不同密度砒砂巖風化物坡面水蝕機理試驗研究

張贏，李曉麗，常平, 郭雒敏, 鄔尚贇

(內蒙古農業(yè)大學水利與土木建筑工程學院, 內蒙古 呼和浩特 010018)

對于砒砂巖坡面的研究，NI等[3]通過風化試驗研究了外部環(huán)境對砒砂巖風化作用的影響，發(fā)現(xiàn)鹽溶液可以有效緩解砒砂巖坡面的風化.王倫江[4]通過人工小區(qū)試驗，發(fā)現(xiàn)稀疏狀生長的植物模式對砒砂巖風化土陡邊坡水力侵蝕的防治更有效.楊吉山等[5]研究了原狀砒砂巖坡面的產(chǎn)流及產(chǎn)沙特征，對白色和紅色原狀砒砂巖的產(chǎn)流及產(chǎn)沙性質進行了對比.對于密度對侵蝕影響的研究，有些學者得出了土壤容重的增大會使侵蝕量明顯變小的結論[6].但劉小勇等[7]認為容重的增加會使水分難以入滲，造成產(chǎn)流量增大，進而加劇了侵蝕.肖培青等[8]認為土壤容重影響了土壤的抗蝕能力，進而影響了細溝的產(chǎn)生和發(fā)育.

目前針對砒砂巖風化物坡面的侵蝕研究還較少.對于研究區(qū)的砒砂巖風化物坡面，由于坡面所處地形環(huán)境的不同，形成坡面的天然密度也有差異.因此文中以不同密度的砒砂巖風化物坡面為對象，研究該坡面入滲產(chǎn)流及產(chǎn)沙規(guī)律，以期對當?shù)赝寥狼治g治理提供依據(jù).

1 試驗方法

1.1 試驗儀器

試驗儀器為DIK-6000型人工降雨模擬器，如圖1所示.

圖1 降雨模擬器Fig.1 Rain simulator

降雨器通過控制進水流量和振頻控制雨強、雨滴直徑和降雨均勻度，經(jīng)測定，降雨均勻度大于85%，雨強誤差為±10%.試驗在長1.00 m，寬0.25 m，高0.10 m的鋼制土槽內完成，在槽底每隔20 cm并排設置2個小孔，直徑0.6 cm，用于模擬弱透水層，鋼槽底部設置防滑墊，防止坡面滑移.

1.2 土樣采集處理及試驗方案

試驗土樣采于鄂爾多斯市準格爾旗，其粒徑組成：d<0.100 mm的占比15.83%，0.100≤d<0.250占50.90%，0.250≤d<0.375占16.53%，0.375≤d<0.500占5.40%，0.500≤d<0.750占8.85%，0.750≤d<1.000占1.75%，d≥1．000占0.74%.

根據(jù)設計密度(1.5，1.6，1.7 g/cm3)進行計算，得出每次應填土量，然后將相應數(shù)量的土過1 cm篩后分3層均勻倒入試驗槽中，人工刮平并將土均勻砸實至相應刻度線，層與層間進行刮毛，以達到控制密度的效果，并利用環(huán)刀法在坡面上部下部取件進行密度的校核.填土的質量計算公式為

m=γ(1+ω)lbh,

(1)

式中：h為填土厚度，m；b為土槽寬度，m；l為土槽長度，m；ω為初始含水率，%；γ為土壤容重,kg/m3；m為填土質量，kg.依據(jù)雨量等級劃分，雨強定為40,50,60,70和80 mm/h，用于模擬暴雨和大暴雨的情況，每次60 min.根據(jù)臨界坡度及對砒砂巖性質的研究[9]，設計坡度定為22°.試驗開始每3 min接一個水沙樣，12 min后每6 min接一個水沙樣，試驗過程中記錄產(chǎn)溝和產(chǎn)流的位置、時間.試驗結束后對水沙樣稱重，充分靜置后，倒掉上清液并烘干剩余土，侵蝕量為干土的重量，收集的水沙質量和侵蝕質量之差為產(chǎn)流量.另對干密度為1.7 g/cm3坡面樣本進行直剪試驗，由于隨降雨試驗取樣會破壞坡面，現(xiàn)以降雨試驗過程中實測的含水率變化過程為依據(jù)，進行定含水率的配樣，試驗測得密度為1.7 g/cm3的砒砂巖飽和含水率是25.5%，所以直剪試驗的含水率設置為5%,9%,13%,17%,21%和25%.

3.針對采購主體多所造成的高校政府采購中出現(xiàn)重復采購、資源浪費的現(xiàn)象，高校有必要完善相關的自購管理系統(tǒng)。高校政府采購具有品種多、采購規(guī)模龐大、專業(yè)化程度高等特征，各級政府采購部門在采購中傾向于使用更大的自購權。因此，高校應制定更加嚴格和獨立的政府采購制度，規(guī)范高校政府采購行為，保護學校的權益。

2 結果與分析

2.1 入滲分析

由于水分入滲會造成坡面土黏聚力變化，且入滲和產(chǎn)流此消彼長，而坡面流量直接決定著侵蝕的進程.用入滲率衡量土壤入滲效果，計算式[10-11]為

(2)

式中：i為入滲率，mm/min；T為降雨歷時，min；I為雨強，mm/h；θ為坡面坡度，(°)；K為換算系數(shù)，K=1 g/cm3；A為坡面面積，cm2；F為該時間內的產(chǎn)流量，g；S為該時間內的產(chǎn)沙量，g.

圖2的時程曲線過程均為從初滲到穩(wěn)滲.對圖2a進行分析，因為此密度的風化物顆粒間有很大的孔隙，而且砒砂巖自有親水性，導致在試驗前期坡面迅速吸收水分，在此過程中，土壤含水率的增加，基質吸力減小，坡面的吸水能力變小，自由水慢慢填滿土壤孔隙直到飽和，決定入滲率的主要是坡面的飽和導水率，因此入滲率最終穩(wěn)定，并且雨強對其無明顯影響.圖2b在雨強40～60 mm/h時時程曲線呈現(xiàn)規(guī)律和圖2a相似，相比圖2a，因為密度增加，孔隙變少，導致穩(wěn)滲率降低.而雨強為70～80 mm/h的情況，從初滲到穩(wěn)滲，間隔的時間更短，有急變性，根據(jù)該密度和雨強下12 min后便開始產(chǎn)流，此時坡面單位時間內降雨量已超出坡面吸水能力，坡面未達到飽和，吸水能力仍然充足，所以產(chǎn)流后仍有較大的穩(wěn)滲率.對于密度為1.7 g/cm3的坡面，見圖2c，在各雨強下初滲到穩(wěn)滲用的時間均較短，根據(jù)記錄產(chǎn)流時間進一步提前，此時穩(wěn)滲率受降雨強度影響明顯，穩(wěn)滲率隨雨強的增大而增大.

圖2 不同雨強下入滲率隨時間的變化Fig.2 Infiltration rate variation with time under different rainfall intensities

2.2 坡面侵蝕量分析

侵蝕量Q隨時間的變化如圖3—5，初始產(chǎn)沙時間隨密度的增加而提前.從圖3可以看出，一定密度下隨雨強的增長總侵蝕量均呈指數(shù)型增長，而且1.6 g/cm3的坡面侵蝕量均明顯高于另外2個密度；在雨強40～60 mm/h下，不同密度坡面的侵蝕量均增長緩慢，而且均在雨強為70 mm/h時有1個突變的增長，對于1.7和1.5 g/cm3的坡面，侵蝕量相近，突變過后，在80 mm/h的雨強下，1.7 g/cm3的坡面侵蝕量增長不大，而1.5 g/cm3的坡面侵蝕量仍飛速增加.這是由于雨強增大，產(chǎn)流量增大，流量增大使坡面流挾沙能力增加，水流剪切力有所增加，所以侵蝕量隨雨強增長而增長.對于在70 mm/h時侵蝕量突變增長，可能是1.6，1.7 g/cm3坡面因超滲現(xiàn)象大量積水或在1.5 g/cm3密度坡面達到飽和后入滲率較低，導致產(chǎn)流量均明顯增大，侵蝕和挾沙能力急劇上升.而對于80 mm/h，由于1.5 g/cm3的坡面顆粒松散，迅速飽和后，顆粒間充斥自由水，且砒砂巖風化物中含有大量蒙脫石，吸水膨脹，導致顆粒間的作用力減小，產(chǎn)溝后溝壁兩側坍塌加劇，溝道逐漸向上延伸，發(fā)生嚴重的重力侵蝕和溯源侵蝕，所以隨雨強進一步增大，侵蝕量急劇增加.但從圖5可知，1.7 g/cm3的坡面每次接樣時間段內，侵蝕量急劇增加隨后減小并穩(wěn)定在400 g左右，遠遠小于1.5 g/cm3坡面的1 500 g，說明密度為1.7 g/cm3坡面已經(jīng)有一定的抗蝕能力.

圖3 不同密度下總侵蝕量隨雨強的變化Fig.3 Total erosion variation with rainfall intensity in different densities

圖4 坡面侵蝕發(fā)育圖( 80 mm/h, 1.5 g/cm3)Fig.4 Erosion development on slope (80 mm/h, 1.5 g/cm3)

圖5 一定密度下侵蝕量隨時間的變化Fig.5 Erosion quantity variation with time in certain density

2.3 密度為1.6 g/cm3的坡面侵蝕發(fā)育過程

圖6為試驗條件下的侵蝕過程，以降雨強度為60 mm/h、密度為1.6 g/cm3的坡面試驗為例.隨著歷時，侵蝕發(fā)育總體呈現(xiàn)上細下寬的特點，細溝斷斷續(xù)續(xù)不完全連通.

圖6 坡面侵蝕發(fā)育過程圖Fig.6 Erosion developing process on slope

2.4 產(chǎn)沙對各因素的敏感性分析

敏感性分析法是指在許多不確定因素中找到對特定指標有重要作用的敏感性因素，并分析計算它們對該特定指標的敏感程度，進而找出造成風險最大的影響因素.某參數(shù)變化幅度越小，造成的特定指標變化幅度越大，則該指標對該參數(shù)越敏感，反之越不敏感.通常用敏感度系數(shù)E，即特定指標增量ΔM與ΔF的比值作為評定標準，即

(3)

式中：ΔFij為j因素的第i次和第i-1次數(shù)值間的增量值；ΔMi為第i次取樣和第i-1次侵蝕量的增量值；Eij為第i次時間段內侵蝕量對j因素的敏感度.

(4)

由圖7知，侵蝕量的敏感率受到產(chǎn)流、雨強、密度、入滲等多重因素的影響.各雨強下，對1.5 g/cm3的坡面，侵蝕量對入滲速率的敏感率最高；對1.6 g/cm3的坡面，侵蝕量對累積入滲深度的敏感率普遍最高；而對1.7 g/cm3的坡面，侵蝕量對產(chǎn)流量的敏感率總體最高.

圖7 一定密度下侵蝕量對各因素的敏感率關系圖Fig.7 Sensitivities of erosion quantity to various factors in certain density

對于密度1.5 g/cm3的坡面，孔隙較大，雨滴打擊后坡表面顆粒排列趨向均勻，坡面難以造成局部超飽和以及匯流出溝，但同時因為坡面顆粒松散，黏聚力很弱，極易被水沖刷，所以在降雨過程中坡面水是否及時入滲即入滲速率決定了侵蝕過程和侵蝕量.產(chǎn)流后坡面形態(tài)被坡面流所改變，進而局部會形成匯流并產(chǎn)溝，由于坡面飽和和砒砂巖遇水膨脹的特性，溝頭及溝壁兩側顆粒間作用力進一步變小，直到小于等于團聚體的重力，發(fā)生重力侵蝕.因為入滲速率較大，產(chǎn)流和出溝時間均較晚，所以試驗過程中在40～60 mm/h雨強下侵蝕量很小，而在70～80 mm/h雨強下，雖入滲速率仍較大但也導致坡面較早飽和，使產(chǎn)流和出溝時間明顯提前，形成嚴重的重力侵蝕，使得侵蝕量顯著增加.

對于1.6 g/cm3的坡面，顆粒間距變小使得坡面承水能力變小，飽和時間提前，且大雨強下形成超滲產(chǎn)流，所以產(chǎn)流時間明顯提前，而該密度的黏聚力仍較小，坡面極易被破壞，形成匯流出溝，出溝時間明顯提前.由圖7可以看出侵蝕量受累積濕潤鋒即入滲深度的敏感率最高，而累積入滲深度決定了砒砂巖遇水膨脹的土層的深淺，進而決定了產(chǎn)溝后重力侵蝕的劇烈程度.所以可得出，此密度的侵蝕主要是產(chǎn)溝后的強烈的重力侵蝕，使侵蝕溝不斷發(fā)育，各雨強下的侵蝕量均明顯增多.

對于1.7 g/cm3的坡面，侵蝕量對產(chǎn)流量有最大敏感率，這是由于顆粒間黏聚力增大，坡面具備一些抗沖刷能力，由表1可知40～60 mm/h下均沒有出溝，以坡面流形成的面蝕為主，而70～80 mm/h雨強下雖然出溝，且出溝時間和1.5 g/cm3坡面相近，因為顆粒間的黏聚力較大，形成的溝較淺，重力侵蝕不明顯，造成侵蝕量的原因以水流沖刷的溝蝕為主，源頭沖刷的動能有限，所以不足以產(chǎn)生較大的侵蝕量.

表1 坡面產(chǎn)溝時間Tab.1 Time for emerging rill on slope

綜上所述，1.7 g/cm3的坡面因為發(fā)生的是以沖刷為主的面蝕和溝蝕，并且坡面顆粒最密，抗蝕能力最大，造成的侵蝕量總體最小；1.5 g/cm3的坡面因為試驗進程中受入滲的影響，坡面雖然抗蝕能力最小，但侵蝕發(fā)育過程緩慢，導致侵蝕量總體不大,但若試驗持續(xù)進行，可能會造成侵蝕量激增；1.6 g/cm3的坡面由于很早就產(chǎn)流產(chǎn)溝和發(fā)生重力侵蝕，侵蝕量最高.

2.5 密度為1.7 g/cm3坡面的直剪試驗分析

降雨導致砒砂巖含水率發(fā)生變化，因此其抗剪強度勢必發(fā)生改變.綜合上述分析可知，密度為1.7 g/cm3坡面侵蝕的主因為水流沖刷，所以以此密度為例，對抗剪強度指標進行分析.由圖8可知其黏聚力隨含水率的變化呈開口向下的二次函數(shù)形式.低含水率時坡面以氣相為主，顆粒間的黏聚力低，隨著含水率增長，毛細水充斥顆粒間的縫隙，減弱了氣體的阻隔作用，而且顆粒中的一些具有膠結性質的游離氧化物溶于水使得黏結力增強，所以黏聚力上升，當含水率繼續(xù)增大至超過最優(yōu)含水率時，自由水充斥顆粒間，喪失了毛細水具有的連接作用，所以黏聚力降低.

圖8 黏聚力隨含水率的變化Fig.8 Cohesion variation with moisture content

關于內摩擦角β，其變化如圖9所示，較一般類型土，砒砂巖內摩擦角總體偏小，內摩擦角隨含水率增加線性減小.因為內摩擦角主要由顆粒間的摩擦接觸產(chǎn)生，由于單顆粒體積總體較大，比表面積較小，使得顆粒間接觸面小，缺少咬合能力，而且試樣的密度為1.7 g/cm3，和原狀砒砂巖相比，密實度稍小，顆粒間仍有少許空間可以相互錯動.而隨著含水率增加，顆粒間水膜變厚，起到了潤滑作用，且顆粒被水阻隔，接觸面變得更小，進一步減弱了摩擦咬合能力，隨著含水率增加，摩擦角減小.

圖9 內摩擦角隨含水率的變化Fig.9 Internal friction angle with moisture content

對于1.7 g/cm3的坡面，現(xiàn)以侵蝕量激增的70 mm/h雨強下的坡面含水率變化過程為例，由圖10可知，含水率從迅速增長到緩慢增長直到飽和.直剪試驗對試樣的正應力為50，100，150，200 kPa(含水率為25%試樣)；100，200，300，400 kPa(其他試樣).因為抗剪強度和相應正應力所對應，現(xiàn)取其加權平均值為代表值進行分析.隨含水率的增加其代表值線性減小，如圖11所示.

圖10 含水率隨時間的變化Fig.10 Moisture content variation with time

圖11 抗剪強度隨含水率的變化Fig.11 Shear strength variation with time

通過擬合公式進行計算，得到每次取水沙樣時的含水量所對應的坡面抗剪強度τ，侵蝕量和抗剪強度隨時間的變化如圖12所示.由圖知，前期上層坡面的含水率小，有較高的抗剪強度，又水分被均勻吸收，坡面不會因局部抗剪強度薄弱而造成破壞，進而形成匯流挾沙沿坡面流出.隨著降雨繼續(xù)進行，上層坡面接近飽和并產(chǎn)流，上層坡面的抗剪強度也降到了最低值，此時的侵蝕量也開始增多，之后含水率保持穩(wěn)定，抗剪強度接近穩(wěn)定且侵蝕量基本穩(wěn)定(造成一處突變原因為細溝邊緣局部坍塌)，可以看出侵蝕量和抗剪強度的時程曲線表現(xiàn)為對應的負相關性，印證了該密度下水流沖刷是造成侵蝕的主因，侵蝕是坡面抗剪強度和水流剪切力耦合作用的結果.

圖12 侵蝕量抗剪強度時程變化Fig.12 Both erosion quantity and shear strength va-riation with time

3 結 論

1) 在40～80 mm/h雨強下，各次試驗中1.5 g/cm3的坡面穩(wěn)滲率基本相同，等于坡面的飽和導水率；在40～60 mm/h雨強下，1.6 g/cm3的坡面穩(wěn)滲率基本等于飽和導水率；隨雨強的增大，1.7 g/cm3的坡面穩(wěn)滲率逐步增大.

2) 該坡度下，隨雨強的增長，各密度的坡面總侵蝕量均呈指數(shù)型增長，且1.6 g/cm3的坡面侵蝕量均明顯高于其他2個密度；1.5和1.6 g/cm3坡面的侵蝕量主要由重力侵蝕造成，1.7 g/cm3坡面的侵蝕量主要受水流沖刷的影響.

3) 針對1.7 g/cm3的砒砂巖風化物，隨著含水率增加，黏聚力呈開口向下的二次函數(shù)形式；侵蝕量和抗剪強度的時程曲線呈負相關，并且有一定的對應性，印證了該密度下水流沖刷是造成侵蝕的主因，侵蝕是坡面抗剪強度和水流剪切力耦合作用的結果.