土壤可蝕性評價的淹沒射流侵蝕試驗設計

李金玲

(新疆伊犁州水利局，新疆 伊寧 835000)

0 引 言

關于河流、河堤、橋墩和許多其他地區侵蝕的水管理研究的數據表明，土壤侵蝕和土壤退化是影響景觀及建筑設施的基本過程，因此迫切需要對這種現象進行評估。目前，關于非黏性土壤侵蝕現象文獻的研究結果揭示了泥沙和水的性質如何影響黏性沉積物的閾值和侵蝕速率，包括物理、地球化學和生物性質[1]。

土壤侵蝕率通常由超剪應力、作用于土壤表面超過臨界剪應力(τc)的剪應力以及可蝕性系數(Kd)來估算[2]。一般來說，沒有可靠的方法根據土壤性質來估計這兩個侵蝕參數，迄今為止最好的方法是根據實驗室或實地測量確定這些指標。

許多技術已被用于估算黏性沉積物的可蝕性參數。射流侵蝕試驗(JET)由Hanson和Cook(2004)開發[3]，是一種廣泛用于實驗室和現場測量的技術。ASTM標準(1995年)對試驗進行了全面描述，該實驗噴嘴使用固定頭噴嘴，安裝在定義測試環境的封閉圓柱體內。射流方法是基于射流沖擊理論開發的。該方法的估算精度主要取決于對射流流體力學的理解和對施加在土壤表面的臨界剪應力的可靠估算。盡管許多研究人員已經研究了撞擊射流，但直到最近才對約束的效果提出質疑。目前，已經建立了3種方法來分析試驗結果并確定侵蝕參數[4-5]，包括：①Blaisdell法，該方法使用雙曲線函數來預測平衡深度；②迭代方法；③沖刷深度方法。由于最初的JET方法是基于Blaisdell法開發的，因此本研究采用該方法來研究JET結果的可靠性。

Ghaneeizad等[6]研究了約束對撞擊射流流體水動力學特性的影響。他們注意到二次流的形成極大地影響了測試裝置圓柱體內的射流流體力學。結果還表明，平整光滑床上的有效剪應力約為文獻研究的2.4倍。在此基礎上，有專家學者對原Blaisdell法進行了修正。然而，在使用噴射法和噴射式試驗評估土壤可蝕性時，存在與質量保證和質量控制有關的問題。人們普遍認為，臨界剪切應力和可蝕性系數是土壤的固有特性。因此，特定土壤質地的這些屬性不應受到流動流體力學的影響，開發評估土壤可蝕性的綜合技術具有重要意義。

1 實驗系統設置

本研究中使用的噴射侵蝕測試設備與原始噴射侵蝕測試設備相同。該裝置由一個噴嘴直徑為6.4 mm的噴射管和一個可調節的水頭箱組成，用來提供所需的水頭(圖1)。在試驗開始時，使用偏轉器防止水撞擊土壤表面，并在試驗期間暫停試驗。實驗中使用一種土壤混合物，目的是在測試之間保持侵蝕過程的所有有效參數一致，并觀察射流水動力學變化特性對改變侵蝕參數的影響。樣品由70%的中值粒度為1 mm的細砂和30%的黏土組成，黏土含有6%的膨潤土和24%的高嶺石。使用干密度1 760 kg/m3和可塑性指數10.4的一致樣品來研究水動力變化對土壤可蝕性的影響；樣品壓實時的水含量為13%；使用點位計讀數和攝影測量技術對沖刷深度進行量化。從噴射試驗開始，以設定的時間間隔收集最多7 h的數據。

圖1 實驗裝置(包括土壓實模具、噴射裝置、揚程裝置和泵)

土壤壓實程度和性質對侵蝕速率有顯著影響。因此，每個樣品都經過精心準備，并按照ASTM標準的壓實方法(ASTM D698-07 2007)壓實。實驗采用兩個水頭和兩個沖擊高度，見表1。

表1 實驗條件總結

注：U0按照Ghaneeizad等提出的假設損失系數0.13進行計算。

使用測點儀沿射流軸線進行沖刷深度測量。使用近景攝影測量技術拍攝沖刷模式隨時間發展的照片，該技術在確定沖刷坑體積及其隨時間變化方面提供了更高的精度。按照設定的時間間隔暫停試驗，以拍攝沖刷坑的照片。由于射流驅動頭h0的變化，侵蝕率發生變化，因此使用不同的時間跨度收集每次試驗的數據。

所有實驗均以一致的方式制備樣品，壓實后立即對樣品進行測試。一旦圓筒放置在壓實土壤的頂部，噴射管就連接到可調水頭水箱上，并向圓筒注水。導流板用于防止水直接沖擊土壤表面，直到圓柱體裝滿且射流浸沒。此時，通過移除導流板，射流沖擊土壤表面，并以基于試驗條件的速率形成沖刷坑。

2 分析方法

本研究的主要目的是通過評估以一致方式制備的土壤樣品的臨界剪切應力和可蝕性系數來改進噴射方法，這些土壤樣品的土壤質地、壓實度、干密度、含水量和水溫等條件相同，但在不同的壓力條件下進行測試，即射流水動力學。通過對黏性沉積物對撞擊射流響應的更深入了解，來改進土壤侵蝕評估的方法。

首先介紹了在考慮兩水頭和兩沖擊高度的情況下，對一種土混合料的實驗室壓實樣品進行射流沖蝕試驗的方法。根據Hanson和Cook(2004)[3]采用經Ghaneeizad等[6]修訂的原始射流侵蝕測試方法，利用不同射流流體動力學的測試結果來確定侵蝕參數。然后討論了測試結果，并闡明改變射流流體動力學對侵蝕參數的潛在影響。

本研究采用Blaisdell法預測每次試驗的中心線沖刷深度。Hanson和Cook(2004)概述了該方法在射流侵蝕試驗中的應用。Ghaneeizad等隨后對原始方法進行了修訂，以說明對結果τc和Kd的限制效應。通過這種方式，對每次試驗的平衡沖刷深度進行估算，并根據修訂后的方法確定臨界剪應力τc和可蝕性系數Kd。但上述修訂僅考慮了試驗環境對射流侵蝕試驗結果的限制效應，而本研究的目的是通過改變試驗流體力學來調查射流侵蝕試驗方法中的不一致性。

3 實驗結果與分析

圖2為運行約7 h后的實驗圖片。需要注意的是：①實驗中所有的侵蝕都是顆粒侵蝕，沒有觀察到大規模的侵蝕；②由于射流結構的不對稱條件，沖刷孔在空間上向出口移動。在使用高水頭條件進行H9和H6試驗的早期階段，與表面其他部分相比，中心線上觀察到的侵蝕很小。從圖2 (a)和圖2 (b)可以看出，水頭越低，沖刷深度和沖刷寬度越小。換句話說，噴嘴流速越低，土壤侵蝕越小。

圖2 土壤樣品圖片

圖2中，圖2(a)為試驗開始前，運行后約7 h進行圖2(b) HH-H6試驗和圖2(c)LH-H6試驗，用于攝影測量的目標圍繞在土壤樣品周圍。

在試驗開始后1、3、5、10、15、30、60、210和440 min的不同時間間隔收集數據。平衡沖刷深度是用前30 min收集的數據計算的。在此過程之后，添加下一階段在30 min后收集的數據點，結果見圖3。由圖3可以看出，Blaisdell方法估計的均衡深度，即使對于一個特定的測試，也會根據數據收集的周期而變化。從圖3還可以看出，在高水頭實驗中，由于圖的坡度不再陡峭，在200 min左右，不同時間間隔的預測平衡沖刷深度差異不顯著。

圖3 Blaisdell法預測不同時間跨度的平衡沖刷深度

從計算和測量可以看出，在不同的水力邊界條件下，試驗的臨界剪應力是不同的，見圖4。噴嘴速度越大，撞擊高度越高，τc和Kd的值就越大。此外，通過使用不同時間間隔的數據，可以從完全相同的測試中獲得不同的平衡深度。

圖4 使用臨界剪應力τc和可蝕性系數Kd的試驗分析結果

平衡沖刷坑預測差異的一個原因可歸因于Blaisdell法的雙曲函數。圖5顯示，通過使用較長時間段收集的數據，沖刷深度預測的誤差變得更大。由圖5可知，在試驗的初始階段，即使少量繼續試驗，也會顯著影響估計的平衡沖刷深度。這表明需要在最短的時間內進行射流侵蝕試驗，以便觀察到分析結果沒有顯著變化。值得注意的是，在現場應用中，長時間進行射流侵蝕試驗可能不經濟，甚至不可行。因此，有必要改進理論方法，以估計測試的早期階段。

圖5 采用Blaisdell法，利用高水頭兩個撞擊高度處不同時間跨度的數據預測沖刷深度

在所有射流侵蝕試驗期間觀察到，侵蝕沉積物積聚在圓柱體內部和沖刷坑周圍。這些沉積物可能會改變河床形狀，增加表面粗糙度，從而改變射流場的流體動力學。特別是在高度可蝕性土壤中，這種影響可能是預測過程中的錯誤源。

4 結 論

本文通過設計實驗來研究射流侵蝕試驗結果的不一致性。實驗室壓實土壤的一致樣本暴露于不同的射流流體動力學條件。結果表明，不同的射流流體動力學條件可以影響導出的侵蝕參數，這些參數被假定為土壤特性，而不是試驗條件的函數。較高的噴嘴速度和較高的撞擊高度通常會導致τc和Kd的較大右值。此外，如果使用不同時間間隔的數據，不同的平衡深度可能同樣能得到相同的測試數據。

結果表明，目前的射流侵蝕試驗方法可能沒有考慮到控制土壤侵蝕的所有有效參數，并且在提供獨立于試驗條件的一致結果方面不可靠，同時該方法顯示出對射流流體動力學和數據收集持續時間的高度依賴性。由于確定收集數據所需的最短時間對于確定平衡沖刷深度非常重要，因此建議進一步有效改進該方法，并嚴格檢查用于推導可蝕性指數的可用預測技術。