工程開挖面水土流失特征試驗(yàn)研究

張冠華，程冬兵，張平倉(cāng)，牛 俊，張長(zhǎng)偉

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水土保持研究所，武漢 430010)

工程開挖面水土流失特征試驗(yàn)研究

張冠華，程冬兵，張平倉(cāng)，牛 俊，張長(zhǎng)偉

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水土保持研究所，武漢 430010)

針對(duì)生產(chǎn)建設(shè)過程中工程開挖引發(fā)嚴(yán)重的水土流失問題，通過野外模擬降雨試驗(yàn)，研究了不同開挖坡度(30°，40°，50°)坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征。結(jié)果表明：坡度、雨強(qiáng)均能對(duì)開挖面產(chǎn)流、產(chǎn)沙過程造成重大影響，隨著坡度增大，不同雨強(qiáng)(0.65，1.15，1.65 mm/min)下開挖面產(chǎn)流、產(chǎn)沙參數(shù)值增大，產(chǎn)流率介于0.47～0.72 mm/min之間，徑流系數(shù)介于0.39～0.63之間；產(chǎn)沙率介于8.64～49.80 g/(m2·min)之間，徑流含沙量介于17.27～77.64 kg/m3之間；但在相同坡度下，隨著降雨強(qiáng)度的增大，產(chǎn)流、產(chǎn)沙參數(shù)值的變化存在差異。產(chǎn)流率隨雨強(qiáng)增大而增大，徑流系數(shù)的中(1.15 mm/min)、高(1.65 mm/min)雨強(qiáng)無明顯差異。坡度30°的開挖面產(chǎn)沙率隨雨強(qiáng)的增大而增大，坡度增大時(shí)，中、高雨強(qiáng)坡面產(chǎn)沙率接近；50°開挖面產(chǎn)沙率和徑流含沙量在3個(gè)雨強(qiáng)下呈高—低—高勢(shì)。試驗(yàn)成果為開挖面水土流失的預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治及水土保持監(jiān)督執(zhí)法提供科學(xué)依據(jù)。

開挖面；水土流失；產(chǎn)流產(chǎn)沙；雨強(qiáng)；模擬降雨；生產(chǎn)建設(shè)工程

1 研究背景

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展、城鎮(zhèn)化規(guī)模的不斷擴(kuò)大，大型水利水電、礦山開采、石油化工、交通運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目迅猛增長(zhǎng)。生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目不僅對(duì)原生下墊面造成擾動(dòng)、破壞，而且在工程建設(shè)過程中不可避免地產(chǎn)生大量的棄土棄渣，由此造成的水土流失強(qiáng)度高、范圍廣、危害大，嚴(yán)重危及人類賴以生存的水土資源和自然環(huán)境，給社會(huì)發(fā)展、生態(tài)安全以及人們的生產(chǎn)生活帶來威脅[1]。

工程開挖是生產(chǎn)建設(shè)過程中最典型的人為擾動(dòng)方式之一，所形成的開挖面物質(zhì)組成復(fù)雜、坡度陡、緊實(shí)度高、重度大，極易產(chǎn)生嚴(yán)重的水土流失[2]。張平倉(cāng)等[2]對(duì)工程開挖面特征及水土流失快速監(jiān)測(cè)進(jìn)行了初步探索，認(rèn)為開挖面坡度大多在30°～70°，坡長(zhǎng)主要為10 m左右，開挖時(shí)間大多在2 a之內(nèi)；同時(shí)界定了開挖面土壤流失量的監(jiān)測(cè)精度為t，監(jiān)測(cè)重點(diǎn)對(duì)象為有匯水影響、出現(xiàn)溝蝕、2 a內(nèi)的開挖面產(chǎn)生的土壤流失量。許文盛等[3]針對(duì)我國(guó)水蝕區(qū)不同類型生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目構(gòu)建了開挖面分類體系。程冬兵等[4]進(jìn)一步建立了開挖面單次降雨產(chǎn)生的土壤侵蝕量預(yù)測(cè)模型，并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

開挖面廣泛存在于各類工程建設(shè)活動(dòng)中，雖然我國(guó)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失的特點(diǎn)、成因、危害及其防治等方面取得了大量成果[5-6]，但是針對(duì)工程開挖面水土流失規(guī)律的研究非常有限。作為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失的重要來源，工程開挖面由于下墊面改變劇烈，其產(chǎn)生的水土流失既有傳統(tǒng)水土流失的共性，也有其自身的特殊性[4]。因此，迫切需要開展基礎(chǔ)性試驗(yàn)研究，以探索開挖面坡面侵蝕機(jī)理，為開挖面水土流失的預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治及水土保持監(jiān)督執(zhí)法提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)布設(shè)

模擬降雨試驗(yàn)在湖南省新化縣婁新高速公路段展開，選取3個(gè)坡度(30°，40°，50°)的開挖面(含水量約17.7%，密度約1.56 g/cm3)布設(shè)徑流小區(qū)。試驗(yàn)小區(qū)的布設(shè)是通過3塊鋼板(寬15 cm，厚2 mm)平行插入坡面圍建而成，規(guī)格均為3 m×1 m，留出露地高度約5.5 cm；小區(qū)底部設(shè)鐵制漏斗形水沙集流槽，用以匯集坡面徑流泥沙。

2.2 模擬降雨設(shè)備

降雨器采用長(zhǎng)江科學(xué)院水土保持研究所可移動(dòng)水土流失實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的下噴擺動(dòng)式人工降雨裝置。該降雨系統(tǒng)由模擬降雨器、供回水系統(tǒng)、水箱組成；模擬降雨器設(shè)有3組下噴搖擺式噴頭(噴嘴可更換3個(gè)型號(hào))，分自動(dòng)、手動(dòng)2種控制模式，以此調(diào)節(jié)雨量大??；其有效降雨面積為1 m×3 m，降雨高度2.4 m，可控制降雨強(qiáng)度20～170 mm/h，降雨均勻系數(shù)大于0.8，模擬降雨近似天然降雨。

2.3 指標(biāo)測(cè)定

(1) 雨前表土采集：降雨試驗(yàn)前，在小區(qū)附近用環(huán)刀取樣，以測(cè)定土壤重度及水分指標(biāo)；另采集一定土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，用于降雨前表層土壤的理化性質(zhì)分析。

(2) 雨強(qiáng)率定：每次降雨前用彩條布蓋住小區(qū)，其上均勻布置4個(gè)雨量筒，降雨5 min，測(cè)定降雨量，以此計(jì)算降雨強(qiáng)度及均勻度；均勻度誤差在5%～10%以內(nèi)可進(jìn)行試驗(yàn)，以4個(gè)點(diǎn)的平均值作為試驗(yàn)雨強(qiáng)；若誤差太大，需調(diào)整降雨器的噴頭，重新率定。根據(jù)多次率定結(jié)果，本研究采用低(0.65 mm/min)、中(1.15 mm/min)、高(1.65 mm/min)3個(gè)雨強(qiáng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

(3) 降雨侵蝕過程觀測(cè)：降雨開始后即計(jì)時(shí)，記錄開始產(chǎn)流時(shí)間；根據(jù)產(chǎn)流強(qiáng)度確定取樣頻次，用塑料桶收集全部徑流泥沙過程樣。

(4) 產(chǎn)流、產(chǎn)沙量：降雨結(jié)束后記錄降雨歷時(shí)及結(jié)束產(chǎn)流時(shí)間；測(cè)定桶內(nèi)徑流量，攪動(dòng)均勻，用小瓶子收集100 mL混合樣，帶回實(shí)驗(yàn)室用以測(cè)定含沙量，進(jìn)一步計(jì)算產(chǎn)流、產(chǎn)沙量。

3 結(jié)果與分析

3.1 平均產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征描述

圖1為坡度和雨強(qiáng)綜合作用下的開挖面產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征值，從中可知，在本試驗(yàn)條件下，隨著坡度的增大，不同雨強(qiáng)下平均產(chǎn)流、產(chǎn)沙參數(shù)值是增大的。產(chǎn)流率介于0.47～0.72 mm/min之間，徑流系數(shù)介于0.39～0.63之間；產(chǎn)沙率介于8.64～49.80 g/(m2·min)之間，徑流含沙量介于17.27～77.64 kg/m3之間。但在相同坡度下，隨著降雨強(qiáng)度的增大，產(chǎn)流、產(chǎn)沙參數(shù)值的變化存在差異。由圖1(a)可知，3個(gè)坡度產(chǎn)流率均隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大；3個(gè)坡度徑流系數(shù)在小雨強(qiáng)0.65 mm/min下分別為0.181，0.371，0.585；中(1.15 mm/min)雨強(qiáng)下分別增大到0.503，0.697，0.659；雨強(qiáng)繼續(xù)增大，徑流系數(shù)并未呈增加趨勢(shì)。中、高雨強(qiáng)差異不明顯(圖1(b))，30°坡面產(chǎn)沙率隨雨強(qiáng)的增大而增大，在3.492～15.230 g/(m2·min)之間，坡度增大時(shí)中、高雨強(qiáng)坡面產(chǎn)沙率接近，50°坡面小雨強(qiáng)(0.65 mm/min)的產(chǎn)沙率最高，為65.762 g/(m2·min)；3個(gè)雨強(qiáng)呈高—低—高勢(shì)。同樣，徑流含沙量在30°和40°坡面不同雨強(qiáng)未呈增大趨勢(shì)，而在50°坡面呈高—低—高勢(shì)，小雨強(qiáng)(0.65 mm/min)含沙量最大，為138.284 kg/m3。

圖1 不同坡度、雨強(qiáng)下開挖面產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征Fig.1 Characteristics of runoff and sediment yield of excavated slope with different slope gradients under different rainfall intensities

綜合以上分析，雨強(qiáng)、坡度及可能的交互作用對(duì)開挖面產(chǎn)流、產(chǎn)沙均能造成影響。本試驗(yàn)僅對(duì)3個(gè)坡度3個(gè)雨強(qiáng)進(jìn)行了研究，后續(xù)工作可在較大坡度范圍內(nèi)展開，深入探索坡度、雨強(qiáng)的影響作用，是否存在坡度閾值以及二者間的相互作用對(duì)侵蝕產(chǎn)沙的影響。

3.2 雨強(qiáng)、坡度對(duì)開挖面產(chǎn)流、產(chǎn)沙過程的影響

圖2 不同坡度開挖面產(chǎn)流、產(chǎn)沙過程Fig.2 Processes of runoff and sediment yield of excavated slope with different slope gradients

圖3 開挖面產(chǎn)流、產(chǎn)沙累積過程曲線Fig.3 Accumulated runoff and sediment processes of excavated slopes

由圖2可知，不同坡度開挖面產(chǎn)流后4 min開始趨于穩(wěn)定，而產(chǎn)沙過程在中(1.15 mm/min)、低(0.65 mm/min)雨強(qiáng)下變化平緩，大雨強(qiáng)(1.65 mm/min)呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)趨勢(shì)；50°坡面小雨強(qiáng)產(chǎn)流8 min達(dá)到峰值140.147 g/(m2·min)，其后產(chǎn)沙率迅速下降，至產(chǎn)流12 min時(shí)達(dá)到一個(gè)低值42.786 g/(m2·min)，隨后產(chǎn)沙率有上升的趨勢(shì)。從產(chǎn)流、產(chǎn)沙累積過程曲線(圖3)可以看到，除50°坡面累積產(chǎn)沙量外，不同坡度累積產(chǎn)流、產(chǎn)沙量隨雨強(qiáng)的增大表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，即雨強(qiáng)越大，累積產(chǎn)流、產(chǎn)沙量曲線的斜率也越大，且各坡度開挖面其累積曲線的斜率在整個(gè)降雨過程中基本上保持不變。50°開挖面不同雨強(qiáng)下累積產(chǎn)沙過程差異較大，其小雨強(qiáng)(0.65 mm/min)累積產(chǎn)沙過程呈曲線上升形式，斜率最大且整個(gè)過程不斷變化；大雨強(qiáng)(1.65 mm/min)累積曲線次之，其在前12 min近直線，產(chǎn)流12 min后呈曲線上升；中雨強(qiáng)(1.15 mm/min)累積曲線的斜率在整個(gè)產(chǎn)流過程中保持平滑上升趨勢(shì)。

通常工程開挖形成的坡面較陡，降雨時(shí)即便是很小的雨強(qiáng)也可能造成嚴(yán)重的水土流失。本研究開挖面已形成穩(wěn)定侵蝕面，土壤堅(jiān)實(shí)(重度約1.56 g/cm3)，不同雨強(qiáng)、坡度下的產(chǎn)流過程基本一致，但產(chǎn)沙過程存在差異。

前文分析也顯示， 30°和40°坡度的開挖面大雨強(qiáng)產(chǎn)沙過程波動(dòng)較大，50°開挖面小雨強(qiáng)下產(chǎn)沙過程也呈現(xiàn)出較大變化，且累計(jì)產(chǎn)沙量差異明顯。這說明雨強(qiáng)、坡度對(duì)開挖面產(chǎn)沙的影響大于產(chǎn)流，進(jìn)一步的研究工作同樣需探索開挖坡度、降雨強(qiáng)度與坡面侵蝕產(chǎn)沙的耦合關(guān)系。此外，本試驗(yàn)降雨歷時(shí)較短，由此導(dǎo)致降雨產(chǎn)流過程觀測(cè)時(shí)間有限，坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙的時(shí)間變化特征有可能受到影響，因此后續(xù)工作也要對(duì)降雨歷時(shí)加以考慮，以完善試驗(yàn)設(shè)計(jì)，探索開挖面水土流失時(shí)空變化規(guī)律。

4 結(jié)論與建議

本文對(duì)湖南省新化縣婁新高速公路段不同坡度(30°，40°，50°)開挖邊坡雨強(qiáng)(0.65，1.15，1.65 mm/min)影響下的坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示：開挖坡度、降雨強(qiáng)度均能影響開挖面產(chǎn)流、產(chǎn)沙；平均產(chǎn)流率、徑流系數(shù)、產(chǎn)沙率及徑流含沙量隨坡度的增大而增大；產(chǎn)沙過程波動(dòng)較大，坡度、雨強(qiáng)對(duì)產(chǎn)沙過程的影響比產(chǎn)流過程明顯，這種現(xiàn)象在本研究區(qū)域及前期研究——南水北調(diào)中線干線工程石家莊段均有反映。

綜合2個(gè)地區(qū)的研究結(jié)果，后續(xù)工作需圍繞降雨強(qiáng)度、開挖坡度、降雨歷時(shí)及開挖面土壤質(zhì)地展開，深入探索這些因素及其相互作用對(duì)工程開挖面水土流失的影響機(jī)制，并進(jìn)一步確立關(guān)鍵影響因子。此外，為了更加直觀地模擬坡面侵蝕空間分布及特征，前期研究采用三維激光掃描儀對(duì)降雨侵蝕后的坡面進(jìn)行掃描，獲取坡面DTM和坡面侵蝕深度分布圖，對(duì)坡面侵蝕的空間分布及坡面形態(tài)進(jìn)行三維顯示。由于試驗(yàn)條件限制，本研究未進(jìn)行此方面的分析，無法形成比較。而土壤侵蝕過程的直接結(jié)果是坡面形態(tài)發(fā)生變化，由于降雨、地形、下墊面等因素對(duì)侵蝕影響的程度不同，導(dǎo)致坡面形態(tài)侵蝕程度不同，因此，后續(xù)研究可充分利用三維激光掃描技術(shù)，提高其在土壤侵蝕研究中的應(yīng)用，以更直觀地展示侵蝕的發(fā)生、發(fā)展過程。

[1] 趙 暄,謝永生,景民曉,等.生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目棄土堆置體的類型與特征[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2013,11(1): 88-94.(ZHAO Xuan,XIE Yong-sheng,JING Min-xiao,etal.Types and Characteristics of Spoilbank in Development Construction Project[J].Science of Soil and Water Conservation,2013,11(1): 88-94.(in Chinese))

[2] 張平倉(cāng),周 若,程冬兵,等.工程開挖面特征及土壤流失量快速監(jiān)測(cè)方法探討[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2013,30(9): 22-26.(ZHANG Ping-cang,ZHOU Ruo,CHENG Dong-bing,etal.Discussion on Characteristics of Engineering Excavated Slope and Rapid Monitoring Technology for Soil Loss[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2013,30(9): 22-26.(in Chinese))

[3] 許文盛,童曉霞,李亞龍,等.水蝕區(qū)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目用地開挖面分類體系及其應(yīng)用[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2014,12(1): 75-80.(XU Wen-sheng,TONG Xiao-xia,LI Ya-long,etal.Classification of Artificially Excavated Surfaces in Construction Project Lands and Its Application in Water Erosion Areas[J].Science of Soil and Water Conservation,2014,12(1): 75-80.(in Chinese))

[4] 程冬兵,張長(zhǎng)偉,張平倉(cāng),等.工程開挖面土壤侵蝕模型的構(gòu)建[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30(10): 106-112.(CHENG Dong-bing,ZHANG Chang-wei,ZHANG Ping-cang,etal.Construction of Soil Erosion Model of Engineering Excavated Slope[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2014,30(10): 106-112.(in Chinese))

[5] 趙永軍.生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治技術(shù)綜述[J].中國(guó)水土保持，2007，(4)：47-50.( ZHAO Yong-jun.Review of Soil and Water Conservation Technology for Construction Projects[J].Soil and Water Conservation of China,2007，(4): 47-50.(in Chinese))

[6] 李 璐,袁建平,劉寶元.開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水蝕量預(yù)測(cè)方法研究[J].水土保持研究，2004，11(2)：81-84.(LI Lu,YUAN Jian-ping,LIU Bao-yuan.Review on Soil Erosion Prediction in Construction Projects[J].Research of Soil and Water Conservation,2004,11(2): 81-84.(in Chinese))

(編輯：姜小蘭)

Experimental Study on Soil Erosion Characteristics ofEngineering Excavated Slope

ZHANG Guan-hua,CHENG Dong-bing,ZHANG Ping-cang,NIU Jun,ZHANG Chang-wei

(Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China)

Engineering excavated slope is the key source of soil and water loss in project construction.In this research,field simulated rainfall experiments were conducted to study the effects of slope gradient (30°,40°,50°) and rainfall intensity (0.65,1.15,and 1.65 mm/min) on runoff and sediment yield characteristics of excavated slope.Results showed that both slope gradient and rainfall intensity have significant effect on runoff and sediment yield.As slope gradient increases,runoff and sediment parameter values increase in the presence of different rainfall intensities,with runoff rate being 0.47-0.72 mm/min,runoff coefficient 0.39-0.63,sediment rate 8.64-49.80 g/(m2·min),and sediment concentration 17.27-77.64 kg/m3.But in the presence of the same slope gradient,runoff rate increases with rainfall intensity increasing,and runoff coefficient has no obvious difference for medium (1.15 mm/min) and high (1.65 mm/min) rainfall intensity.For excavated slope of 30° gradient,the sediment rate increases with rainfall intensity increasing;while the sediment rate under medium and high rainfall intensities is very close when the slope gradient increases.For excavated slope of 50° gradient,the sediment rate and sediment concentration are high,low,and high respectively under the three rainfall intensities.

excavated slope;soil and water loss;runoff and sediment yield;rainfall intensity;simulated rainfall;construction project

2015-01-09 ；

2015-01-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41301298)；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng) (201201048)；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(CKSF2014025/TB)

張冠華(1983-)，女，內(nèi)蒙古赤峰人，高級(jí)工程師，博士，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究，(電話)027-82926365(電子信箱)zgh83113@126.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.03.006

S157.1

A

1001-5485(2015)03-0027-04

2015,32(03):27-30