银西高铁董志塬地区边坡侵蚀特性分析

黄土坡面侵蚀特性研究对于铁路边坡及路基防护具有重要的意义。通过银西高铁董志塬段某路基护坡坡面冲刷试验,获得了不同冲刷历时、冲刷流量、坡度等条件下的坡面冲刷结果,并对坡面流水动力学特性、坡面产沙规律、坡面产沙机理进行了分析,得出以下结论:（1）坡顶和坡底比坡面中部更易受侵蚀;30°～60°斜坡在较小的冲刷强度下也能产生较明显的侵蚀沟,宜采取45°左右的多级矮坡来减弱侵蚀强度。（2）坡面流水动力学特性分析表明,试验工况水流主要处于过渡流区;平均流速与冲刷流量、坡度呈幂函数关系;达西阻力系数与冲刷流量、坡度呈负相关,且与雷诺数相关性较低。（3）平均含沙量随冲刷流量与坡度的增大而增大,随历时近似线性增加,约20 min以后,含沙量基本稳定,此过程为坡面沟道发展阶段。（4）坡面侵蚀产沙量与侵蚀切应力、有效水流功率都呈正相关,与前者近似呈线性增大关系,而与后者近似呈幂函数关系。     

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。     

黄土边坡降雨侵蚀特征的物理模拟试验研究

黄土边坡的侵蚀破坏是引起黄土地区公路边坡自然灾害的主要诱因。通过建立室内边坡降雨冲刷物理模型, 进行黄土边坡侵蚀破坏的模拟试验, 再现边坡溅蚀、片蚀、沟蚀、坍塌的基本破坏过程, 并对坡面降雨冲刷的演变过程和侵蚀机理进行了细致的描述和分析。试验表明:在一定的降雨雨强下, 径流TSS(携砂能力)和单位面积侵蚀泥沙量随着试验坡度的增加逐渐增加, 而径流总量、侵蚀干泥沙量随着坡度的增加而相应变小。同时, 黄土边坡侵蚀冲刷过程中的主要侵蚀能力参数如坡面径流总量、汇流干泥沙量、侵蚀干泥沙量等与降雨雨强之间存在相应的关系。     

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。     

赣北红土区工程堆积体坡面水动力特性

为探明锥状工程堆积体坡面薄层水流剥蚀率与水力要素之间的关系, 室内模拟赣北红土区散乱锥状工程堆积体。通过人工降雨试验, 设计4种降雨强度(1.0~2.5mm/min)和3种砾石含量(10%~30%)完全组合。采用灰色关联度分析法, 评估坡面水力参数与土壤剥蚀率之间的关联度。结果表明:① 在试验条件下, 坡面水流功率与土壤剥蚀率呈幂函数关系;② 当堆积体砾石含量一定时, 以降雨强度为变量能反映堆积体坡面水力参数与土壤剥蚀率之间的关联度;③ 当降雨强度一定时, 大雨强下(≥1.5mm/min)堆积体砾石含量不宜作为灰色关联度分析的变量。综上所述, 水流功率是描述赣北红土区锥状工程堆积体侵蚀过程的最佳水力参数, 可用于建立堆积体侵蚀物理模型。     

黄土丘陵区堆积体边坡对上方来水的侵蚀响应

为探明上方来水类型对工程堆积体高陡边坡下部冲刷侵蚀的定量影响,以神府高速公路沿线典型工程堆积体陡坡坡面(36°)为例,设计4种上方来水类型,通过野外放水冲刷试验分析了不同上方来水类型下堆积体坡面的径流侵蚀输沙过程.结果表明:①上方来水类型对堆积体坡面下部的产流影响较小,却干扰了坡面侵蚀产沙过程,造成土壤流失量增加;②径流深、单宽径流侵蚀力和水流功率均可以较好地预测堆积体边坡下部输沙模数的变化;③单宽径流侵蚀功率可以作为表征坡面尺度次径流事件中径流侵蚀力变化的指标.研究结果可为工程堆积体土壤侵蚀强度评价、侵蚀模型建立及新增水土流失防治提供参考.     

降雨侵蚀力对露天矿排土场边坡水土流失的影响研究

降雨侵蚀力反应降雨引起的土壤侵蚀潜在能力,是水土保持研究中的主要指标之一。以露天煤矿排土场不同覆盖类型边坡为研究对象,分析了日降雨侵蚀力与边坡侵蚀的关系。结果表明,从控制坡面径流深来看,降雨侵蚀力的作用受到了乔灌草和灌草配置的显著影响,其产生的坡面径流仅为对照区的42.9%和52.6%。从控制坡面侵蚀量来看,三种植物配置措施都具有显著减少功能,土壤侵蚀量仅为对照区的2.3%~6.7%。降雨侵蚀力与边坡水土流失量存在线性正相关,其中坡面径流深对降雨侵蚀力的响应快于土壤侵蚀量。     

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。     

黄土坡面侵蚀产沙时空演变的REE示踪技术研究

室内交叉布设不同的稀土氧化物,通过人工模拟次降雨,在同一试验条件下,对坡面侵蚀沿顺坡方向和深度方向的演变过程同时展开研究。结果表明:REE示踪技术对定量研究土壤侵蚀具有较高的精度;降雨前期,片蚀与细沟侵蚀发育程度基本相当;后期细沟侵蚀占据坡面侵蚀的主导地位,其侵蚀平均加速度和平均侵蚀率分别是片蚀的15倍、9倍;试验结束,细沟侵蚀占据坡面总侵蚀的90%;本试验条件下,坡面下1/3区域为侵蚀活跃带。     

土壤侵蚀的中子活化示踪法研究

利用中子活化示踪法研究坡面土壤的侵蚀过程,发现坡面的相对侵蚀量从坡脚到坡顶随坡长的变化符合Weibull分布,其形状参数主要受降雨量、降雨历时和径流深度的影响,尺度参数主要与平均雨强、I₃₀相关.坡面在侵蚀的同时也发生沉积,一般来说短历时高强度的降雨沉积量较小,而长历时低强度的降雨沉积量较大,某一部位侵蚀产沙的沉积量与其距离之间有y=axb的关系.坡面径流直接影响着坡面的输移比,当径流深和径流系数较高时,输移比接近于1,否则输移比降低.     

人工掏挖坡面侵蚀微地貌演化及其水力学特性分析

人工掏挖是黄土高原地区夏闲地翻耕时广为应用的耕作方式,为探明其坡面侵蚀过程,利用三维激光扫描仪及ArcGIS软件,阐明其在人工模拟间歇降雨下坡面微地貌、侵蚀产沙及水力学参数演变规律。结果表明:①坡面侵蚀历经溅蚀-片蚀、断续细沟、连续细沟3个阶段;降雨截止时细沟平面密度、平均沟深、最大沟长和最大沟深分别增至初始的1.42倍、2.24倍、15.5倍和2.43倍。②地表糙度随降雨历时推移从1.706呈近似线性趋势减小至1.488;累积降雨量达80 mm之前,径流量、含沙量随地表糙度的减小增加缓慢,但之后随地表糙度减小增加剧烈。③降雨过程中流速呈现波动增加趋势,水流由层流快速过渡至紊流,但始终保持为缓流,水流阻力呈波动下降,且形态阻力一直居于主导地位。人工掏挖耕作坡面在雨强1.5 mm/min、降雨量80 mm以内可起到蓄水保土作用,但在连续强降雨下也更易引起细沟侵蚀。     

植被影响下坡面侵蚀临界水流能量试验研究

坡面侵蚀临界水流能量是反映土壤抗蚀作用强弱的重要特征值.利用人工模拟降雨试验,定量研究了在45mm/h、87 mm/h和127 mm/h降雨强度下、20°陡坡面裸地、草地和灌木地的坡面侵蚀临界水流能量.结果表明,不同植被条件下坡面输沙率随径流切应力、单位水流功率和断面比能的增大而增大,有良好的响应关系.裸地、草地和灌木...     

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。     

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。     

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。     

土壤侵蚀链内细沟浅沟切沟流动力机制研究

通过模拟降雨试验的方法,系统研究了细沟流流速与流量、水深与流量、流速与水深及阻力系数与雷诺数之间的关系,雨强与坡度对细沟流水力特性的影响,不同细沟流流型、流态及水动力要素作用下的侵蚀特点,并对浅沟与切沟流的水动力特性及侵蚀规律进行了初步探讨.研究结果对于揭示土壤侵蚀链内不同侵蚀方式下的水沙流动力学机制,以及土壤侵蚀演化规律具有重要意义.     

植被作用下土壤抗剪强度和径流侵蚀力的耦合效应

利用野外径流小区动态监测和人工模拟降雨试验,阐明了草被和灌木的减流减沙效应,从力学层面揭示了坡面侵蚀产沙的过程机理。结果表明,与裸地相比,野外坡面草地和灌木地径流量分别减少28.1%~56.5%和85.7%~100%、产沙量分别减少84.9%~90.7%和98.5%~100%;在人工模拟降雨强度下,草地和灌木地径流量分别减少51.9%~90.9%和61.7%~80.6%、产沙量分别减少93.6%~99.2%和95.5%~99.2%;植被具有明显的增强土壤抗剪强度的作用,不同植被坡面抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比,且符合库仑定律;不同下垫面条件下土壤黏聚力与坡面径流量和侵蚀产沙量呈显著的负相关关系,随着黏聚力的增大,径流量和侵蚀产沙量呈下降趋势;草地和灌木地坡面侵蚀临界径流切应力分别为裸地的2.64~3.16倍和2.44~3.18倍,建立了不同被覆坡面临界径流切应力与土壤抗剪强度和黏聚力的关系。研究结果对定量评价植被减蚀作用和深化土壤侵蚀力学过程有一定的参考意义。