植被固土减蚀作用的力学效应

通过分析黄土丘陵沟壑区第一副区、第二副区和水蚀风蚀交错区不同植被坡面土壤的抗剪切力特性,研究植被固土减蚀的力学效应.结果表明,不同植被坡面土壤抗剪强度随垂直压力的增大而呈线性增大,抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比,且符合库仑定律;由于根系的固结作用,植被坡面土壤的抗剪强度明显增加,植被坡面的黏聚力和内摩擦角角度大于裸地坡面的黏聚力和内摩擦角角度;不同植被坡面的黏聚力是裸地黏聚力的1.04～2.11倍,不同植被坡面的内摩擦角角度是裸地内摩擦角角度的1.03～1.19倍;不同植被坡面黏聚力与侵蚀产沙量呈显著的负相关关系,随着黏聚力的增大,产沙量呈下降的趋势;不同植被坡面产沙量随径流切应力的增大而增大,具有较好的线性相关关系.在上述分析基础上,建立了临界径流切应力与土壤抗剪强度和黏聚力的关系,从力学层面认识了坡面侵蚀产沙的过程机理.     

不同配比的煤矸石与垃圾筛分土抗剪试验

以自制的土壤剪切仪作为剪切强度测定的仪器,对不同煤矸石与垃圾筛分土的混合体进行抗剪试验,并采用模拟降雨方法研究降雨强度对混合体稳定性的影响。结果表明:煤矸石与垃圾筛分土的混合比在30%～70%区间内,随着煤矸石体积分数的增加,抗剪强度增加;煤矸石体积分数小于30%或大于70%,煤矸石的体积分数与抗剪强度相关性不大。混合体中土壤含水率与抗剪强度成反比,降雨因为会降低混合体的抗剪强度,从而会降低坡面的稳定性。从坡体稳定,有利植物生长角度考虑,煤矸石与垃圾筛分土体积比以50%左右为宜。     

不同土壤坡面细沟侵蚀差异与其影响因素

采用室内纯净水人工模拟降雨试验,在坡度为10°、15°、20°、25°坡面,土槽为5 m、10 m两种规格,对两种土壤((土娄)土与黄绵土)分别进行雨强为1.5 mm min-1,的降雨实验,利用三维激光扫描仪对每一场降雨后的坡面进行监测,分析不同坡度对细沟侵蚀的影响,比较两种土壤坡面细沟侵蚀的差异,以及其差异的影响因子.结果表明:(土娄)土土壤颗粒以粉粒与黏粒为主,粉粒占总质量的64.12％,黏粒为28.42％.黄绵土的土壤颗粒以粉粒为主占总质量的67.95％,黏粒与沙粒含量较少,黏粒占14.52％,沙粒占17.53％.在相同条件下,(土娄)土降雨过程中人渗缓慢,产流时间、坡面流速均快于黄绵土,跌坎出现时间也较早,使其更容易产生细沟.(土娄)土的径流量高于黄绵土,在降雨过程中,径流稳定时间较早.(土娄)土侵蚀量高于黄绵土,(土娄)土产沙率呈增加趋势,黄绵土含沙量变化不明显.从坡面细沟发育来看,(土娄)土坡面细沟成平行状分布,黄绵土细沟为较宽树枝状.     

降雨作用下云南省红土抗剪强度与坡面侵蚀模数的关系

[目的]揭示降雨作用下云南省红土的含水率、干密度、抗剪强度、坡面侵蚀模数之间的关系,为进一步研究云南省红土的侵蚀机理提供理论依据。[方法]运用人工模拟降雨及土槽模型试验、土工试验及相关理论分析相结合的研究方法。[结果](1)研究区红土黏聚力随含水率的变化呈二次曲线关系,且在最优含水率附近存在极大值。红土内摩擦角随含水率的变化接近于线性关系,且随含水率的增大而减小。当干密度为1.0,1.1,1.2,1.3,1.4g/cm3时,黏聚力与含水率的相关系数R2最小为0.754,最大为0.934;内摩擦角与含水率的相关系数R2最小为0.944,最大为0.996。(2)红土黏聚力和内摩擦角随干密度的变化接近于线性关系;当含水率一定时,二者随干密度增大呈增加的趋势。(3)在试验含水率条件下,红土抗剪强度随含水率的增加而减小,当含水率超过最优含水率后减小的幅度尤为明显;抗剪强度随干密度的增加而增大。(4)降雨结束后,不同干密度的红土坡面侵蚀模数与红土抗剪强度呈二次曲线关系,相关系数R2达0.988。[结论]坡面红土雨后抗剪强度与坡面侵蚀模数之间存在较好的相关关系,可用坡面红土的雨后抗剪强度估算坡面侵蚀量。     

不同植物对黄土边坡产流产沙与抗剪强度的影响

[目的]探讨不同草本植物对黄土边坡产流产沙与抗剪强度特征的影响,为进一步开展高寒干旱和半干旱地区,有效防治因降雨诱发水土流失、浅层滑坡等地质灾害,提供理论依据和实际指导。[方法]在西宁盆地长岭沟流域自建试验区,选取垂穗披碱草(Elymus nutans)、老芒麦(Elymus sibiricus)、细茎冰草(Agropyron trachycaulum)3种优势草本植物为试验供试种,开展原位人工模拟降雨试验与室内直剪试验,分析了模拟降雨条件下6种不同类型植物边坡坡面产流产沙及根—土复合体抗剪强度特征。[结果]在模拟降雨条件下,草本植物能显著抑制坡面产流产沙,阶梯形边坡相对直形边坡能显著降低坡面产流产沙,且随着草本生长期增加坡面产流产沙显著降低,生长期为2 a的种植垂穂披碱草阶梯形边坡坡面累积产沙量较垂穂披碱草直形边坡降幅为79.68%,生长期为1 a的种植垂穂披碱草阶梯形边坡平均产沙率较阶梯形未种植裸坡降低幅度最大为86.27%,表明种植垂穂披碱草阶梯形边坡有效抑制坡面的产流能力相对显著;进一步研究表明,降雨使边坡土体平均含水率增大,导致边坡浅层土体黏聚力降低;与直形边坡相比较,模拟降...     

全风化花岗岩管沟回填土坡面侵蚀影响因素及交互作用

为了查明全风化花岗岩地区输油气管道作业边坡坡面水土流失问题,通过野外典型边坡边界条件测量、坡面侵蚀特征冲沟沟深、冲沟截面积数据采集、岩土体取样测试,并结合室内模型降雨试验等方法。结果表明：降雨、坡长、坡度、汇水面积、岩土体特性5种因素均影响全风化花岗岩管沟回填土坡面侵蚀。产沙率和产流率随着降雨强度的增大而增大。坡长、坡度、汇水面积与冲沟沟深和冲沟截面积呈正相关关系,且随着坡长、坡度、汇水面积的增大,冲沟沟深和冲沟截面积也在增大。通过取样测试发现,原状土与回填土的颗粒组成相对含量具有较大差异,初始回填土粒度级配为良好土。降雨冲刷初期回填土坡面径流主要携带粉粒和黏粒。5年回填土相对于原状土,孔隙率增加到原来的1.13倍,土体渗透系数增大1个数量级,饱和状态下黏聚力降低为原状土的67.6%,内摩擦角降低为原状土的87.5%。通过查明全风化花岗岩管沟回填土坡面侵蚀影响因素及其作用,为后续的边坡治理提供依据。     

坡面小区土壤流失过程中粒径组成变化及其影响因素

利用北京密云水库上游的石匣坡面径流小区进行野外坡面产流产沙监测,探究坡地褐土土壤流失过程中土壤粒径组成变化及其影响因素.主要结论如下:坡面上部均发生土壤粗化现象.在坡度较大且无植被覆盖的坡面,坡上部土壤粗化程度强于坡中和坡下.雨季前土壤中粘粒和粉粒的含量最大,砂粒的含量最小;其次是雨季中,雨季后粘粒和粉粒的含量最小,砂粒的含量最大.在坡度较小且有植被覆盖的坡面,坡上部存在微弱的土壤粗化现象,坡下部表层土壤未现粗化.雨季前后,土壤中粘粒、粉粒和砂粒的含量变化均呈现相反的规律,即雨季前土壤粘粒、粉粒含量最小,砂粒的含量最大;而雨季后土壤粘粒、粉粒含量最大,砂粒的含量最小.随着降雨次数的增加,无论是与土壤分离的泥沙,还是坡面的产沙,粘粒含量均在减小,砂粒含量均在增多.降雨、坡度、坡长等均对泥沙起动产生促进影响,而植被覆盖会减弱土壤侵蚀和流失.     

黄土质地对坡面侵蚀的影响

采用室内人工模拟降雨试验,研究了黄土质地对坡面侵蚀的影响,并探讨了降雨、地形(坡度和坡长)及黄土土质对坡面侵蚀的综合作用。试验设计包括3种质地黄土(黄绵土、黑垆土和塿土)、4个坡度(10°,15°,20°和25°)、2个坡长(5m和10m)和2个总降雨量相同的降雨强度(90,120mm/h)。结果表明:在相同降雨条件下,塿土降雨过程中入渗缓慢,产流时间快于黑垆土与黄绵土,塿土坡面的径流总量高于黑垆土和黄绵土坡面。坡度对单宽产流率无影响。各因子按对单宽产流率影响程度从大到小依次为坡长、雨强、粘粒含量和有机质;各因子按对单宽产沙量按影响程度从大到小依次为坡长、土壤颗粒几何平均直径、雨强、有机质含量和坡度。     

黄土丘陵区红豆草和苜蓿植物篱对土壤颗粒组成的影响

以苜蓿、红豆草两种植物篱为研究对象,对黄土丘陵沟壑区坡耕地布设植物篱后不同坡位土壤颗粒含量的变化、土壤分形维数进行研究,分析了植物篱对土壤颗粒组成的影响。结果表明:（1）同坡面相比,中坡及下坡土壤极细沙粒与粗粉粒含量增加,细粉粒与黏粒含量减少,出现相对于上坡的土壤机械组成粗化现象,且下坡粗化程度大于中坡;（2）相对于对照坡面,植物篱坡面各坡位粗化现象均得到缓解,红豆草对土壤颗粒的影响在上坡表现明显,苜蓿的影响在下坡表现明显;（3）坡面土壤分形维数呈现上部 > 中部 > 下部,苜蓿 > 红豆草 > 对照样地;（4）土壤颗粒与土壤分形维数的相关性分析显示,土壤分形维数与极细沙粒、粗粉粒呈极显著（P < 0.01）负相关,与黏粒呈显著（P < 0.05）正相关。     

冻融作用对坡面侵蚀及泥沙颗粒分选的影响

为了探究冻土和解冻土对水力侵蚀的影响,利用室内模拟降雨试验对冻土和解冻土两种坡面的坡面侵蚀过程及泥沙颗粒分选特征进行了研究。结果表明:在降雨条件下,相对于解冻坡面(TS),冻土坡面(FS)的产流时间提前了173s,而产流量、产沙量分别增加了9%和105%;两种坡面侵蚀过程中的土壤颗粒平均重量直径(MWD)大小次序均为溅蚀颗粒径流冲刷泥沙颗粒,且冻土坡面溅蚀颗粒及冲刷泥沙颗粒MWD均显著大于解冻土坡面(p0.05);随着降雨进行,解冻土坡面侵蚀泥沙中的黏粒、细粉粒含量呈先迅速增大后减少的趋势;粗粉粒和砂粒含量则呈先减小后增大的趋势,侵蚀泥沙逐渐向粗颗粒发展;而冻土坡面各粒级颗粒随时间变化相对稳定。研究成果可为进一步揭示冻融作用下坡面水力侵蚀机理提供一定的参考依据。     

降雨对黄土边坡稳定性的影响

定性地分析了降雨强度、降雨历时以及土壤渗水性对土壤含水率变化的影响,定量地分析了含水率变化与黄土抗剪强度的关系,并通过计算分析了不同入渗深度对黄土边坡稳定性的影响,得出对某一特定边坡均有一个临界入渗深度值。对于已形成的边坡可以根据临界入渗深度值,按预报的降雨强度和降雨历时,计算出可能的入渗深度,进而判断该边坡是否稳定;对于将要开挖的黄土边坡,根据不同的降雨频率,得出可能的入渗深度,按此入渗深度确定出合理的边坡型式。     

紫花苜蓿对黄土边坡浅层破坏防护时间效应的数值分析

为探究紫花苜蓿对黄土边坡浅层破坏防护的时间效应,该研究考虑降雨入渗条件并以含不同生长期紫花苜蓿的黄土边坡为例,基于室内土工试验获取参数,分别采用含植物根系的无限边坡模型和数值模拟两种方法进行稳定性分析。结果表明：降雨作用使得边坡潜在滑动面位置由坡体内部转移到降雨最大入渗深度处;随着坡面植被的生长,边坡浅层土体的强度逐渐提高,潜在滑动面又逐渐转移到边坡内部。根据数值模拟强度折减法,边坡稳定系数随着植被生长不断增大。对比无限边坡模型与数值模拟方法计算的边坡稳定系数,植物根系生长到1.0 m且不论在天然状态或降雨条件下黄土边坡均处于稳定状态,植物根系在0～0.8 m且在降雨条件下时处于不稳定状态,随着边坡植物生长期的延长,边坡稳定系数总体变化趋势一致,即先降低再逐渐增大。草本植物随着生长期的延长,对降雨条件下黄土边坡坡面侵蚀有明显的抑制作用,从而草本植物根系生长能够提高黄土边坡稳定性。当草本植物生长时间达到150 d时,能够有效防治黄土坡面侵蚀,并提高黄土边坡稳定性,因此草本植物生长的前5个月为关键期。研究成果对于黄土边坡浅层破坏防护以及实现黄土地区可持续发展具有重要的理论意义和应用价值。     

黄土和红壤坡面侵蚀差异及其与土壤性质的关系

为探究黄土和红壤侵蚀受雨强和坡度影响的差异及其与土壤性质的关系,通过测定分析黄土和红壤的各种理化性质,并分别对2种土壤在2个坡度(15°,20°)、2个雨强(60,90 mm/h)条件下开展4场降雨。结果表明:(1)与红壤相比,黄土的土壤颗粒更细,二者的毛管孔隙度、饱和含水量和田间持水量相差均在3%~6%以内,干筛时各粒级团聚体相差不大,但经湿筛破坏后二者团聚体差异较大,红壤的相对机械破碎指数(RMI)小于黄土,黄土有机质含量、阳离子交换量和络合态氧化物含量均高于红壤,无定形氧化物和游离氧化物则低于红壤;(2)同雨强、同坡度条件下,黄土产流时间均短于红壤,产流开始后,红壤比黄土先达到稳定径流率,不同雨强、坡度条件下,红壤稳定径流率为30~120 mL/s,黄土为100~220 mL/s,且在相同坡度、雨强范围内,红壤径流率变化层次分明,黄土则交错复杂;(3)红壤的产沙率和径流含沙率都较低,且多在产流几分钟即出现产沙率最大值,黄土产沙率则和径流率类似,在产流前期快速增长,10 min之后开始波动变化,再进入相对稳定产沙阶段,产沙率和径流含沙率随雨强和坡度的变化复杂;(4)不同土壤自身理化性质是影响坡面侵蚀的内在因素,与黄土相比,红壤的下渗能力更好,土壤抵抗径流剪切和剥蚀的能力更强,使得在同雨强、同坡度条件下红壤的侵蚀程度远低于黄土,规律性也更显著。     

Impact of Desalination on Physical and Mechanical Properties of Lanzhou Loess

Soluble salt in soil has a significant influence on the physical and mechanical properties of the soil. We performed desalination experiments on Lanzhou loess, a typical sulfate saline soil, to study the effects of salt on the physical and mechanical properties of the loess and compare variations in the soil properties after desalination. The Atterberg limits of the soil increased after desalination as a result of changes in the soil particle composition and grain refinement. The shear and uniaxial compressive strength of the soil increased as a result of decreased calcitic cementation and other changes to the soil structure. Scanning electron microstructure (SEM) and mercury intrusion porosimetry (MIP) procedures revealed changes to the microstructure and pore-size distribution of the Lanzhou loess after desalination.     

沙层厚度和粒径组成对覆沙黄土坡面产流产沙的影响

片沙覆盖黄土区是水蚀风蚀交错带内土壤侵蚀最为强烈的区域,研究该区内土壤侵蚀特征可对水蚀风蚀交错带水土流失的预报及防治提供理论依据。采用室内模拟降雨,研究黄土坡面不同覆沙厚度(2 cm、5 cm和10 cm)和沙层粒径组成(100%0.25 mm、75%0.25 mm+25%0.25mm、50%0.25 mm+50%0.25 mm、未处理原沙和100%0.25 mm)对坡面产流产沙的影响。结果表明,覆沙黄土坡面较黄土坡面的初始产流时间明显延长,产流速率和产流量减小,产沙速率和产沙量增大,降雨过程中产流产沙波动性增大,且这些变化随覆沙厚度增加而明显加强;沙层粒径组成在不同覆沙厚度下对坡面产流产沙的影响不同,2 cm覆沙厚度坡面在降雨前期随粒径变粗产流产沙呈增大趋势,降雨后期无明显变化;5 cm覆沙厚度坡面随沙层粒径变粗产流速率呈增加趋势,降雨前期上覆粗粒径沙层坡面的侵蚀速率高于细粒径沙层坡面,降雨后期恰好相反;10 cm覆沙厚度的坡面产流产沙随沙层粒径组成变化不明显。典型覆沙黄土坡面的产流过程为雨水垂直入渗―沙土界面潜流―沙层边缘渗流―地表径流,产沙过程为沙层边缘渗流侵蚀―沙层坍塌重力侵蚀―地表径流输移,明显不同于无覆沙黄土坡面的超渗产流方式及溅蚀―片蚀―细沟侵蚀的侵蚀发展过程。     

不同床沙下的坡面流水力学特性试验研究

利用人工模拟降雨试验方法模拟原状土、邙山黄土、粉煤灰等不同土质坡面土壤降雨径流冲刷过程,对不同床沙下的坡面流水力学特性进行了研究。结果表明,不同床沙下坡面径流剪切力随降雨历时的变化规律是一致的,均表现出雨强越大,剪切力越大;在试验雨强范围内,邙山黄土、粉煤灰的剪切力较原状土为大;水流功率的变化规律与径流切应力的变化规律基本一致。该研究可为土壤侵蚀实体模型的建立提供理论基础。     

喷施Jag C162对黄土坡面水流切应力影响研究

为研究连续两场次降雨过程中喷施不同剂量Jag C162对黄土坡面水流切应力的调控效应,在20°坡度,2.0 mm/min雨强条件下对裸坡和喷施Jag C162剂量为1,3,5 g/m²的坡面进行连续两场模拟降雨试验,主要结论有:（1）在连续两场降雨过程中,裸坡和喷施不同剂量Jag C162的坡面水流切应力随降雨历时的变化皆呈先增加后趋于稳定的状态,都可用对数方程描述,且喷施不同剂量Jag C162的坡面水流切应力皆比裸土坡面水流切应力小,喷施不同剂量Jag C162的坡面产流时间也均晚于裸土坡面产流时间;（2）在连续两场次降雨过程中,Jag C162具有减小坡面水流切应力的作用,且随Jag C162剂量增大,其对坡面水流切应力影响的持效性增强;（3）综合考虑Jag C162对坡面水流切应力调控作用的稳定性及持效性,建议在连续两场次降雨中采用剂量5 g/m²的Jag C162调控坡面水流切应力,以期达到控制土壤侵蚀的目的。     

持续降雨条件下黄土边坡稳定性试验研究

滑坡是黄土丘陵沟壑区常见的重力侵蚀,降雨是黄土边坡失稳的主要诱因。为了研究持续降雨条件下黄土边坡的稳定性,采用人工降雨装置进行室外现场试验,测量土体含水率、密度、滑坡剪切带位置以及裂缝的发育等情况,并使用FLAC3D软件计算模拟持续降雨条件下裂缝发育对边坡稳定性的影响。结果表明:随着降雨历时的增加,黄土边坡土体的含水率逐渐增大,土体强度降低,而且自重增大,坡面冲蚀沟逐渐发育,坡脚出现滑塌,坡顶出现拉裂缝,裂缝加剧了降雨的集中入渗,使得裂缝周边土体强度快速降低,最终导致在降雨历时至308.8 h时发生滑坡,持续降雨和裂缝引起的集中入渗加速了土体强度的降低,导致了滑坡,裂缝发育得越深、数量越多,对边坡稳定性危害越大。研究结果为降雨条件下的黄土边坡稳定分析研究和地质灾害防治提供方法和技术支撑。     

黄土坡面细沟水流剪切力及其侵蚀效应研究

采用具有定流量人工放水的组合小区模拟降雨试验方法,对黄土坡面细沟水流剪切力及其侵蚀效应进行了试验研究。结果表明:(1)细沟水流切应力随径流历时的变化,各雨强条件均表现出增大趋势,可用线性方程很好地描述,增大速率在产流6min之后略有减小。(2)细沟水流切应力随径流历时的变化,不同坡度下也不断增大,可用直线方程进行描述,产流过程中变化趋势较为一致,其中两个大坡度下增加速率较小坡度下稍大,产流12min以后更大。(3)坡面细沟水流平均切应力随雨强增大而增大,可用对数方程描述。随坡度增加而迅速增大,可用幂函数方程描述。随雨强及坡度的变化可用二元幂函数方程描述。(4)不同雨强及坡度下,细沟侵蚀率随细沟水流切应力的增大而增大,可用线性方程描述。研究表明,细沟水流剪切力具有显著的侵蚀效应,是产生细沟侵蚀的重要水力学参数和水动力学根源。     

间歇性降雨条件下辽西地区坡面细沟形态特征变化试验研究

风蚀和水蚀相互作用是我国北方半干旱地区水土流失的重要原因。以辽西地区风水蚀综合作用区为例,利用实验室试验的方式对辽西地区坡面细沟形态特征变化进行研究,获得了黄土坡面与覆沙黄土坡面在间歇性降雨条件下的细沟形态参数变化特征及其相关关系,结果表明:前两场降雨是黄土坡面细沟的快速形成阶段,而后续场次降雨是细沟稳定发育阶段;覆沙黄土坡面在第三场降雨后细沟发育基本稳定,其侵蚀程度要大于黄土坡面;黄土坡面和覆沙黄土坡面细沟的累计长度、平均宽度和平均沟深之间均呈现出较好的线性关系,属于一个相互耦合的协同作用系统。