土石混合崩积体坡面细沟跌坑发育试验研究

为了探究土石混合崩积体坡面细沟跌坑发育情况,采用室内放水冲刷试验,通过设置4个流量(2,4,8,12 L/min)和4种砾石含量的土石混合崩积物(砾石质量比例0,10%,30%,50%),研究不同条件下细沟跌坑的发育特征。结果表明:在不同冲刷时段,跌坑数量变化为3～17个,跌坑平均深度为1.10～5.93 cm,细沟纵断面形态系数为2.97～19.97。各跌坑参数随冲刷时间的延长总体呈增大趋势,部分坡面在5 min或7.5 min时出现最大值;跌坑参数随流量的增加总体呈先增大后减小趋势,8 L/min流量条件下出现最大值,而随着砾石含量增加总体呈增大趋势;流量对跌坑发育的影响大于砾石含量。各跌坑参数与流速、阻力系数及曼宁粗度系数密切相关,径流剪切力是描述跌坑发育的最适合水动力学指标,可用线性函数表达。     

砾石含量对崩积体坡面细沟横断面形态影响

为研究砾石含量对崩积体坡面细沟侵蚀的影响,采用室内放水冲刷试验,研究了30°坡面下不同冲刷流量(2,4,8,12L/min)对4种土石混合崩积物(0,10%,30%,50%砾石质量比例)冲刷过程中细沟横断面形态特征。结果表明:(1)随冲刷时间的增加,深度增加速度大于宽度增加速度,横断面向窄而深发展。(2)坡顶细沟横断面深度较大,接近“V”形,侵蚀严重;坡底细沟横断面深度较小,侵蚀较弱;细沟横断面形态指标η随坡长增加出现波动变化。(3)横断面深度随砾石含量增加总体呈先减小后增大趋势,10%砾石含量坡面细沟深度最小;10%砾石含量坡面细沟横断面形态指标η变化范围最大;临空面在10~15cm深度开始发育,低砾石含量土壤更有利于临空面发育。     

坡度和流量对崩积体坡面细沟水流输沙能力的影响

为探究坡度及流量对崩岗崩积体土壤坡面细沟侵蚀输沙能力的影响,精确计算细沟水流输沙能力,建立坡面细沟输沙能力因子模型,以崩岗崩积体土壤为研究对象,进行室内水槽模拟试验研究。结果表明:(1)不同流量条件下,坡面细沟输沙能力随坡度的增大而增大,且增幅随坡度的增加而增大,可用一元线性方程表示;(2)不同坡度条件下,坡面细沟输沙能力随着流量的增大而增大,可用幂函数表示;(3)崩岗崩积体坡面细沟输沙能力因子模型为二元幂函数方程,其中流量(q)和坡度(S)的指数分别为1.054和0.617,流量对细沟输沙能力的影响大于坡度;(4)通过模型对比发现,Wu模型、ANSWERS模型及Zhang模型方程都无法很好地预测崩岗崩积体坡面细沟输沙能力。     

集中水流下土石混合崩积体坡面侵蚀水动力特征试验研究

为了探究土石混合崩积体坡面侵蚀的水动力学机理,采用室内放水冲刷试验,研究了不同流量(2,4,8,16L/min)和坡度(10°,20°,30°,40°)条件下4种土石混合崩积体(0,20%,40%,60%砾石质量百分数)坡面侵蚀的水动力学特征。结果表明:(1)在小坡度和小流量条件下,侵蚀率随砾石含量的增大而减小;当流量或者坡度增大时,侵蚀率随砾石含量的增加呈先减小后增大的规律;各土石混合物侵蚀率均能用坡度和流量的二元幂函数来表达。(2)水流剪切力、水流功率和单位水流功率与侵蚀率均呈线性函数关系,其中水流功率和水流剪切力可优先作为模拟土石混合崩积体坡面侵蚀的水动力学参数。(3)可蚀性参数及临界侵蚀动力随着砾石含量的增加而增加。研究结果可为进一步深化认识崩积体侵蚀机理提供参考。     

崩岗崩积体坡面产沙与坡面形态的耦合影响

为了探究崩岗崩积体长时间序列的侵蚀变化,在崩积体典型坡度(30°)及研究区强降雨(3.33mm/min)条件下,进行了持续20场次降雨的崩积体侵蚀过程模拟试验。结果表明,在本试验条件下降雨溅蚀和径流冲刷对崩积体产沙的平均贡献率分别为47.6%和52.4%,在崩积体侵蚀过程中,其产沙量呈幂函数减小;弗劳德数、径流功率、达西-韦斯巴赫阻力系数与崩积体产沙量具有较好的相关关系,在沙源充足时,其参数可用于定量描述坡面径流产沙效能;崩积体侵蚀过程可分为4个阶段:(1)含沙量为0.099kg/L,以片蚀为主,坡面未见粗化;(2)含沙量为0.052~0.101kg/L,以细沟侵蚀为主,坡面粗化不明显;(3)含沙量为0.011~0.064kg/L,以细沟侵蚀为主,坡面粗化显现;(4)含沙量为0.008~0.036kg/L,无明显的主导侵蚀方式,坡面持续粗化。降雨及其径流对崩积体的分选性搬运,致使崩积体坡面粗化,而崩积体坡面粗化,反过来又使得降雨及其径流产沙效能降低。     

黄土坡面细沟径流流速的试验研究

采用室内放水冲刷试验法在12m长土槽上进行细沟径流流速试验,研究在5个坡度(5°,10°,15°,20°,25°)和3个流量(2,4,8L/min)条件下黄土细沟径流流速沿坡长变化的规律。结果表明:细沟径流流速与坡度、流量呈幂函数关系,流量指数b变化范围为0.267 7~0.425 1,流速随坡度和流量增加而增加;细沟径流流速沿坡长先迅速增加,然后增加速度减缓,在8~12m处流速趋于稳定,达到临界值;细沟径流流速与坡长之间存在幂函数关系,坡长指数d从0.074 7到0.326 5,与已有研究相比,不完全处于流速与流量的幂函数方程中流量指数的变化范围0.263 6~0.667 0之内,因此本试验设计内的细沟水流流速变化是由流量和坡长的共同作用影响的。     

工程堆积体陡坡坡面径流水动力学特性

通过野外放水试验,对高速公路沿线典型堆积体陡坡(36°)在模拟径流冲刷条件下的坡面径流水动力学特性进行了研究,结果表明,平均流速与径流深均随流量的增加呈幂函数增加,不同坡面径流状态下(薄层水流和细沟流)流量的指数不同,且各自与室内研究结果有所差异;不同坡段的平均流速随坡长增加呈“S”形曲线变化.堆积体陡坡坡面径流属急流范畴,由过渡流向紊流转变的临界放水流量在20～25 L/min之间.Darcy-Weisbach阻力系数(f)与径流雷诺数(Re)之间存在幂函数正相关关系,与弗罗德数(Fr)之间存在幂函数负相关关系,不同坡段的平均阻力系数与坡长呈双曲线函数关系.     

坡面细沟侵蚀过程中的水动力特性变化

为定量揭示坡面细沟水流侵蚀过程中的水动力特征,开展不同流量(2 L/min,4 L/min,8 L/min)、不同坡度(5°,10°,15°,20°,25°)下的放水冲刷试验,对坡面细沟发育过程中的水动力学参数变化规律进行了研究。结果表明:在试验的流量和坡度范围内,平均流速随冲刷历时的延长和细沟形态的发展呈迅速递减—略有起伏—缓慢减小并最终趋于稳定的变化趋势,径流深随冲刷历时的增大而增大; 坡面细沟水流的雷诺数变化范围为237～1 090,在小流量时,雷诺数随冲刷历时增大而略有增大,在大流量时,雷诺数随冲刷历时增大而减小; 在整个冲刷过程中,弗劳德数始终大于1,表明该试验条件下的坡面流属于急流范畴; 坡面细沟水流的阻力系数随冲刷持续而增大; 弗劳德数随阻力系数的增大而减小,且具有良好的负向幂函数关系。该研究结果初步表明了土坡面的细沟侵蚀特征和水动力学特性,为土侵蚀动力学机制的进一步研究提供理论基础。     

坡沟系统水动力因子的坡长效应研究

基于可调控的放水冲刷试验,建立黄土高原典型沟壑区坡沟系统试验模型,研究不同放水流量和坡长条件下坡沟系统各过水断面水动力参数的变化特征,为研究坡沟系统水蚀过程作用机理提供科学依据。通过室内放水冲刷试验,采用5个放水流量(6,8,10,12,14L/min)和3个坡长(4,6,8m)研究坡沟系统侵蚀动力因子的坡长效应。结果表明:坡沟系统中沿程各过水断面的雷诺数随放水流量的增大而增大,且不同放水流量和坡长条件下坡面雷诺数明显大于沟道。弗劳德数在坡沟系统中沿程变化过程中逐渐增大,且沟道增长速率明显大于坡面;不同坡长条件下放水流量为10L/min时,弗劳德数远大于其他放水流量。相同放水流量条件下,沟道的径流流速明显大于坡面,坡沟系统的坡面径流流速相对沟道明显稳定且变化范围较小。不同坡长条件下放水流量为10L/min时沿程阻力系数值从2号断面急剧减小到0.03~0.05范围之内,且远小于其他放水流量下同断面的阻力系数值;相同放水流量条件下(除10L/min外),坡长越小,坡面和沟道的波动性相对越小,且坡面处的波动值大于沟道。径流侵蚀功率与雷诺数、弗劳德数、流速显著相关,与雷诺数呈对数函数关系,而与弗劳德数、流速和沿程Darcy-Weisbach阻力系数值呈幂函数关系。研究结果表明,坡长能够影响坡沟系统中坡面和沟道的侵蚀动力因子,并对坡面和沟道沿程侵蚀能量削减和增加效应研究提供重要的科学依据。     

秸秆覆盖对崩积体坡面产流产沙影响的模拟试验

通过室内模拟降雨试验,研究60 mm/h雨强条件下,不同秸秆覆盖度(0、25%、50%、75%、100%)和坡度(25°,30°和35°)组合崩积体坡面的侵蚀状况。结果表明:(1)不同条件下崩积体坡面初始产流时间在49~913 s;同一坡度条件下,崩积体坡面初始产流时间随着覆盖度的增加而延长;同一覆盖度条件下,初始产流时间35°25°30°;坡面产流时间与秸秆覆盖度呈线性正相关关系。(2)崩积体坡面径流量的变化过程具有如下几个特征:第一,在降雨初期,坡面径流率在短时间内迅速增加,之后趋于平缓;第二,坡面径流量的起伏变化幅度随着坡度的增加而增大;第三,同一覆盖度条件下,30°坡面的径流率大于25°和35°坡面。(3)崩积体坡面产沙量存在临界覆盖度,值为50%。     

砾石含量及粒径对崩岗崩积体渗透特性的影响

为探讨砾石对崩积体渗透性的影响,采用环刀法对不同砾石含量及粒径条件下崩积体入渗特性的变化进行研究。结果表明:(1)0%,10%,20%,30%砾石含量崩积体进入稳渗时间在9~10min之间,40%,50%砾石含量崩积体进入稳定时间在19~20min之间。(2)相同粒径砾石条件下,崩积体的初渗率、稳渗率、平均入渗率及入渗量随砾石含量的增加而增大;含2~3,3~5,5~10mm砾石崩积体的入渗参数在10%,20%,30%砾石含量时变化不大;当砾石含量为40%时,入渗参数随着砾石粒径的增大而减小;当砾石含量为50%时,含3~5mm砾石的崩积体的入渗参数最小。(3)Kostiakov公式拟合更适合模拟崩积体的入渗模型。     

坡度和雨强对花岗岩崩岗崩积体细沟侵蚀的影响

崩积体是崩岗的重要组成部分,具有土质疏松、粗颗粒含量高、坡度大、易侵蚀的特征。该研究利用人工模拟降雨试验,对不同雨强（1.00,1.33,1.67,2.00,2.33 mm/min）和坡度（20°,25°,30°,35°,40°）下的崩积体细沟发生、发育及形态特征进行分析。研究结果表明:发生细沟的时间随着坡度和雨强的增大而缩短;随着雨强的增大,沟头离坡顶的距离越短,沟宽和沟深增大,但细沟密度差异不明显;随着坡度的增大,垂向作用增加,但横向扩张能力相应地降低,造成坡面侵蚀深度增大,宽深比减小;随着雨强和坡度的增大,侵蚀方式从片蚀为主逐渐转变至细沟侵蚀为主;雨强对细沟侵蚀的影响大于坡度。     

含砾石锥状工程堆积体侵蚀水动力学特性和细沟形态特征

采用人工模拟降雨的方法,以陕西关中地区的重质土壤和工程中常见的破口石为试验材料,模拟散乱锥状工程堆积体的堆积过程和堆积形态,研究了不同砾石质量含量(0,10%,20%,30%,40%)散乱锥状工程堆积体在不同降雨强度下(1.0,1.5,2.0,2.5mm/min)的侵蚀水动力学特性和细沟形态特征。结果表明:(1)流速和径流强度随雨强的增加而增大,随砾石含量的增加而减小,雨强和砾石对两者均有显著影响,其中雨强的影响较大,起控制性作用;(2)坡面径流处于层流、缓流的状态,雷诺数和弗劳德数随雨强的增加而增大,随砾石含量的增加而减小;(3)剥蚀率随雨强的增加呈指数型增大,相同降雨强度下,随砾石含量的增加线性减小,径流剪切力、水流功率、单位水流功率、过水断面单位能与剥蚀率显著相关且呈幂函数的关系,其中水流功率相关性最好,拟合优度最高,是描述侵蚀动力机制的最优因子;(4)随着降雨强度的增加,细沟出现的时间提前,沟宽、沟深、沟长和细沟密度逐渐增加,雨强相同时,随着砾石含量的增加,细沟出现的时间推迟,且逐渐变窄、变浅,细沟下切侵蚀减弱。     

北方风沙区砾石对堆积体坡面径流及侵蚀特征的影响

为了研究砾石对工程堆积体降雨侵蚀规律的影响,采用室内人工模拟试验,以土质堆积体(砾石质量分数为0)为对照,研究了10%、20%和30%砾石质量分数堆积体边坡在模拟降雨条件下的径流水力特征、产沙过程及侵蚀动力机制。结果表明:1)产流0~6 min,砾石促进堆积体坡面细沟间径流流动;产流12~30 min后,砾石阻碍堆积体坡面细沟径流流动;2)含砾石堆积体坡面粗糙度增大,水流流态变缓,水流速度降低,且均以层流为主。较土质堆积体而言,30%砾石质量分数堆积体坡面阻力系数增大88.8%~288.4%,弗汝德数降低28.9%~41.8%,水流速度降低0~45.8%;3)径流含沙量随产流历时经历快速降低-平稳过渡-波动上升3个阶段,土质及10%砾石质量分数堆积体高含沙水流现象频发,且随雨强增大,重力坍塌次数增加,重力侵蚀程度增强。20%、30%砾石质量分数堆积体发生高含沙水流的几率约为0。相对土壤流失比与砾石质量分数呈极显著负指数函数关系;4)土壤剥蚀率与各侵蚀动力参数均可用简单线性函数关系描述,单位径流功率是描述风沙区土质和10%砾石质量分数工程堆积体侵蚀产沙的最优因子,径流功率是刻画20%、30%砾石质量分数工程堆积体土壤侵蚀参数更为合理的因子。结果可为全国范围工程堆积体土壤侵蚀模型的建立提供科学依据。     

陡坡面发育的细沟水动力学特性室内试验研究

为了为黄土高原陡坡水蚀预报模型的建立提供科学依据,通过组合不同坡度(21°、24°、27°)、不同流量(6.5、8.5、10.5 L/min)的陡坡室内放水冲刷试验,对坡面细沟侵蚀发生过程中的坡面流水动力学特性进行了研究.结果表明,在试验的坡度和流量范围内,坡面流的雷诺数Re在798～4620之间变化,且雷诺数Re变化幅度随冲刷历时的增大而增大.而坡面流弗劳德数Fr在整个试验过程中均大于1,表明坡面流处于急流范围.坡面流阻力系数f随雷诺数Re的增大而增大,其变化还受坡度的影响.坡面在径流冲刷侵蚀过程中,流速随冲刷时间的延长和冲刷形态的变化呈现出先减小后增大义减小的变化趋势.     

坡面细沟侵蚀过程的水动力学特征试验研究

通过不同坡度、不同流量的组合放水冲刷试验 ,对坡面细沟侵蚀发生过程中的坡面流水动力学特性进行了研究。结果表明 ,在试验的坡度和流量范围内 ,坡面流的雷诺数变化于 36 2～ 4 2 84之间 ,并且其变化有随冲刷历时和流量的增大而增大的趋势。而坡面流弗劳德数在整个试验过程中均大于 1,属于急流范围。坡面流阻力系数的大小与水流雷诺数有关 ,但其变化趋势受坡度的影响。在坡度较缓时 ,阻力系数随雷诺数的增大而减小 ;在坡度较大时 ,阻力系数随雷诺数的增大而增大。在径流冲刷侵蚀过程中 ,径流流速并非一恒定值 ,而是随冲刷时间的延长和坡面冲刷形态的变化呈现出先减小后稍增大的趋势。