模拟上方来水对工程开挖面冲刷的试验研究

2015-07-18 11:51程冬兵孙俊琦张平仓张长伟黄旭华
长江科学院院报 2015年5期
关键词:坡长产沙量汇水

程冬兵,孙俊琦,张平仓,张长伟,任 亮,黄旭华,徐 灿

(长江科学院 水土保持研究所,武汉 430010)

模拟上方来水对工程开挖面冲刷的试验研究

程冬兵,孙俊琦,张平仓,张长伟,任 亮,黄旭华,徐 灿

(长江科学院 水土保持研究所,武汉 430010)

工程开挖面是生产建设项目水土流失的主要来源之一,开挖面下垫面改变剧烈,产生的水土流失既有传统水土流失的共性,又有其自身的特殊性。其中有汇水影响开挖面占总开挖面数量的94%。通过人工开挖坡面小区及放水冲刷试验模拟汇水影响,研究上方来水条件下开挖面水土流失规律,以期为开挖边坡水土流失预测及防治提供理论基础和科学依据。结果显示:放水冲刷试验过程中基本没有初损历时,径流系数普遍偏大;侵蚀外营力放水流量、下垫面因素坡度、坡长等对开挖面土壤侵蚀均有重要的影响,均与单位面积土壤流失量呈极显著相关;新旧开挖面土壤流失量差异显著,其倍数与坡度呈极显著幂函数负相关关系;随放水流量增大,各小区径流量、单位面积产沙量均呈增大趋势;同一放水流量,不同坡长小区产流产沙差异不明显;同一放水流量,不同坡度小区之间单位面积产沙量差异显著,但径流量差异不明显。

开挖面;上方来水;水土流失;生产建设项目;汇水影响;冲刷试验

1 研究背景

工程开挖作为生产建设过程中最为典型的人为扰动方式之一,所形成的开挖面具有物质组成复杂、紧实度高、容重大、坡度陡等特点,极易发生严重的水土流失[1],是生产建设项目水土流失的主要来源之一。由于工程开挖面下垫面改变剧烈,产生的水土流失既有传统水土流失的共性,也有其自身的特殊性。目前传统自然因素影响下的水土流失相关研究较为深入,但生产建设项目水土流失研究还处于初期阶段[2],尤其是工程开挖面水土流失专门研究非常有限。根据笔者前期研究[1],按开挖面上方有无汇水影响,开挖面可划分有汇水影响开挖面和无汇水影响开挖面2大类。其中有汇水影响开挖面指坡面开挖未越过分水岭,在坡面上方有一定汇水面积但无拦截水措施。根据调查统计,有汇水影响开挖面占总开挖面数量的94%,即绝大多数开挖面发生水土流失的外营力为上方来水。已有研究表明[3],当坡面接受上方汇水后,各侵蚀方式演变速度明显加快,侵蚀产沙量迅速增大。因为上方有汇水时,使坡面下方的径流量和流速增大,从而引起坡面径流侵蚀能力加大。为此,通过人工开挖坡面小区及放水冲刷试验,研究上方来水条件下开挖面水土流失规律,以期为开挖边坡水土流失预测及防治提供理论基础和科学依据,促进生产建设项目水土保持学科发展。

2 材料与方法

2.1 开挖面小区布置

试验地点选择在长江科学院沌口科研基地,地处武汉市西南部“武汉经济技术开发区”。该区属垄岗低丘地貌,地层分布主要为第四系全新统洪、坡积层,母质为第四纪红色黏土,土壤类型为红壤,属亚热带季风气候,四季分明,雨水充沛,多年平均气温为16.6℃,多年平均降水量为1 270 mm。

在科研基地水塘边选择一小块荒地,按照水利部行业标准《水土保持试验规范》(SL 419—2007)有关要求,通过挖机开挖、人工修整,设计了20°,30°,35°,50°,65°等5个坡度,每个坡度再设计2~3个坡长,共13个小区,具体规格详见表1。

2.2 研究方法

采用自制的放水试验装置,设计0.5,1.0,1.5 L/s 3个流量(按汇水面积50 m2,按雨强1.0,2.0,3.0 mm/min,径流系数0.6换算而得),小区布置妥当后,先对下垫面进行取样,获取重度、质地、含水量等指标。通过特制的储水装置、水泵、控制阀等,将放水量进行率定达设计值。试验开始,打开控制阀,记录人员同时按下2块电子表,一块用于记录放水总时间,另一块用于坡面产流后控制采样人员的采样时间。取样时间间隔:前3 min为1 min一个样;3~7 min为2 min一个样;7~10 min为3 min一个样;10 min后,每隔5 min一个样。具体的取样时间为产流后的1,2,3,5,7,10,15,20,25,30,35,40 min,……。当土壤侵蚀基本稳定后,及时关闭控制阀,待坡面没有径流流下后,记录人员记录产流终止时间。试验结束后,对所采集的样品、浑水总量进行称量,样品带回试验室,烘干称重,换算该场次放水冲刷试验的水土流失量。同一坡面在完成一次放水冲刷试验后至少静置24h后方可开展下一场放水冲刷试验。

表1 开挖面小区规格参数

3 结果与分析

3.1 水土流失总体特征

自2013年9月至10月,共开展52场放水冲刷试验。相比降雨条件下水土流失过程[4],放水冲刷试验由于来水量大,即使是最小流量0.5 L/s,也相当于特大暴雨级别产生的径流量。放水试验过程中,基本没有初损历时,即使有,也是上方来水流过坡面的时间,这与降雨条件下水土流失过程存在很大差异。且径流系数基本处于0.6~0.9之间,也比降雨条件下径流系数普遍要大。

放水试验初期,由于坡面开挖后残留的土壤(土块)碎屑物较多,或还有一些大大小小的裂隙,经水流冲蚀作用,坡面碎屑物很容易被水流剥蚀携带,泥沙样非常浑蚀,常伴有大块土粒,侵蚀速率大。同时,这一阶段因部分水入渗损失,径流率相对较小。随时间延长,碎屑物或裂隙逐渐被冲蚀干净,径流率逐渐增大并趋于稳定,而侵蚀速率逐渐减少,也并趋于稳定。一般30 min以后,产流产沙均基本趋于稳定,如图1所示。

图1 上方来水条件下开挖面水土流失过程

将13个小区放水试验数据进行汇总分析,见图2。结果显示,放水流量对开挖面水土流失有显著影响,随流量增大,各小区产沙量和径流量均随之增大。

图2 上方来水条件下开挖面水土流失总体特征

从图2可见同一放水流量条件下,产沙量和径流量具有基本的变化趋势。

总体说明,侵蚀外营力放水流量,下垫面因素坡度、坡长等对开挖面土壤侵蚀均有重要的影响。为验证及定量阐明各因素对开挖面水土流失的影响程度,将各影响因子指标与单位面积土壤流失量和径流量进行相关分析,见表2。

结果显示,坡长、坡度、流量、总放水量等参数均与单位面积土壤流失量呈极显著相关,说明这些参数均显著影响着开挖面侵蚀产沙。除坡度、坡长2指标外,流量、总放水量与径流量呈极显著相关,相关系数达0.961,说明径流量受放水流量影响更密切。

表2 水土流失影响因子相关分析结果

注:**为极显著相关;*为显著相关。

同时,还发现坡长与单位面积土壤流失量呈显著负相关,分析其中原因可能是受其它因素的交互影响,有待下一步深入探讨。而且,也发现上方来水条件下单位面积土壤流失量与径流量相关性不如降雨条件下土壤流失量与径流量相关性密切[4]。

图3 新旧开挖面土壤流失量倍数与坡度的关系

另外,根据笔者调查[1],在实际生产过程中,坡面新开挖后,在坡面上会残留一层松散碎屑物,坡度越缓,残留量越多,随坡度增大,由于重力作用,部分松散碎屑物会滚落在坡脚,坡面残留的松散碎屑物较少。当经历一场降雨或水流后,不论这次降雨或流水的大小,只要有产流,这些松散碎屑物基本会一次性被剥蚀干净。为此,本研究针对此现象,通过同一流量0.5 L/s对同一坡长不同坡度新旧开挖面小区进行放水冲刷试验,对比土壤流失量的差异,以期寻找其中的规律,如图3所示。

结果显示,新旧开挖面土壤流失量倍数与坡度呈极显著幂函数负相关关系,一方面验证了新旧开挖面土壤流失量存在很大差异,另一方面定量解释了新旧开挖面土壤流失量差异与坡度的变化关系。另外,尽管建立的公式还有待于后期修订完善,但其幂函数关系可作为下一步开挖面土壤侵蚀模型建立的重要参考依据。

3.2 不同坡长水土流失特征

坡长作为影响水土流失重要地形地貌因子,国内外相关学者进行了大量研究,发现坡长对土壤侵蚀的影响比较复杂,所得到的结论有很大的不同[5-6]。为阐明坡长对开挖面水土流失的影响,选择坡度20°的1#,2#,3#和30°的4#,5#,6#以及35°的7#,8#,9#,共3组9个不同坡长开挖面小区,分析不同放水流量条件下不同坡长开挖面小区水土流失特征,如图4所示。

图4 不同坡长开挖面水土流失特征

结果显示,随放水流量增大,各小区径流量、单位面积产沙量均呈增大趋势。

同一放水流量,不同坡长小区产流产沙差异不明显。随坡长增加,径流量和单位面积产沙量趋势变异较大。这与前面表2相关分析结果是相一致的,这也证实坡长影响水土流失的机制非常复杂。

3.3 不同坡度水土流失特征

坡度是地貌形态特征的主要要素,地表径流产生的能量是径流质量和流速的函数,而径流量的大小和流速主要取决于径流深与地面坡度。因此,坡度直接影响径流的冲刷能力[7]。为阐明坡度对开挖面水土流失的影响,选择坡长均为3 m的20°,30°,35°,50°,65°五个不同坡度开挖面小区,分析不同放水流量条件下不同坡度开挖面小区水土流失特征,如图5所示。

图5 不同坡度开挖面水土流失特征 Fig.5 Featuresofwaterandsoillossofexcavatedslopewithdifferentslopegradients

结果显示,随放水流量增大,各小区径流量、单位面积产沙量均呈增大趋势。

同一放水流量,不同坡度小区之间单位面积产沙量差异显著,随坡度增加,单位面积产沙量呈明显增大趋势。而在放水流量不变的情况下,径流量差异不明显,这是因为不同小区虽坡度不同,但由于入渗损失均较小,导致产流量不同坡度小区之间差异不明显。这与前面表2相关分析结果是相一致的,单位面积产沙量与坡度呈极显著正相关,而径流量与坡度相关性不显著。

4 结 论

(1)相比降雨条件下水土流失过程,放水冲刷试验过程中基本没有初损历时,且径流系数基本处于0.6~0.9之间,也比降雨条件下径流系数普遍要大。

(2) 侵蚀外营力放水流量、下垫面因素坡度、坡长等对开挖面土壤侵蚀均有重要的影响,均与单位面积土壤流失量呈极显著相关。新旧开挖面土壤流失量存在很大差异,且新旧开挖面土壤流失量倍数与坡度呈极显著幂函数负相关关系。

(3) 随放水流量增大,各小区径流量、单位面积产沙量均呈增大趋势。同一放水流量,不同坡长小区差异不明显。随坡长增加,径流量和单位面积产沙量趋势变异较大。同一放水流量,不同坡度小区之间单位面积产沙量差异显著,但径流量差异不明显。

[1] 张平仓, 周 若, 程冬兵, 等. 工程开挖面特征及土壤流失量快速监测方法探讨[J].长江科学院院报, 2013, 30(4):24-28. (ZHANG Ping-cang, ZHOU Ruo, CHENG Dong-bing,etal. Discussion on Characteristics of Engineering Excavated Slope and Rapid Monitoring Technology of Soil Loss[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2013, 30(4): 24-28. (in Chinese))

[2] 蔺明华. 开发建设项目新增水土流失研究[M]. 郑州: 黄河水利出版社, 2008. (LIN Ming-hua. Study on Newly Increased Water and Soil Loss by Development and Construction Project[M]. Zhengzhou: Yellow River Water Conservancy Press, 2008. (in Chinese))

[3] 张新和, 郑粉莉, 汪晓勇, 等. 上方汇水对黄土坡面侵蚀方式演变及侵蚀产沙的影响[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版), 2008, 36(3):105-110. (ZHANG Xin-he, ZHENG Fen-li, WANG Xiao-yong,etal. Effects of Upslope Runoff on Loessial Hillslope Erosion Pattern Evolution Process and Erosion Sediment[J]. Journal of Northwest A & F University (Natural Science Edition), 2008, 36(3):105-110. (in Chinese))

[4] 程冬兵, 左长清, 蔡崇法. 不同下垫面每次降雨水土流失特征及影响因素分析[J]. 草业学报, 2007, 16(5):84-89. (CHENG Dong-bing, ZUO Chang-qing, CAI Cong-fa. Studying the Characters and Factors of Water and Soil Losses over Different Ground Covers under One Rainfall Event[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2007, 16(5):84-89. (in Chinese))

[5] 陈永宗, 景 可, 蔡强国. 黄土高原现代侵蚀与治理[M]. 北京: 科学出版社, 1988. (CHEN Yong-zong, JING Ke, CAI Qiang-guo. Modern Erosion and Management in Loess Plateau of China[M]. Beijing: Science Press, 1988. (in Chinese))

[6] 刘宝元, 毕小刚, 符素华, 等. 北京土壤流失方程[M]. 北京: 科学出版社, 2010. (LIU Bao-yuan, BI Xiao-gang, FU Su-hua,etal. Equation of Soil Loss in Beijing[M]. Beijing: Science Press, 2010. (in Chinese))

[7] 唐克丽. 中国水土保持[M]. 北京: 科学出版社, 2004. (TANG Ke-li. Soil and Water Conservation in China[M]. Beijing: Science Press, 2004. (in Chinese))

(编辑:刘运飞)

Experimental Study on Erosion of Engineering Excavated Slopeby Simulating Up-slope Runoff

CHENG Dong-bing, SUN Jun-qi, ZHANG Ping-cang, ZHANG Chang-wei, REN Liang, HUANG Xu-hua, XU Can

(Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010, China)

Engineering excavated slope is one of the main causes of water and soil loss in production and construction projects. The water and soil loss in excavated slope caused by violent changes in underlying surface has conventional features and also has its own unique characteristics. The excavated slope affected by up-slope runoff accounts for 94% of the total number of excavated slopes. In this paper the effect of up-slope runoff on the regularity

of water and soil loss is researched through scouring experiments on artificial excavated slope. Results show that there is no initial abstraction duration in general, and runoff coefficient is high. Flow rate, slope gradient and slope length are in significant correlation with soil loss per unit area, indicating that these factors have important effect on the soil erosion of excavated slope. Furthermore, there is apparent difference between the soil loss of newly excavated slope and previously excavated slope. This difference is in significant negative power regression relation with slope gradient. With the rise of flow rate, runoff and per unit sediment yield increase accordingly. In the presence of the same flow rate, there is slight difference in runoff and sediment yield among different plots with different slope lengths, but when the slope gradient is different, there is obvious difference in sediment yield rather than in runoff.

excavated slope; up-slope runoff; water and soil loss; production and construction project;catchment effect; scouring experiment

2014-01-23 ;

2014-03-07

水利部公益性行业科研专项经费资助项目(201201048)

程冬兵(1979-),男,江西乐平人,高级工程师,博士,主要从事水土保持、土壤水动力学研究,(电话)027-82829611(电子信箱)xiao2005zhu@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.05.007

2015,32(05):37-40,56

S157

A

1001-5485(2015)05-0037-04

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