坡面径流对斜坡散粒体稳定性影响的试验分析

坡面径流是松散介质斜坡上颗粒发生搬运滚动的水动力条件。为研究坡面径流对斜坡散粒体颗粒稳定性的影响,开展室内水槽冲刷试验。试验设置3种粒径和4种坡度,通过高清摄像捕获斜坡散粒体受水流冲刷起动过程,获得不同条件下颗粒冲刷起动的临界径流水深h_cr。实验结果表明：在同一粒径条件下,起动水深h_cr随着斜坡坡度的增大而减小;而在同一坡度条件下,起动水深h_cr随着粒径的增大,出现先增大后减小的情况,这主要是由于随着颗粒粒径的增大,坡体的渗透性增强,在水流的渗透作用下,颗粒更容易发生运移造成的。为合理解释实验现象,建立斜坡径流-渗流耦合模型来分析坡面径流条件下颗粒的稳定性变化情况,通过将水流的流速特征与土颗粒的受力起动特性结合起来,给出临界水深h_cr的理论表达式,其主要受颗粒粒径、颗粒比重、孔隙率、坡体渗透率和斜坡坡度等因素共同控制。通过将实验结果与计算结果进一步对比发现,在同一粒径区间内,临界水深h_cr的实测值与理论值均随坡度的增大而减小,而理论值与实测值之间的相对误差随坡度的增大而增大,但其均控制在35%以内,并对产生该误差的原因进行了分析。为修正实测值与计算值之间的误差,应用MATLAB的神经网络模块对数据进行拟合,建立含两个神经网络结构的临界水深h_cr修正公式,精度较高。