模拟降雨条件下坡度和降雨强度对桂南崩积体侵蚀产沙的影响

[目的]探究坡度和降雨强度对崩岗崩积体坡面侵蚀产沙特征的影响,为桂南地区崩积体水土流失预测及其防治提供科学依据。[方法]采用室内模拟降雨试验,研究不同坡度(15°,20°,25°)和降雨强度(60,90,120 mm/h)条件下崩积体坡面侵蚀产沙过程。[结果]各坡度条件下,60 mm/h降雨强度时,崩积体坡面侵蚀速率变化过程较为稳定,且侵蚀速率多低于5.0 g/(m^(2)·s),并呈现出一定的下降趋势;90~120 mm/h降雨强度下,侵蚀速率呈先波动增大后波动减小的变化趋势。降雨过程中侵蚀速率最大值随降雨强度和坡度的增大而增大,侵蚀速率最大值出现的时间集中在0~25 min内,且随坡度的增大有提前的趋势。次降雨产沙量(3.64~48.07 kg/m^(2))随降雨强度和坡度的增大而增大,与降雨强度和坡度之间的非线性回归结果(幂函数)优于线性回归结果。次降雨产沙量与坡度和降雨强度的交互项相关性最为显著,二者呈极显著线性函数关系。[结论]次降雨产沙量对降雨强度的敏感系数要高于对坡度的敏感系数,降雨强度对次降雨产沙量的影响强于坡度,崩积体侵蚀防治中建议做好坡面排水措施。

崩岗崩积体坡面初始产流时间影响因素及其临界阈值

崩岗崩积体坡面原位模拟降雨试验研究还不多见。明确不同雨强、坡度和土体初始含水率对崩积体坡面初始产流时间的影响及其临界阈值,可加深对崩岗产汇流的认识,为合理配置水土资源和完善崩岗治理提供指导。以广东德庆县8个崩积体为试验地点,基于前期对崩积体土体理化性质的测定,采用便携式野外模拟降雨装置、无线自计气象仪和土壤剖面水分测定仪,在面积1 m×2 m的崩积体坡面径流场内,通过9种雨强(0.8—3.8 mm·min^(-1))、8种坡度(9°—38°)、12次10 cm深度土体初始含水率(0.2%—20.5%)的不同组合,进行了12场野外模拟降雨及崩积体坡面产流试验。结果表明,初始产流时间随降雨强度的持续增大而逐渐缩短,没有表现出明显的阈值现象。当坡度<26°—30°时,初始产流时间随坡度的增大而缩短;当坡度>26°—30°时,初始产流时间随坡度的增大而略有加长,初步判断26°—30°的坡度是影响初始产流时间的临界坡度。当10 cm深度土体初始含水率<7.8%—8.3%时,初始产流时间随10 cm深度土体初始含水率的变化没有明显的规律性;当10 cm深度土体初始含水率>7.8%—8.3%时,初始产流时间随10 cm深度土体初始含水率的升高而缩短,因而7.8%—8.3%的10 cm深度土体初始含水率可能是影响初始产流时间的临界阈值。在影响崩积体坡面初始产流时间的3个主要因素中,降雨强度对初始产流时间影响最大,土体初始含水率的影响次之,坡度的影响相对最小。土壤条件也是影响崩积体坡面产汇流的关键因素之一,开展不同区域土壤质地、土壤类型、土壤状况下崩积体坡面产汇流过程的对比分析,是今后需要加强的研究方向。该文初步发现的坡度和10 cm深度土体初始含水率的临界现象,也需要开展更多的试验和实证研究。

山区崩积体条件下互通式立交设置分析

该文结合重庆石柱至黔江高速公路的复杂节点工程——石会互通式立交在实施过程中出现的主要匝道边坡失稳等病害情况,探讨在山区崩坡积体条件下立交方案选型的思路和方法。该互通所处位置地形、地质条件复杂,暴雨等极端天气较多,立交方案研究时充分结合客观条件及病害成因进行稳定性计算,尽量利用现状地形,绕避突出不良地质范围,灵活展线,立交线形指标需结合桥梁、路基防护等工程实际进行控制。综合考虑功能、安全、经济和适用等指标,确定最终设计方案。

崩岗崩积体土壤渗透特性分析

利用环刀法测定2处不同时间崩塌的崩积体不同部位的渗透性能。结果表明:(1)崩壁上的土壤崩塌形成崩积体后,土壤疏松,水分达到稳渗的时间比崩壁上红土层、砂土层的短。(2)崩积体的初渗率、稳渗率、平均入渗率、入渗量的均值均比崩壁上的红土层、砂土层和碎屑层的高;经过压实的BJ1的初渗率、稳渗率、平均入渗率、入渗量均比BJ2的低;崩积体表层形成结皮,土壤入渗能力降低;崩积体物质组成的不同及堆积、胶结、压实等作用,崩积体不同部位的渗透性能有较大的差异,BJ1的初渗率、稳渗率、平均入渗率、入渗量的变异系数(CV)分别为0.70,0.65,0.60和0.63,BJ2的为0.54,0.51,0.56和0.56,均属于中等变异。(3)最小二乘法拟合结果显示,Kostiakov模型能更好地模拟崩积体土壤的入渗过程。

坡面水流分离崩岗崩积体土壤的动力学特征

利用变坡式水槽,在坡度(20°,25°,30°,35°,40°)和流量(1.1,2.2,3.3,4.4,5.5L/min)下进行崩岗崩积体土壤的分离试验。结果表明:流量对土壤分离速率的作用大于坡度,土壤分离速率与坡度及流量呈线性相关;水深对土壤分离速率的影响大于坡度,土壤分离速率与坡度及水深呈线性相关;土壤分离速率与水流流速呈指数函数关系;水流剪切力、水流功率及单位水流功率与土壤分离速率之间的关系均为线性关系,其中,水流功率和水流剪切力可以很好地描述崩积体的土壤分离速率。

坡度和雨强对花岗岩崩岗崩积体细沟侵蚀的影响

崩积体是崩岗的重要组成部分,具有土质疏松、粗颗粒含量高、坡度大、易侵蚀的特征。该研究利用人工模拟降雨试验,对不同雨强(1.00,1.33,1.67,2.00,2.33mm/min)和坡度(20°,25°,30°,35°,40°)下的崩积体细沟发生、发育及形态特征进行分析。研究结果表明:发生细沟的时间随着坡度和雨强的增大而缩短;随着雨强的增大,沟头离坡顶的距离越短,沟宽和沟深增大,但细沟密度差异不明显;随着坡度的增大,垂向作用增加,但横向扩张能力相应地降低,造成坡面侵蚀深度增大,宽深比减小;随着雨强和坡度的增大,侵蚀方式从片蚀为主逐渐转变至细沟侵蚀为主;雨强对细沟侵蚀的影响大于坡度。

流量及坡度对崩岗崩积体侵蚀的影响

崩积体是崩岗的重要组成部分,具有土质疏松、粗颗粒含量高、坡度大、易侵蚀等特征。通过不同上方来水(3.6,7.2,10.8,14.4L/min)和不同坡度(20°,25°,30°,35°,40°)相结合的室内放水冲刷试验,模拟不同上方来水及坡度对崩岗崩积体侵蚀的影响。结果表明:崩积体侵蚀产沙过程可分为逐步递增阶段、波动变化阶段和稳定阶段;含沙量随时间的变化分为平缓型和多峰型两种;在20°,25°和30°条件下,崩积体坡面流基本都属于低含沙水流,在35°和40°条件下,崩积体坡面流均属于高含沙水流;上方来水对产沙量的影响大于坡度,而坡度对含沙量的影响大于上方来水;可利用上方来水和坡度对崩积体坡面产沙量及含沙量进行较好地预测。

花岗岩崩岗崩积体颗粒组成及分形特征

崩岗崩积体土质疏松，抗侵蚀能力弱，其颗粒组成及分形维数有其自身的特性。采用激光粒度分布仪对花岗岩崩岗崩积体及崩壁土样的颗粒进行测定，对其土壤颗粒组成及分形特征进行比较分析。结果如下：崩积体土壤以砾石、砂粒、粉粒含量为主，黏粒含量极低，土壤质地主要为砾石土；崩积体各层次土壤颗粒分形维数均值为2．61～2．70，分形维数值较低，反映了其细颗粒损失情况；黏粒含量是影响土壤颗粒分形维数的主要因素；崩壁土体的颗粒分形维数大小能够表征土壤的理化特征，而崩积体土壤颗粒分形维数无法真实反映崩积体的理化性质。

野外模拟崩岗崩积体坡面产流过程及水分分布

为研究崩岗崩积体坡面产流特征及土体水分分布特征,采用人工模拟降雨方法,在广东五华县莲塘岗崩岗选择7个不同部位的崩积体,进行28场人工模拟降雨,测定降雨过程中坡面产流时间及水分分布。结果表明:1)坡面产流时间与降雨强度呈负指数幂函数关系;2)老崩积体坡面产流时间与10 cm深处土体初始含水率呈负对数函数关系,其他深度土体初始含水率,以及新崩积体各土层初始含水率与坡面产流时间关系不密切;3)根据土体初始含水率和降雨强度,可以应用三维曲面模型预测崩积体坡面产流所需时间;4)当降雨强度≥3.5 mm/min时,崩积体坡面产流时间与坡度呈现出负相关关系,即随着坡度增大,产流时间变短;5)崩积体坡面产流后,新、老崩积体10 cm深处土体含水率差异明显,新崩积体土体含水率在20%以下,老崩积体土体含水率在20%以上;6)无论是降雨结束时还是降雨后24 h的水分再分布,新崩积体的湿润锋深度均大于老崩积体,表明在降雨作用下新崩积体的失稳深度大于老崩积体的失稳深度。该研究为崩岗崩积体侵蚀预测和防治提供参考。

多场次降雨对崩岗崩积体细沟侵蚀的影响

崩积体是崩岗的重要组成部分,因土质疏松,极易被侵蚀。细沟侵蚀特征是探讨崩积体侵蚀机制的重要内容。采用人工模拟降雨试验,研究多场次降雨条件(1.00、1.67、2.33 mm/min分别降3次雨)对崩积体30°坡面(5m×1 m)细沟侵蚀产沙过程及发育形态特征的影响。结果表明:1)1.00 mm/min降雨强度条件下,3次降雨的后期产沙过程趋于一致,而1.67和2.33 mm/min降雨强度条件下,前2次降雨后期产沙过程趋于一致,但第3次降雨后期产沙率急剧增大;2)各降雨强度条件下,沟头溯源作用、细沟平均宽度及深度随着降雨场次的增加而增加;3)不同降雨强度条件下的细沟特征存在差异,1.00和1.67 mm/min降雨强度时,随着降雨场次的增加,坡面的细沟数及细沟密度增加,宽深比减小,但在2.33 mm/min降雨强度条件下的结果恰好相反;4)各降雨强度条件下细沟侵蚀量及其增加幅度均增大,细沟侵蚀愈剧烈。

不同结皮条件对崩岗崩积体坡面侵蚀的影响

通过人工模拟降雨试验,对3个雨强下(1.00,1.67,2.33mm/min)和3种处理(未结皮、5min结皮、10min结皮)的崩岗崩积体坡面的产流产沙及细沟的发育与形态特征进行研究,结果表明:结皮产生使崩积体坡面的产流时间提前,出现细沟的时间延迟,土壤侵蚀量及细沟侵蚀密度、侵蚀宽度、侵蚀深度减少,结皮的存在具有减缓土壤侵蚀的作用;但10min结皮的产流时间和出现细沟的时间均比5min结皮的提前,土壤侵蚀量及细沟侵蚀程度增加,说明结皮程度高的侵蚀效应大于结皮程度低的,结皮只在一定程度上起到抗侵蚀的效果。

土石混合崩积体坡面细沟跌坑发育试验研究

为了探究土石混合崩积体坡面细沟跌坑发育情况,采用室内放水冲刷试验,通过设置4个流量(2,4,8,12 L/min)和4种砾石含量的土石混合崩积物(砾石质量比例0,10%,30%,50%),研究不同条件下细沟跌坑的发育特征。结果表明:在不同冲刷时段,跌坑数量变化为3~17个,跌坑平均深度为1.10~5.93 cm,细沟纵断面形态系数为2.97~19.97。各跌坑参数随冲刷时间的延长总体呈增大趋势,部分坡面在5 min或7.5 min时出现最大值;跌坑参数随流量的增加总体呈先增大后减小趋势,8 L/min流量条件下出现最大值,而随着砾石含量增加总体呈增大趋势;流量对跌坑发育的影响大于砾石含量。各跌坑参数与流速、阻力系数及曼宁粗度系数密切相关,径流剪切力是描述跌坑发育的最适合水动力学指标,可用线性函数表达。

不同宽度冲刷槽对崩岗崩积体产流产沙的影响

为了解不同宽度冲刷槽对坡面冲刷侵蚀过程中产流产沙的影响,该研究以崩岗崩积体为对象,通过不同冲刷槽宽度(10、20、30、40、50 cm)和不同单宽流量(1.2×10-2、2.4×10-2、3.6×10-2、4.8×10-2 m2/min)相结合的室内模拟冲刷试验,研究不同宽度冲刷槽对崩积体产流产沙的影响。结果表明:1)单宽流量为1.2×10-2,2.4×10-2,3.6×10-2 m2/min时,不同冲刷槽宽度之间径流率、产沙率存在显著差异(P<0.05);单宽流量为4.8×10-2 m2/min时,不同冲刷槽宽度之间径流率、产沙率差异不显著。2)单宽流量一定,不同冲刷槽宽度下径流率随时间变化趋势相同;单宽流量为1.2×10-2 m2/min时,不同冲刷槽宽度条件下产沙率和含沙量随时间变化趋势不同,其他单宽流量下产沙率和含沙量随时间变化趋势相同。3)单宽流量相同,不同冲刷槽宽度下累积径流量差异不显著;单宽流量为1.2×10-2,2.4×10-2,3.6×10-2 m2/min条件下,不同冲刷槽宽度下累积产沙量和平均含沙量差异显著(P<0.05)。该研究揭示了冲刷槽宽度对崩积体产流产沙的影响,为今后试验冲刷槽宽度的选择提供参考。

砾石含量及粒径对崩岗崩积体渗透特性的影响

为探讨砾石对崩积体渗透性的影响,采用环刀法对不同砾石含量及粒径条件下崩积体入渗特性的变化进行研究。结果表明:(1)0%,10%,20%,30%砾石含量崩积体进入稳渗时间在9~10min之间,40%,50%砾石含量崩积体进入稳定时间在19~20min之间。(2)相同粒径砾石条件下,崩积体的初渗率、稳渗率、平均入渗率及入渗量随砾石含量的增加而增大;含2~3,3~5,5~10mm砾石崩积体的入渗参数在10%,20%,30%砾石含量时变化不大;当砾石含量为40%时,入渗参数随着砾石粒径的增大而减小;当砾石含量为50%时,含3~5mm砾石的崩积体的入渗参数最小。(3)Kostiakov公式拟合更适合模拟崩积体的入渗模型。

模拟降雨条件下秸秆覆盖对崩积体侵蚀产流产沙的影响

以福建省安溪县龙门镇崩岗土为对象,通过室内模拟降雨试验,研究在120mm/h雨强条件下,不同秸秆覆盖度(0,25%,50%,75%和100%)和坡度(25°,30°和35°)组合坡面的侵蚀情况。结果表明:(1)秸秆覆盖能够有效延长坡面产流时间,且随着覆盖度的增加产流时间相应延长。(2)在降雨初期,不同条件下的前期径流量随着降雨的进行迅速增加,30°和35°坡面不同覆盖度径流量在降雨中后期起伏较大,30°坡面的径流量明显小于25°和35°坡面。(3)坡面的产沙量变化过程表现为当覆盖度较低时,坡面产沙量较大;当覆盖度处于中等偏上水平时,产沙量始终处于较低水平;当覆盖度达到最高时,产沙量先增加后降低最后趋于稳定。(4)30°和35°坡面径流量的临界覆盖度为50%,不同坡度产沙量的临界覆盖度为75%。(5)可利用经验方程对不同覆盖度和坡度条件下崩积体坡面产沙量进行预测。

PAM特性对花岗岩崩岗崩积体径流及产沙的影响

研究利用人工模拟降雨,研究不同分子量(800万、1 200万和1 500万),不同水解度(10%,20%,30%)聚丙烯酰胺(PAM)对崩岗崩积体土壤侵蚀和径流的影响。结果表明:3种分子量和水解度的PAM都能够减少土壤侵蚀量,1 200万分子量PAM处理土壤侵蚀的效果最好,PAM的水解度对抗侵蚀影响差异不明显;各种PAM处理均使径流量增加,随着分子量的变大,径流量也在增加,而同一分子量的PAM,其水解度对径流量和侵蚀量的影响大致成反比关系;PAM处理下侵蚀土壤中不同粒径颗粒的含量会发生变化,砂粒的含量会有所增加,粉粒和黏粒的含量会减少。综合价格和抗侵蚀效果来看,1 200万10%水解度的PAM更适合于崩岗崩积体侵蚀治理。

秸秆覆盖对崩积体坡面产流产沙影响的模拟试验

通过室内模拟降雨试验,研究60 mm/h雨强条件下,不同秸秆覆盖度(0、25%、50%、75%、100%)和坡度(25°,30°和35°)组合崩积体坡面的侵蚀状况。结果表明:(1)不同条件下崩积体坡面初始产流时间在49~913 s;同一坡度条件下,崩积体坡面初始产流时间随着覆盖度的增加而延长;同一覆盖度条件下,初始产流时间35°>25°>30°;坡面产流时间与秸秆覆盖度呈线性正相关关系。(2)崩积体坡面径流量的变化过程具有如下几个特征:第一,在降雨初期,坡面径流率在短时间内迅速增加,之后趋于平缓;第二,坡面径流量的起伏变化幅度随着坡度的增加而增大;第三,同一覆盖度条件下,30°坡面的径流率大于25°和35°坡面。(3)崩积体坡面产沙量存在临界覆盖度,值为50%。

不同覆盖度和雨强条件下崩积体坡面侵蚀的动力学特征

基于崩岗崩积体易侵蚀的特性,通过室内人工模拟降雨试验,研究30°坡度条件下,不同秸秆覆盖度（0,25%,50%,75%,100%）和雨强（60,90,120mm/h）组合坡面侵蚀的水动力学参数特征。结果表明：（1）不同条件下,雷诺数变化范围在462.86~750.19Re之间,雨强对雷诺数的影响达到极显著水平,覆盖度对雷诺数的影响不显著;弗罗德数的变化范围在0.06~0.64Fr之间,水流的流型为缓流,覆盖度对弗罗德数的影响达到极显著水平,雨强对弗罗德数的影响不显著;阻力系数的变化范围在9.65~1 018.19f之间。（2）覆盖度对坡面流流速的影响达到极显著水平,坡面流流速随着覆盖度的增加而减小;覆盖度对水深的影响达到显著水平,坡面径流深随着覆盖度的增大而增加;阻力系数与雨强和覆盖度之间无明显关系。（3）覆盖度与单位水流功率之间呈极显著的指数函数关系,与水流剪切力和断面单位能量之间呈显著的指数函数关系;雨强对流速、水深和阻力系数的影响都不显著。

模拟降雨条件下崩积体坡面产流产沙特征及其响应关系

[目的]研究崩积体坡面产流产沙特征及其响应关系,为崩岗治理提供理论基础与科学依据。[方法]通过室内模拟降雨试验,探讨不同覆盖度（0%,25%,50%,75%,100%）和坡度（25°,30°,35°）组合坡面在90mm/h雨强条件下的产流产沙时空特征及其响应关系。[结果]不同覆盖度和坡度条件下,坡面产流时间的变化范围在33~292s;同一坡度条件下,坡面产流时间与覆盖度呈线性正相关关系;同一覆盖度条件下,坡面产流时间与坡度呈幂函数关系。通过双因素方差分析可知,坡度对径流量的影响达到极显著水平,覆盖度对产沙量的影响达到显著水平。当坡度为25°时,坡面产沙总量的临界覆盖度为50%;当坡度为30°时,坡面产沙总量的临界覆盖度为75%;当坡度为35°时,坡面径流量的临界覆盖度为50%。[结论]针对不同坡度崩积体坡面,可以选择合适的秸秆覆盖度以达到较好的水土保持效果。

崩岗崩积体坡面糙度及其与侵蚀方式的耦合影响研究

崩岗崩积体是崩岗的主要沙源地。基于人工模拟降雨试验及三维激光扫描技术,研究崩岗崩积体坡面侵蚀过程。研究表明:利用三维激光扫描的点云数据能定量分析降雨前后坡面水蚀特征。全坡面及各坡位均为片蚀总量大于细沟侵蚀总量,但各坡位的侵蚀强度有所差异,其细沟侵蚀强度由大到小表现为下坡、中坡、上坡,片蚀强度由大到小表现为上坡、中坡、下坡。坡面空间糙度由大到小大致呈现下坡位、中坡位、上坡位,坡面侵蚀方式可影响坡面糙度值及变化趋势,而坡面糙度亦能影响各侵蚀方式的侵蚀强度。整个降雨时段内全坡面侵蚀量最大、产沙量次之,沉积量最小,受坡面糙度变化影响,全坡面侵蚀、产沙量均呈现递减趋势。而上坡位的侵蚀、产沙量无明显变化,中、下坡位的侵蚀、产沙量呈对数减小趋势。此外,除上、下坡位沉积量间存在显著差异外,各坡位间侵蚀量、产沙量均无显著差异。