí)配非均勻沙粒徑組成如表2。

表2 各級(jí)配非均勻沙粒徑組成Tab.2 Particle size composition of non-uniform sand at different levels

本次試驗(yàn)濺蝕下墊面設(shè)置0°、15°、25°、35°共4 個(gè)坡度，顆粒級(jí)配設(shè)置S1（D50=1 mm）、S2（D50=2 mm）、S3（D50=3 mm）、S4（D50=3.7 mm）共4 個(gè)粒徑水平。由下墊面坡度和粒徑級(jí)配組合出16 個(gè)組次，經(jīng)過(guò)多次預(yù)試驗(yàn)觀測(cè)，每個(gè)組次再分別設(shè)置6 種不同數(shù)量的液滴連續(xù)下落打擊情況，分別為10、50、100、250、500、650 滴液滴連續(xù)累積作用，共96 組試驗(yàn)，每組測(cè)量3 次，共測(cè)量288次。

試驗(yàn)用砂均為自然風(fēng)干狀態(tài)，每組試驗(yàn)開(kāi)始前，先調(diào)整相應(yīng)坡度，把攝像機(jī)和補(bǔ)光設(shè)備放置在合適位置。將試驗(yàn)砂盛入透明玻璃皿中，自然堆積，并用鋼尺刮平整表面，使顆粒層面與玻璃皿最高圓面平齊，各透明玻璃皿內(nèi)非均勻沙盛滿刮平后的物理特性見(jiàn)表3。

表3 各級(jí)配物理特性計(jì)算表Tab.3 Calculation table of physical characteristics of all levels of distribution

調(diào)整雨滴下落頻率，便于計(jì)數(shù)，并固定針頭位置確保液滴下落點(diǎn)不變。取不同的沙盤，讓液滴分別作用10、50、100、250、500、650 滴，為提高精度計(jì)算，液滴作用后待砂樣風(fēng)干整體固結(jié)，再對(duì)濺蝕坑進(jìn)行拍攝，獲取多視角、高重疊度的照片，進(jìn)行后續(xù)處理。

1.3 數(shù)據(jù)處理

濺蝕坑的圖像處理采用Agisoft Metashape Professional 三維建模軟件，拍攝前使用全站儀測(cè)定19個(gè)人工標(biāo)記點(diǎn)的相對(duì)空間坐標(biāo)作為高程控制點(diǎn)，x、y、z坐標(biāo)值誤差均控制在1 mm及以下。試驗(yàn)時(shí)對(duì)每個(gè)濺蝕坑拍攝30～35 張照片，處理時(shí)刪去質(zhì)量不高的照片（圖片質(zhì)量值＜0.5），通過(guò)19 個(gè)控制點(diǎn)的已知坐標(biāo)得到濺蝕前后各像素點(diǎn)的相對(duì)空間坐標(biāo)，進(jìn)而生成數(shù)字高程模型（DEM.tif）和正射影像（orth.tif）文件，平面尺寸誤差控制在±0.01 mm 以內(nèi)。再利用Agisoft Metashape 生成濺蝕坑的三維模型，Matlab 編寫相關(guān)計(jì)算程序，讀取DEM.tif 中的X、Y、Z坐標(biāo)矩陣，最后利用meshgrid 函數(shù)生成濺蝕坑的三維網(wǎng)格圖像。并利用unifrnd函數(shù)基于蒙特卡洛法計(jì)算每個(gè)濺蝕坑的體積，體積計(jì)算精度設(shè)置為0.000 1 mm3，多次計(jì)算結(jié)果的誤差值不超過(guò)5%。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

2.1 中值粒徑和坡度一定時(shí)不同液滴作用數(shù)量濺蝕情況

以顆粒級(jí)配S1（D50=1 mm）的非均勻沙在0°坡面上的試驗(yàn)為例，試驗(yàn)初始床面的下滲能力較強(qiáng)，液滴包裹細(xì)顆粒，將下墊面松散堆積狀態(tài)變?yōu)槟嗪隣睿旱闻c下墊面接觸瞬間即有較多細(xì)顆粒（小于1 mm）被濺起，回落坡面后沿坡面向下滾動(dòng)。隨著液滴持續(xù)打擊，細(xì)顆粒被壓實(shí)形成塌陷，雨穴形成［11］，在雨穴的邊側(cè)，由于側(cè)壓力和液滴打擊的沖量作用，周圍土粒向各個(gè)角度呈拋物線躍移，其中2 mm 以上的顆粒常濺起后落在濺蝕坑附近，細(xì)顆粒則更加遠(yuǎn)離擊濺中心，雨穴旁逐漸形成粗顆粒松散沉積物，粗化過(guò)程逐漸發(fā)展。在這一過(guò)程中，細(xì)沙（小于1 mm）常被液滴包裹形成聚集團(tuán)共同飛濺運(yùn)動(dòng)，起動(dòng)模式以躍移為主［12］。

由于非均勻沙下墊面各部分的床沙組成特性不同，液滴擊濺位置不同，濺蝕過(guò)程和最終粗化的結(jié)果也不同。在粗化過(guò)程中存在兩種特殊狀態(tài)：①隨著表層顆粒被濺起，后續(xù)的液滴打擊在之前被完全遮蔽的大于液滴起動(dòng)粒徑的沙粒上，液滴順其而下滲入土層，同時(shí)帶走該沙粒周圍的細(xì)沙，圍繞該顆粒形成一個(gè)“環(huán)形”濺蝕坑。這種狀態(tài)下的粗化過(guò)程是圍繞著該顆粒進(jìn)行的。隨著液滴持續(xù)打擊，該顆粒周圍的細(xì)沙被“沖刷”落入坑內(nèi)，并在后續(xù)液滴持續(xù)作用下不斷壓實(shí)，同時(shí)較小顆粒不斷在沖量作用下被濺起、躍移至坑外，如此往復(fù)，最終該顆?！肮铝ⅰ庇跒R蝕坑內(nèi)，且周圍分布著粒徑小于自身的較粗顆粒。②液滴始終連續(xù)打擊在較細(xì)顆粒群處，直接產(chǎn)生下滲并改變床面結(jié)構(gòu)，形成濺蝕坑。這種情況下，在粗化發(fā)展之前，濺蝕坑形態(tài)較為規(guī)整。隨著液滴持續(xù)下落，細(xì)顆粒不斷吸水壓實(shí)或飛濺，較粗顆粒逐漸被篩選出來(lái)。約500 滴時(shí)，粗顆粒基本停留在濺蝕坑內(nèi)，隨著液滴打擊在坑內(nèi)反復(fù)小幅度跳躍，不與坑外顆粒交換，最終粗化狀態(tài)較為“均勻”，即在濺蝕坑內(nèi)部和周圍均勻分布著較粗顆粒。不同數(shù)量液滴的累計(jì)作用下，濺蝕坑的三維模型見(jiàn)圖2。

圖2 D50=1 mm濺蝕坑的三維模型圖Fig.2 3D model diagram of D50=1 mm sputtering pit

2.2 液滴作用數(shù)量和中值粒徑一定時(shí)不同坡度濺蝕情況

在0°坡面上，液滴垂直打擊地表，液滴與地表的接觸面積即為承雨面積，但在具有一定角度的坡面上承雨面積是液滴與地表接觸面積的投影，由于投影面積小于斜坡面積，則液滴特性不變時(shí)，承雨面積減小。以顆粒級(jí)配S1（D50=1 mm）的非均勻沙持續(xù)打擊500滴為例，有了坡度以后，濺蝕坑深度沿坡面方向擴(kuò)大，剖面如“斗狀”。在15°坡面上，由于顆粒存在沿坡面方向的重力分量，同時(shí)液滴也存在沿坡面向下的體積分量，在濺蝕初期，間或出現(xiàn)液體裹挾細(xì)沙（小于1 mm）抱成團(tuán)沿坡面向下滾動(dòng)的現(xiàn)象。在雨穴逐漸形成后，由于液滴直接滴入濺蝕坑內(nèi)，或使得坑內(nèi)細(xì)顆粒呈拋物線飛濺出坑，或?qū)R蝕坑進(jìn)一步壓實(shí)，或使較粗顆粒短距離躍移，上述現(xiàn)象不再發(fā)生。同時(shí)有了坡度以后，沙粒向上坡、側(cè)坡、下坡飛濺的概率是不同的，各部位的濺蝕量也相差甚遠(yuǎn)。被濺起的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡是隨機(jī)的，但由于坡度的存在，重力向下坡濺蝕提供了一個(gè)動(dòng)力，因此下坡濺蝕量較大。15°坡面下，500 滴作用形成的濺蝕坑直徑約1.5 cm，下坡堆積物呈月牙形集中在坑外1.3 cm內(nèi)。

隨著坡度加大，仍保持液滴特性不變，承雨面積繼續(xù)減小。相比于15°坡面，25°濺蝕坑型的“斗狀”特性更加明顯，即濺蝕坑在順坡方向的深度逐漸減小，同時(shí)濺蝕坑下唇處邊緣的隆起更加明顯。濺蝕過(guò)程及現(xiàn)象與15°坡面類似，但由于坡度增加，顆粒沿坡面方向的重力分量加大，液滴沿坡面向下的體積分量也加大，液體裹挾細(xì)沙（小于1 mm）抱成團(tuán)沿坡面向下滾動(dòng)的現(xiàn)象有所增加，此外會(huì)出現(xiàn)1～2 mm 的顆粒沿坡面向下滾動(dòng)的現(xiàn)象。相比于15°坡面，下坡堆積物的范圍更廣，其中某次500 滴作用形成的濺蝕坑直徑約1.65 cm，下坡堆積物呈月牙形集中在坑外2 cm內(nèi)。

坡度進(jìn)一步增大，濺蝕坑上下高程差增大，承雨面積繼續(xù)減小，液滴與下墊面層撞擊角進(jìn)一步減小，最大正應(yīng)力的作用面積也減小。但液滴沿坡面向下的體積分量更大，下切力和沖切能力都進(jìn)一步增強(qiáng)，被液滴裹挾的細(xì)小顆粒以及1～2 mm 的顆粒沿坡面向下滾動(dòng)的現(xiàn)象更為頻繁，同時(shí)瞬間較大的下切沖量會(huì)使得2～3 mm 的顆粒被濺起，呈拋物線飛濺至遠(yuǎn)處。隨著液滴累計(jì)作用，細(xì)顆粒被不斷壓實(shí)，粗化不斷發(fā)展，濺蝕坑上壁更陡、下壁更緩，在坑的下唇會(huì)形成一個(gè)明顯的“承接臺(tái)”，較粗顆粒在此基礎(chǔ)上繼續(xù)積累，向斜坡上方飛濺顆粒近乎垂直向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由于該部分顆粒的松動(dòng)導(dǎo)致濺蝕坑坡面上方顆粒失去支撐，穩(wěn)定性更差，更易落至下方。

多次試驗(yàn)表明，約500滴液滴累計(jì)作用時(shí)，濺蝕坑形態(tài)趨于穩(wěn)定，由25°和35°的最終濺蝕坑DEM 模型圖（見(jiàn)圖3）可看出，35°濺蝕坑下方的堆積更為集中，該濺蝕坑直徑約1.8 cm，下坡堆積物呈月牙形集中在坑外1.3 cm內(nèi)。

圖3 S1級(jí)配500滴液滴分別在15°、25°、35°坡面上形成的濺蝕坑DEM模型圖（單位：cm）Fig.3 DEM model diagram of sputtering pit formed by 500 drops of S1 grading on 15°， 25° and 35°slopes

圖4 各級(jí)配非均勻沙0°坡面承受500滴液滴打擊濺蝕坑Fig.4 The sputtering pits of the 0°slope with non-uniform sand at all levels bears 500 drops of liquid

S2、S3、S4 級(jí)配和S1 級(jí)配有類似現(xiàn)象，但隨著下墊面粗顆粒占比增加，密實(shí)度減小，坡面穩(wěn)定性降低，在液滴裹挾下沿坡面滾動(dòng)的顆粒團(tuán)體積明顯減小，出現(xiàn)頻率也明顯降低。一方面是因?yàn)橐旱纹扑轶w積減小，另一方面是細(xì)顆粒占比減少。S2（D50=2 mm）級(jí)配雨穴形成后的后期粗化過(guò)程與S1級(jí)配類似，顆粒直徑越小，越遠(yuǎn)離擊濺中心。坡度變陡，顆粒受到較大的切向沖量，同時(shí)粗顆粒的增加使得堆積體更加不穩(wěn)定。在濺蝕前期，2～3 mm 顆粒沿坡面向下躍移或滾動(dòng)的現(xiàn)象較S1 級(jí)配明顯增加，它們或是在液滴直接打擊下起動(dòng)，或是由于局部失穩(wěn)在微震動(dòng)作用下起動(dòng)。在后續(xù)粗化發(fā)展過(guò)程中，在濺蝕坑的下唇也會(huì)形成一個(gè)明顯的“承接臺(tái)”，即“斗狀”濺蝕坑，上壁更陡、下壁更緩。在35°坡面上，坡度接近休止角，下墊面堆積體的不穩(wěn)定性進(jìn)一步增強(qiáng)，切向沖量進(jìn)一步增大，液滴打擊引起的下坡微震動(dòng)增強(qiáng)。濺蝕初期會(huì)出現(xiàn)明顯的濺蝕坑表層被浸濕局部沿坡面向下滑移的現(xiàn)象，細(xì)顆粒的飛濺仍然發(fā)生，而較粗顆粒沿坡面滾動(dòng)更加頻繁。

S3（D50=3 mm）級(jí)配中濺蝕坑的形成較S1、S2 級(jí)配更緩慢。在25°和35°坡面上，陡坡度和松散級(jí)配使得坡面堆積體更加不穩(wěn)定性，2～3 mm 及以上顆粒躍移后跌落回表面后繼續(xù)沿坡面向下滾動(dòng)，顆粒下落打擊地表帶來(lái)的微振動(dòng)會(huì)帶動(dòng)局部地表沿坡面微滑動(dòng)，同時(shí)會(huì)使細(xì)砂向下滾動(dòng)。在35°坡面上，類似現(xiàn)象更加頻繁、滾動(dòng)速度更快。

S4（D50=3.7 mm）級(jí)配在15°、25°、35°坡面，坡度使堆積體變得不穩(wěn)定，在約40～50滴液滴作用下才出現(xiàn)明顯的濺蝕坑，坑型仍為不同程度的“斗狀”。細(xì)砂的飛濺不明顯，常有2～3 mm 的顆粒失穩(wěn)沿坡面滾動(dòng)的現(xiàn)象。

2.3 液滴作用數(shù)量和坡度一定時(shí)不同中值粒徑濺蝕情況

在0°坡面上對(duì)不同中值粒徑的非均勻沙下墊面進(jìn)行500滴液滴打擊試驗(yàn)，隨著下墊面粗顆粒占比增大，液滴可起動(dòng)的顆粒占比減少，且顆粒間孔隙加大、坡面上的穩(wěn)定性變差。同時(shí)表面平整度下降，緩坡上的前期濺蝕坑不明顯。在0°坡面上，相較于S1（D50=1 mm）級(jí)配，此時(shí)液滴打擊到的顆粒更粗，在濺蝕前期，直徑小于1 mm 的細(xì)顆粒被濺起的數(shù)量和頻率明顯減少，這是由于其收到的粗顆粒的遮蔽作用更大，同時(shí)，液滴更易因?yàn)榕鲎驳酱诸w粒而破碎、能量損失增大，而液滴要填充的顆粒間隙也增大，因此濺蝕坑型總體不明顯。隨著液滴持續(xù)累計(jì)作用，粗化逐漸發(fā)展，最終D50=2 mm 時(shí)S2 級(jí)配的非均勻沙下墊面最終在約500滴左右形成穩(wěn)定的濺蝕坑。相較于S1級(jí)配，D50=2 mm 時(shí)S2級(jí)配顆粒間孔隙的大小和形狀更加不均勻，濺蝕坑的形狀也不再那么規(guī)整，出現(xiàn)較多的“刺形”凸出，這是因?yàn)榧?xì)顆粒在該處集中，更易被液滴壓實(shí)。在D50=1 mm級(jí)配的液滴擊濺試驗(yàn)中，各個(gè)坡面均會(huì)出現(xiàn)表層細(xì)顆粒被剝離后，有單獨(dú)的粗顆粒（大于4～5 mm）“孤立”在濺蝕坑內(nèi)的情況，在D50=2 mm級(jí)配的試驗(yàn)中，直徑小于2 mm 的細(xì)顆粒占比由75%減小至50%，顆粒分配整體更為均衡，尤其是小于1、1～2、2～5 mm 范圍，這種情況基本不再出現(xiàn)，最終粗化穩(wěn)定后表面的粒徑基本相當(dāng)。

在S3（D50=3 mm）級(jí)配中，粗顆粒占比繼續(xù)加大，粗砂對(duì)細(xì)砂的遮蔽作用更加明顯。該組次的顆粒分配在試驗(yàn)的4個(gè)級(jí)配中最為均衡，坡面堆積更為松散，顆粒間隙加大，保水性差，從第一顆液滴下落至整個(gè)沙盤被浸濕的時(shí)間較S1、S2 級(jí)配更快。同時(shí)粗顆粒的形狀較細(xì)砂更不規(guī)則，整體穩(wěn)定性更差。隨著粗砂占比加大，液滴可起動(dòng)的顆粒比例減小，液滴動(dòng)能中轉(zhuǎn)化成熱能被顆粒吸收的部分增加，用來(lái)破壞下墊面原始結(jié)構(gòu)的能量減少［13，14］。在0°坡面上，液滴下落時(shí)法向沖量直接打擊，此時(shí)下墊面顆粒整體較粗，能量損失嚴(yán)重，在約20～25滴連續(xù)打擊后才形成明顯坑型，在這之前，液滴與顆粒碰撞后破碎即沿顆粒間隙流動(dòng)下滲，極少有顆粒起動(dòng)。隨著液滴持續(xù)打擊，直徑小于1 mm 的細(xì)砂被壓實(shí)形成雨穴，周圍的顆粒也隨著雨穴的發(fā)育而被推向四周，間或出現(xiàn)1～2 mm 的沙礫呈拋物線躍移，同樣的，較粗顆粒最終被篩選出來(lái)，留在濺蝕坑表面。

S4（D50=3.7 mm）是試驗(yàn)組次中粗顆粒占比最多的級(jí)配，其中2～5 mm占37.5%，5～8 mm占22.5%。粗砂對(duì)細(xì)砂的遮蔽作用極強(qiáng)，與細(xì)沙相比，粗沙擁有更大的重力勢(shì)能，坡面上的大顆粒粗沙更容易向坡面下運(yùn)動(dòng)。同時(shí)表層的平整度更低、顆粒間空隙更大，導(dǎo)致液滴能量大量損失。在0°坡面，試驗(yàn)所用3.65 mm液滴的垂直沖量不足以撬動(dòng)表層顆粒，即使有少量細(xì)沙吸水沉積形成小坑，在后續(xù)液滴打擊下，吸水沉積的細(xì)沙不足以填補(bǔ)粗顆粒的間隙，粗顆粒隨即失穩(wěn)將小坑填補(bǔ)。試驗(yàn)中500 滴液滴作用下，無(wú)明顯濺蝕坑形成，此時(shí)接沙盤已完全浸濕。

3 討 論

分析試驗(yàn)現(xiàn)象可以得出，顆粒的起動(dòng)一部分是受到飛濺液膜的拖曳力而發(fā)生位移，還有一部分是由于顆粒間動(dòng)量傳遞導(dǎo)致的微振動(dòng)引起，包括坡面凸出顆粒受運(yùn)動(dòng)顆粒的碰撞而起動(dòng)（陡坡較為明顯）。實(shí)際顆粒的運(yùn)動(dòng)一般是多種形式的復(fù)雜組合，一般認(rèn)為顆粒上升一個(gè)粒徑高度為躍移，試驗(yàn)觀察到沙礫躍起的同時(shí)還伴隨著自轉(zhuǎn)，其自身能量也被消耗。試驗(yàn)觀察到3.65 mm 的脈沖式液滴最大可使3～5 mm 的顆粒躍移起動(dòng)，5～8 mm 的顆粒滾動(dòng)起動(dòng)，1～2 mm 及2～3 mm 顆粒單粒躍移起動(dòng)呈拋物線運(yùn)動(dòng)后，或落地后沉積至較近距離、或向下滾動(dòng)至較遠(yuǎn)距離；3～5 mm及5～8 mm顆粒的滾動(dòng)在25°、35°坡上較為明顯。

通過(guò)觀察雨滴初始濺蝕情況和持續(xù)滴濺的變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，液滴的連續(xù)打擊具有一定的“疊加效應(yīng)”：液滴初始打擊使得顆粒脫離原地表，賦予顆粒不穩(wěn)定性，后續(xù)液滴接續(xù)作用，最終導(dǎo)致脈沖式液滴連續(xù)打擊對(duì)非均勻沙破面的影響效果相比于液滴單次的作用更加明顯［15］。而在起動(dòng)模式方面，非均勻沙顆粒的運(yùn)動(dòng)一般是多種形式的復(fù)雜組合，試驗(yàn)觀察到單液滴作用下較粗顆粒（4～7 mm 及以上）的滾動(dòng)數(shù)量極少，這是由于作用時(shí)間有限，瞬間沖量不足以普遍撬動(dòng)顆粒，而脈沖式濺蝕的沖量有一定的持續(xù)作用，可起動(dòng)的顆粒數(shù)量明顯較多。這也就是將液滴連續(xù)打擊下顆粒的起動(dòng)條件定為“一定時(shí)間內(nèi)的瞬時(shí)沖量超過(guò)臨界起動(dòng)沖量”的原因，也就是說(shuō)，大于臨界沖量的瞬時(shí)沖量必須要作用一段時(shí)間才會(huì)使顆粒必然起動(dòng)［16，17］。

濺蝕坑的組成要素主要包括坑唇（即撞擊點(diǎn)周圍的隆起）、坑壁、坑底等，通過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)在平面或緩坡上，大多數(shù)濺蝕顆粒最終沉積在距撞擊中心幾倍坑徑的范圍內(nèi)，陡坡上的顆粒移動(dòng)距離相對(duì)較遠(yuǎn)，飛濺顆?；芈鋾r(shí)可能形成微型次生濺蝕坑。試驗(yàn)表明，濺蝕坑寬深比較大。

4 結(jié) 論

（1）液滴打擊初始地表，飛濺液膜挾帶起細(xì)小顆粒（小于1 mm）形成高含沙水流散開(kāi)，隨機(jī)沉落或形成顆粒團(tuán)沿坡面向下滾動(dòng)。隨著液滴持續(xù)打擊，下墊面粗化發(fā)展，因非均勻沙下墊面各部分的床沙組成特性不同，濺蝕過(guò)程和最終粗化結(jié)果會(huì)根據(jù)液滴擊濺位置發(fā)生變化。顆粒的起動(dòng)一部分是受到飛濺液膜的拖曳力而發(fā)生位移，還有一部分是由于顆粒間動(dòng)量傳遞導(dǎo)致的微振動(dòng)引起，包括坡面凸出顆粒受運(yùn)動(dòng)顆粒的碰撞而起動(dòng)。

（2）坡面穩(wěn)定性隨坡度的增加而變差，顆粒的臨界起動(dòng)沖量減小，沿下坡方向的濺蝕大于上坡和兩側(cè)。相比于0°地表，有坡度時(shí)的濺蝕坑呈“斗狀”，即濺蝕坑上壁陡于下壁，且坡度越大，濺蝕坑的坑口直徑越大、上壁越陡、下壁越緩，下坑唇處顆粒堆積量增多，使得濺蝕坑下唇處具有一定的承接作用。在陡坡粗級(jí)配組次中，液滴打擊下由于顆粒的松動(dòng)導(dǎo)致坡面上方失穩(wěn)垮塌。

（3）隨著中值粒徑的增加，液滴可起動(dòng)的顆粒比例減小，細(xì)砂受到的遮蔽作用更強(qiáng)，液滴的能量損失加大，液膜徑向鋪展受到的阻礙變大，液滴動(dòng)能中轉(zhuǎn)化成熱能被顆粒吸收的部分增加，用來(lái)破壞下墊面原始結(jié)構(gòu)的能量減少。當(dāng)D50取值1、2 mm時(shí)，各坡度上一顆液滴即可形成明顯小坑；當(dāng)D50增加至3 mm時(shí)，0°坡面上約20～25 滴連續(xù)打擊后才形成明顯坑型；當(dāng)D50增加至3.7 mm時(shí)，0°坡面上約650滴作用時(shí)才形成一個(gè)小坑，此時(shí)接沙盤已臨近產(chǎn)流，而在15°、25°、35°坡面上，堆積體穩(wěn)定性變差加之液滴切向沖量作用，在約40～50 滴液滴作用下才出現(xiàn)明顯的濺蝕坑。

（4）脈沖式液滴連續(xù)打擊對(duì)非均勻沙破面的影響效果相比于液滴單次的作用更加明顯，說(shuō)明液滴連續(xù)打擊具有一定的“疊加效應(yīng)”，大于臨界沖量的瞬時(shí)沖量必須要作用一段時(shí)間才會(huì)使顆粒必然起動(dòng)。