汶川震区滑坡堆积体坡面土壤侵蚀率及水动力学参数研究

汶川震区滑坡堆积体土石结构松散,在降雨径流作用下易产生剧烈沟蚀,导致严重的水土流失,研究堆积体水流泥沙输移运动规律具有重要意义。根据野外调查结果,采用4种石土比(质量比分别为0∶1、1∶3、1∶2和1∶1),3级流量(4、8、12 L min-1),在近临界休止角34°和36°条件下进行放水冲刷试验,研究汶川震区滑坡堆积体土壤侵蚀率和水动力学参数的变化特征及其关系。结果表明:随着冲刷时间的推延,土壤侵蚀率、水流功率和单位水流功率逐渐减小,水流剪切力先增加后减小,过水断面单位能量先减后增再减小。全土以及石土比分别为1∶3和1∶1条件下,土壤侵蚀率、水流剪切力、水流功率和过水断面单位能量随流量的增加而增大;在石土比1∶2条件下,土壤侵蚀率随流量的增加而增大,水流剪切力、水流功率和过水断面单位能量随流量的增加,变化规律不稳定。水流剪切力、水流功率和过水断面单位能量对土壤侵蚀率的影响均可用幂函数方程描述,而单位水流功率的影响不显著。该结果可为汶川震区滑坡堆积体坡面土壤侵蚀模型的建立奠定基础。     

汶川震区滑坡堆积体坡面人工降雨入渗模拟研究

以汶川震区滑坡堆积体为研究对象,采用室内人工模拟降雨方法,探讨了堆积体坡面的入渗规律,并分析了滑坡堆积体在不同土石比(1∶1,1∶2和1∶4)、降雨强度(1.0,1.5,2.0mm/min)和坡度(40°,35°和30°)条件下的入渗特征。结果表明:(1)3种不同的土石比堆积体在不同的降雨强度条件下,土壤入渗率和累计入渗量所表现的规律各不相同,且两者之间差异显著;(2)根据3种入渗模型的对比分析,可知Horton模型为最适合震区堆积体的入渗模型;(3)当堆积体土石比为1∶1时,随着坡度的增大,堆积体的初始入渗率、稳定入渗率和累计入渗量随之增大,当堆积体土石比为1∶2时,随着坡度的增加,其稳定入渗率和累计入渗量大小为40°30°35°;当堆积体土石比为1∶4时,其入渗能力始终等于降雨强度,坡度对其入渗率和累计入渗量没有影响。     

人工模拟降雨下汶川震区滑坡堆积体产沙规律

为明确震区滑坡堆积体坡面产沙的特点,该文采用室内人工模拟降雨试验,对不同土石比(质量比为1:1、1:2、1:4)的滑坡堆积体侵蚀产沙规律进行研究。结果表明,同一土石比不同降雨强度与同一雨强不同土石比条件下,震区滑坡堆积体产沙随时间的变化形式,为波动型和平缓型。土石比和雨强对滑坡堆积体径流含沙量有显著影响,即当滑坡堆积体土石比为1:1时,稳定产沙率随着雨强增大而增大,即2.80 g/min(1.0 mm/min)7.76 g/min(1.5 mm/min)10.84 g/min(2.0 mm/min);在土石比为1:2雨强1.0 mm/min时没有产流产沙,1.5 mm/min雨强条件下的产沙率小于雨强2.0 mm/min的产沙率;土石比为1:4的滑坡堆积体在整个试验过程中没有产流产沙。土石比与平均产沙率、累积产沙量的偏相关系数相比于雨强更大,累积径流量和累积产沙量为极显著线性关系。研究为汶川震区滑坡堆积体的水土流失预测和治理提供理论依据。     

汶川震区滑坡堆积体壤中流产流规律研究

"5·12"汶川地震引发了大量的山体滑坡,在降雨径流的冲刷下,特造成更加严重的次生灾害。为研究震区滑坡堆积体的壤中流产流特征,采用室内人工降雨装置,对在不同降雨强度(1.0,1.5,2.0mm/min)和土石比(1∶1,1∶2,1∶4)条件下滑坡堆积体壤中流产流开展人工降雨—产流过程的试验。结果表明:(1)在不同土石比的条件下,壤中流总体趋势表现为在开始阶段增长极快,然后趋于稳定阶段直至降雨停止后,壤中流产流量迅速减小。(2)壤中流累计产流量和降雨时间为线性显著相关(R2为0.946 5~0.999 6)。(3)随着降雨强度的增大,土石比1∶1与土石比1∶2的滑坡堆积体壤中流产流时间表现出的规律相反,而土石比1∶4的滑坡堆积体表现却无规律可循。(4)在土石比为1∶4的堆积体只有壤中流存在;土石比1∶1的滑坡堆积体在雨强为2.0mm/min时,壤中流时间略长于地表径流产流时间;其他情况下的地表产流时间长于壤中流产流时间,且壤中流产流时间均在10min以内。     

野外放水条件下坡面流水动力学特征

坡面流是土壤侵蚀的主要动力因素之一,也是侵蚀泥沙搬运、农业面源污染的重要载体,为探讨坡面流水力学特征变化规律,本文通过径流小区放水冲刷试验,研究不同坡面覆盖和放水条件下坡面流水动力学特征.结果表明:坡面流雷诺数和弗劳德数受植被覆盖情况和坡面坡度的影响较小,受放水流量影响较显著.其中,坡面流人流断面雷诺数和弗劳德数随时间基本保持不变;出流断面雷诺数动态变化呈增加趋势,弗劳德数呈缓慢下降趋势,其动态变化幅度随植株密度增加而趋于平缓,植株布设方式对雷诺数和弗劳德数的动态变化影响较小.流量和植株密度增加会引起阻力系数增长,阻力系数随冲刷历时呈增长趋势,坡度和植株密度可以控制这种增长趋势.     

不同模拟糙度定床坡面集中水流水力学特性研究

采用钢制变坡冲刷水槽,研究了5种模拟糙度以及不同坡度和不同流量组合下集中水流内主要水力学特性变化规律。结果表明,相同糙度情况下,雷诺数随着流量增加而明显增加,与坡度相比,流量对其流态的影响较大,但坡度对弗劳德数的影响明显大于流量;等流量和等坡度情况下,随着坡面糙度的增加,雷诺数无明显变化规律,但弗劳德数均呈不断增加的趋势。5种模拟糙度下,随着坡度的增加,各流量平均流速随坡度增加呈幂函数增加趋势,且在小流量和小坡度时各值变化较小;随着坡面糙度的增加,反映坡面流阻力指数k值具有明显的幂函数下降趋势。各流量范围内阻力系数均出现随坡度的增加而增大的趋势,且在小流量情况下增加更为明显;不同模拟糙度坡面阻力系数随着雷诺数的增加呈幂函数降低趋势。研究结果有助于从水力学角度认识不同下垫面条件下泥沙输移特性和土壤侵蚀演变过程。     

土石混合堆积体坡面土壤侵蚀研究进展

土石混合堆积体是一种堆弃物,因其特殊的物质组成与结构,受到雨水冲刷极易发生次生灾害,近年来越来越多的学者关注其坡面土壤侵蚀问题,但研究尚无完整的理论与方法,整体处于初步探索阶段;综述了土石混合堆积体坡面特性、入渗过程、水流水动力学特征及产流产沙特征等研究现状;提出在未来的研究中,可借鉴元素示踪等研究方法深入探讨土石混合堆积体内部水分运移规律,从物质来源、类型及研究方法等方面完善研究其坡面水流水动力学特性,注重探讨堆置形态、原地貌形态以及砾石的分布状况等对其坡面及地下土壤侵蚀的影响,着重研究降雨及径流共同作用下的坡面及地下侵蚀规律,进一步探究其不同治理措施的减水减沙效益,构建适宜各类型土石混合堆积体土壤侵蚀预报模型,为生态防护体系的构建及区域经济可持续发展奠定基础。     

两种工程堆积体边坡模拟径流侵蚀对比研究

基于对重庆市城镇建设中工程堆积体野外调查结果,选择广泛存在的紫色土和黄沙壤工程堆积体为研究对象,采用野外实地放水冲刷试验,对比分析了不同土石比及坡度的工程堆积体边坡径流侵蚀过程。结果表明:(1)工程堆积体土壤入渗率随冲刷过程呈先快速减小、后逐渐稳定的变化趋势,且波动幅度大小随冲刷流量的不同出现差异,下垫面稳定入渗率均在0.4~1.7 mm min~(-1)之间。(2)不同下垫面堆积体产流率随冲刷时间均呈先增加后稳定的谷峰交织变化趋势且随放水流量增大而显著增强;在相同放水流量时,黄沙壤堆积体平均产流率最大可为紫色土堆积体的1.89倍。(3)不同下垫面堆积体径流含沙量随冲刷时间呈先增加后稳定的波动趋势;径流含沙量在不同流量条件下介于0.21~1278.49 g L~(-1);冲刷过程中坡面面蚀向沟蚀的转化对径流含沙量有显著影响,最大可增加13.73倍;堆积体坡面侵蚀过程存在突变期、活跃期和稳定期3个阶段,细沟发生的偶然性和随机性对产沙量波动贡献率最大。(4)工程堆积体在不同放水流量条件下侵蚀泥沙颗粒粒径分布差异性明显,紫色土堆积体最大侵蚀泥沙颗粒均大于黄沙壤堆积体。研究结果可为重庆市城镇建设工程堆积体新增水土流失量预测和植被生态恢复提供重要科学依据。     

降雨和上方来水条件下工程堆积体坡面土壤侵蚀特征

定量分析降雨和上方来水共同作用下堆积体坡面产流产沙过程,对于完善多驱动力条件下堆积体坡面土壤侵蚀特征具有重要意义。该研究运用人工模拟降雨和冲刷试验,在野外径流小区(7 m×1 m×0.5 m,坡度36°)上分别开展5个降雨强度(40、50、70、100、120 mm/h)、4个上方来水强度(10、15、20、25 L/min)单独作用及共同作用下坡面土壤侵蚀过程试验,比较2种驱动力单独作用及共同下堆积体坡面土壤侵蚀与形态特征。结果表明:1)降雨条件下,堆积体坡面侵蚀过程呈现阶段性差异发育,中小雨强(40、50和70mm/h)条件下,产流率和产沙率随历时延续呈现2个不同阶段(波动、平稳),侵蚀形态为不连续跌坎,大雨强(100和120 mm/h)条件下,产流率和产沙率随历时的延续呈现3个不同阶段(波动、平稳、剧烈),坡面侵蚀形态为细沟。2)上方来水条件下,堆积体坡面侵蚀过程呈现相对平稳发育,坡面侵蚀形态均为细沟。3)上方来水与降雨共同作用下,堆积体坡面侵蚀过程呈现剧烈波动发育,产沙率随历时的延续呈现持续"多峰多谷"变化态势,随着时间延续,产沙率波动振幅逐渐增大,堆积体坡面侵蚀形态均为侵蚀沟,且发育剧烈。4)上方来水和降雨共同作用下,坡面径流量和泥沙量均增大,且泥沙量的增大幅度大于径流量,相比单独降雨,径流量和泥沙量分别增大86%~629%和86%~4914%,相比单独上方来水,径流量和泥沙量分别增大12%~175%和15%~505%。上方来水和降雨共同作用下,汇流与降雨之间存在交互作用,两者对径流和泥沙的影响均显著。研究结果对于完善堆积坡面土壤侵蚀特征及揭示复杂水动力条件下的侵蚀机理具有重要意义。     

喀斯特槽谷区岩石与坡面夹角对坡面集中流水力学特性的影响

喀斯特槽谷区地表出露的岩石与坡面形成不同夹角,塑造了复杂的微地貌,显著改变坡面集中水流路径,使得水流特性发生重大变化。目前,不同岩石与坡面夹角下集中流水力学特性的变化特征还不清楚。通过室内放水冲刷模拟试验,研究了3个坡度(10°、15°和20°)、3个冲刷流量(5、7.5、10 L·min-1)和6个岩石与坡面夹角(30°、60°、90°、120°、150°和180°(0°))组合条件下喀斯特槽谷区地表集中流的水力学特性。结果表明:集中水流雷诺数(Re)随冲刷历时变化趋势较复杂,试验条件下,Re随流量的增大而增大,随坡度变化规律不明显,变化范围为517～3343。Darcy-Weisbach阻力系数(f)随冲刷历时表现出增大的变化趋势,其随坡度增大而增大,随流量增大而减小,变化范围为0.62～5.70。Re和岩石与坡面夹角关系均不显著,f和岩石与坡面夹角间的关系在各流量和坡度组合下表现不同。f与Re之间的耦合关系受岩石与坡面夹角的显著影响,当岩石与坡面夹角小于90°时,f-Re关系用对数方程描述比较好;夹角大于等于90°时,则用幂函数方程描述更好。试验条件下,当Re1 791时,f与Re关系不显著;当Re1 791时,f与Re则呈显著正相关。本研究可为喀斯特槽谷区土壤侵蚀预报模型的建立提供依据。