柴亞凡，周 波，劉 敏，侯 超

(甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅蘭州 730020)

人工模擬降雨法在隧道棄渣坡面水土流失規(guī)律研究中的應(yīng)用

柴亞凡，周 波，劉 敏，侯 超

(甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅蘭州 730020)

人工模擬降雨器;激光雨滴譜儀;水土流失監(jiān)測(cè);隧道棄渣

采用人工模擬降雨方法，配套使用激光雨滴譜儀，研究了隧道棄渣的坡面侵蝕特征及變化趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明:降雨前期，渣體滲透性能較好，水分大量滲入渣體，待降雨強(qiáng)度大于入滲能力時(shí)，徑流才開(kāi)始產(chǎn)生;樣品A(黃綿沙)開(kāi)始產(chǎn)流的時(shí)間為11 min，樣品B(紅黏土)開(kāi)始產(chǎn)流的時(shí)間為4 min，樣品A的入滲性能明顯高于樣品B;以樣品A為供試材料的坡面上有較多的侵蝕溝，但長(zhǎng)度都較短，以細(xì)溝侵蝕為主，而以樣品B為供試材料的坡面上侵蝕溝較少，但是分布相對(duì)集中，且以面蝕為主。

在水土保持研究領(lǐng)域，人工模擬降雨法可以進(jìn)一步補(bǔ)充論證在自然降雨環(huán)境下得到的結(jié)果，可以彌補(bǔ)在自然降雨條件下因環(huán)境變化而無(wú)法得到預(yù)期的試驗(yàn)結(jié)果［1－5］，還可以在較短時(shí)間內(nèi)獲取大量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資料，因此該方法已成為此研究領(lǐng)域不可或缺的重要研究方法［6－10］。隧道棄渣多以松散堆積體的形式堆放在指定的區(qū)域，松散、表面裸露，遇降雨極易產(chǎn)生坡面侵蝕，尤其是堆渣較高，坡面長(zhǎng)、坡度大的坡面，侵蝕尤為嚴(yán)重。本研究采用人工模擬降雨法對(duì)隧道棄渣坡面侵蝕特征及變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比研究，以分析渣體坡面產(chǎn)流、入滲及侵蝕溝分布規(guī)律。

1 研究地點(diǎn)概況

1.1 自然概況

本試驗(yàn)地點(diǎn)位于蘭州市城關(guān)區(qū)竇家山蘭州水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，距蘭州市區(qū)約4 km，是典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。屬北溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫9.8℃，年均降水量311 mm，年均蒸發(fā)量1 446 mm。受季風(fēng)的影響，降水季節(jié)分配極為不均，春季多風(fēng)，少雨干旱;夏無(wú)酷熱，降水增多;秋季涼爽，溫差較大;冬季寒冷，干燥少雪。土壤為黃土母質(zhì)上發(fā)育而成的灰鈣土，部分地方的山體基部有巖石和第三系紅土層裸露。土壤中腐殖質(zhì)缺乏，有機(jī)質(zhì)含量低，質(zhì)地疏松多孔，濕陷性強(qiáng)。

1.2 供試材料

試驗(yàn)材料取自在建的蘭渝鐵路桃樹(shù)坪隧道2號(hào)斜井隧洞出渣(樣品A)和長(zhǎng)壽山隧道進(jìn)口出渣(樣品B)。樣品A:質(zhì)地為黃綿沙，容重1.48 g/cm3，自然含水率20%。樣品B:質(zhì)地為紅黏土，容重1.42 g/cm3，自然含水率11%。

2 研究方法

2.1 徑流小區(qū)的布設(shè)

在竇家山風(fēng)水復(fù)合侵蝕監(jiān)測(cè)示范點(diǎn)人工模擬降雨試驗(yàn)區(qū)15°自然坡面，開(kāi)挖坑槽1.5 m×4.5 m(人工模擬降雨器有效降雨面積)，開(kāi)挖深度30 cm。在土槽四周插入高50 cm鋼板，插入深度30 cm。試驗(yàn)前，將供試樣品分層填入土槽內(nèi)，填筑厚度為50 cm，填筑過(guò)程中分層壓實(shí)，保證其緊實(shí)度，然后將坡面平整均勻。

2.2 人工模擬降雨器

選用的人工模擬降雨器是由美國(guó)生產(chǎn)的NORTON降雨模擬器，該裝置采用振蕩式原理，標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)強(qiáng)度為50～100 mm/h，有效降雨面積為1.5 m×4.5 m。模擬降雨器架設(shè)在小區(qū)上端，調(diào)整使其坡度在5°左右，用自來(lái)水供水。供水水泵采用1 500 kW的潛水泵，降雨強(qiáng)度通過(guò)供水水壓控制。本次試驗(yàn)采用模擬降雨器第三檔位，單擺狀態(tài)，利用閥門(mén)開(kāi)關(guān)將其保持在70 kPa的壓力下，以保證兩組試驗(yàn)在同等壓力條件下進(jìn)行。

2.3 激光雨滴譜儀

選用的雨滴譜儀是由德國(guó)THIES公司生產(chǎn)的LNM激光雨滴譜儀，該裝置由激光光學(xué)發(fā)射源產(chǎn)生一組平行光束，位于接收端的透鏡光二極管可以測(cè)量光強(qiáng)并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。當(dāng)雨滴穿過(guò)激光束時(shí)產(chǎn)生接收信號(hào)，通過(guò)減小的振幅計(jì)算出雨滴直徑，通過(guò)減小信號(hào)的持續(xù)時(shí)間測(cè)得雨滴的下降速度。根據(jù)所有雨滴直徑和速度的統(tǒng)計(jì)比例確定降雨類(lèi)型［11］。本試驗(yàn)將激光雨滴譜儀架設(shè)在人工模擬降雨器正下方，終端采用電腦遠(yuǎn)程控制和記錄。

2.4 樣品采集及侵蝕量的測(cè)定

(1)降雨開(kāi)始時(shí)用秒表計(jì)時(shí)，至開(kāi)始產(chǎn)流時(shí)記錄產(chǎn)流時(shí)間。

(2)以后每隔2 min承接泥沙徑流樣品，直至產(chǎn)流趨于穩(wěn)定(波動(dòng)范圍不大于 0.5 kg)［12］。

(3)將所采集泥沙樣常溫下靜置，待沉淀充分后，將水和泥沙進(jìn)行過(guò)濾分離，在105℃下將泥沙烘干至恒重，采用稱(chēng)重法測(cè)定產(chǎn)流量。

3 結(jié)果與分析

3.1 樣品產(chǎn)流及侵蝕特征

在試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)得樣品A開(kāi)始產(chǎn)流時(shí)間為11 min，樣品B開(kāi)始產(chǎn)流時(shí)間為4 min，樣品A所需的產(chǎn)流時(shí)間較樣品B長(zhǎng)。這主要是因?yàn)?降雨前期，土壤滲透性較好，水分大量滲入渣體，待降雨強(qiáng)度大于入滲能力時(shí)，徑流才開(kāi)始產(chǎn)生。另外，通過(guò)試驗(yàn)可知樣品A的滲透性比樣品B的好。侵蝕過(guò)程見(jiàn)表1。溝，隨著入滲速率的減小，降雨進(jìn)一步匯集，形成徑流，沿細(xì)溝

圖1 入滲特征

表1 侵蝕過(guò)程

從表1可以看出，開(kāi)始產(chǎn)流后隨著降雨的持續(xù)，時(shí)段侵蝕量快速增加，最終達(dá)到峰值，隨后逐漸趨于平緩，一直持續(xù)到接近穩(wěn)定。可以將整個(gè)侵蝕過(guò)程分為瞬變段(侵蝕變化較快的初始階段)、漸變段(變化減緩的過(guò)渡階段)、平穩(wěn)段(變化較慢的穩(wěn)定階段)3個(gè)階段，以探討侵蝕過(guò)程的整體特征。在產(chǎn)流初始階段，樣品A、B的時(shí)段侵蝕量隨著降雨的持續(xù)迅速增加，前者在10 min時(shí)達(dá)到峰值74.8 g，在0—10 min內(nèi)其累積侵蝕量為328.1 g;后者在6 min時(shí)時(shí)段侵蝕量達(dá)到峰值72.1 g，在0—6 min內(nèi)累積侵蝕量為189.7 g。樣品A的初始階段要長(zhǎng)于樣品B。過(guò)渡階段樣品A在10—18 min之間，而樣品B在6—16 min之間，在這段時(shí)間內(nèi)，兩者的時(shí)段侵蝕量迅速降低，并逐漸趨于平穩(wěn)。樣品B大約在14 min時(shí)就達(dá)到穩(wěn)定，而樣品A大約在18 min以后才趨于穩(wěn)定。

3.2 水分入滲特征

在降雨試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)供試樣品的水分入滲深度進(jìn)行了測(cè)量，按照距坡頂?shù)牟煌嚯x(25、50、75、100、150、200、300、350、425 cm)分別測(cè)量入滲深度。由圖1可以看出，隨著距離的增加，入滲深度逐漸增加;樣品A的入滲性能明顯優(yōu)于樣品B。在整個(gè)降雨過(guò)程中，樣品A小區(qū)下部的入滲深度可以達(dá)到30 cm，而樣品B的入滲深度僅為12 cm。

3.3 不同坡面侵蝕溝分布特征

降雨試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)侵蝕坡面上形成的侵蝕溝的特征和形態(tài)進(jìn)行了量測(cè)和分析。從降雨過(guò)程中可以看到，在降雨初期，雨滴對(duì)渣體的擊濺作用強(qiáng)烈，渣粒四處飛濺，坡面逐漸出現(xiàn)細(xì)流出。由表2可以看出在6.75 m2的侵蝕坡面上寬度≥10 cm的侵蝕溝數(shù)量，樣品A侵蝕面達(dá)到了4條，切溝深度達(dá)到了0.5～0.8 cm，且都位于坡面中下部;樣品B只有1條，而且侵蝕溝較淺，只有0.2 cm，但是該切溝較長(zhǎng)，達(dá)到了210 cm。在5—10 cm的區(qū)間內(nèi)，樣品A和樣品B的侵蝕溝數(shù)量分別為3條和2條，同樣呈現(xiàn)出樣品A的切溝深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樣品B的切溝深度。

可以看出，以質(zhì)地為黃綿沙為主的供試材料A的侵蝕坡面上侵蝕溝分布數(shù)量較多，而且分布較廣，但是侵蝕溝都較短，主要以細(xì)溝侵蝕為主。而在質(zhì)地為紅黏土的供試材料B的侵蝕坡面上，侵蝕溝分布較少，分布較集中，多集中在坡面中部，主要以面蝕為主。這主要是由于紅黏土入滲性較差，降雨使表層土壤快速板結(jié)，土壤抗蝕性增強(qiáng)，使得降雨動(dòng)能對(duì)土壤表層做功減少。

表2 侵蝕溝分布特征

4 結(jié)果與討論

(1)降雨前期，渣體滲透性較好，水分基本都滲入渣體，因此這段時(shí)間不產(chǎn)流，待降雨強(qiáng)度大于入滲能力時(shí)，徑流才開(kāi)始產(chǎn)生。在以樣品B和樣品A為供試材質(zhì)的徑流小區(qū)內(nèi)，從坡上至坡下，入滲深度逐漸增加。但是從整個(gè)入滲特征可以看出樣品A的入滲性明顯強(qiáng)于樣品B。以樣品A為供試材料的侵蝕坡面上，侵蝕溝分布數(shù)量較多，而且分布較廣，但是侵蝕溝都較短，主要以細(xì)溝侵蝕為主;以樣品B為供試材料的侵蝕坡面上，侵蝕溝分布較少，而且較集中，多集中在坡面中部，主要以面蝕為主。

(2)在施工過(guò)程中，施工單位應(yīng)首先按照先攔后棄的原則及要求，在渣場(chǎng)棄渣前先修筑攔擋工程;其次，在棄渣過(guò)程中，盡量做到分層碾壓，邊堆棄邊碾壓，有條件的可以進(jìn)行灑水，以盡可能地保證渣體的緊實(shí)度;再次，可將隧道出渣用于隧洞前施工場(chǎng)地的鋪墊及施工道路的填筑，將棄渣與利用很好地結(jié)合，以減少棄渣場(chǎng)占地及棄渣流失，這樣既節(jié)約了工程建設(shè)費(fèi)用，也符合水土保持要求。

(3)本研究?jī)H對(duì)野外棄渣進(jìn)行了試驗(yàn)場(chǎng)人工模擬降雨試驗(yàn)，未對(duì)渣體坡面產(chǎn)流的其他水動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行深入分析;坡度和坡長(zhǎng)也是影響渣體坡面侵蝕的重要因素，今后可在這些方面開(kāi)展進(jìn)一步研究，以便更深刻地揭示坡面侵蝕發(fā)生機(jī)理及發(fā)展過(guò)程。

(4)人工模擬降雨器與激光雨滴譜儀的配套使用在很大程度上提高了工作效率，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的雨滴參數(shù)的測(cè)定方法，省時(shí)省力，可操作性好，保證了人工模擬降雨試驗(yàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性，所有的降雨參數(shù)都實(shí)現(xiàn)了連續(xù)完整的測(cè)量和自動(dòng)記錄。激光雨滴譜儀在很大程度上實(shí)現(xiàn)了人工模擬器只能依靠壓力閥調(diào)節(jié)供水壓力、降雨強(qiáng)度，人工滴定進(jìn)行雨滴參數(shù)測(cè)量，完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)記錄，完成了雨滴參數(shù)的校準(zhǔn)，大大節(jié)省了試驗(yàn)時(shí)間。今后還須進(jìn)行大量的試驗(yàn)，解決何種壓力水頭下，直接判讀基本降雨參數(shù)的問(wèn)題，即通過(guò)不斷調(diào)整壓力水頭，讀取人工模擬降雨器壓力儀表盤(pán)的壓力讀數(shù)和激光雨滴譜儀的各種降雨參數(shù)，建立逐一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這樣在今后的降雨模擬試驗(yàn)中，就可以提高工作效率。

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S157

C

1000－0941(2012)10－0033－03

本研究受水利部“948”項(xiàng)目(201036)資助

柴亞凡(1981—)，男，甘肅酒泉市人，工程師，在讀博士，主要從事水土流失監(jiān)測(cè)研究。

2012－03－25

(責(zé)任編輯 孫占鋒)