生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目工程堆積體邊坡土壤侵蝕過(guò)程.pdf

1、隨著生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目數(shù)量不斷增加和類(lèi)型多樣化，各種工程建設(shè)活動(dòng)在施工過(guò)程中形成了大量的工程堆積體，使原地貌單元不斷被塑造成特殊的人為地貌單元。工程堆積體作為一種物質(zhì)組成極不均勻、離散程度很大的土石混合物，其結(jié)構(gòu)松散、內(nèi)摩擦角和粘聚力小、植物根系與有機(jī)質(zhì)缺乏，是人為水土流失的主要地貌單元。在降雨或暴雨條件下，其強(qiáng)烈的水土流失破壞了土地資源和生態(tài)平衡。由于工程堆積體發(fā)生來(lái)源和土石含量不同，不同工程堆積體在地表徑流沖刷作用下的土壤侵蝕特征差異性較

2、大。本文以重慶市生產(chǎn)建設(shè)中廣泛存在的紫色土堆積體和黃壤堆積體為研究對(duì)象，通過(guò)野外調(diào)查及土工試驗(yàn)方法，分析了其來(lái)源特征及物理性質(zhì)變化特征;采用野外實(shí)地放水沖刷法及水力學(xué)、泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)等理論，深入研究了不同土石比工程堆積體邊坡坡面徑流侵蝕過(guò)程中水動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化特征、坡面入滲、產(chǎn)流、產(chǎn)沙過(guò)程及細(xì)溝發(fā)育過(guò)程，建立了邊坡坡面水沙關(guān)系方程及侵蝕臨界條件;通過(guò)研究不同土石比工程堆積體物理性質(zhì)、水動(dòng)力學(xué)參數(shù)、徑流泥沙及細(xì)溝發(fā)育特征，深入分析工程堆積體邊

3、坡坡面土壤侵蝕過(guò)程，并進(jìn)一步探討其邊坡失穩(wěn)機(jī)制，可為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失量預(yù)測(cè)和水土保持措施布置提供基本參數(shù)和技術(shù)依據(jù)。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、挪煌潦裙こ潭逊e體邊坡物理性質(zhì)特性差異明顯。土質(zhì)(≤10mm)含量較高時(shí)，土體容重、非毛管孔隙均較小，而毛管孔隙較大，有利于邊坡植物恢復(fù)，但其豐富土質(zhì)或細(xì)顆粒是徑流侵蝕的泥沙來(lái)源;而石質(zhì)(＞10mm)較高時(shí)則相反，其水土流失發(fā)生的可能性較小。紫色土和黃壤堆積體土質(zhì)含量均表現(xiàn)為土質(zhì)＞偏

4、土質(zhì)＞土石混合質(zhì)，其中紫色土依次為86.47％，79.19％和57.16％，黃壤依次為76.88％和60.69％，而石質(zhì)含量則相反，除土質(zhì)紫色土外，其它堆積體顆粒分布均勻且級(jí)配良好;紫色土堆積體土體容重以土質(zhì)(1.317g/cm3)最小，土石混合質(zhì)最大(1.562g/cm3)，而黃壤堆積體為偏土質(zhì)大于土石混合質(zhì);兩種堆積體體邊坡沖刷前的初始含水率均表現(xiàn)為土質(zhì)＞偏土質(zhì)＞土石混合質(zhì)，土質(zhì)含量多的堆積體較含量少的侵蝕危險(xiǎn)性越高。工程建設(shè)形成的

5、各種擾動(dòng)地貌單元降低了項(xiàng)目區(qū)水源涵養(yǎng)功能，其中3a，2a和1a棄渣堆積體土壤有效庫(kù)容比原地貌中最小的坡耕地依次減少了12.3％，16.8％，22.7％。
　?、撇煌潦裙こ潭逊e體邊坡坡面徑流侵蝕過(guò)程中水動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化明顯。在邊坡坡面侵蝕過(guò)程中水流流態(tài)以紊流和緩流為主，且各水動(dòng)力學(xué)參數(shù)均呈不同程度波動(dòng)式變化，其中流速v隨沖刷時(shí)間呈“強(qiáng)-弱”波動(dòng)、阻力系數(shù)f呈“弱-強(qiáng)”波動(dòng)、剪切力τ呈“弱-強(qiáng)-弱”波動(dòng)、功率P呈“強(qiáng)-弱”波動(dòng);紫色

6、土和黃壤堆積體v均隨放水流量增加呈冪函數(shù)增加，其冪指數(shù)最大和最小值分別為0.526，0.179;同一放水流量下土質(zhì)或偏土質(zhì)堆積的v均為最大，含石量越小時(shí)坡度及坡長(zhǎng)對(duì)v影響較小。在一定條件下f隨土石比的減小而增大，即土質(zhì)＜偏土質(zhì)＜土石混合質(zhì)。τ受土石比和地形條件（坡度或坡長(zhǎng)）影響很大，其隨放水流量增加而增大且黃壤堆積體增加速率較紫色土快，其中紫色土堆積體在24.571～83.743 Pa之間，而黃壤為22.000～57.154 Pa。P也

7、隨放水流量增加而增大，兩種堆積體P均表現(xiàn)為土質(zhì)或偏土質(zhì)大于土石混合質(zhì)。
　　⑶不同土石比工程堆積體邊坡徑流泥沙特征差異明顯。入滲過(guò)程存在迅速降低（前3min）、緩慢降低(3～20min)和趨于穩(wěn)定（20min后）三個(gè)階段;紫色土和黃壤堆積體邊坡在沖刷過(guò)程中的平均入滲率均表現(xiàn)為土質(zhì)或偏土質(zhì)大于土石混合質(zhì)。產(chǎn)流過(guò)程則呈先增加后趨于穩(wěn)定變化且存在不同程度突變或波動(dòng)現(xiàn)象，產(chǎn)流率突變主要發(fā)生在產(chǎn)流后的9 min內(nèi);細(xì)溝侵蝕是影響產(chǎn)流量的重要

8、因素;土石比對(duì)產(chǎn)流率有重要影響且隨放水流量增加而增強(qiáng)，流量從5增加到25 L/min土質(zhì)堆積體平均產(chǎn)流率增加量最大(19.337 L/min)，而土石混合質(zhì)最小。產(chǎn)沙過(guò)程呈連續(xù)性的多峰多谷特點(diǎn)且波動(dòng)程度隨放水流量增加而增強(qiáng)，細(xì)溝溝壁土體在重力作用下的崩塌脫落是造成產(chǎn)沙過(guò)程波動(dòng)的重要原因。各水動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)邊坡坡面產(chǎn)沙量影響程度依次為γ Q＞）γh＞）γb＞）γf＞）γv＞γp＞γτ，其關(guān)聯(lián)度在0.5183～0.9284之間，其中放水流量對(duì)

9、產(chǎn)沙量影響最大;產(chǎn)沙量與放水流量可用M=0.0072Q3.0287進(jìn)行回歸擬合，小流量下(5L/min)兩種堆積體邊坡平均產(chǎn)沙率均以土石混合質(zhì)最大，而在大流量下則表現(xiàn)為土質(zhì)＞偏土質(zhì)＞土石混合質(zhì)。
　?、裙こ潭逊e體邊坡坡面細(xì)溝侵蝕主要發(fā)生在產(chǎn)流3min后，可分為細(xì)溝發(fā)展階段(3～45min)和穩(wěn)定階段（45min后），其徑流含沙量呈波動(dòng)減小的變化，而坡面細(xì)溝形態(tài)與產(chǎn)沙量密切相關(guān)。在徑流沖刷后黃壤堆積體一般形成單一主溝，而紫色土堆積體

10、則形成較多細(xì)溝;土石混合質(zhì)紫色土堆積體邊坡細(xì)溝條數(shù)、平均溝寬、平均溝深總體上隨放水流量增加而增大，而細(xì)溝寬深比則相反，坡度增大會(huì)加劇溝底下切;當(dāng)放水流量在10～30 L/min范圍時(shí)其平均溝深在1.58～7.67cm之間變化，而細(xì)溝平均密度在1.0～2.27 m/m2。工程堆積體邊坡坡面產(chǎn)沙量與平均溝深呈極顯著正相關(guān)，其可用M=0.2187 h2.9508進(jìn)行回歸擬合，而與侵蝕溝條數(shù)、平均溝寬、細(xì)溝密度以及細(xì)溝寬深比相關(guān)性不明顯。

11、>　?、晒こ潭逊e體邊坡細(xì)溝發(fā)育過(guò)程中的重力侵蝕發(fā)生在細(xì)溝兩側(cè)及溝頭，是影響坡面產(chǎn)沙重要因素，也是導(dǎo)致坡面含沙量波動(dòng)變化重要原因。邊坡細(xì)溝發(fā)育過(guò)程中的重力侵蝕產(chǎn)沙貢獻(xiàn)最大為96.6％，最小為10.9％，相同條件下重力侵蝕產(chǎn)沙貢獻(xiàn)隨邊坡坡度增加而增大。不同土石比邊坡坡面的侵蝕臨界條件不同，偏土質(zhì)紫色土堆積體邊坡坡面發(fā)生侵蝕的臨界水流功率較小(6.699N/(m·s))，而其土石混合質(zhì)較大(7.265N/(m·s));土石比相同時(shí)，黃壤堆積體

12、臨界水流功率小于紫色土堆積體，黃壤堆積體較紫色土堆積體易侵蝕;工程堆積體邊坡侵蝕臨界坡度隨放水流量增加而減小，放水流量由10增加到30 L/min時(shí)土石混合質(zhì)紫色土堆積體侵蝕臨界坡度依次為35°，35°，30°，32.5°和30°。
　?、使こ潭逊e體邊坡的入滲產(chǎn)流過(guò)程對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響很大，其徑流沖刷過(guò)程會(huì)直接造成坡面粗糙化、石礫化，而水分入滲過(guò)程則會(huì)增大土體含水率和土體容重，降低土體抗剪強(qiáng)度，造成邊坡失穩(wěn)。在非降雨條件和中雨（歷時(shí)