含沙量对草地坡面径流泥沙沉积和水力特性的影响

通过室内模拟试验,在坡度为3°和9°、流量为20和60L/min条件下研究了不同浓度(0～350kg/m3)含沙水流流经草地的泥沙沉积过程及其水力学特性。结果表明,坡面泥沙沉积量随含沙量的增加而增大,3°时泥沙沉积率与含沙量呈正相关,而9°时沉积率与含沙量呈反势。坡度对泥沙沉积影响显著,而在相同坡度条件下,两种流量试验的泥沙沉积量无明显差异。相同坡面坡上部位流速小于坡下部位,且含沙量对坡面流速影响较小。在相同坡度和流量条件下,水流雷诺数随含沙量的增大而减小。3°时水流阻力系数和曼宁糙率均随含沙量的增加而增大,而9°时含沙量对阻力影响不明显,因此在土壤侵蚀较严重地区进行坡面水文过程演算时需考虑含沙量对缓坡糙率的影响。     

黄土坡面径流侵蚀产沙动力过程模拟与研究

通过室内模拟冲刷试验系统研究了3°~30°坡度范围内坡面径流的侵蚀动力及产沙特征,分析了坡面径流能耗与径流侵蚀产沙之间的关系。结果表明,坡面径流平均流速随坡度和流量的增加而增大,流速与坡度和流量之间存在指数函数关系,坡度对流速的影响大于流量。在3°~21°坡度范围内,坡面径流单宽能耗随坡度的增加而增加,当坡度超过21°时,径流能耗随坡度的增加而降低。坡度对侵蚀产沙的影响也有类似的现象,在3°~21°坡度范围内,坡面径流平均单宽输沙率随坡度的增加而增大,当坡度达到临界极值21°和24°后,坡面径流平均输沙率随坡度增加而减小;在整个试验坡度范围内,径流平均单宽输沙率随流量的增大而增大;流量对坡面径流平均单宽输沙率的影响大于坡度。坡面径流平均单宽输沙率和单宽径流能耗之间存在明显的线性关系,其临界单宽径流能耗随坡度的增加而增加,土壤可蚀性参数随坡度的变化在10.368~30.366的范围变化,试验的土壤可蚀性的平均值为14.61。     

坡面薄层流水动力学特性的实验研究

采用变坡实验水槽研究了坡面薄层水流水动力学特性——流态、流速、水深及阻力系数随流量和坡度的变化规律,实验坡度5°～25°、单宽流量为0.625×10-3～12.5×10-3m3/(s·m).研究结果表明,坡面薄层水流流态与水深密切相关,坡面流的流态基本上呈过渡流和紊流;薄层水流平均流速、水深和Darcy-Weisbach阻力系数主要受流量控制,坡度的影响并不显著,其关系均可用流量和坡度的幂函数形式模拟,相关系数(R2)分别为0.98、0.97和0.95,去掉坡度后相关系数分别下降7%、16%和3%.随着雷诺数的增大,Darcy-Weisbach阻力系数下降.当单宽流量小于0.008m3/(s·m)时,坡度对阻力系数的影响较为显著;当流量大于0.008m3/(s·m)时,阻力系数基本受流量控制.随着流量增大,阻力系数呈幂函数形式递减.     

坡面细沟侵蚀产沙时空分布规律试验研究

利用放水冲刷试验结合稀土元素(REE)示踪技术对坡面侵蚀产沙特征及其时空变化进行了研究。结果表明:在径流冲刷下,坡面侵蚀产沙可分为三个不同的阶段并对应不同的产沙特征。其空间变化表现为,在6°、9°情况下,坡面不同坡段的相对侵蚀量沿下坡方向呈现出先减小后增大的趋势;在12°小流量情况下,坡面各坡段的相对侵蚀量与坡度较小的情况相似,当流量较大时,坡面各不同坡段的相对侵蚀量随坡长的增大而减小。但坡面最下端坡段的相对侵蚀量总是随着冲刷历时的延长而减小,其余各坡段的相对侵蚀量则呈现出缓慢的波动式上升。     

不同坡度草地含沙水流水力学特性及其拦沙机理

参照黄土区侵蚀降雨和坡面片蚀产沙特征,采用恒流泥沙输送装置模拟坡面上方来水来沙,探讨不同坡度草地含沙水流的水力学特性及其对上方来沙的拦蓄机理。结果表明,草地坡面的水流弗劳德数随坡度增大而增加,而阻力系数与坡度呈反势。按明渠水流的一般标准,不同坡度草地水流均为层状缓流。草地坡面拦沙效应随坡度增大而减小,且径流前期的减沙作用较后期更为显著。不同坡度草地坡面的出流泥沙平均直径和大颗粒(>10μm)泥沙含量均显著小于上方来沙,这说明草地的拦沙效应主要体现在对大粒径泥沙的拦蓄上。     

基于人工降雨试验的淮北地区产流产沙差异性研究

针对淮北地区水土流失问题,利用野外人工模拟降雨试验,分析了不同雨强(40mm/h、60mm/h和80mm/h)和坡度(5°、10°和15°)条件下砂姜黑土和黄潮土产流产沙差异。结果表明:砂姜黑土初始产流时间长,产流总量小。坡面出现细沟时,砂姜黑土初始含沙量随时间变化有减小趋势,最终趋于稳定,而黄潮土含沙量呈波动变化;60mm/h、80mm/h雨强10°坡砂姜黑土产沙总量大于黄潮土,其他情况黄潮土产沙总量大于砂姜黑土,黄潮土土壤侵蚀严重。砂姜黑土表面细沟发育密度大,主要在坡面中下部,为相互连通的树枝状结构,而黄潮土表面细沟发育密度小,形成沟壑。两种土壤产流总量、产沙总量与坡度、雨强分别呈多元线性函数、多元幂函数关系,雨强对坡面产流产沙总量的影响大于坡度。     

模拟降雨条件下坡面流水动力学特性研究

为探明降雨条件下沙黄土坡面水流水动力学特性,以流体力学和泥沙运动力学理论为依据,通过5个坡度和5个雨强组合条件下室内模拟降雨试验,系统研究了坡面水流水力参数的变化规律。结果表明,降雨条件下坡面薄层水流雷诺数均小于580,处于层流失稳区;水流流型随雨强和坡度的变化而发生转捩,当坡度较缓、雨强较小时,床面形态处于低能态区和过渡区,床面出现沙纹现象,水流宏观上呈缓流,反之,坡度较陡、雨强较大时,床面由沙纹和沙垄向动平床过渡,宏观上多呈急流;并根据薄层水流阻力组成特点,推导出沙黄土坡面薄层水流阻力计算公式。验证结果表明,该式误差较小,可为坡面侵蚀预报模型的构建提供参考。     

坡面流速及侵蚀产沙空间变异性试验

在野外放水试验条件下,利用染色法和侵蚀针法分别观测坡面流速和侵蚀产沙空间变异性。结果表明,坡面各横向断面的流速与距坡顶距离之间呈正相关,且相关性随流量增大逐渐变得显著,纵向断面流速的变异程度明显强于横向断面。总体上,上、下坡位侵蚀程度较重,而中坡位最轻;小流量时沉积作用明显,大流量时距坡顶0~2 m范围为净侵蚀区;各坡段侵蚀量与其距坡顶距离之间呈负相关;发生泥沙沉积部位随流量增大逐渐下移,细沟侵蚀量占坡面总侵蚀量的比例随流量增大不断增加。试验条件下流速为0.30 m/s时,细沟侵蚀产沙大于细沟间侵蚀,且坡面侵蚀量迅速增大。随流量增大,流速和侵蚀产沙量呈增大趋势;但在流量较大时,坡面各坡位侵蚀量与流速呈负相关,这可能与坡面中下部位粗颗粒泥沙沉积以及含沙水流的挟沙能力基本达到饱和有关。     

砒砂岩风化物坡面水力侵蚀影响因素探究

深入理解降雨产生的坡面流的水动力学特性与砒砂岩侵蚀的关系是研究鄂尔多斯红色砒砂岩侵蚀机理的基础。采用降雨模拟系统进行不同雨强和坡度下降雨侵蚀试验,研究了水动力学参数与砒砂岩风化物侵蚀量的关系。结果表明:侵蚀量随坡度和雨强的增大均呈指数型增大;灰色关联分析下各水动力学参数与侵蚀量的关联度值在0.685~0.733之间,其中水流功率的关联度最高;以水动力学参数为变量,利用赤池信息量准则编程得到侵蚀量预测模型。综合灰色关联分析和赤池信息量准则都表明水流功率是影响鄂尔多斯砒砂岩风化物侵蚀产沙的重要参数。     

模拟植被覆盖条件下坡面流水动力学特性

利用人工模拟植被试验,系统研究了6个坡度和10个流量、5种覆盖度条件下坡面流水力参数水力要素关系及阻力的变化特征,以期揭示坡面植被水流阻力的内在规律性.结果表明:流态指数随植被覆盖度的增加而显著增加,相同植被覆盖度下,试验坡度对其影响并不显著.各试验工况下,水流流态主要分布在"虚拟层流区"和过渡流区,未达到紊流区.随试验坡度的增加,水流流态由缓流向急流区域延伸,而随覆盖度的增加,流态向相反方向延伸.植被覆盖条件下坡面水流阻力与雷诺数的变化规律并非呈单调增加或者单调递减的趋势,而与植被覆盖度紧密相关,当植被覆盖度较低时,阻力系数随雷诺数的增加而减小,而覆盖度较高时,阻力系数随雷诺数增加呈线性增加的趋势.     

微生物诱导矿化加固粉土坡面的径流与侵蚀特性

微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）是一种微生物矿化过程,能够胶结松散土体。将其应用于加固土体坡面提高抗降雨侵蚀能力具有潜在的发展前景。通过模拟降雨冲刷试验,对微生物诱导矿化加固前后粉土坡面的径流水动力与侵蚀特性开展研究,分析和讨论了水动力参数之间的相关性以及对土壤剥蚀率的影响规律。结果显示,加固后与加固前相比,粉土坡面径流的弗劳德数平均下降50%;在降雨前期的阻力系数平均下降66%,径流稳定后二者阻力系数接近;径流剪切力平均提高52%。径流系数与坡面入渗速率呈线性负相关（R²=0.857）,与加固层的贯入强度呈指数负相关（R²=0.824）;入渗速率与加固层的贯入强度呈二次负相关R²=0.930）;径流剪切力与坡度呈指数正相关（R²=0.964）。加固粉土坡面的剥蚀率与加固层的贯入强度呈指数负相关（R²=0.822）,与径流剪切力线性正相关（R2=0.912）,临界径流剪切力为0.5 Pa。对于坡度10~25°的粉土坡面,微生物加固能将其剥蚀率从58.2~118.4 g/m2s降至2.4~21.2 g/m2s,剥蚀率最大降幅可达95.0%。粉土坡面经微生物诱导矿化加固后,水动力参数值发生显著变化,径流特性与水动力参数、加固层特性及坡度相关,坡面的抗冲刷侵蚀性能得到有效提升。     

植被淹没程度对坡面流水动力学特性影响

为深入揭示植被覆盖条件下坡面水流结构的内在规律,采用水槽模拟试验,系统研究了植被处于淹没及非淹没工况下淹没度对坡面流水动力学特性的影响。研究结果表明:坡度一定条件下,平均流速和雷诺数与淹没度均成正相关关系;柔性植被覆盖下,水流流型由缓流区过渡到急流区,综合阻力系数随淹没度的增加而减小,刚性植被覆盖条件下水流流型均处于缓流区;综合阻力系数呈单驼峰形式变化;峰值处淹没度为0.9,淹没度对相对摩阻流速的影响与其对阻力系数呈相反变化趋势,基于淹没度的阻力计算经验公式决定系数均达到0.97以上;由于淹没度对各水动力学参数的影响受制于坡度,在坡面水土保持中应根据山区坡度和水深选择适当的植被高度。     

流域产沙模型的研究

由坡面泥沙颗粒的动力平衡条件,推导出坡面上细颗粒泥沙的起动切应力,由坡面径流的剩余输沙能力,导得坡面径流的侵蚀量计算公式,与文献[4]的雨滴溅蚀量计算公式一起,构成了概念清楚、过程明确、结构完整的流域产沙模型。产沙量取决于水流挟沙能力与可供沙量的对比关系,若水流挟沙能力小于供沙量,则产沙量等于水流挟沙能力;反之,水流将进一步冲刷表土,形成径流侵蚀,产沙量就等于供沙量与径流侵蚀量之和。据此,可计算出坡面和流域产沙量。模型在岔巴沟流域上应用,结果令人满意。     

细沟形态演变对坡面水沙过程的影响

为探明细沟形态演变对坡面产流产沙的互反馈作用,采用室内模拟降雨和三维地形扫描等手段对细沟形态演变中的水沙变化过程进行了研究。试验分析了黄土在不同雨强（66 mm/h、94 mm/h和127 mm/h）条件下,不同细沟发育阶段的水沙过程变化规律。结果表明,黄土细沟形态演变过程对产沙的影响较大,而对产流的影响较弱。径流量的变化过程主要取决于土体透水性、土壤的结皮作用以及产流方式,坡面产流量有先增大后减小最后趋于平稳的趋势;产沙量的变化过程与细沟发育进程有明显的对应关系,尤其是坡面地貌信息熵与产沙量和侵蚀速率的相关系数分别达到0.954和0.916,细沟的出现会加剧侵蚀,使含沙量明显增加;不同雨强下坡面产沙的变化规律基本相同,细沟沟网稳定后的产沙量与降雨强度呈正相关关系。     

恒定渗流作用泥石流碎屑物质起动判别模型研究

恒定渗流条件是泥石流碎屑物质起动的主要水动力条件之一,目前鲜有学者对其起动判别模型和坡体内水力学参数变化规律进行研究。初步选取结构简单的碎屑物质作为地质模型进行理论分析,建立起动判别模型,借助模型试验对坡体内水力学参数的变化规律进行探究,同时对判别模型进行验证,并与其他模型进行对比分析。结果表明,恒定渗流过程对碎屑物质起动的作用力主要包括渗透力及渗流冲刷力;渗流速度随底床坡度、入水流量的增大而增大,但随入水流量增加的幅度较小;平行于水流方向的总水头损失随底床坡度的增大呈先减小后增大趋势,随入水流量增大而增大;稳定系数与底床坡度间呈幂函数关系,关系系数因判别模型不同而有所差异;与其他模型相比,模型经严格推导,满足量纲分析和试验验证要求,精度更高。     

黄土缓坡片蚀过程及其水力参数适宜性试验研究

为确定黄土缓坡片蚀过程中侵蚀限制条件的变化及水力参数的适宜性,采用模拟降雨试验,在60 mm/h雨强、3种坡度（7.5°、10°、15°）和2种坡长（5 m和10 m）条件下,验证含沙量作为表征参量判定片蚀过程侵蚀限制条件的可行性,提出检验水力参数与产沙量作用关系适宜性的评价方法。结果表明:①依据含沙量随径流的变化规律,片蚀过程依次经历输沙能力限制阶段、剥蚀能力限制阶段Ⅰ和剥蚀能力限制阶段Ⅱ共3个侵蚀阶段,其中剥蚀能力限制阶段Ⅰ的侵蚀量占绝对优势。②从水力参数的适宜性来看,径流功率和雷诺数均能很好地表征与产沙量的关系,径流剪切力和弗劳德数则不能有效反映与产沙量的关系。③在不同侵蚀限制阶段,径流功率和雷诺数与产沙量的作用关系是不同的。输沙能力限制阶段和剥蚀能力限制阶段Ⅱ时,径流功率和雷诺数与产沙量分别呈指数关系和线性正相关关系;剥蚀能力限制阶段Ⅰ时,该2种水力参数均与产沙量呈线性负相关关系,但作用关系不唯一,且存在雷诺数临界值,即在输沙能力限制阶段和剥蚀能力限制阶段Ⅱ,径流功率和雷诺数与产沙量的作用关系不受坡长效应影响;在剥蚀能力限制阶段Ⅰ,需要同时考虑坡长和雷诺数临界值的共同影响。该研究结果可为深入理解片蚀过程的复杂性提供参考依据。     

坡沟系统坡面径流流态及水力学参数特征研究

利用变坡度坡沟系统概化模型和人工模拟降雨试验,定量分析了在60、90和130mm/h降雨强度下坡沟系统坡面径流流态及水力学参数特征。结果表明,上方汇水和降雨强度的增大使坡沟系统水流雷诺数和弗劳德数呈明显增大,水流流态由缓流演变为急流,坡面水流阻力系数明显减小,从而使坡沟侵蚀产沙量显著增大。     

坡面流层流区动力学特性

为完善坡面水流的基础理论研究,基于定床水槽试验,以甘油溶液为试验流体,采用超声波测量技术,进行了4种粗糙度、5种坡度和13种单宽流量条件下的组合试验,研究了坡面流层流区的动力学特性及滚波特征。研究结果表明:在雷诺数为8~160的范围内,流态指数在理论值0.33附近波动,且随粗糙度的增大呈现先增大后减小的变化趋势,在粗糙度为0.10 mm附近达到峰值;阻力系数受坡度和粗糙度影响显著,可较好地由坡度、粗糙度和雷诺数的关系式表示;随着雷诺数的增大,滚波波速和波峰均呈幂函数形式递增,滚波周期大小无明显变化;坡度的增大会使层流失稳临界单宽流量减小,粗糙度的增大会使临界弗劳德数的均值减小。     

黄土陡坡降雨冲刷试验及其三维颗粒流流-固耦合模拟

针对坡角为70°的黄土边坡,进行2.7 mm/min降雨强度下的室内坡面冲刷试验。根据边坡冲刷破坏的过程特征,将边坡侵蚀方式演变过程归纳为试验初期的片蚀、中期的细沟侵蚀、到后期的切沟侵蚀和坍塌。试验中坡顶处侵蚀强度大于其他部位,当坡面形成上下贯通的切沟之后,水流开始掏蚀沟槽底部土体,随着冲刷的持续,切沟两侧土体强度降低,坡顶土体发生坍塌。以此为基础利用三维颗粒流软件PFC3D对边坡降雨冲刷过程进行流-固耦合模拟,在模拟颗粒大变形的同时得到颗粒运动轨迹、孔隙率、流体单元内流速等重要参数,这些参数的定量变化过程反映了降雨过程中边坡遭受侵蚀程度及水流侵蚀能力的分布规律:坡顶处侵蚀最为强烈、水流侵蚀能力最强,且两者随高度降低呈减小趋势,与室内试验结果一致。     

降雨对黄土路基边坡的冲刷规律

针对干旱半干旱地区分布的黄土,利用室内路基模型通过冲刷试验,研究路基降雨冲刷破坏的过程,并利用PFC进行流-固耦合模拟,旨在研究黄土路基遭受水流侵蚀的坡面冲刷规律,找出适用路基抗雨水冲刷稳定性的边坡坡率。路基模型的边坡坡率为1∶0.50、1∶0.70、1∶1.00、1∶1.50、1∶1.75五个等级,模拟的降雨强度按4.0 mm/min、5.0 mm/min、7.0 mm/min、8.5 mm/min、10.0 mm/min五个等级,降雨历时30 min,进行室内降雨冲刷试验和PFC颗粒流模拟试验。获得不同降雨强度和边坡坡率条件下,降雨0 min、1 min、10 min、20 min、30 min的室内降雨冲刷坡面性状图片和PFC软件模拟的颗粒位移量,降雨30 min后坡面冲蚀的泥沙量。结果表明,不同的边坡坡率、降雨强度、降雨历时影响路基边坡坡面的冲刷量,适宜干旱半干旱地区黄土路基边坡坡率为1∶1.50~1∶1.75。