土壤可蚀性评价的淹没射流侵蚀试验设计

李金玲

(新疆伊犁州水利局，新疆 伊宁 835000)

0 引 言

关于河流、河堤、桥墩和许多其他地区侵蚀的水管理研究的数据表明，土壤侵蚀和土壤退化是影响景观及建筑设施的基本过程，因此迫切需要对这种现象进行评估。目前，关于非黏性土壤侵蚀现象文献的研究结果揭示了泥沙和水的性质如何影响黏性沉积物的阈值和侵蚀速率，包括物理、地球化学和生物性质[1]。

土壤侵蚀率通常由超剪应力、作用于土壤表面超过临界剪应力(τc)的剪应力以及可蚀性系数(Kd)来估算[2]。一般来说，没有可靠的方法根据土壤性质来估计这两个侵蚀参数，迄今为止最好的方法是根据实验室或实地测量确定这些指标。

许多技术已被用于估算黏性沉积物的可蚀性参数。射流侵蚀试验(JET)由Hanson和Cook(2004)开发[3]，是一种广泛用于实验室和现场测量的技术。ASTM标准(1995年)对试验进行了全面描述，该实验喷嘴使用固定头喷嘴，安装在定义测试环境的封闭圆柱体内。射流方法是基于射流冲击理论开发的。该方法的估算精度主要取决于对射流流体力学的理解和对施加在土壤表面的临界剪应力的可靠估算。尽管许多研究人员已经研究了撞击射流，但直到最近才对约束的效果提出质疑。目前，已经建立了3种方法来分析试验结果并确定侵蚀参数[4-5]，包括：①Blaisdell法，该方法使用双曲线函数来预测平衡深度；②迭代方法；③冲刷深度方法。由于最初的JET方法是基于Blaisdell法开发的，因此本研究采用该方法来研究JET结果的可靠性。

Ghaneeizad等[6]研究了约束对撞击射流流体水动力学特性的影响。他们注意到二次流的形成极大地影响了测试装置圆柱体内的射流流体力学。结果还表明，平整光滑床上的有效剪应力约为文献研究的2.4倍。在此基础上，有专家学者对原Blaisdell法进行了修正。然而，在使用喷射法和喷射式试验评估土壤可蚀性时，存在与质量保证和质量控制有关的问题。人们普遍认为，临界剪切应力和可蚀性系数是土壤的固有特性。因此，特定土壤质地的这些属性不应受到流动流体力学的影响，开发评估土壤可蚀性的综合技术具有重要意义。

1 实验系统设置

本研究中使用的喷射侵蚀测试设备与原始喷射侵蚀测试设备相同。该装置由一个喷嘴直径为6.4 mm的喷射管和一个可调节的水头箱组成，用来提供所需的水头(图1)。在试验开始时，使用偏转器防止水撞击土壤表面，并在试验期间暂停试验。实验中使用一种土壤混合物，目的是在测试之间保持侵蚀过程的所有有效参数一致，并观察射流水动力学变化特性对改变侵蚀参数的影响。样品由70%的中值粒度为1 mm的细砂和30%的黏土组成，黏土含有6%的膨润土和24%的高岭石。使用干密度1 760 kg/m3和可塑性指数10.4的一致样品来研究水动力变化对土壤可蚀性的影响；样品压实时的水含量为13%；使用点位计读数和摄影测量技术对冲刷深度进行量化。从喷射试验开始，以设定的时间间隔收集最多7 h的数据。

图1 实验装置(包括土压实模具、喷射装置、扬程装置和泵)

土壤压实程度和性质对侵蚀速率有显著影响。因此，每个样品都经过精心准备，并按照ASTM标准的压实方法(ASTM D698-07 2007)压实。实验采用两个水头和两个冲击高度，见表1。

表1 实验条件总结

注：U0按照Ghaneeizad等提出的假设损失系数0.13进行计算。

使用测点仪沿射流轴线进行冲刷深度测量。使用近景摄影测量技术拍摄冲刷模式随时间发展的照片，该技术在确定冲刷坑体积及其随时间变化方面提供了更高的精度。按照设定的时间间隔暂停试验，以拍摄冲刷坑的照片。由于射流驱动头h0的变化，侵蚀率发生变化，因此使用不同的时间跨度收集每次试验的数据。

所有实验均以一致的方式制备样品，压实后立即对样品进行测试。一旦圆筒放置在压实土壤的顶部，喷射管就连接到可调水头水箱上，并向圆筒注水。导流板用于防止水直接冲击土壤表面，直到圆柱体装满且射流浸没。此时，通过移除导流板，射流冲击土壤表面，并以基于试验条件的速率形成冲刷坑。

2 分析方法

本研究的主要目的是通过评估以一致方式制备的土壤样品的临界剪切应力和可蚀性系数来改进喷射方法，这些土壤样品的土壤质地、压实度、干密度、含水量和水温等条件相同，但在不同的压力条件下进行测试，即射流水动力学。通过对黏性沉积物对撞击射流响应的更深入了解，来改进土壤侵蚀评估的方法。

首先介绍了在考虑两水头和两冲击高度的情况下，对一种土混合料的实验室压实样品进行射流冲蚀试验的方法。根据Hanson和Cook(2004)[3]采用经Ghaneeizad等[6]修订的原始射流侵蚀测试方法，利用不同射流流体动力学的测试结果来确定侵蚀参数。然后讨论了测试结果，并阐明改变射流流体动力学对侵蚀参数的潜在影响。

本研究采用Blaisdell法预测每次试验的中心线冲刷深度。Hanson和Cook(2004)概述了该方法在射流侵蚀试验中的应用。Ghaneeizad等随后对原始方法进行了修订，以说明对结果τc和Kd的限制效应。通过这种方式，对每次试验的平衡冲刷深度进行估算，并根据修订后的方法确定临界剪应力τc和可蚀性系数Kd。但上述修订仅考虑了试验环境对射流侵蚀试验结果的限制效应，而本研究的目的是通过改变试验流体力学来调查射流侵蚀试验方法中的不一致性。

3 实验结果与分析

图2为运行约7 h后的实验图片。需要注意的是：①实验中所有的侵蚀都是颗粒侵蚀，没有观察到大规模的侵蚀；②由于射流结构的不对称条件，冲刷孔在空间上向出口移动。在使用高水头条件进行H9和H6试验的早期阶段，与表面其他部分相比，中心线上观察到的侵蚀很小。从图2 (a)和图2 (b)可以看出，水头越低，冲刷深度和冲刷宽度越小。换句话说，喷嘴流速越低，土壤侵蚀越小。

图2 土壤样品图片

图2中，图2(a)为试验开始前，运行后约7 h进行图2(b) HH-H6试验和图2(c)LH-H6试验，用于摄影测量的目标围绕在土壤样品周围。

在试验开始后1、3、5、10、15、30、60、210和440 min的不同时间间隔收集数据。平衡冲刷深度是用前30 min收集的数据计算的。在此过程之后，添加下一阶段在30 min后收集的数据点，结果见图3。由图3可以看出，Blaisdell方法估计的均衡深度，即使对于一个特定的测试，也会根据数据收集的周期而变化。从图3还可以看出，在高水头实验中，由于图的坡度不再陡峭，在200 min左右，不同时间间隔的预测平衡冲刷深度差异不显著。

图3 Blaisdell法预测不同时间跨度的平衡冲刷深度

从计算和测量可以看出，在不同的水力边界条件下，试验的临界剪应力是不同的，见图4。喷嘴速度越大，撞击高度越高，τc和Kd的值就越大。此外，通过使用不同时间间隔的数据，可以从完全相同的测试中获得不同的平衡深度。

图4 使用临界剪应力τc和可蚀性系数Kd的试验分析结果

平衡冲刷坑预测差异的一个原因可归因于Blaisdell法的双曲函数。图5显示，通过使用较长时间段收集的数据，冲刷深度预测的误差变得更大。由图5可知，在试验的初始阶段，即使少量继续试验，也会显著影响估计的平衡冲刷深度。这表明需要在最短的时间内进行射流侵蚀试验，以便观察到分析结果没有显著变化。值得注意的是，在现场应用中，长时间进行射流侵蚀试验可能不经济，甚至不可行。因此，有必要改进理论方法，以估计测试的早期阶段。

图5 采用Blaisdell法，利用高水头两个撞击高度处不同时间跨度的数据预测冲刷深度

在所有射流侵蚀试验期间观察到，侵蚀沉积物积聚在圆柱体内部和冲刷坑周围。这些沉积物可能会改变河床形状，增加表面粗糙度，从而改变射流场的流体动力学。特别是在高度可蚀性土壤中，这种影响可能是预测过程中的错误源。

4 结 论

本文通过设计实验来研究射流侵蚀试验结果的不一致性。实验室压实土壤的一致样本暴露于不同的射流流体动力学条件。结果表明，不同的射流流体动力学条件可以影响导出的侵蚀参数，这些参数被假定为土壤特性，而不是试验条件的函数。较高的喷嘴速度和较高的撞击高度通常会导致τc和Kd的较大右值。此外，如果使用不同时间间隔的数据，不同的平衡深度可能同样能得到相同的测试数据。

结果表明，目前的射流侵蚀试验方法可能没有考虑到控制土壤侵蚀的所有有效参数，并且在提供独立于试验条件的一致结果方面不可靠，同时该方法显示出对射流流体动力学和数据收集持续时间的高度依赖性。由于确定收集数据所需的最短时间对于确定平衡冲刷深度非常重要，因此建议进一步有效改进该方法，并严格检查用于推导可蚀性指数的可用预测技术。