不同密度砒砂岩风化物坡面水蚀机理试验研究

张赢，李晓丽，常平, 郭雒敏, 邬尚贇

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院, 内蒙古 呼和浩特 010018)

对于砒砂岩坡面的研究，NI等[3]通过风化试验研究了外部环境对砒砂岩风化作用的影响，发现盐溶液可以有效缓解砒砂岩坡面的风化.王伦江[4]通过人工小区试验，发现稀疏状生长的植物模式对砒砂岩风化土陡边坡水力侵蚀的防治更有效.杨吉山等[5]研究了原状砒砂岩坡面的产流及产沙特征，对白色和红色原状砒砂岩的产流及产沙性质进行了对比.对于密度对侵蚀影响的研究，有些学者得出了土壤容重的增大会使侵蚀量明显变小的结论[6].但刘小勇等[7]认为容重的增加会使水分难以入渗，造成产流量增大，进而加剧了侵蚀.肖培青等[8]认为土壤容重影响了土壤的抗蚀能力，进而影响了细沟的产生和发育.

目前针对砒砂岩风化物坡面的侵蚀研究还较少.对于研究区的砒砂岩风化物坡面，由于坡面所处地形环境的不同，形成坡面的天然密度也有差异.因此文中以不同密度的砒砂岩风化物坡面为对象，研究该坡面入渗产流及产沙规律，以期对当地土壤侵蚀治理提供依据.

1 试验方法

1.1 试验仪器

试验仪器为DIK-6000型人工降雨模拟器，如图1所示.

图1 降雨模拟器Fig.1 Rain simulator

降雨器通过控制进水流量和振频控制雨强、雨滴直径和降雨均匀度，经测定，降雨均匀度大于85%，雨强误差为±10%.试验在长1.00 m，宽0.25 m，高0.10 m的钢制土槽内完成，在槽底每隔20 cm并排设置2个小孔，直径0.6 cm，用于模拟弱透水层，钢槽底部设置防滑垫，防止坡面滑移.

1.2 土样采集处理及试验方案

试验土样采于鄂尔多斯市准格尔旗，其粒径组成：d<0.100 mm的占比15.83%，0.100≤d<0.250占50.90%，0.250≤d<0.375占16.53%，0.375≤d<0.500占5.40%，0.500≤d<0.750占8.85%，0.750≤d<1.000占1.75%，d≥1．000占0.74%.

根据设计密度(1.5，1.6，1.7 g/cm3)进行计算，得出每次应填土量，然后将相应数量的土过1 cm筛后分3层均匀倒入试验槽中，人工刮平并将土均匀砸实至相应刻度线，层与层间进行刮毛，以达到控制密度的效果，并利用环刀法在坡面上部下部取件进行密度的校核.填土的质量计算公式为

m=γ(1+ω)lbh,

(1)

式中：h为填土厚度，m；b为土槽宽度，m；l为土槽长度，m；ω为初始含水率，%；γ为土壤容重,kg/m3；m为填土质量，kg.依据雨量等级划分，雨强定为40,50,60,70和80 mm/h，用于模拟暴雨和大暴雨的情况，每次60 min.根据临界坡度及对砒砂岩性质的研究[9]，设计坡度定为22°.试验开始每3 min接一个水沙样，12 min后每6 min接一个水沙样，试验过程中记录产沟和产流的位置、时间.试验结束后对水沙样称重，充分静置后，倒掉上清液并烘干剩余土，侵蚀量为干土的重量，收集的水沙质量和侵蚀质量之差为产流量.另对干密度为1.7 g/cm3坡面样本进行直剪试验，由于随降雨试验取样会破坏坡面，现以降雨试验过程中实测的含水率变化过程为依据，进行定含水率的配样，试验测得密度为1.7 g/cm3的砒砂岩饱和含水率是25.5%，所以直剪试验的含水率设置为5%,9%,13%,17%,21%和25%.

3.针对采购主体多所造成的高校政府采购中出现重复采购、资源浪费的现象，高校有必要完善相关的自购管理系统。高校政府采购具有品种多、采购规模庞大、专业化程度高等特征，各级政府采购部门在采购中倾向于使用更大的自购权。因此，高校应制定更加严格和独立的政府采购制度，规范高校政府采购行为，保护学校的权益。

2 结果与分析

2.1 入渗分析

由于水分入渗会造成坡面土黏聚力变化，且入渗和产流此消彼长，而坡面流量直接决定着侵蚀的进程.用入渗率衡量土壤入渗效果，计算式[10-11]为

(2)

式中：i为入渗率，mm/min；T为降雨历时，min；I为雨强，mm/h；θ为坡面坡度，(°)；K为换算系数，K=1 g/cm3；A为坡面面积，cm2；F为该时间内的产流量，g；S为该时间内的产沙量，g.

图2的时程曲线过程均为从初渗到稳渗.对图2a进行分析，因为此密度的风化物颗粒间有很大的孔隙，而且砒砂岩自有亲水性，导致在试验前期坡面迅速吸收水分，在此过程中，土壤含水率的增加，基质吸力减小，坡面的吸水能力变小，自由水慢慢填满土壤孔隙直到饱和，决定入渗率的主要是坡面的饱和导水率，因此入渗率最终稳定，并且雨强对其无明显影响.图2b在雨强40～60 mm/h时时程曲线呈现规律和图2a相似，相比图2a，因为密度增加，孔隙变少，导致稳渗率降低.而雨强为70～80 mm/h的情况，从初渗到稳渗，间隔的时间更短，有急变性，根据该密度和雨强下12 min后便开始产流，此时坡面单位时间内降雨量已超出坡面吸水能力，坡面未达到饱和，吸水能力仍然充足，所以产流后仍有较大的稳渗率.对于密度为1.7 g/cm3的坡面，见图2c，在各雨强下初渗到稳渗用的时间均较短，根据记录产流时间进一步提前，此时稳渗率受降雨强度影响明显，稳渗率随雨强的增大而增大.

图2 不同雨强下入渗率随时间的变化Fig.2 Infiltration rate variation with time under different rainfall intensities

2.2 坡面侵蚀量分析

侵蚀量Q随时间的变化如图3—5，初始产沙时间随密度的增加而提前.从图3可以看出，一定密度下随雨强的增长总侵蚀量均呈指数型增长，而且1.6 g/cm3的坡面侵蚀量均明显高于另外2个密度；在雨强40～60 mm/h下，不同密度坡面的侵蚀量均增长缓慢，而且均在雨强为70 mm/h时有1个突变的增长，对于1.7和1.5 g/cm3的坡面，侵蚀量相近，突变过后，在80 mm/h的雨强下，1.7 g/cm3的坡面侵蚀量增长不大，而1.5 g/cm3的坡面侵蚀量仍飞速增加.这是由于雨强增大，产流量增大，流量增大使坡面流挟沙能力增加，水流剪切力有所增加，所以侵蚀量随雨强增长而增长.对于在70 mm/h时侵蚀量突变增长，可能是1.6，1.7 g/cm3坡面因超渗现象大量积水或在1.5 g/cm3密度坡面达到饱和后入渗率较低，导致产流量均明显增大，侵蚀和挟沙能力急剧上升.而对于80 mm/h，由于1.5 g/cm3的坡面颗粒松散，迅速饱和后，颗粒间充斥自由水，且砒砂岩风化物中含有大量蒙脱石，吸水膨胀，导致颗粒间的作用力减小，产沟后沟壁两侧坍塌加剧，沟道逐渐向上延伸，发生严重的重力侵蚀和溯源侵蚀，所以随雨强进一步增大，侵蚀量急剧增加.但从图5可知，1.7 g/cm3的坡面每次接样时间段内，侵蚀量急剧增加随后减小并稳定在400 g左右，远远小于1.5 g/cm3坡面的1 500 g，说明密度为1.7 g/cm3坡面已经有一定的抗蚀能力.

图3 不同密度下总侵蚀量随雨强的变化Fig.3 Total erosion variation with rainfall intensity in different densities

图4 坡面侵蚀发育图( 80 mm/h, 1.5 g/cm3)Fig.4 Erosion development on slope (80 mm/h, 1.5 g/cm3)

图5 一定密度下侵蚀量随时间的变化Fig.5 Erosion quantity variation with time in certain density

2.3 密度为1.6 g/cm3的坡面侵蚀发育过程

图6为试验条件下的侵蚀过程，以降雨强度为60 mm/h、密度为1.6 g/cm3的坡面试验为例.随着历时，侵蚀发育总体呈现上细下宽的特点，细沟断断续续不完全连通.

图6 坡面侵蚀发育过程图Fig.6 Erosion developing process on slope

2.4 产沙对各因素的敏感性分析

敏感性分析法是指在许多不确定因素中找到对特定指标有重要作用的敏感性因素，并分析计算它们对该特定指标的敏感程度，进而找出造成风险最大的影响因素.某参数变化幅度越小，造成的特定指标变化幅度越大，则该指标对该参数越敏感，反之越不敏感.通常用敏感度系数E，即特定指标增量ΔM与ΔF的比值作为评定标准，即

(3)

式中：ΔFij为j因素的第i次和第i-1次数值间的增量值；ΔMi为第i次取样和第i-1次侵蚀量的增量值；Eij为第i次时间段内侵蚀量对j因素的敏感度.

(4)

由图7知，侵蚀量的敏感率受到产流、雨强、密度、入渗等多重因素的影响.各雨强下，对1.5 g/cm3的坡面，侵蚀量对入渗速率的敏感率最高；对1.6 g/cm3的坡面，侵蚀量对累积入渗深度的敏感率普遍最高；而对1.7 g/cm3的坡面，侵蚀量对产流量的敏感率总体最高.

图7 一定密度下侵蚀量对各因素的敏感率关系图Fig.7 Sensitivities of erosion quantity to various factors in certain density

对于密度1.5 g/cm3的坡面，孔隙较大，雨滴打击后坡表面颗粒排列趋向均匀，坡面难以造成局部超饱和以及汇流出沟，但同时因为坡面颗粒松散，黏聚力很弱，极易被水冲刷，所以在降雨过程中坡面水是否及时入渗即入渗速率决定了侵蚀过程和侵蚀量.产流后坡面形态被坡面流所改变，进而局部会形成汇流并产沟，由于坡面饱和和砒砂岩遇水膨胀的特性，沟头及沟壁两侧颗粒间作用力进一步变小，直到小于等于团聚体的重力，发生重力侵蚀.因为入渗速率较大，产流和出沟时间均较晚，所以试验过程中在40～60 mm/h雨强下侵蚀量很小，而在70～80 mm/h雨强下，虽入渗速率仍较大但也导致坡面较早饱和，使产流和出沟时间明显提前，形成严重的重力侵蚀，使得侵蚀量显著增加.

对于1.6 g/cm3的坡面，颗粒间距变小使得坡面承水能力变小，饱和时间提前，且大雨强下形成超渗产流，所以产流时间明显提前，而该密度的黏聚力仍较小，坡面极易被破坏，形成汇流出沟，出沟时间明显提前.由图7可以看出侵蚀量受累积湿润锋即入渗深度的敏感率最高，而累积入渗深度决定了砒砂岩遇水膨胀的土层的深浅，进而决定了产沟后重力侵蚀的剧烈程度.所以可得出，此密度的侵蚀主要是产沟后的强烈的重力侵蚀，使侵蚀沟不断发育，各雨强下的侵蚀量均明显增多.

对于1.7 g/cm3的坡面，侵蚀量对产流量有最大敏感率，这是由于颗粒间黏聚力增大，坡面具备一些抗冲刷能力，由表1可知40～60 mm/h下均没有出沟，以坡面流形成的面蚀为主，而70～80 mm/h雨强下虽然出沟，且出沟时间和1.5 g/cm3坡面相近，因为颗粒间的黏聚力较大，形成的沟较浅，重力侵蚀不明显，造成侵蚀量的原因以水流冲刷的沟蚀为主，源头冲刷的动能有限，所以不足以产生较大的侵蚀量.

表1 坡面产沟时间Tab.1 Time for emerging rill on slope

综上所述，1.7 g/cm3的坡面因为发生的是以冲刷为主的面蚀和沟蚀，并且坡面颗粒最密，抗蚀能力最大，造成的侵蚀量总体最小；1.5 g/cm3的坡面因为试验进程中受入渗的影响，坡面虽然抗蚀能力最小，但侵蚀发育过程缓慢，导致侵蚀量总体不大,但若试验持续进行，可能会造成侵蚀量激增；1.6 g/cm3的坡面由于很早就产流产沟和发生重力侵蚀，侵蚀量最高.

2.5 密度为1.7 g/cm3坡面的直剪试验分析

降雨导致砒砂岩含水率发生变化，因此其抗剪强度势必发生改变.综合上述分析可知，密度为1.7 g/cm3坡面侵蚀的主因为水流冲刷，所以以此密度为例，对抗剪强度指标进行分析.由图8可知其黏聚力随含水率的变化呈开口向下的二次函数形式.低含水率时坡面以气相为主，颗粒间的黏聚力低，随着含水率增长，毛细水充斥颗粒间的缝隙，减弱了气体的阻隔作用，而且颗粒中的一些具有胶结性质的游离氧化物溶于水使得黏结力增强，所以黏聚力上升，当含水率继续增大至超过最优含水率时，自由水充斥颗粒间，丧失了毛细水具有的连接作用，所以黏聚力降低.

图8 黏聚力随含水率的变化Fig.8 Cohesion variation with moisture content

关于内摩擦角β，其变化如图9所示，较一般类型土，砒砂岩内摩擦角总体偏小，内摩擦角随含水率增加线性减小.因为内摩擦角主要由颗粒间的摩擦接触产生，由于单颗粒体积总体较大，比表面积较小，使得颗粒间接触面小，缺少咬合能力，而且试样的密度为1.7 g/cm3，和原状砒砂岩相比，密实度稍小，颗粒间仍有少许空间可以相互错动.而随着含水率增加，颗粒间水膜变厚，起到了润滑作用，且颗粒被水阻隔，接触面变得更小，进一步减弱了摩擦咬合能力，随着含水率增加，摩擦角减小.

图9 内摩擦角随含水率的变化Fig.9 Internal friction angle with moisture content

对于1.7 g/cm3的坡面，现以侵蚀量激增的70 mm/h雨强下的坡面含水率变化过程为例，由图10可知，含水率从迅速增长到缓慢增长直到饱和.直剪试验对试样的正应力为50，100，150，200 kPa(含水率为25%试样)；100，200，300，400 kPa(其他试样).因为抗剪强度和相应正应力所对应，现取其加权平均值为代表值进行分析.随含水率的增加其代表值线性减小，如图11所示.

图10 含水率随时间的变化Fig.10 Moisture content variation with time

图11 抗剪强度随含水率的变化Fig.11 Shear strength variation with time

通过拟合公式进行计算，得到每次取水沙样时的含水量所对应的坡面抗剪强度τ，侵蚀量和抗剪强度随时间的变化如图12所示.由图知，前期上层坡面的含水率小，有较高的抗剪强度，又水分被均匀吸收，坡面不会因局部抗剪强度薄弱而造成破坏，进而形成汇流挟沙沿坡面流出.随着降雨继续进行，上层坡面接近饱和并产流，上层坡面的抗剪强度也降到了最低值，此时的侵蚀量也开始增多，之后含水率保持稳定，抗剪强度接近稳定且侵蚀量基本稳定(造成一处突变原因为细沟边缘局部坍塌)，可以看出侵蚀量和抗剪强度的时程曲线表现为对应的负相关性，印证了该密度下水流冲刷是造成侵蚀的主因，侵蚀是坡面抗剪强度和水流剪切力耦合作用的结果.

图12 侵蚀量抗剪强度时程变化Fig.12 Both erosion quantity and shear strength va-riation with time

3 结 论

1) 在40～80 mm/h雨强下，各次试验中1.5 g/cm3的坡面稳渗率基本相同，等于坡面的饱和导水率；在40～60 mm/h雨强下，1.6 g/cm3的坡面稳渗率基本等于饱和导水率；随雨强的增大，1.7 g/cm3的坡面稳渗率逐步增大.

2) 该坡度下，随雨强的增长，各密度的坡面总侵蚀量均呈指数型增长，且1.6 g/cm3的坡面侵蚀量均明显高于其他2个密度；1.5和1.6 g/cm3坡面的侵蚀量主要由重力侵蚀造成，1.7 g/cm3坡面的侵蚀量主要受水流冲刷的影响.

3) 针对1.7 g/cm3的砒砂岩风化物，随着含水率增加，黏聚力呈开口向下的二次函数形式；侵蚀量和抗剪强度的时程曲线呈负相关，并且有一定的对应性，印证了该密度下水流冲刷是造成侵蚀的主因，侵蚀是坡面抗剪强度和水流剪切力耦合作用的结果.