生產建設項目不同土質工程堆積體產流產沙特征分析

摘要： 生產建設項目施工過程中會形成結構松散、顆粒組成復雜的工程堆積體，在暴雨及徑流沖刷下易形成強烈的水土流失，甚至引發地質災害。針對目前不同土質工程堆積體產流產沙特征分析方面的研究較少的問題，分別選取采自陜西省榆林市靖邊縣、江西省南昌市新建縣、貴州省貴陽市花溪區石板鎮、重慶市北碚區的風沙土、紅壤、黃壤、紫色土4種土壤類型，將礫石按照0、10%、20%、30% 4種質量分數分別與試驗土壤均勻混合后裝填，模擬不同礫石含量的工程堆積材料，在降雨試驗和放水試驗下分析不同土質堆積體的坡面徑流流速、徑流深、侵蝕動力特征和侵蝕速率等產流產沙特征，結果顯示：①土壤類型、礫石含量、降雨強度均會對工程堆積體產流產沙造成影響，相較于紅壤和紫色土，風沙土和黃壤堆積體更容易發生侵蝕；②當降雨強度和放水流量增加時，坡面徑流流速、侵蝕動力學參數、侵蝕速率會隨之增加；③礫石含量增加時，可減少坡面徑流流速的增加幅度，進而控制堆積體坡面產沙量。

關鍵詞： 工程堆積體；產流產沙；風沙土；紅壤；黃壤；紫色土；生產建設項目

中圖分類號： S157文獻標識碼： ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2025.04.017

引用格式： 劉文祥，申明爽，閆建梅，等.生產建設項目不同土質工程堆積體土壤侵蝕產流產沙特征分析[J].中國水土保持，2025（4）：68-71.

生產建設項目施工過程中邊坡和土地開挖會導致大量表土被剝離，形成結構松散、顆粒組成復雜的工程堆積體[1]，在暴雨及徑流沖刷下，易產生強烈的水土流失，甚至引發地面塌陷、山體滑坡等地質災害。因此，生產建設項目工程堆積體的水土流失問題需要得到充分關注。目前，我國關于工程堆積體水土流失問題的研究主要集中在坡面產流產沙規律和影響因素方面。相關研究表明，降雨強度、礫石含量、地形地貌等因素會對工程堆積體產流產沙量造成不同程度的影響[2-4]。然而，關于不同土壤類型或土壤質地的工程堆積體之間的產流產沙特征差異方面的研究較少。本研究通過試驗設計的方法分析不同土壤質地堆積體的產流產沙特征，以期為生產建設項目工程堆積體土壤侵蝕機理研究提供支撐。

1研究方法

1.1不同土質堆積體選擇

試驗選擇風沙土、紅壤、黃壤、紫色土4種土壤類型，分別取自陜西省榆林市靖邊縣、江西省南昌市新建縣、貴州省貴陽市花溪區石板鎮、重慶市北碚區。采集的土壤經孔徑2 mm 篩篩分后自然風干作為試驗土壤，采用激光粒度儀測定顆粒組成，土壤顆粒組成特征見表1。風沙土、黃壤和紫色土的土壤質地為砂土，砂粒含量超過50%，黏粒含量偏低；紅壤粉粒和砂粒含量較高，屬于黏土質地。

1.2試驗設計

1）試驗材料。基于堆積體土壤質地統計結果，發現粒徑2～＜14 mm、14～＜25 mm、≥25 mm的礫石分別占31%、48%、21%。將礫石粉碎后過孔徑14、25、50 mm篩，分為2～＜14 mm、14～＜25 mm、25～＜50 mm三個等級，并按照質量比3∶5∶2進行混合，作為試驗所用礫石。將礫石按照0、10%、20%、30% 4種質量分數分別與試驗土壤均勻混合后裝填，模擬不同礫石含量的工程堆積材料。根據土壤侵蝕標準試驗小區建設要求設計坡長和坡度，然后將提前混合均勻的土石體分層裝入。

2）試驗包括降雨試驗和放水試驗。降雨試驗以風沙土、紅壤為研究對象，基于區域多年降雨統計數據，設計4種降雨強度，分別為1.0、1.5、2.0、2.5 mm/min。放水試驗以紫色土和黃壤為研究對象，根據暴雨發生頻率和產生的單寬流量，設計5、10、15 L/min 3種放水流量，對應降雨強度分別為0.5、1.0、1.5 mm/min，沖刷時間30～58 min。降雨試驗和放水試驗中坡面產流開始后，按照固定時間間隔在集流槽出口收集徑流和泥沙樣品，并記錄接樣時間、體積和質量。

1.3數據處理

2結果與分析

2.1降雨試驗下不同土質堆積體的坡面產流特征

1）流速。風沙土和紅壤堆積體在不同降雨強度下的坡面徑流流速見表2。結果顯示，相同礫石含量和降雨強度下，風沙土堆積體坡面徑流流速整體上大于紅壤的，可以說風沙土堆積體相較于紅壤堆積體更容易發生侵蝕。風沙土堆積體和紅壤堆積體在不同降雨強度下的坡面徑流流速整體上表現為流速隨著降雨強度的增大而增大。礫石含量對流速的影響比較復雜，雨強為1.0、1.5 mm/min時，風沙土堆積體坡面徑流流速隨礫石含量增加無顯著變化，紅壤堆積體坡面徑流流速隨礫石含量增加呈增大趨勢；雨強為2.0、2.5 mm/min時，風沙土堆積體坡面徑流流速隨礫石含量增加而減小，紅壤堆積體坡面徑流流速隨礫石含量增加呈先減小后增大的趨勢，礫石含量為20%時流速最小。對于風沙土堆積體，礫石含量為0時，降雨強度從1.0 mm/min增大至2.5 mm/min坡面徑流流速增加了168.35%，而礫石含量為30%時，流速僅增加了45.57%；對于紅壤堆積體，降雨礫石含量為0時，降雨強度從1.0 mm/min增大至2.5 mm/min坡面徑流流速增加了159.18%，而礫石含量為30%時，流速僅增加了54.88%。可以說，降雨強度、礫石含量和土壤類型均會影響坡面徑流流速，降雨強度越大，工程堆積體坡面徑流流速越大，然而隨著礫石含量增加，流速增加的幅度會下降。

2）雷諾數和弗勞德數。風沙土和紅壤堆積體在降雨試驗下的水力學參數——雷諾數和弗勞德數分別見表3和表4。風沙土和紅壤堆積體雷諾數、弗勞德數均隨雨強的增大而增大。降雨強度為1.0 mm/min時，風沙土堆積體的雷諾數變化范圍為36.6～88.5，弗勞德數變化范圍為0.72～1.15，邊坡徑流為急流；紅壤堆積體的雷諾數變化范圍為47.9～54.0，弗勞德數變化范圍為0.53～0.99。在相同降雨強度下，風沙土堆積體的弗勞德數隨礫石含量增加而減小，與風沙土相反，紅壤堆積體的弗勞德數隨礫石含量增加而增大。

3）侵蝕速率。圖1為風沙土和紅壤堆積體侵蝕速率隨礫石含量和降雨強度的變化特征。降雨強度相同時，風沙土和紅壤侵蝕速率隨礫石含量增加整體呈減小趨勢；礫石含量相同時，風沙土和紅壤堆積體侵蝕速率隨降雨強度增大而增大，降雨強度達到2.5 mm/min時，侵蝕速率達到最大。在相同降雨強度和礫石含量條件下，風沙土堆積體的侵蝕速率是紅壤堆積體的1.9～3.8倍，其中風沙土堆積體礫石含量為0時，在降雨強度為2.5 mm/min條件下侵蝕速率高達16.37 g/（m2·s）。

2.2放水試驗下不同土質堆積體的坡面產流和侵蝕動力特征

表5為放水試驗中紫色土和黃壤堆積體的產流和侵蝕動力特征。由表5可知，隨放水流量增加，紫色土和黃壤堆積體坡面徑流流速均增大，放水流量為15 L/min時的徑流流速分別是放水流量為5 L/min的1.09、1.99倍。當放水流量為5 L/min時，紫色土堆積體邊坡徑流流速大于黃壤，而當放水流量超過5 L/min時，紫色土堆積體邊坡徑流流速均小于黃壤，這表明在強降雨條件下黃壤更容易發生侵蝕。紫色土堆積體徑流深和流寬均隨放水流量增加呈增大趨勢，放水流量為10 L/min時，黃壤的徑流深最小，流寬最大。紫色土堆積體阻力系數、徑流剪切力隨放水流量增加而增大，放水流量為15 L/min時，徑流功率最大，分別達到5 和10 L/min 流量時的1.64和1.37倍；黃壤堆積體阻力系數、徑流剪切力隨放水流量增加先減小后增加，放水流量為15 L/min時，黃壤堆積體徑流功率最大，分別達到5 和10 L/min 流量時的2.31和1.93倍。

3討論

通過對不同土質工程堆積體進行降雨試驗和放水試驗，分析其坡面產流產沙特征，結果表明生產建設項目工程堆積體的產流產沙與土壤質地、降雨強度、礫石含量有關。當降雨強度和放水流量增加時，流速、侵蝕速率會隨之增加，可以說，上方來水和降雨會共同作用影響坡面徑流和產沙過程[5-7]。工程堆積體的土壤質地和礫石含量會直接影響堆積體的結構和物理性質，進而影響坡面產流產沙過程。在相同的降雨強度下風沙土堆積體的徑流流速大于紅壤堆積體，當放水流量超過5 L/min時黃壤的徑流流速大于紫色土堆積體，風沙土堆積體、黃壤堆積體更容易發生侵蝕。在相同降雨強度和礫石含量條件下，風沙土堆積體的侵蝕速率可達到紅壤堆積體的1.9～3.8倍，若生產建設項目會造成大量風沙土堆積體，則該項目的水土流失防治工作需得到高度重視。礫石含量同樣可對流速、侵蝕動力參數和侵蝕速率產生影響[8-9]，當礫石含量增加時，可減緩坡面徑流流速，進而控制堆積體坡面產沙量。鄭騰輝等[10]的研究表明巖溶區石灰土質堆積體坡面侵蝕量隨礫石含量的增加而減小，這與本研究的結果相一致。本研究是在模擬多場次徑流沖刷條件下進行的工程堆積體產流產沙特征分析，對于實際土壤侵蝕機理的探索還有待加強，且土壤侵蝕速率作為衡量水土流失情況的重要數據，如何提升其監測精度是亟待解決的問題。

參考文獻：

[1] 羅璟，裴向軍，黎俊豪，等.模擬降雨條件下角礫和圓礫對陡峭路塹邊坡產流產沙的影響[J].水土保持通報，2023，43（3）：1-10.

[2] 景民曉，謝永生，趙暄，等.土石混合棄土堆置體產流產沙模擬研究[J].水土保持學報，2013，27（6）：11-15，20.

[3] 牛耀彬，高照良，齊星圓，等.不同工程堆積體坡面治理措施對土壤抗沖刷侵蝕能力的影響[J].農業工程學報， 2019，35（2）：134-143.

[4] 李瑞棟，王文龍，婁義寶，等.模擬降雨條件下礫石含量對塿土工程堆積體坡面產流產沙的影響[J].應用生態學報，2022，33（11）：1-11.

[5] 丁亞東，謝永生，景民曉，等.輕壤土散亂錐狀堆置體侵蝕產沙規律研究[J].水土保持學報，2014，28（5）：31-36.

[6] 李建明，王一峰，張長偉，等.三種土壤質地工程堆積體坡面流速及產沙特征[J].長江科學院院報，2019，36（12）：28-35.

[7] 史東梅，蔣光毅，彭旭東，等.不同土石比的工程堆積體邊坡徑流侵蝕過程[J].農業工程學報，2015，31（17）：152-161.

[8] 陳卓鑫，王文龍，康宏亮，等.礫石對紅壤工程堆積體邊坡徑流產沙的影響[J].生態學報，2019，39（17）：6545-6556.

[9] 趙滿，王文龍，郭明明，等.不同礫石含量塿土堆積體坡面侵蝕特征研究[J].土壤學報，2020，57（5）：1166-1176.

[10] 鄭騰輝，周旺，劉濤，等.連續模擬降雨下巖溶區含礫石堆積體坡面徑流產沙特征[J].水土保持學報，2020，34（3）：55-60.

（責任編輯 李佳星）