干旱區河堤侵蝕防控研究

吳建軍

(新疆塔里木河流域和田管理局，新疆 和田 848000)

1 研究方法

1.1 物理模型

大多數土壤侵蝕研究都是針對剪切流引起的表面侵蝕，例如大壩溢洪道和橋臺周圍的沖刷[1-3]。在實驗室中，典型的侵蝕測量是通過使用射流侵蝕裝置、鉆孔裝置和侵蝕函數裝置等進行的。然而，很少有人對防洪墻背面發生的沖擊侵蝕進行研究。沖擊侵蝕的一般機制可能與剪切應力驅動的侵蝕截然不同：沖擊水流可能會向土壤提供大量的循環法向應力和剪切應力，而不是連續的剪切應力。從洪水墻中涌出水的另一個獨特特點是窄而長。為了在實驗室中重現這些現場條件，本文設計制作了一個獨特的侵蝕試驗臺，以模擬和田河流域防洪墻水流沖擊造成的土壤侵蝕，如圖1、圖2所示。

圖1 侵蝕試驗臺測試裝置

圖2 侵蝕試驗臺測試裝置示意圖(單位：cm)

與射流試驗和侵蝕率測定儀(EFA)等傳統儀器相比，本研究侵蝕試驗臺的物理規模相對較大，是由1個噴嘴、1個試樣箱、2個水箱和5個泵組成(噴嘴和試樣箱采用透明丙烯酸板制成，水箱采用鋼化玻璃制成，管道為PVC管道)，模型的幾何比尺為30。流量由3臺249 W的潛水排污泵控制。內水箱中的3個泵分別連接到直徑為3.81 cm的PVC管道上，單獨使用。然后，將所有管道都連接到直徑為7.62 cm的較大集水管上。在集水管末端，連接一個平面噴嘴(寬度為1.8 cm，長度為41.8 cm)。以指定的流量(28.9 m3/h)將沖擊水流從噴嘴中抽走。噴嘴的細節見圖2(a)和圖2(b)。

將土壤放置在尺寸為38.6 cm×20.8 cm×12.8 cm的試樣箱中，如圖2(a)和圖2(c)所示。試樣箱的一側有一個1 cm×1 cm的網格系統，因此可以用攝像機記錄沖刷深度。垂直安裝在試樣箱一端的板代表防洪墻。噴嘴和試樣箱由1.8 cm厚的透明丙烯酸板制成，用于監測沖刷深度、形狀和流動狀況。此外，在外水箱處安裝了2臺373 W潛水排污泵，用于將水再循環到內水箱中，從而實現連續供水。

1.2 測試步驟

侵蝕試驗臺測試的步驟如下：

(1)將試樣箱放在實驗室的桌子上，用小鏟子將干土試樣鋪入試驗箱中。土壤類型為粉質黏土，含水率為17.85%，干密度為1.76/m3，壓實度為95%。

(2)輕輕地引入水以使土壤飽和，而不干擾土壤。

(3)將試樣箱安裝在試驗臺上，調整噴嘴高度，使噴嘴接觸防洪墻頂部，使水沿防洪墻平穩流動。

(4)安裝并手動對焦攝像機，以記錄侵蝕剖面。

(5)同時打開3個泵，為噴嘴供水。

(6)為了在侵蝕試驗開始前保持噴嘴的恒定流速，試驗箱用板覆蓋，并允許泵達到恒定流速。

(7)打開攝像機，開始記錄侵蝕過程。

(8)迅速取下蓋板。

(9)測試結束后，將記錄的視頻圖像傳輸到計算機上，用于分析侵蝕剖面。

1.3 模型防洪墻的類型

在本研究中，對5種不同類型的防洪墻進行了測試。每個防洪墻都有不同的表面形狀。每個防洪墻的示意圖如圖3所示。案例A表示沖洗原始防洪墻表面。案例B和案例C有1 cm× 1 cm的丙烯酸條附著在防洪墻上，以擴散沖擊水的動能。案例D有一個L形條帶連接到板的底部，案例E有兩排1 cm×1 cm的塊呈Z字形附在防洪墻上。

圖3 試驗防洪墻表面形狀示意圖(單位：cm)

2 測試結果

侵蝕試驗結果如圖4所示。為了檢驗攝像機的標準快門速度30 fps的有效性，本文嘗試并比較了兩種不同的快門速度(30 fps和120 fps)。比較顯示，兩個結果之間的差異可忽略不計，如圖4(c)和圖4(d)所示。因此，在所有其余的測試中都使用了30 fps。

圖4 案例A、案例B、案例C、案例D、案例E的結果

案例A的最大侵蝕深度為12.8 cm，與試樣箱的深度相同。這表明，如果試樣箱更深，試樣的侵蝕將繼續。但由于試樣的重量很重(約234 N)，選擇保持試樣箱的深度恒定。案例B中，條帶連接在距離底部1.4 cm處，最終侵蝕深度為9.9 cm，比案例A的侵蝕深度小2.9 cm。由于案例A的侵蝕受到箱體深度的限制，因此案例B的侵蝕減少性能實際上大于試驗結果差異所表明的性能。案例C中，條帶連接在最底部，表現出與案例B類似的行為，最終侵蝕深度為10.1 cm。表明，條帶的位置不是影響侵蝕減少性能的主要因素。與案例B和案例C相比，案例D的底部連接有“L”形條帶，顯示出類似的侵蝕行為。然而，案例C也顯示出一種獨特的行為：當“L”形條帶的寬度增加到2.0 cm時，大量涌入的水被反射到試樣箱外。現場條件下的反射水可能會對堤防邊坡造成二次侵蝕；因此，在設計消能帶時應考慮最終的水沖擊點。這些試驗結果表明，連接一個適當設計的表面結構可以大大減少侵蝕深度。案例E中，方形砌塊以Z字形安裝，表現出與案例D相似的行為，但侵蝕深度略有下降。考慮到制造和連接鋸齒形塊的困難，案例E的侵蝕減少性能并不特別優于案例B和案例C。

除了對侵蝕深度的影響外，當使用消能帶時，達到最終侵蝕水平所需的時間顯著延長。如圖4和表1所示，案例A耗時1.7 s，而案例B、案例C、案例D和案例E耗時2.5～2.8 s。由于試樣深度有限，案例A沒有達到最終條件。案例A達到9 cm侵蝕深度(即案例B、案例C、案例D和案例E的近似最終侵蝕深度)的時間僅為0.7 s，這比案例B、案例C、案例D或案例E所需時間要短得多。這4個案例所花費的侵蝕時間大約是案例A的4倍。如果土質防洪堤不耐侵蝕，就像目前大多數防洪堤系統的情況一樣，侵蝕時間對于確保居民疏散時間至關重要。從這些結果可以看出，設計合理的消能帶或消能塊可以降低堤防的侵蝕潛力，并顯著延長疏散和響應時間。

表1 數值預測與各自的試驗觀測結果

3 結 論

(1)通過添加工程表面處理，侵蝕深度顯著減少(40%以下)，侵蝕時間顯著延長(400%以上)。

(2)通過試驗結果可以看出，水流沖擊土壤時，侵蝕深度的減小主要是由于沖擊角度的減小。

(3)根據侵蝕試驗臺的結果，初步證實了條帶和砌塊的安裝提供了減少或最大限度減少現場侵蝕影響的替代方法。但本研究基于小規模實驗室試驗結果，后續研究應評估全尺寸工程表面結構的規模效應。