張以森,郭相平,吳玉柏,周華強
(1.河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室,江蘇南京 210098; 2.江蘇省水利科學(xué)研究院,江蘇南京 210017)
我國正處在城市化、工業(yè)化和現(xiàn)代化進程中,各類工礦企業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施在施工建設(shè)和生產(chǎn)運行過程中產(chǎn)生了大量的擾動土和擾動坡面,使得建設(shè)項目區(qū)域內(nèi)水力侵蝕現(xiàn)象嚴重,其產(chǎn)沙量增加至建設(shè)期之前的30~80倍[1].建設(shè)項目引起的水土流失,不僅破壞土地資源,而且會危及施工現(xiàn)場及附近居民的安全.工程擾動土堆積,不僅占用土地、破壞植被,降雨引起的水土流失還會污染水體,影響環(huán)境,甚至導(dǎo)致堆土滑塌,堵塞道路和排水系統(tǒng),給人民生命和財產(chǎn)安全造成威脅.與一般自然坡面的侵蝕不同,擾動土的堆積坡度可由人為控制,并受到土壤質(zhì)地和施工機械爬坡能力的影響.通過合理控制邊坡,可以改變擾動土的侵蝕強度,并盡可能減少堆土的占地面積.目前,建設(shè)項目擾動土的研究主要集中在侵蝕模數(shù)的預(yù)測方面[2-4],對其結(jié)合施工機械爬坡能力和占地,尋求適當(dāng)堆土坡度以及侵蝕規(guī)律的研究較少.筆者通過模擬試驗,對江蘇省高沙土區(qū)擾動土堆積坡面的侵蝕規(guī)律進行了研究,以期對于施工過程中堆土的防護有所幫助.
試驗于2009年8—9月在南京林業(yè)大學(xué)人工模擬降雨大廳進行,降雨設(shè)備為下噴式人工降雨器,降雨高度為6m,有效降雨面積為30m2,降雨均勻度在85%以上.試驗土槽為移動式變坡鋼槽,尺寸為2m×3m×0.3m,縱向坡長為3m.鋼槽下有小孔,用來模擬水分下滲.坡度調(diào)節(jié)范圍為0°~45°.根據(jù)堆土機械的攀爬能力和沙土內(nèi)摩擦角,本文試驗設(shè)計5°,10°,15°,20°,26.5°(1∶2坡度)5個坡度.試驗設(shè)計的降雨強度為50mm/h,次降雨量分別為5mm,15mm,25mm,45mm,65mm,共25個處理,各處理重復(fù)2次,共50次.各處理取平均值進行計算和分析.
試驗土壤為江蘇通南地區(qū)高沙土,取自如皋市搬經(jīng)鎮(zhèn),有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為0.56%,土壤各粒級質(zhì)量分數(shù):大于0.05mm為74.2%,0.01~0.05mm為5.42%,0.001~0.01mm為16.23%,小于0.001mm為4.15%.土壤自然風(fēng)干后,去除樹葉、石塊等雜物,在鋼槽底部鋪紗布,然后分層裝土,每層厚5 cm,按1.35g/cm3干密度逐層壓實,土壤層總厚度為20cm.裝滿后將表土平整壓實.
每次試驗的前1天下午,將鋼槽坡度調(diào)整為10°,在50mm/h的雨強下對坡面降雨,坡面剛好產(chǎn)流時停止降雨,以保證每次降雨的下墊面條件一致,減少試驗土槽的空間變異性.
試驗前將鋼槽用防水布覆蓋防水,鋼槽周圍放上量雨筒.調(diào)節(jié)降雨強度直至設(shè)計雨強,穩(wěn)定后打開防水布開始試驗.
a.徑流量:每個鋼槽的出口處放置一個水桶,采用體積法測定.
b.泥沙濃度:開始產(chǎn)流后,每隔2min在鋼槽出口處接取200mL水樣,然后用烘干法測量泥沙濃度.
c.侵蝕量:降雨結(jié)束后,把桶中徑流產(chǎn)物充分攪勻,迅速取出1L水樣,用烘干法測泥沙量,根據(jù)總徑流量計算總侵蝕量.
圖1 坡度對泥沙質(zhì)量濃度的影響(降雨量45mm)Fig.1 Effect of slope angle on sediment concentration (rainfall amount of 45mm)
產(chǎn)流初期,泥沙濃度比較低,5min后,各坡度徑流中泥沙質(zhì)量濃度快速上升并達到最大值,然后隨著時間延續(xù)而逐漸下降,下降趨勢較為平緩,如圖1所示.
產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因可能是:(a)降雨初期,土壤表面疏松,雨滴擊濺侵蝕強烈,形成大量細小土壤顆粒,導(dǎo)致泥沙質(zhì)量濃度迅速上升;(b)隨著降雨延續(xù),初期產(chǎn)生的細小顆粒填充了原有的土壤空隙,表土板結(jié)形成致密層,土壤顆粒作用力增大,抗蝕能力增加.土壤結(jié)構(gòu)變得密實,導(dǎo)致泥沙質(zhì)量濃度降低.土壤板結(jié)造成入滲率降低,坡面徑流深度增加,削弱了雨滴擊濺侵蝕能力,并可降低坡面水流的紊動程度,導(dǎo)致水流挾沙能力下降.
從圖1還可以看出,隨著坡度的增加,坡面徑流中泥沙質(zhì)量濃度迅速提高,在接近20°時達到極值.當(dāng)坡度超過20°時,泥沙質(zhì)量濃度趨于穩(wěn)定,表明試驗所采用之?dāng)_動沙土的臨界坡度為20°~26.5°.
由圖2看出,在不同坡度的情況下,徑流量隨著降雨量的增大而線性增加,達到極顯著相關(guān)水平,且隨著坡度增加,直線斜率(類似于徑流系數(shù))增加,見表1.由圖3可見,侵蝕量與降雨量之間的關(guān)系近乎直線,這與以往研究結(jié)論相一致[5-8].坡度較小時(小于15°),降雨初期單位降雨量的侵蝕量很小,存在產(chǎn)生侵蝕的最小啟動雨量(約為5mm),而后增加速率較快,這與初期入滲速率大、產(chǎn)流少有關(guān).坡度較大時,最小啟動雨量變小,且初期侵蝕速率高于后期,這與早期徑流中泥沙濃度較高相一致(見圖1).
圖2 徑流量與降雨量的變化Fig.2 Relationship between runoff amount and rainfall amount
圖3 土壤侵蝕量與降雨量的變化Fig.3 Relationship between erosion amount and rainfall amount
坡度小于20°時,在雨量較小(小于25mm)的情況下,侵蝕量隨坡度的增加而提高的速率不大,在高雨量(大于25mm)情況下,侵蝕量則隨坡度增加而迅速升高,如圖4所示.對于各種雨量,坡面在15°~20°之間有劇烈躍升,并在20°時達到極值.超過該坡度,侵蝕量開始下降,如圖3所示.這表明,擾動高沙土的臨界坡度在20°~26.5°之間,這與陳發(fā)揚等[9-12]的研究相一致.
隨著坡度的增加,濺蝕侵蝕量增加,坡面流速加快,徑流侵蝕能力增加,而且斜坡土體的重力分量增加,土壤顆粒更易被徑流沖走.上述因素使得侵蝕量隨坡度增加有增大的趨勢.另一方面,隨著坡度的增大,承雨面變小,單位土面面積徑流量及沖刷量也相應(yīng)變小,這兩方面因素相互作用導(dǎo)致臨界坡度出現(xiàn).
表1 徑流量、侵蝕量與降雨量的回歸方程Table 1 Regression equations for runoff amount,erosion amount and rainfall amount
圖4 土壤侵蝕量隨坡度的變化(雨強mm/h)Fig.4 Relationship between erosion amount and slope angle(rainfall intensity:mm/h)
對于擾動土而言,通過坡面控制土壤侵蝕強度的作用是明顯的.可以看出,坡度為20°時,5mm降雨量產(chǎn)生的侵蝕量遠大于15°,25mm時的侵蝕量,25mm降雨量產(chǎn)生的侵蝕量大于15°,65mm時的侵蝕量.超過20°,侵蝕量隨坡度增加有降低的趨勢,但對于絕大部分行走式推土、裝卸設(shè)備而言,施工機械無法安全上行.而且,由于高沙土的內(nèi)摩擦角小、坡度過大,容易引起重力侵蝕(坍塌、滑坡等),危及施工和周圍地區(qū)安全.因此,高沙土擾動坡面的堆放坡度應(yīng)盡量控制在20°以內(nèi).
相同雨強(mm/h)下,對5°~20°坡面侵蝕量和坡度關(guān)系進行回歸分析,結(jié)果如表2所示,表中,y為侵蝕量,g/m2;x為坡度;F0.01=34.12,F(xiàn)0.05=10.13.由表2和表3可以看出,隨著降雨量增加,侵蝕量與坡度之間的相關(guān)性(F值)增加,在20°時達到極值,然后開始降低.在降雨量為5mm時,侵蝕量與坡度的回歸方程不顯著;降雨量較大時(15~25mm)達到顯著水平;在45mm和65mm降雨量時,達到了極顯著水平.產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是:降雨量較小時,徑流量和侵蝕量也較小,放大了外部因素對土壤侵蝕的影響;而當(dāng)降雨量較大時,外部因素對土壤侵蝕的影響相對較小.
表2 侵蝕量與坡度的回歸方程Table 2 Regression equations for erosion amount and slope angle
降雨量越大,徑流量也越大,土壤的侵蝕量也就越大.經(jīng)回歸分析表明,侵蝕量和徑流量呈線性相關(guān),侵蝕量與徑流量在0.01水平上顯著,達到極顯著水平,如表3所示.表中,y為侵蝕量,g/m2;x為徑流量,L/m2; F0.01=21.20,F(xiàn)0.05=7.71.表3表明,控制徑流量,采用鋪蓋防水、設(shè)置排水溝等方法,是減少擾動土坡面土壤侵蝕量的有效手段.
表3 侵蝕量和徑流量的回歸方程Table 3 Regression equations for erosion amount and runoff amount
進一步分析還可以發(fā)現(xiàn),隨著坡度增加,單位徑流量的侵蝕量(相當(dāng)于流出坡面時的挾沙能力)增加,然后降低,呈現(xiàn)出明顯的拋物線關(guān)系,如圖5所示.
圖5 坡度與單位徑流侵蝕量關(guān)系Fig.5 Relationship between slope angle and soil erosion by runoff per unit
a.擾動高沙土坡面降雨初期徑流泥沙質(zhì)量濃度較高,而后呈逐漸下降趨勢.
b.侵蝕量與降雨量正相關(guān).低于15°時,存在產(chǎn)生侵蝕最小啟動雨量,約為5mm.
c.擾動高沙土在20°~26.5°之間存在臨界坡度.與降雨量相比,坡度對侵蝕量的影響更為明顯.考慮到施工機械爬坡能力和高沙土的內(nèi)摩擦角較小,將擾動堆土坡面控制在20°以內(nèi)對降低侵蝕較為有利.
d.侵蝕量與徑流量正相關(guān).單位徑流的侵蝕量與坡度呈拋物線關(guān)系.坡面超過15°時,通過技術(shù)措施減少坡面徑流量是控制坡面侵蝕的有效手段.
e.上述結(jié)論僅為室內(nèi)模擬試驗所得,其正確性有待進一步證實.
對土壤侵蝕較為嚴重的降雨類型為暴雨,本文試驗所用的降雨強度達到了暴雨級別,因此試驗結(jié)論適合于強降雨下的降雨侵蝕,中小雨強下的侵蝕規(guī)律還需要進一步研究.本文試驗中的侵蝕為坡面侵蝕,沒有發(fā)生溝蝕現(xiàn)象.
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