【摘要】煤炭开采过程形成的工程堆积体可导致严重水土流失｡该文以重庆市煤矿工程堆积体为研究对象,该文采用土工试验方法和野外实地放水冲刷试验研究了煤矿工程堆积体边坡径流侵蚀特征及其临界水动力条件｡结果表明:1)随着径流侵蚀冲刷过程进行,工程堆积体边坡的径流流速､径流剪切力和径流功率均呈现出程度不一波动现象,其变化范围分别为0.187-0.526 m/s､24.336-126.542 Pa､2.763-46.861 N/(m•s),而阻力系数在2.236-19.33之间波动变化｡2)除10 L/min放水条件, 工程堆积体边坡产流率､ 产沙率随径流冲刷过程呈先增加､ 后稳定变化趋势; 在不同放水条件 (10-30 L/min)下,边坡产流率依次趋于0.5､3.0､3.8､6.3和9.0 L/min,而产沙率在0-27.51 kg/min之间变化,土壤剥蚀率在9.570-4616.064 g/(m2•min)｡3)不同坡度工程堆积体边坡临界径流剪切力及径流功率存在较大差异,面蚀阶段临界径流剪切力和临界径流功率以30 °堆积体最小,分别为23.95 Pa 和1.76 N/(m•s);而细沟侵蚀阶段以25 °堆积体临界径流剪切力最小,以40 °堆积体临界径流功率最小;土壤侵蚀速率与径流剪切力､径流功率之间具有显著线性关系｡4)在放水条件下(10-30 L/min) ,工程堆积体径流侵蚀临界坡度分别为34.8°､35°､33.7°､34°､35.2°｡研究结果可为煤矿工程堆积体水土流失量预测､水土保持生态修复措施布置提供技术参数和依据｡
【关键词】径流;侵蚀;水动力学;临界条件;工程堆积体;煤矿工程
引言
    随着对煤炭资源需求不断增大,频繁的采矿活动会造成严重水土流失和区域性生态环境恶化[1-3]｡开采过程中形成大量的工程堆积体,是人为的侵蚀物质来源[4]｡由于存在边坡陡､短促､疏松､地面组成物质复杂等不同于原下垫面的物质组成结构和堆积特性,在水力和重力共同作用下,工程堆积体比原地貌更易产生泥石流､崩塌和滑坡等人为原因造成的水土流失[5-8]｡生产建设项目作为人为水土流失类型,具有独特的侵蚀机理和特殊的产流产沙规律[9]｡国内外学者针对工程堆积体侵蚀环境､产流产沙以及泥沙输移等开展了大量研究｡ Rovira 等[9]通过对采矿区河流泥沙量长期研究表明,生产建设项目工程堆积体造成的水土流失是河流泥沙的重要来源;张丽萍等 通过人工冲刷模拟试验研究了神府东胜煤田坡面型和沟谷型泥石流源地松散体起动､产沙､泥石流的过程;李君兰等[11]研究表明,降雨是造成工程堆积体坡面侵蚀的主要因素,且土壤侵蚀量随坡度增加而增大;孙虎等[12]进行人为弃土堆积斜坡降雨试验表明,工程堆积体坡面侵蚀量是裸露自然坡面的 10.76-12.33 倍;张乐涛等[13]研究了高速公路沿线典型工程堆积体(36°)的土壤侵蚀过程;Peng 等[14]和史东梅等[15]对三峡库区工程堆积体边坡物理力学性质和径流侵蚀过程进行了研究｡目前为止,对坡面径流侵蚀研究主要包括不同水力条件下的坡面产沙及输移特点､不同立地条件和雨量条件下细沟分布特征及每条细沟中径流量分配等方面,但不同试验所采取的研究方法､手段和对象不同,这导致很多研究结果不尽相同｡因此对于坡面径流侵蚀发生的机理,尤其是在径流过程中水动力要素变化特征等有待更多研究｡ 本文以煤矿区工程堆积体为研究对象,采用野外实地放水冲刷法,主要研究:1)工程堆积体边坡侵蚀水动力参数变化特征,揭示坡面水动力学特性随放水流量的变化规律;2)工程堆积体坡面产流产沙及土壤剥蚀率变化特征;3)工程堆积体坡面径流侵蚀临界条件,分析土壤侵蚀与临界水动力条件的关系;4)工程堆积体边坡径流侵蚀临界坡度条件, 确立不同流量下工程堆积体临界坡度大小,以期为煤矿区工程堆积体水土流失量预测､边坡水土保持措施布置与生态修复提供参考｡
1  材料与方法
1.1  供试材料
    煤矿工程堆积体来源于重庆北碚天府矿区(106°18′14″-106°56′53″E､29°39′00″-30°03′53″N)｡松散堆积物主要由煤矸石､煤屑等物质组成｡将同一批松散堆积体均匀分层地填入4个不同坡度 (25°､ 30°､ 35°､40°)试验小区,各小区坡长 10 m､宽1 m､填土厚度均为1m,各小区边坡基本特征见表1｡每次放水冲刷试验前用铁耙平整小区,同时采集土壤样品,测定物理力学性质
1.2  野外放水冲刷试验
    试验于2013年7-2013 年 8 月,在西南大学生产建设项目水土流失试验基地进行(图1)｡试验共设计4种不同坡度(25°､30°､35°､40°)的松散堆积体下垫面,小､中､大3个流量级5个梯度,根据当地暴雨发生频率在试验小区上产生的单宽流量得到,分别为10､15､20､25､ 30 L/min, 冲刷时间60 min｡ 具体试验方法见文献[15]｡
1.3  数据分析方法

    综合径流侵蚀相关研究[14-15],选择主要水动力学参数 Darcy-Weisbach 阻力系数(f)､径流剪切力(τ)､径流功率(Pr)､土壤剥蚀率(Dr)对煤矿工程堆积体侵蚀过程及其发生的临界条件进行研究｡水动力学参数的计算公式为式中R为水力半径,m;J 为水力坡度,m/m;g 为重力加速度,9.8 m/s2;v 为径流流速,m/s;θ为坡度,(°);L为坡长,m;A 为平均水流横截面积,m2;Wp为湿周,m,计算水深采用断面平均水深;ρ 为水流密度,,g/cm3;γ为浑水容重,N/m3;Pr 为径流功率,N/(m•s);Dr 为土壤剥蚀率,g/(m2•mIn);M为某时段内产沙量,g;b 为某时段内的平均流宽,m;T 为取样的时间间隔(前 10 min内每1 min 取1 次径流泥沙样,10 min 后每隔3 min 取1次样),min｡ 产流率为单位时间的产流量;产沙率为单位时间的坡面产沙量;土壤侵蚀速率为单位时间单位面积的土壤侵蚀量｡输沙率为单位时间单位面积的产沙量;重力侵蚀产沙贡献率为坡面细沟重力侵蚀产沙量与坡面出口总产沙量的比值｡
2  结果与分析
2.1  工程堆积体坡面侵蚀水动力学特性变化特征
    工程堆积体坡面水动力学特性变化规律是阐明坡面土壤侵蚀过程机理的基础[16]｡反映坡面水动力学的主要指标包括径流流速､阻力系数､径流剪切力､径流功率等｡对项目区的煤矿工程堆积体调查结果显示,煤矿工程堆积体的平均坡度为 34.2°,因此本文选择 35°工程堆积体进行水动力学特性分析｡总体来看,放水冲刷试验条件下边坡径流在不同阶段呈不同形态,从坡面开始产流至3 min时, 基本为薄层水流条件下的面蚀过程; 3min以后至产流结束,主要为细沟侵蚀过程｡ 径流流速直接关系到坡面水力侵蚀的土壤分离､泥沙输移和沉积过程｡由图2a可知,工程堆积体边坡径流流速随冲刷过程表现出极强波动性且其波动幅度表现为由强到弱｡主要原因是由于在冲刷前期(前9min)堆积体表面较平整,水流阻力较小,泥沙输移过程中消耗能量较小,径流流速较大;随着径流过程的继续,堆积体表面形成跌坎和细沟,对径流产生消能作用,径流流速呈现波动减小的变化;到冲刷后期(30min 后),坡面细沟相互贯通,主要以细沟侵蚀为主,水沙相互作用达到动态平衡,径流含沙量不再发展,径流流速稳定在0.187-0.333 m/s之间｡同一坡度不同流量的径流流速存在显著差异,其流速数值在0.187-0.526 m/s范围内变化;小流量(10L/min)时工程堆积体流速变化不大,而大流量时(25和30 L/min),流速变化差异显著｡主要原因是在小流量时,由于坡面水流流速较小,在冲刷过程中不能形成大规模的冲沟和跌坎,也不会出现大规模跌坎崩塌等而造成阻塞水流的现象,因此水流流速变化较小;而大流量冲刷过程会出现大规模冲沟和跌坎,由于跌坎崩塌而阻塞水流的流动等现象时有发生,从而导致流速变化差异显著｡
    工程堆积体边坡径流阻力系数随时间的增加呈波动式增加的趋势(图2b)｡面蚀阶段(前3 min)径流阻力系数在2.326-11.290 之间变化, 工程堆积体表面形态被径流侵蚀破坏程度小;随着细沟形成的开始(3min后),跌坎开始出现,坡面阻力系数剧烈增加;在冲刷后期(30min 后),侵蚀沟沟槽已经形成,同时由于重力作用伴随着跌坎和跌坑的出现,使得工程堆积体表面粗糙度随机增加,导致阻力系数由6.867 逐渐增加到19.337｡小流量和大流量条件下径流阻力系数变化差异明显｡主要是由于小流量条件下,径流阻力系数的变化特征主要受到工程堆积体本身下垫面粗糙度的影响,而重力侵蚀对径流阻力系数的影响相对较弱;而大流量条件下重力作用在径流阻力系数的显著性变化中具有重要作用｡
在冲刷初期 (前3min) ,坡面径流剪切力(24.336-90.104 Pa)较小,因为此时侵蚀形式以面蚀为主,坡面未形成跌坎和细沟(图2c)｡径流初期面蚀阶段到细沟侵蚀阶段,不同流量下的径流剪切力呈现峰谷交织变化的波动｡径流剪切力在冲刷中期(9-30min)呈现剧烈的波动变化(29.950-126.542 Pa),主要是由于这段时间细沟继续发育,径流的下切和横向侵蚀伴随着沟壁的随即崩塌,造成径流剪切力的不确定变化;在冲刷过程后期(30min以后),细沟形态逐渐稳定,径流剪切力趋于平稳, 数值稳定在30.010-72.515 Pa之间｡ 在小流量时工程堆积体边坡径流剪切力介于24.334-41.971Pa;而大流量时其变化幅度较大,分别在43.437-115.002 Pa之间变化径流能量是坡面径流水动力学性能的综合体现,采用径流功率表征坡面径流能量的方法在研究中占主导地位｡ 径流功率在冲刷过程中呈阶段波动式变化 (图2d)｡在冲刷前期(前3 min)以面蚀为主,径流功率在2.763-38.175 N/(m•s)之间波动;3 min 以后径流功率发生突变,波动剧烈(3.678-41.861 N/(m•s)),因为此时堆积体坡面侵蚀形式由面蚀阶段转为细沟侵蚀,同时伴随着重力侵蚀的作用,如沟壁崩塌等; 在冲刷后期 (30min后),径流功率中4.196-19.104 N/(m•s)之间变化,趋于稳定｡到冲刷后期,径流稳定阶段,径流功率随着放水流量增大而增大｡小流量径流功率的波动性变化弱,变化幅度范围小(2.763-7.477 N/(m•s));而大流量时径流功率变化较强, 变化幅度范围大, 分别为9.533-41.861 N/(m•s)｡ 
2.2  工程堆积体坡面产流产沙及土壤剥蚀率变化特征
    除放水流量10 L/min 时产流率随冲刷过程无明显变化外,其余不同放水流量条件下工程堆积体边坡产流率随径流冲刷过程呈先增加后稳定的趋势(图 3a)｡出现｡ 这种现象的原因在于冲刷初期下垫面水分含量低,水流垂直下渗速率快,故产流率小;随着冲刷继续,水分含量逐渐饱和,下渗速率逐渐减缓,导致产流率增加;冲刷后期随着入渗速率达到稳定,产流率也趋于稳定｡产流率在产流过程存在不同程度的突变和波动且随放水流量的增大而增强,主要是因为随着冲刷进行,由于重力作用使沟壁塌落阻塞水流,当径流汇集到具有一定能量之后被冲开｡产流率随着放水流量增大而增大,在不同放水流量(10､15､20､､25､30 L/min)下依次趋于0.5､3.0､3.8､6.3和 9.0 L/min｡工程堆积体由于其结构体的缺失､有机质和植物根系的缺乏,极易受到边坡径流冲刷[13]｡产沙率随时间的变化如图 3b｡由图可知,不同放水流量条件下产沙率在0-27.51 kg/min 之间变化｡冲刷初期,径流入渗量大､径流量小,克服土壤入渗等的水量消耗大,故产沙量小;随着冲刷过程的进行(3-40min),入渗减缓､径流量增大､泥沙量增多,同时随着跌坎和沟壁的塌落被径流冲走,导致产沙量的迅速增大,便出现了产沙率的波动;冲刷后期,由于工程堆积体表层细小颗粒减少,且大颗粒不宜被冲刷带走,故产沙量趋于减小｡土壤剥蚀率作为土壤侵蚀预报模型中1个非常重要的参数,是水力参数和土壤参数共同作用的函数[17]｡由图 4可知,由图 4可知,工程堆积体土壤剥蚀率数值在9.570-4616.064 g/(m2•min)｡ 当放水流量由10L/min 增加到30L/min 时,不同坡度工程堆积体土壤剥蚀率最小增加 42倍,最大为459倍｡土壤剥蚀率随坡度的变化不存在明显的变化规律,但在坡度 30°,流量为 30 L/min 时达到最大值,为 4616.064 g/(m2•min)｡
2.3  工程堆积体坡面径流侵蚀临界水动力条件

    当工程堆积体边坡径流达到一定的水动力条件时,才能发生坡面土壤侵蚀,研究坡面径流侵蚀临界水动力条件是坡面侵蚀的判断基础[18]｡描述临界水动力条件的指标主要有径流剪切力和径流功率等｡薄层水流､细沟水流､径流全过程各阶段径流剪切力､径流功率与土壤侵蚀速率之间的关系见图5､图6｡对薄层水流和细沟水流条件下工程堆积体坡面土壤侵蚀与径流剪切力､径流功率间的关系进行动态分析可知,不同阶段的土壤侵蚀速率随径流剪切力､径流功率的增大而增加,这说明径流能量越大时坡面土壤侵蚀速率就越快｡  由图5c､图6c 可知,在径流侵蚀全过程中,土壤侵蚀速率E与径流剪切力､径流功率的关系方程分别为 E=0.011(τ−45.32),R2=0.664,P<0.01,n=90｡ (5)  E=0.0454(Pr−7.96),R2=0.631,P<0.01,n=90｡ (6)可知,当 τ≥45.32 Pa时,E≥0,即45.32 Pa为 35°时的临界径流剪切力｡同时从细沟侵蚀过程(图 5b)可知,细沟侵蚀对应的临界剪切力为 41.67 Pa,故当 τ≥41.67 Pa 时,标志着细沟发育的开始｡坡面土壤侵蚀是做功消耗能量的过程,由式(6)可知,当Pr≥7.96 N/(m•s)时,E≥0,即 7.96 N/(m•s)是该条件下的临界径流功率｡同时35°时细沟发育的临界径流功率为8.18 N/(m•s) (图6b)｡ 通过对不同坡度条件下面蚀､细沟侵蚀､径流全过程产沙率与径流剪切力､径流功率之间的关系进行回归分析表明,产沙率与径流剪切力､径流功率具有显著的线性关系(P<0.001),结果见表2｡ 由表2可知,不同坡度的坡面产沙率与临界径流剪切力､临界径流功率极显著相关｡面蚀阶段的临界径流剪切力和临界径流功率以 30°时最小,分别为23.95 Pa 和 1.76 N/(m•s),这说明在产流开始阶段 30°的堆积体边坡坡面更容易发生土壤侵蚀; 细沟侵蚀阶段以 40°时的临界径流功率最小,数值为 7.10 N/(m•s),说明在相同径流条件下 40°时的工程堆积体边坡更易发生土壤流失｡
2.4  工程堆积体坡面径流侵蚀临界坡度
    坡度对坡面径流侵蚀具有重要影响,土壤流失程度因坡度的不同而存在较大的差别｡ 在一定的坡度范围内,坡度越大则工程堆积体越不稳定,同时径流对土壤侵蚀的作用越明显,产沙量越大[19]｡相关研究表明,工程堆积体坡面存在临界坡度[20]｡根据不同坡度的差异性以及放水流量对侵蚀产沙量的重要影响, 点绘了不同放水流量条件下径流冲刷的侵蚀输沙率与坡度的关系和重力侵蚀贡献率 (重力侵蚀产沙贡献指坡面细沟重力侵蚀产沙量与坡面出口总产沙量的比值) 与坡度的关系,见图 7｡由图7a 可知, 输沙率随坡度呈减小-增大-减小趋势｡ 工程堆积体边坡侵蚀输沙率的临界坡度接近在 30°-37°之间,10､15､20､25､30 L/min 时所对应的临界坡度分别为 34.8°､35°､33.7°､34°､35.2°｡当坡度为 30°时,重力侵蚀贡献率最低, 为59.4%, 在30°后随坡度的增加,重力侵蚀贡献率随之增大,在 40°高达81.2 %,是30°的1.37 倍(图7b)｡
3   讨论
3.1  工程堆积体土壤剥蚀率与水动力学参数的关系 
    根据相关研究,土壤剥蚀率是水力参数和土壤参数的函数,而水力参数选择流速､阻力系数､径流剪切力､径流功率等来描述[17]｡王瑄等[17]研究表明,流量对土壤剥蚀率的影响大于坡度,但两者土壤剥蚀率的影响均极显著｡本研究对表3中土壤剥蚀率和流量､坡度结果进行双因素方差分析,结果表明F流量=8.529>F 坡度=0.489,说明流量对土壤剥蚀率的影响显著大于坡度｡ 相关研究表明[17,21-22],可以用径流剪切力和径流功率预测土壤剥蚀率｡本研究表明,土壤剥蚀率与径流剪切力､径流功率之间存在良好的线性关系(R2=0.766 和0.872,式(9)､式 10),故采用径流剪切力和径流功率预测土壤剥蚀率是可行的｡同时土壤剥蚀率与流速､阻力系数因子相关性较小(R2=0.685 和0.341),说明流速､阻力系数对土壤剥蚀率的影响低于径流剪切力和径流功率｡该试验是在野外实地放水冲刷条件下得出的,对室内人工模拟降雨､野外自然降雨条件下生产建设项目工程堆积体的土壤剥蚀率与水动力参数之间的关系还应深入研究｡上式使用范围为坡度25°-40°,放水流量10-30 L/min｡ 
3.2  工程堆积体径流侵蚀过程及其侵蚀临界动力条件
    研究边坡径流侵蚀发育过程及其发生的临界动力条件是了解工程堆积体边坡径流水动力过程的重要基础｡近年来随着新技术(如微地貌､人工神经网络系统等)在土壤侵蚀方面应用,坡面径流侵蚀发育过程研究也取得了突破性进展[23-25]｡张永东等[18]研究表明,细沟侵蚀的发育过程主要分为溅蚀､跌坑､侵蚀穴､断续细沟､连续细沟5 个阶段｡本研究表明,在放水冲刷的条件下,工程堆积体的坡面径流侵蚀表现为面蚀-断续细沟-连续细沟,在断续细沟和连续细沟阶段伴随着跌坑和侵蚀穴的出现｡在边坡径流侵蚀过程中以水力侵蚀为主,同时伴随着重力侵蚀的重要作用;径流侵蚀不同阶段主导重力侵蚀类型不同,在径流侵蚀前期主要以沟头坍塌为主,而后期以沟壁崩塌为主｡ 临界条件受到多方面因素的影响[10,21-22,26]｡作为土壤侵蚀过程中影响最大的因素,坡度在工程堆积体边坡径流侵蚀研究中具有不可忽视的重要作用[26]｡本文临界动力学参数随坡度变化呈现不同的变化规律(图8)｡临界流速､临界径流剪切力､临界径流功率随坡度呈先增大后减小的谷峰变化,在工程堆积体边坡坡度为35°时临界水动力参数最小,分别为 0.167 m/s､31.856 Pa､5.93 N/(m•s);而临界阻力系数与坡度呈正比例关系,随坡度的增大而增大｡本文研究表明,不同流量对临界水动力参数的影响呈现多峰多谷的变化特征,在放水流量为 20L/min 时,临界流速和临界阻力系数分别呈现最小值和最大值,而临界径流剪切力和临界径流功率在10 L/min 最小｡ 坡度与流量相比较, 坡度对临界水动力参数的影响大于流量对临界水动力参数｡
4  结论
1)工程堆积体坡面径流流速､径流剪切力､径流功率､阻力系数随冲刷过程的进行呈现不同程度的波动变化｡ 在坡度 35°时, 坡面径流流速变化范围为0.187-0.526 m/s, 径流剪切力和径流功率变化分别在 24.336-126.542 Pa 和2.763-41.861 N/(m•s)之间｡
2)工程堆积体坡面产流率随放水流量增大而增大;工程堆积体在放水流量为 10-30 L/min 时产沙率在 0-27.51 kg/min 之间;不同流量和不同坡度对土壤剥蚀率影响明显,土壤剥蚀率在 9.570-4 616.064 g/(m2•min)之间｡ 
3)工程堆积体坡面侵蚀速率与径流剪切力､径流功率可用线性方程来描述｡面蚀阶段的临界径流剪切力和临界径流功率以 30°时最小,分别为 23.95Pa和 1.76N/(m•s); 细沟侵蚀阶段以25°堆积体临界径流剪切力最小(31.52 Pa),以40°时的临界径流功率最小,数值为 7.10 N/(m•s)｡
4)在不同放水流量下,工程堆积体坡面侵蚀临界坡度在 30°-37°之间变化｡10､15､20､25､30L/min 时所对应的临界坡度分别为34.8°､35°､33.7°､34°､35.2°｡  限于试验材料有限性,本文基于野外放水冲刷试验,只重点分析了不同堆放坡度工程堆积体的边坡径流侵蚀特征;今后应加强不同堆放年限､不同物质来源(如土壤类型､母岩类型)､不同植被措施条件下工程堆积体边坡径流侵蚀特征对比研究,关注暴雨条件下工程堆积体稳定性条件及危险性评价｡
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