人工模擬降雨法在隧道棄渣坡面水土流失規律研究中的應用

柴亞凡，周 波，劉 敏，侯 超

(甘肅省水土保持科學研究所，甘肅蘭州 730020)

人工模擬降雨法在隧道棄渣坡面水土流失規律研究中的應用

柴亞凡，周 波，劉 敏，侯 超

(甘肅省水土保持科學研究所，甘肅蘭州 730020)

人工模擬降雨器;激光雨滴譜儀;水土流失監測;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。試驗結果表明:降雨前期，渣體滲透性能較好，水分大量滲入渣體，待降雨強度大于入滲能力時，徑流才開始產生;樣品A(黃綿沙)開始產流的時間為11 min，樣品B(紅黏土)開始產流的時間為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，但長度都較短，以細溝侵蝕為主，而以樣品B為供試材料的坡面上侵蝕溝較少，但是分布相對集中，且以面蝕為主。

在水土保持研究領域，人工模擬降雨法可以進一步補充論證在自然降雨環境下得到的結果，可以彌補在自然降雨條件下因環境變化而無法得到預期的試驗結果［1－5］，還可以在較短時間內獲取大量系統的數據資料，因此該方法已成為此研究領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域，松散、表面裸露，遇降雨極易產生坡面侵蝕，尤其是堆渣較高，坡面長、坡度大的坡面，侵蝕尤為嚴重。本研究采用人工模擬降雨法對隧道棄渣坡面侵蝕特征及變化趨勢進行對比研究，以分析渣體坡面產流、入滲及侵蝕溝分布規律。

1 研究地點概況

1.1 自然概況

本試驗地點位于蘭州市城關區竇家山蘭州水土保持科學試驗站，距蘭州市區約4 km，是典型的黃土丘陵溝壑區。屬北溫帶半干旱大陸性季風氣候區，年平均氣溫9.8℃，年均降水量311 mm，年均蒸發量1 446 mm。受季風的影響，降水季節分配極為不均，春季多風，少雨干旱;夏無酷熱，降水增多;秋季涼爽，溫差較大;冬季寒冷，干燥少雪。土壤為黃土母質上發育而成的灰鈣土，部分地方的山體基部有巖石和第三系紅土層裸露。土壤中腐殖質缺乏，有機質含量低，質地疏松多孔，濕陷性強。

1.2 供試材料

試驗材料取自在建的蘭渝鐵路桃樹坪隧道2號斜井隧洞出渣(樣品A)和長壽山隧道進口出渣(樣品B)。樣品A:質地為黃綿沙，容重1.48 g/cm3，自然含水率20%。樣品B:質地為紅黏土，容重1.42 g/cm3，自然含水率11%。

2 研究方法

2.1 徑流小區的布設

在竇家山風水復合侵蝕監測示范點人工模擬降雨試驗區15°自然坡面，開挖坑槽1.5 m×4.5 m(人工模擬降雨器有效降雨面積)，開挖深度30 cm。在土槽四周插入高50 cm鋼板，插入深度30 cm。試驗前，將供試樣品分層填入土槽內，填筑厚度為50 cm，填筑過程中分層壓實，保證其緊實度，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生產的NORTON降雨模擬器，該裝置采用振蕩式原理，標準調節強度為50～100 mm/h，有效降雨面積為1.5 m×4.5 m。模擬降雨器架設在小區上端，調整使其坡度在5°左右，用自來水供水。供水水泵采用1 500 kW的潛水泵，降雨強度通過供水水壓控制。本次試驗采用模擬降雨器第三檔位，單擺狀態，利用閥門開關將其保持在70 kPa的壓力下，以保證兩組試驗在同等壓力條件下進行。

2.3 激光雨滴譜儀

選用的雨滴譜儀是由德國THIES公司生產的LNM激光雨滴譜儀，該裝置由激光光學發射源產生一組平行光束，位于接收端的透鏡光二極管可以測量光強并把它轉換成電信號。當雨滴穿過激光束時產生接收信號，通過減小的振幅計算出雨滴直徑，通過減小信號的持續時間測得雨滴的下降速度。根據所有雨滴直徑和速度的統計比例確定降雨類型［11］。本試驗將激光雨滴譜儀架設在人工模擬降雨器正下方，終端采用電腦遠程控制和記錄。

2.4 樣品采集及侵蝕量的測定

(1)降雨開始時用秒表計時，至開始產流時記錄產流時間。

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

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

3 結果與分析

3.1 樣品產流及侵蝕特征

在試驗過程中，測得樣品A開始產流時間為11 min，樣品B開始產流時間為4 min，樣品A所需的產流時間較樣品B長。這主要是因為:降雨前期，土壤滲透性較好，水分大量滲入渣體，待降雨強度大于入滲能力時，徑流才開始產生。另外，通過試驗可知樣品A的滲透性比樣品B的好。侵蝕過程見表1。溝，隨著入滲速率的減小，降雨進一步匯集，形成徑流，沿細溝

圖1 入滲特征

表1 侵蝕過程

從表1可以看出，開始產流后隨著降雨的持續，時段侵蝕量快速增加，最終達到峰值，隨后逐漸趨于平緩，一直持續到接近穩定。可以將整個侵蝕過程分為瞬變段(侵蝕變化較快的初始階段)、漸變段(變化減緩的過渡階段)、平穩段(變化較慢的穩定階段)3個階段，以探討侵蝕過程的整體特征。在產流初始階段，樣品A、B的時段侵蝕量隨著降雨的持續迅速增加，前者在10 min時達到峰值74.8 g，在0—10 min內其累積侵蝕量為328.1 g;后者在6 min時時段侵蝕量達到峰值72.1 g，在0—6 min內累積侵蝕量為189.7 g。樣品A的初始階段要長于樣品B。過渡階段樣品A在10—18 min之間，而樣品B在6—16 min之間，在這段時間內，兩者的時段侵蝕量迅速降低，并逐漸趨于平穩。樣品B大約在14 min時就達到穩定，而樣品A大約在18 min以后才趨于穩定。

3.2 水分入滲特征

在降雨試驗結束后，對供試樣品的水分入滲深度進行了測量，按照距坡頂的不同距離(25、50、75、100、150、200、300、350、425 cm)分別測量入滲深度。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的入滲性能明顯優于樣品B。在整個降雨過程中，樣品A小區下部的入滲深度可以達到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

降雨試驗結束后，對侵蝕坡面上形成的侵蝕溝的特征和形態進行了量測和分析。從降雨過程中可以看到，在降雨初期，雨滴對渣體的擊濺作用強烈，渣粒四處飛濺，坡面逐漸出現細流出。由表2可以看出在6.75 m2的侵蝕坡面上寬度≥10 cm的侵蝕溝數量，樣品A侵蝕面達到了4條，切溝深度達到了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，達到了210 cm。在5—10 cm的區間內，樣品A和樣品B的侵蝕溝數量分別為3條和2條，同樣呈現出樣品A的切溝深度遠遠大于樣品B的切溝深度。

可以看出，以質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量較多，而且分布較廣，但是侵蝕溝都較短，主要以細溝侵蝕為主。而在質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，土壤抗蝕性增強，使得降雨動能對土壤表層做功減少。

表2 侵蝕溝分布特征

4 結果與討論

(1)降雨前期，渣體滲透性較好，水分基本都滲入渣體，因此這段時間不產流，待降雨強度大于入滲能力時，徑流才開始產生。在以樣品B和樣品A為供試材質的徑流小區內，從坡上至坡下，入滲深度逐漸增加。但是從整個入滲特征可以看出樣品A的入滲性明顯強于樣品B。以樣品A為供試材料的侵蝕坡面上，侵蝕溝分布數量較多，而且分布較廣，但是侵蝕溝都較短，主要以細溝侵蝕為主;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)在施工過程中，施工單位應首先按照先攔后棄的原則及要求，在渣場棄渣前先修筑攔擋工程;其次，在棄渣過程中，盡量做到分層碾壓，邊堆棄邊碾壓，有條件的可以進行灑水，以盡可能地保證渣體的緊實度;再次，可將隧道出渣用于隧洞前施工場地的鋪墊及施工道路的填筑，將棄渣與利用很好地結合，以減少棄渣場占地及棄渣流失，這樣既節約了工程建設費用，也符合水土保持要求。

(3)本研究僅對野外棄渣進行了試驗場人工模擬降雨試驗，未對渣體坡面產流的其他水動力學參數進行深入分析;坡度和坡長也是影響渣體坡面侵蝕的重要因素，今后可在這些方面開展進一步研究，以便更深刻地揭示坡面侵蝕發生機理及發展過程。

(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，彌補了傳統的雨滴參數的測定方法，省時省力，可操作性好，保證了人工模擬降雨試驗數據的連續性和完整性，所有的降雨參數都實現了連續完整的測量和自動記錄。激光雨滴譜儀在很大程度上實現了人工模擬器只能依靠壓力閥調節供水壓力、降雨強度，人工滴定進行雨滴參數測量，完全實現了自動測量和自動記錄，完成了雨滴參數的校準，大大節省了試驗時間。今后還須進行大量的試驗，解決何種壓力水頭下，直接判讀基本降雨參數的問題，即通過不斷調整壓力水頭，讀取人工模擬降雨器壓力儀表盤的壓力讀數和激光雨滴譜儀的各種降雨參數，建立逐一對應的關系，這樣在今后的降雨模擬試驗中，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測研究。

2012－03－25

(責任編輯 孫占鋒)