黄土陡坡细沟侵蚀动态发育过程及其发生临界动力条件试验研究

研究细沟动态发育过程及其发生的临界动力条件是认识细沟发生和了解土壤侵蚀水动力过程的重要基础.本研究采用室内人工模拟间歇性降雨试验,对20°黄土陡坡细沟侵蚀动态发育、产流产沙过程及侵蚀发生的临界条件进行了研究.结果表明:(1)细沟侵蚀过程为溅蚀-跌坑-侵蚀穴-断续细沟-连续细沟,到第10场降雨结束,细沟侵蚀面积达68.32％,较发育初期增加了6.7倍,最长沟长、沟宽、沟深增加了9.8倍、5倍和3.3倍;(2)随降雨历时增加,各场降雨地表产流量前期迅速增加,随后达到稳定;含沙量变化为前期迅速增加,随后逐渐稳定并略有增加;(3)径流动能、水流功率与输沙率间均呈线性关系,径流动能更能准确揭示坡面土壤分离过程.实验条件下,黄土坡面土壤剥蚀的临界径流动能为0.013J,临界单位水流功率为0.003m/s;细沟侵蚀的临界径流动能为0.045J,临界单位水流功率为0.004m/s.     

细沟侵蚀研究进展与展望

细沟侵蚀是坡面侵蚀中最重要的组成部分,多年来受到了许多研究学者的重视。介绍了细沟侵蚀的主要研究方法,分析了不同研究方法的优缺点、适用条件及需要改进的方面;重点从细沟侵蚀发生的临界条件、细沟侵蚀形态演化及影响因素等方面,阐述目前细沟侵蚀研究现状、亟待解决的问题和面临的困难。该分析结果在把握未来细沟侵蚀研究方向及深入探讨细沟侵蚀理论方面具有借鉴作用。     

上方来水来沙对细沟侵蚀泥沙颗粒组成的影响

土壤中细颗粒的流失是土壤质量恶化的重要表现之一。利用试验土槽和供沙土槽双土槽径流小区系统,分析了黄土坡面在不同降雨强度、不同含沙水流汇入条件下的细沟侵蚀泥沙颗粒组成变化特征,探讨了降雨强度、坡面上方不同含沙水流汇入、细沟水流流速对细沟侵蚀泥沙颗粒组成变化的影响及其机理。结果表明,上方水流的汇入使侵蚀泥沙中<0 001mm的粘粒含量呈增加趋势,0 05～0 001mm的粉砂粒呈减少趋势,而降雨强度对侵蚀泥沙颗粒组成的影响不甚明显;同时,侵蚀泥沙中粘粒含量随细沟水流流速和细沟侵蚀产沙量的增大而增加。     

不同因素对重庆紫色土坡面细沟侵蚀产沙过程的影响研究

为揭示重庆紫色土坡面细沟形态、降雨强度和坡度对侵蚀产沙过程的影响,通过室内模拟人工降雨试验,定量分析不同降雨强度、不同坡度、细沟形态变化和不同降雨方式对细沟侵蚀产沙过程的影响,探讨细沟侵蚀强度在不同试验条件下的变化特征。结果表明：重庆紫色土坡面细沟侵蚀径流量和产沙量均随着坡度和降雨强度的增加而增加;坡面的水沙过程与细沟在形成和发育时关系密切,产沙量和侵蚀速率与细沟形态参数有显著的对数关系（r＞0.7）。研究结果可以为紫色土耕地细沟侵蚀防治提供理论支持。     

利用REE示踪法研究坡面侵蚀转变过程

利用REE元素示踪法,采取沿坡面垂直分层布设的新的试验布设方法,通过室内模拟降雨试验,研究了次降雨条件下坡面侵蚀形态的转变过程和细沟的发育发展过程。研究结果为:降雨初期坡面以面蚀为主,细沟出现后,坡面侵蚀将加快加剧;随着降雨时间的延续,累积面蚀量和细沟累积侵蚀量都将逐渐增加,后者的增加速率大于前者,面蚀所占总侵蚀量的百分比随降雨时间呈曲线形式逐渐递减,细沟侵蚀则逐渐增加;试验结束时细沟侵蚀量分别为面蚀量的5倍、4.3倍、2.8倍和3.7倍,面蚀量所占侵蚀总量的百分比递减到20%左右。该示踪方法,为定量区分面蚀和细沟侵蚀量,研究面蚀和细沟侵蚀的演化发育过程提供了思路和解决途径。     

降雨强度和坡度双因子对紫色土坡面侵蚀产沙的影响

利用室内模拟降雨试验研究了降雨强度和坡度双因子对紫色土坡面侵蚀产沙过程的影响.试验结果表明:坡面产沙过程和侵蚀形态的演变与降雨强度和坡度的变化密切相关,降雨强度和坡度增大使径流量很快达到细沟发生的临界流量并加剧细沟形态的演变过程,产沙率由于细沟的产生和发展而急剧增加,并呈现跳跃性的波动.各降雨强度下,在5°～25°范围内,侵蚀量随坡度的增大而增大,30°时开始减小,在25°附近存在坡面侵蚀的临界坡度.降雨强度和坡度两个因子对侵蚀量的贡献率存在对比消长关系.降雨强度和坡度都较小时,坡度对侵蚀过程起主导作用;当降雨强度较大或者达到临界坡度以后,则降雨强度对侵蚀过程起主导作用.     

细沟侵蚀过程的双土槽试验研究

利用位于坡面上部的供沙土槽和坡面下部的试验土槽的双土槽径流小区，定量分析了不同降雨强度下上方来水来沙对陡坡地细沟侵蚀产沙过程的影响及其细沟水流水力学特征参数与坡上来水引起的坡下方净侵蚀产沙量的关系，建立了细沟水力学参数与坡下方净细沟侵蚀产沙量的统计模型。     

江西省北部燕沟小流域降雨侵蚀力研究

降雨侵蚀力是通用土壤流失方程中的一个重要指标,不同区域降雨侵蚀力的差别是导致区域间水土流失特征差别的重要原因之一,因而降雨侵蚀力的研究是水土流失规律研究的一个基本问题.采用气象站及标准径流小区观测方法,对江西省北部燕沟小流域降雨侵蚀力及侵蚀性雨量标准进行了研究.结果表明:通过Spss软件用10种模型拟合4个最大时段雨强(10、30、45、60 min最大雨强即I 10、I 30、I 45、I 60)与土壤流失量的相关关系,结合残差图分析,认为I 30、I 45、I 60与土壤流失量均有很好的相关性,而I 30是计算降雨侵蚀力的最适时段雨强,所选10种模型拟合结果不能证明土壤流失量与I 10之间有相关关系.试验地裸露小区侵蚀性雨量标准为14.0 mm,相应雨强标准分别为0.775 mm/h,大雨强降雨是引起侵蚀的主要降雨.大于该雨量标准的降雨量占全年总降雨量的百分比为65%.侵蚀性降雨雨量月分布与总降雨量月分布趋势相近.     

坡面细沟侵蚀形态演变与量化研究评述

坡面细沟形态是一个降雨驱动下侵蚀产沙的微地形动态响应系统,这一地形因素体现着坡面侵蚀动力学各要素及其相互作用,是基于物理过程的水蚀预报模型的关键部分。要建立具有物理意义的坡面侵蚀产流产沙预报模型,就必须从地形角度对细沟形态及其演化过程进行深入研究。评述了近年来国内外在坡面细沟形态演变与量化领域的相关研究成果,从理论研究和观测方法两方面剖析了制约研究发展的因素,提出了推动该研究发展的对策,即:构建细沟形态量化参数评价标准,从建立"状态+时间"综合量化模式入手,以坡面细沟形态为切入点,研究一个连续降雨过程中细沟形态的发育过程与降雨侵蚀产沙过程的关系,定量揭示坡面侵蚀响应规律。     

雨强对工程堆积体侵蚀规律和细沟发育的影响

以陕西杨凌周边开发建设项目弃土堆积体表层土壤为试验材料,模拟野外最常见的散乱锥状堆积体的形成过程和堆置形态。在室内模拟降雨的条件下,设计了七组降雨强度(1.0、1.25、1.5、1.75、2.0、2.25、2.5mm/min),研究了雨强对物质组成为全土的锥状工程堆积体的产流产沙规律和细沟发育的影响。结果表明:1降雨强度对径流率和侵蚀速率的变化规律有着显著的影响,在不同的降雨条件下,径流率和侵蚀速率随时间的变化规律不同;2各雨强条件下,细沟长度、宽度和深度的变化趋势不同,其中细沟长度与侵蚀速率之间存在着显著的正相关关系;3在产流初期(0~10 min),侵蚀速率随雨强的增大呈现出一条较为平缓的曲线,产流时间10 min后,侵蚀速率随雨强的增大呈现出指数增大的趋势;4总侵蚀量与雨强之间存在着明显的指数关系。     

滑带土长距离剪切强度及对滑坡启动的影响

滑带土的长距离剪切强度及其变化规律是滑坡启动的主要控制性因素之一,但是目前的常规直剪和三轴剪切试验还无法实现长距离剪切。为了研究滑带土的长距离剪切强度变化规律及对滑坡启动的影响,以四川省达县青宁乡滑坡为例,取其滑带土进行环剪试验,获得滑带土的长距离剪切强度变化规律,并与滑坡过程和运动特征进行对比分析。结果表明,滑带土长距离剪切强度变化规律与滑坡的启动过程较为吻合,滑坡首先受到降雨等因素触发开始变形和缓慢滑动,此时滑带土受到滑体的剪切,由于剪缩效应孔隙水压力迅速增大,导致剪切强度迅速减小,当小于某一临界值时,滑体开始加速并快速滑动。研究结论对类似的研究有一定的参考价值,可以为滑坡的预测预报和防治提供理论依据。      

基于环剪试验的滑带土抗剪强度特性研究

以某水电站下游一大型滑坡千枚碎屑岩滑带土为研究对象,在室内模拟滑带土所受的天然状态条件,利用环剪仪研究了滑带土重塑样在不同法向应力与剪切速率下的抗剪强度特性。试验结果表明:滑带土的峰值强度和残余强度均随法向压力的增大而增大且有较强的线性关系,同时法向压力越大,试样达到残余强度所需要的剪切位移也会越小;剪切速率越大,滑带土的峰值强度也会越大,同时达到残余强度所需要的位移也会越大,但剪切速率大小对残余强度几乎没有影响,峰值强度参数与剪切速率之间可用对数关系拟合;剪切速率对滑带土的剪切面形态也有重要影响。     

土工地震减灾工程中的一个重要参量─—剪切波速

在全球地震灾害中，很多现象与土工问题有关．最突出的是土的液化现象，其次是土体变形、裂缝和失稳．它们都与土体状态，特别是与它的剪切刚度或剪切模量联系的动力应力应变关系和抗剪强度特性有关．而剪切波速又与剪切模量的平方根成正比．因此剪切波速就成为土工抗震中的一个重要物理量．当今在土工抗震工程中对剪切波速的应用和研究计有：（１）作为划分建筑场地土类型的定量界限；（２）作为评价地基饱和土液化可能性的依据之一；（３）为土工地震反应计算中不可缺少的参数；（４）作为在实验室内用扰动砂重塑原状饱和砂组构特性的可能控制参数等．     

粗颗粒盐渍土大型剪切强度试验研究

对新疆准东地区的粗颗粒盐渍土进行了室内大型剪切实验,研究了粗颗粒盐渍土的剪切破裂面形态、剪应力-位移曲线特征及干密度对抗剪强度指标的影响规律。结果表明:粗颗粒盐渍土剪切破裂面具有明显的高低不平与上下起伏的形态,剪切过程中土颗粒间表现出明显的镶嵌咬合和剪胀特征,使粗颗粒盐渍土表现出一定的黏聚力;粗颗粒盐渍土剪切应力随剪切位移变化的承载过程表现为应变软化类型,具有明显的峰值强度。随着干密度(压实系数)增加,抗剪强度指标显著增加,亦即提高粗颗粒盐渍土压实系数可显著提高地基承载力,具有明显的工程效益。     

玄武岩残积土环剪试验研究

为准确了解土体大剪切位移下的力学特性,利用环剪仪对不同剪切方式、剪切速率下玄武岩残积土的峰值强度与残余强度进行研究,找到适合玄武岩残积土的剪切方式和剪切速率,并在此基础上分析干密度与含水率对峰值强度和残余强度的影响。试验结果表明:已经形成剪切面的试样,能很快达到残余强度状态,预剪与多级剪所得试验结果偏大,应选用单级剪;剪切速率对峰值强度影响较大,而对残余强度影响相对较小,剪切速率大的试样出现“漏水”与“挤土”现象,容易对结果造成偏差;随着干密度的增大,峰值强度增大,残余强度先减小后不变;含水率越大,峰值强度和残余强度越小,玄武岩残积土存在明显的遇水软化现象。研究结果可为玄武岩残积土坡的稳定性分析与灾害防治提供参考。     

坡面薄层流的数值模拟及在坡面流侵蚀研究中的应用

本文依据坡面薄层水流的动力波方程，由水沙动力学原理出发建立坡面细沟流侵蚀过程的模拟方法。采用动力波模式(一维非恒定流方程组)计算了坡度变化时不同细沟宽度下的细沟沟内流速，根据数值计算得到了细沟流动的Re数，以及相同净雨强和坡长下能够使细沟流速达到最大的坡度。依据泥沙运动力学的原理分析了这些结果在坡面流侵蚀过程中的意义。模拟结果表明，细沟扩宽过程对坡度和坡面表土临界起动流速的变化十分敏感。当细沟扩宽侵蚀在小区片蚀中占主要成分时，小区的片蚀总量常表现出与坡度和表层土使用方式的明显关系。     

柿树沟泥石流物源体直剪强度特性试验研究

柿树沟泥石流为暴雨型泥石流,研究该物源土体前期的含水率及密实程度对于分析该类型泥石流的形成具有重要意义。在降雨过程中物源土体逐渐饱和且细颗粒也随之发生运移,造成了土体密度的改变及强度特征的影响。以柿树沟泥石流物源土体为研究对象,采用室内大型直剪试验,研究其在不同饱和度和干密度条件下的强度特性,分别得到饱和度、干密度与抗剪强度指标c和φ的关系,与强度包线的关系,与剪应力及位移的关系。结果表明:土样c值与饱和度成反比,与干密度成正比关系,且饱和前期变化较为明显;剪应力-位移曲线随着饱和度的增加峰值逐渐明显;前期充分降雨情况下,土体逐渐饱和且抗剪强度迅速下降,在径流作用下表层松散堆积物易被裹挟带走,形成泥石流。通过试验的研究,可以获取此类粒径组合下的泥石流物源体的强度指标变化特性,对该类泥石流的形成机制或预测预报的研究具有一定的参考和指导意义。     

石灰改良膨胀土重塑后抗剪强度特性及应用

为研究石灰改良膨胀土重塑后的抗剪强度性能,进行了素土、石灰改良膨胀土及重塑石灰改良膨胀土3种土体在0,12.5,25,50,75,100,150 kPa下的直剪(快剪)试验。试验结果显示,重塑石灰改良膨胀土各上覆压力下的抗剪强度均低于石灰改良膨胀土而大于素土。采用《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)拟合土体的抗剪强度时,素土在低应力下的偏差最大,而石灰改良膨胀土最小,采用双直线法拟合时各应力段的抗剪强度值偏差最小。重塑石灰改良膨胀土的抗剪强度劣化系数随着上覆压力的增大而减小,且呈明显的2段。当上覆压力<25 kPa时,上覆压力对于土体性能劣化系数影响较大;当上覆压力>25 kPa时,抗剪强度性能劣化系数随着上覆荷载的增大而减小的幅度逐渐减小。重塑后石灰改良膨胀土土体的黏聚力大于素土而小于石灰改良膨胀土,内摩擦角大于素土及石灰改良膨胀土。从试验结论来看,在素土强度满足路堤填芯的情况下,重塑后的石灰改良弱膨胀土可以直接用于路堤填芯;但用于路堤表面填筑时,需要再改良。     

剪切速率对EPS颗粒混合轻量土抗剪强度的影响规律研究

为了确定剪切速率对EPS颗粒混合轻量土抗剪强度的影响,通过直剪试验研究了素土和不同配比轻量土在剪切速率为0.02,0.1,0.2,0.8,2.4 mm/min时的抗剪强度特性。试验结果表明：轻量土的剪应力-剪切位移关系曲线中存在硬化型和软化型两种形态,主要受EPS颗粒掺入比、水泥掺入比、法向应力的控制,素土的剪应力-剪切位移关系曲线形态为硬化型。剪切速率越大,试样达到破坏或稳定阶段历时越短。不同剪切速率下,轻量土的抗剪强度包线多为折线型,与传统结构性土体包线类似。作为一种结构性土体,配比对轻量土抗剪强度的影响是决定性的,抗剪强度、黏聚力和内摩擦角随水泥掺入比的增大、EPS颗粒掺入比的减小而增大。剪切速率对轻量土抗剪强度、黏聚力和内摩擦角影响较小,对素土影响较大。随着剪切速率增大,轻量土抗剪强度、黏聚力和内摩擦角变化幅度较小,无显著变化规律,素土抗剪强度、黏聚力和内摩擦角逐渐减小。     

长江中上游坡耕地侵蚀产沙调控理论与实践

针对以往长江中上游坡耕地水土流失研究中忽视壤中流,侵蚀产沙调控措施缺乏理论依据等问题,以人工模拟降雨实验为手段,基于细沟侵蚀临界坡长等理论,提出了既能截、排地表径流,又能排导壤中流的新型截水沟布局技术,改变了传统截、排水沟的设计思路。其原理是,在坡面截、排水沟的设计和布局中,以坡面细沟发育临界坡长为截水沟布设间距,阻断细沟发生,有效减少坡面侵蚀产沙和面源污染物;截获的坡面污染物通过梯级网络化调控体系排、蓄、集,经处理后可再次利用。该技术有效改善了坡耕地季节性干旱、缺肥以及河流水质问题,为长江中上游地区坡耕地侵蚀产沙调控提供了新思路。