排土场水蚀野外与室内试验研究进展

曹艳伟

（鄂尔多斯市科技事业发展中心 内蒙古鄂尔多斯 017000）

露天煤矿开采严重破坏地表植被及土壤结构，对脆弱生态系统造成不可恢复影响。露天煤矿大面积开采中，大量弃土弃渣堆积成结构疏松、稳定性差的排矸场、排土场，《煤炭工业露天矿边坡工程设计标准》（GB 51289-2018）、《煤炭工业露天矿设计规范》（GB 50197-2015）等相关规范对排土场压实度没有定量指标要求，短期内排土场边坡没有植被保护，在降雨等自然因素作用下，易出现严重水蚀现象，导致大量水土及碳氮磷等营养成分流失，土壤荒漠化问题更加突出，严重时易引发崩塌、滑坡、塌陷等自然灾害。

本文在分析大量研究成果并结合实际工程的基础上，总结矿区排土场边坡水蚀问题的试验研究进展、亟须研究与解决的难点与“瓶颈”问题，进一步推动矿区排土场边坡水蚀现象的研究。

1 野外试验研究

张乐涛等通过野外放水试验，研究在径流冲刷条件下典型堆积体36°陡坡的侵蚀过程。结果表明，重力侵蚀是径流含沙量变化的主要因素，土壤剥蚀率与单宽流量呈线性变化，与时段产沙量、流宽呈函数关系。

史东梅等采用野外实地放水冲刷试验研究边坡径流侵蚀过程，采用的放水冲刷试验装置由水源、蓄水箱、稳压水泵、流量计及水阀、溢流槽、试验小区、集流槽、径流桶组成。试验结果表明，在放水量增大时，边坡侵蚀动力随之增加，侵蚀过程中产流量受细沟发育影响比较显著，造成产沙波动的主要原因是在重力作用下侵蚀沟壁土体崩塌脱落。

黄孝鹏通过现场模拟降雨对边坡冲刷过程试验，分析降雨对边坡冲刷后产流产沙特征及降雨入渗规律，人工模拟降雨装置主要包括降雨控制系统、模型试验槽及泥沙收集系统3 个部分。试验结果表明，边坡侵蚀主要影响因素是降雨强度，随降雨强度增大，径流量、对坡面冲溅作用力、坡面侵蚀产沙量均呈现递增趋势；降雨类型为均匀型时，当坡度增大时，地表累积径流量随之增大。

速欢等通过野外放水冲刷试验研究露天矿排土场边坡侵蚀过程。试验结果表明，排土场平台、边坡的流速与产沙率随放水历时变化现象均为突变—波动—稳定3 个阶段。在进行野外放水试验时，试验场地条件优势较为明显，能够建立大型试验模型，能够减弱模型边界的影响，其结果在一定程度上更接近于实际情况。

2 室内模拟试验研究

王瑄等通过室内土槽放水冲刷试验，研究坡面土壤剥蚀率受水蚀因子坡度、流量、水流剪切力、水流功率、单位水流功率、单宽能耗等影响情况。试验结果表明，土壤剥蚀率与坡度、流量、水流剪切力呈幂函数关系，与水流功率、单宽能耗呈线性关系，与单位水流功率呈三次方关系。

Shi Z H等通过对不同坡度的边坡进行降雨模拟试验，分析土质边坡在降雨条件下的侵蚀过程与沉积物分选过程的关系。试验结果表明，边坡水土流失主要是悬浮、推移滚动及接触共同作用的结果，在边坡细沟开始发育后，边坡侵蚀的主要原因是推移滚动大中型沉积颗粒进行迁移。

Jijun He 和He J J等建立坡度为10°的模拟降雨试验的模型，通过改变降雨强度，研究粘性土、黄土边坡的径流、细沟演变与侵蚀率之间的关系。结果表明，边坡侵蚀含沙量和侵蚀率随时间的变化与滴坑和细沟的出现具有良好的一致性，降雨强度的增加对粘性土边坡侵蚀含沙量和侵蚀率影响不大、对黄土边坡的影响较为明显。

董旭在中国科学院水利部水土保持研究所人工模拟降雨大厅进行黄土坡面细沟侵蚀室内模拟试验，设计6种坡度、5种流量组合试验方案，用以研究细沟流对黄土坡面侵蚀过程及侵蚀过程中水动力学特征、跌坑作用。结果表明，细沟流平均流速与径流流量、过水断面宽度与径流流量、土壤剥蚀率与流量、土壤剥蚀率与坡度均呈现幂函数关系，当坡度增加时，细沟流跌坑平均深度也随之增加。

姜义亮等在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室人工模拟降雨大厅，对黑土区坡面在降雨条件下侵蚀过程进行室内模拟试验，试验包括两种降雨强度、两种汇流速率及4 种组合方式。试验结果表明，坡面土壤侵蚀产沙受降雨影响程度大于汇流作用。

Guo Zhonglu等采用室内模拟试验，研究降雨—径流耦合作用对土质边坡的侵蚀过程，分析降雨及径流单独作用与耦合作用下水动力参数流速、雷诺数、弗劳德数、水流功率、剪应力、曼宁系数等的变化规律。结果表明，雷诺数和平均流速都是单位输沙量和径流中溶质运移的良好指标，在多元回归模型中，雷诺数是单位输沙量的最佳预测因子，平均流速是用于估算降雨和流入组合条件下径流中溶质运移较好参数。

董亮基于实体工程胜利东二矿露天煤矿排土场，在室内建立二阶排土场模型，采用稀土元素示踪技术，研究在不同降雨条件下排土场边坡细沟侵蚀过程、产流产沙特征、侵蚀泥沙来源、侵蚀泥沙量及不同部位的泥沙对侵蚀的贡献率。结果表明，随降雨强度增加，排土场边坡产流时间逐渐缩短、坡面流速与细沟间流速均增大，侵蚀泥沙主要来源是排土场第一阶边坡的产沙。

刘展采用西安理工大学水资源研究所的下喷式模拟降雨装置开展室内模型试验，研究高陡边坡在降雨条件下产流产沙特征、含水率变化规律、侵蚀动力参数（即径流平均流速、雷诺数、弗劳德数、阻力系数）变化规律等。结果表明，在间歇性降雨条件下，坡面产流时间随坡度、降雨场次增加而缩短；坡面流速随降雨场次、坡度增加而增大；坡面径流为层流时，雷诺数随降雨场次增加而增大、随坡度增大而减小；坡面径流为急流时，弗劳德数随坡度增加而增大；径流阻力系数随坡度增加而减小。

黄予以高速公路弃渣场边坡为研究对象。采用人工模拟降雨系统与移动式手摇变坡钢槽进行室内模拟试验，分析边坡土壤侵蚀速率、总产沙量、水动力学参数的特征。结果表明，土壤侵蚀速率随产流时间变化规律为先增大后平缓或多峰多谷现象，坡面径流平均流速与降雨强度及径流深度与降雨强度均呈现正比关系，土壤颗粒组分的差异性受降雨强度影响较小。

Xin Quan等通过室内降雨模拟试验，结合地面激光扫描技术，研究两种黄土不同坡度下受水蚀作用时径流和侵蚀泥沙变化规律、坡面土壤侵蚀和泥沙沉积的空间分布特征及坡面土壤粗糙程度、沉积物粒径与侵蚀沉积之间的关系。结果表明，土壤粒径组成和坡度对侵蚀空间分布、径流、沉积物浓度变化规律及边坡表面侵蚀—沉积的空间变化有重要影响。

李叶鑫等通过室内模拟试验，研究在暴雨作用下排土场平台—边坡系统土壤侵蚀过程，试验过程中，采用不同的降雨强度与土体裂缝深度，分析排土场平台—边坡系统土壤侵蚀演变过程、产流产沙特征及侵蚀沟形态特征。试验结果表明，排土场平台—边坡系统土壤侵蚀演变过程分为土壤溅蚀与面蚀、裂缝充水与坍塌、细沟侵蚀、裂缝贯穿、坡肩垮塌和稳定阶段6个阶段，土壤侵蚀过程是水力侵蚀和重力侵蚀共同作用的结果。

研究者在对土质边坡侵蚀过程及影响因素进行研究时，更倾向于进行室内模型试验，主要因为室内模型试验能够有效地控制试验条件、减少周围环境对试验过程的影响、缩短试验周期，可以提高试验效率，且能够较为准确地建立影响因素之间的关系。

3 结语

排土场边坡水蚀过程是一个两相耦合、高浓度、强非线性等复杂条件下的运动。野外试验有较为突出的试验场地优势，能够有效地分析边坡侵蚀过程，更贴近于真实工况，但其试验周期较长，无法准确控制各影响因素，受外界环境的影响比较严重。室内试验能够有效控制各影响因素，分析各影响因素间的变化规律，但受试验室条件限制，进行大尺度边坡模型侵蚀试验较为困难，受模型边界条件影响比较严重，且所获得的参数均为时间段或断面的平均值，无法描述边坡侵蚀过程的时空差异性。