【摘要】工程堆积体可在短时期内极大程度地改变原地貌地形､土壤和植被条件,使其在降雨径流作用下将发生严重土壤侵蚀,因此是生产建设项目区水土流失最为严重的地貌单元｡该文采用土工试验方法及野外实地放水冲刷法研究不同物质来源和土石比的工程堆积体边坡物理性质､侵蚀动力及径流侵蚀过程｡结果表明:1)2种松散工程堆积体的物质组成和入渗性能均较原土差异明显,其中黄沙壤工程堆积体以≤0.25mm颗粒为主,其颗粒变异系数为原土的1.2-2.0倍,稳定入渗率为原土1.70-4.07倍;而紫色土堆积体级配良好,颗粒变异系数是其原土的2.2倍,稳定入渗率为原土的7.02-11.59倍｡2)各种工程堆积体边坡侵蚀动力学参数随放水流量变大而增加,黄沙壤工程堆积体边坡径流流速在0.155-0.318 m/s之间变化,径流剪切力变化在27.632-57.154 N/m2,土壤剥蚀率在0.337-77.071g/(m2•s)之间；而紫色土工程堆积体边坡径流流速､剪切力和土壤剥蚀率分别在0.184-0.281 rn/s,35.525-53.600N/m2和1.445-61.910 eg(m2-s)｡3)土石混合质边坡在产流9 min内存在不同程度突变或波动,在相同条件下边坡累积产流量均表现为偏土质>土石混合质,黄沙壤工程堆积体边坡累积产流量高于紫色土;而土石混合质边坡的产沙率呈连续性多峰多谷变化,边坡侵蚀沟壁土体崩塌脱落是造成产沙率波动的重要原因｡该研究可为生产建设项目工程堆积体水土流失量预测和水土保持植物措施选择提供基本参数和技术支持｡
【关键词】侵蚀;径流;水动力学;岩土;土石比;工程堆积体
    随着大规模生产建设项目开展,由各种施工活动所产生的弃土弃渣工程堆积体广泛分布｡工程堆积体作为人为水土流失最为严重的地貌单元,是一种典型的由土壤､不同粒径碎石以不同比例组成的松散土石混合物｡由于土石混合体各组分在外力荷载作用下有着很大差异,同时它们之间又存在着极其复杂的相互作用,因此这种岩土材料与原地貌土壤或均质岩土体存在较大差别[1]｡在降雨条件下,土石混合体边坡会发生特殊的岩土侵蚀,其与原地貌侵蚀方式或程度存在差异｡王治国等[2]以平朔安太堡露天矿为例探讨了岩土侵蚀的形式;吕春娟等[3]以平朔矿区排土场为例,研究了岩土侵蚀特征及形成条件;王文龙等[4]研究了神府东胜煤田弃土弃渣侵蚀产沙规律;陈奇伯等[5]对弃渣堆积平台和边坡的岩土侵蚀特征进行了研究｡目前,三峡库区各种生产建设活动产生了大量的工程堆积体,并使原地貌单元不断被塑造成特殊人为地貌单元[6],极大地破坏了库区土地资源和自然生态条件｡工程堆积体是人为加速侵蚀物质来源,分析其坡面水流水力学特性及侵蚀产沙过程,对于有效控制坡面稳定及暴雨诱发性崩塌､滑坡等水土流失形式具有重要实践意义｡
    近年来,已有学者对工程堆积体物理力学性质､侵蚀过程及边坡稳定性等方面进行了研究｡王自高等[7]采用现场大型试验等方法对梨园水电站工程区大型堆积体强度特征及岩土力学特性进行研究;张乐涛等[8]通过野外放水冲刷试验研究了高速公路典型堆积体陡坡(36｡)土壤侵蚀过程;沈水进等[9]通过物理模型试验分析了降雨作用下碎石土路堤边坡侵蚀破坏的力学机制;李树武等[l0]对大型碎屑堆积体工程特性及其稳定性进行了研究;李俊业等[11]研究了降雨对工程弃土堆积体稳定性的影响;汪海滨等[12]分析了排土场稳定性评价方法,目前在三峡库区对不同土石比条件下堆积体边坡研究较少,相关研究表明土石比对土石混合体的物理力学性质､侵蚀过程及边坡稳定性都有很重要的影响[13]｡因此,开展不同土石比的工程堆积体物理力学性质及径流侵蚀过程研究,对于揭示生产建设项目工程堆积体侵蚀动力机制､泥沙输移特征具有重要科学意义｡本文以重庆市广泛存在的紫色土工程堆积体和黄沙壤堆积体为研究对象,采用野外实地放水冲刷法,研究不同土石比的工程堆积体边坡物理力学性质､径流侵蚀过程,旨在为生产建设项目水土流失量预测和水土保持措施布置提供基本参数和技术依据。
1 材料与方法
1.1试验材料
    供试弃土弃渣来源于重庆市北碚区房地产建设地基开挖土壤,紫色土弃渣母质为中生代侏罗系沙溪庙组灰棕紫色沙泥页岩,黄沙壤弃渣母质为棕黄沙泥岩｡根据相关研究成果[1],把10mm颗粒作为土石分界线｡试验选择偏土质(土石比4:1,质量比,下同)和土石质(土石比3:2)弃土弃渣堆积体边坡进行野外实地放水冲刷试验｡试验土体容重控制在1.32-1.58 g/cm3范围,初始含水率质量分数在5.74%-15.76%之间,总孔隙度在42.64%-50.11%｡每次试验前,将设计土石比的弃土弃渣混合均匀后填入小区,然后用铁耙将其平整形成,同时在小区内采集土壤样品,测定其物理力学性质｡
1.2野外放水冲刷试验
    2012年8月一11月,在西南大学生产建设项目水土流失定位试验基地进行(29°48′50.2″N,106°24′48.8″E),试验共设计6种不同弃土弃渣边坡(表1)｡试验放水流量按照地区暴雨发生频率在试验小区上产生的单宽流量得到,共设计小､中､大3个流量级5个梯度,针对边坡入渗特征,紫色土弃渣采用5､10､15､20､25 L/min,黄沙壤弃渣采用5､7.5､10､12.5､15 L/min,冲刷时间30-58 rain,共30场试验｡试验装置如图1所示｡试验前测定工程堆积体边坡土壤容重､前期含水率和颗粒组成等并率定放水流量若干次以保证放水流量与设计流量误差不超过5%｡记录开始产流时间,在前10rain内每1 rain接取1次径流泥沙样,10rain后每隔3rain接取1次样,用烘干法(105℃)测定泥沙量(g)｡在试验过程中按相同时间分上､中､下3个断面测定流速､流深和流宽,流速是在每个断面中间位置用染色法测得坡面表层最大流速并根据径流流态进行修正获得(过渡流的修正系数为0.7；紊流的修正系数为O.8),同时采用直尺在断面左､中､右位置分别测定流深和流宽,最后以各断面平均值作为试验时间的流速､流深和流宽[13]｡最后计算冲刷模数,即单位面积和单位时间内被剥蚀并发生位移的土壤侵蚀量,kg/(m2•min)｡
1.3水动力学参数计算
1)Darcy-isbach阻力系数(f)，表示水流剪切力做功与水流动能的比值,是反映水流流动时所受阻力大小的参数[13],其计算公式(1)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;t)为水流流速,m/s;L为坡长,m;0为坡度,(o)｡
2)径流剪切力(f),表示坡面径流在流动过程中,沿坡面梯度方向产生的一种作用力[14],其计算公式:式中:r为径流剪切力,N/m2:水流密度p取各场次试验平均含沙量时的密度,g/cm3;Y为浑水容重,N/m3｡
3)径流功率(P),表示单位面积水体的水流功率,反映水流流动时的挟沙能力的参数[14],其计算公式:式中:P为径流功率,N/(m•s)｡
4)土壤剥蚀率(Dr),单位时间单位面积径流侵蚀的泥沙质量,其表征坡面径流对土体分离能力[8],以单位时间单位面积在水蚀动力作用下被剥蚀的土体颗粒质量表示,其计算公式为:式中:Dr为土壤剥蚀率,g/(m2.s);%m为各时段内的产沙量,g,其中卢l,2,…,n;b为时段内的平均流宽,in;L为坡长,1TI;T为时间间隔,s;
1.4直接剪切试验
    直剪试验采用南京土壤仪器厂有限公司生产的zJ型电动直剪仪进行,所用垂直压力为100､200､300和400kPa,剪切速率为12mm/min｡黏聚力和内摩擦角根据库仑定律计算:式中: µ为土体抗剪强度,kPa; σ为作用在剪切面上的法向应力,kPa; φ为土壤内摩擦角,(o):C为土壤黏聚力,kPa｡
1.5土体物理性质测定
    根据土工试验规程(SL237—1999),土体颗粒组成分析采用土工仪器标准筛振筛机进行,筛径分级为60､40､20､10､5､2､1､0.5､0.25､0.1､0.075 mlTl;这种筛析法法适宜于粒径>0.075mill的土,当粒径<0.075 nllTI的土质量大于总质量的10%时,需结合密度计法或吸管法测定<0.075 into的颗粒组成｡颗粒变系数计算式为:式中:G为变异系数,%; σ为标准差; µ为平均值｡土体入渗率采用环刀法测,在入渗5 min内每0.5min记录1次,5-10min每1min记录1次,>10-20min每2min记录1次,20-50min每5rain记录1次,50-90min每10min记录1次,>90 min以后每30 min记录1次,直到连续4次读数相等为止｡稳定入渗率为特定时间间隔趋于稳定的入渗量与特定时间间隔比值[15]｡
2 结果与分析
2.1 工程堆积体边坡物理性质变化
    工程建设产生的土石混合体是一种复杂的､由具有一定尺寸､强度差异极大的岩块､土体及相应孔隙等组成的多相体系和不连续介质材料[14]｡不同物质来源及土石比的工程堆积体边坡物理性质差异明显,具体如表2所示。
1) 黄沙壤工程堆积体边坡颗粒组成中<O.25 mm颗粒质量分数在43%-5 1%之间,而细砾(≥2-5 mm)质量分数在7%-11%之间,粗砂(≥0.5-2mm)质量分数在5%-10%之间变化,中砂(≥O.25-O.5 mm)在6%以下;随着土石比减小,石质(>10mm)质量分数增加,而细砾､粗砂以及<0.25mm粒均减小,其物质颗粒离散或变异程度增大,说明偏土质边坡较土石混合质边坡具备更丰富的侵蚀物质来源｡与黄沙壤原土相比,黄沙壤工程堆积体中≤0.25mm颗粒变异系数为原土的1.2-2.0倍,而0.5-10mm变异系数可为黄沙壤原土的2.2倍左右,这说明工程堆积体与原土物质组成存在很大差异性,这些物质组成变化特征将直接引起坡面侵蚀类型和形式的不同｡
2)紫色土工程堆积体颗粒分布均匀､级配良好,其石质､细砾､粗砂､中砂以及<0.25 mill细颗粒分别在26%-41%､18%-25%､6%-18%､6%-13%范围变化,土石混合质边坡粗糙度较偏土质增强:工程堆积体的颗粒变异系数系数为原土的1.2-2.0倍左右,这可导致其产流产沙过程较原土复杂｡
3)对同一土石比的边坡而言,黄沙壤工程堆积体边坡7-1mm和<O.25 mnl颗粒质量分数明显高于紫色土边坡｡土石比为4:l时,黄沙壤边坡>0.5mm颗粒质量分数为紫色土的49%,而<0.5 mnl颗粒质量分数为紫色土的5.36倍,由于黄沙壤颗粒间粘结力弱､土体缺乏胶结物质,故其更易发生侵蚀｡在各种边坡中,颗粒变异系数以土石混合质黄沙壤工程堆积体边坡最大(140%以上),说明其颗粒分布不均､级配差,故其结构性差,土体稳定性弱[l6]｡
4)工程扰动前,紫色土原土稳定入渗率(2.60mm/min)低于黄沙壤(3.90mm/min),而工程扰动后其稳定入渗率却高于黄沙壤;且紫色土堆积体稳定入渗率为原土的7.02-11.59倍,而黄沙壤堆积体稳定入渗率变化率为原土1.70-4.07倍,这说明工程建设对紫色土入渗性能影响程度更强｡对于土石比为4:1的工程堆积体而言,紫色土工程堆积体边坡的稳定入渗率为黄沙壤工程堆积体边坡的3.34倍,土石比为3:2时其可为1.45倍,说明土石比变化会影响紫色土和黄沙壤工程堆积体边坡入渗性能｡在各工程堆积体边坡中,稳定入渗率以400土石混合质紫色土最大(30.13mrn/min),而300偏土质黄沙壤最小(6.63 mm/min),二者相差4.54倍｡
2.2工程堆积体边坡侵蚀动力特征
    工程堆积体为物质组成极不均匀､离散程度很大的土石混合物,其边坡坡面土壤侵蚀的发生主要取决于坡面径流的水力学特性和边坡土体条件｡不同工程堆积体边坡的侵蚀动力特征见表3｡
2.2.1流速变化特征边坡平均流速是流量､坡度及坡面条件等多因素综合作用下的结果,其与坡面水蚀的土壤分离､泥沙输移和沉积过程关系密切[17]｡由表3可知,当放水流量在5-15 L/min时各工程堆积体边坡的径流流速在0.155-0.318 m/s之间变化｡
1)对紫色土堆积体边坡而言(I和Ⅲ,在不同放水流量条件下不同土石比边坡的径流流速差异明显,其数值在0.184-0.232 m/s范围变化｡径流流速表现为偏土质≥土石质,当放水流量为5､10､15 L/min时,其径流流速较土石混合质依次增加了0､0.021和0.03 lm/s,这说明工程堆积体中含石量越少则其坡面径流流速越大,土壤侵蚀就更容易发生,而此时坡度对边坡径流流速影响较小｡
2)对黄沙壤堆积体边坡而言(IV和V),其径流流速变化范围为0.155-0.318 rn/s｡40｡堆积体边坡径流流速总体上高于35｡边坡,说明坡度越大则径流流速越大｡该类边坡颗粒细小､颗粒间黏聚力弱,在较大径流冲刷作用下很快就会形成细沟,径流容易汇集在细沟内流动,故流速较大｡
3)放水流量越大则坡面径流流速越大｡在小流量(5 L/min)下,紫色土堆积体边坡径流流速均大于黄沙壤,而放水流量增加时则相反,这说明黄沙壤堆积体边坡径流流速随着放水流量的增加速率较紫色土快,表明二者在相同降雨径流冲刷作用下黄沙壤堆积体边坡较紫色土边坡更易发生侵蚀｡
2.2.2剪切力变化特征
    当坡面出现径流后,水土界面的径流剪切力是分离土壤的主要动力｡坡面径流剪切力可克服土粒之间的黏结力,使土壤颗粒间分离,从而为径流侵蚀提供物质来源｡由表3可见不同工程堆积体边坡径流剪切力差异明显｡
1)从不同土石比紫色土工程堆积体边坡来看(I和III),其径流剪切力在35.525-53.600 N/m2之间｡当流量为5和10 L/min偏土质堆积体边坡径流剪切力可为土石混合质的1.1倍左右,而流量为15 L/min偏土质堆积体边坡小于土石混合质堆积体边坡,二者相差2.899 N/m2｡这种变化表明小流量时土石比是影响径流剪切力变化的主要因素;而大流量条件边坡坡度因子影响径流剪切力更明显｡
2)对于相同土石比黄沙壤堆积体边坡而言,其径流剪切力变化在27.632-57.154 N/m2｡不同放水流量下,40｡堆积体边坡的径流剪切力均大于350堆积体边坡,这表明边坡坡度越大,径流剪切力越大,则土壤侵蚀更容易发生｡
3)土石比及地形条件相同时,不同放水流量下工程堆积体边坡径流剪切力均以紫色土较大,其可为黄沙壤的1.1-1.5倍;不同工程堆积体边坡的土体黏聚力则表现为黄沙壤(5.9-11.5 kPa)<紫色土(15.4-21.1 kPa),内摩擦角也表现为黄沙壤(23°-29°)<紫色土(320-340),说明在相同放水流量条件下径流作用于黄沙壤工程堆积体边坡的有效剪切力将大于紫色土,因此黄沙壤工程堆积体边坡较紫色土更容易发生侵蚀｡
2.2.3土壤剥蚀率变化特征
    土壤剥蚀速率是土壤侵蚀的量化,是土壤侵蚀预报模型中一个非常重要的参数[18]｡由表3可见,各工程堆积体边坡的土壤剥蚀率数值在0.337--61.910 g/(m2•s),且均随放水流量增加而增大,当放水流量由5L/rnin增加到15L/min,各工程堆积体边坡土壤剥蚀率最大可增加229倍,最小为3倍｡土石比和坡度相同时,小流量(5 L/min)下紫色土堆积体边坡(Ⅲ)土壤剥蚀率大于黄沙壤(IV),而大流量(10-15L/rain)下则相反,说明放水流量的增加对黄沙壤堆积体边坡侵蚀作用较强｡
1)对不同土石比紫色土工程堆积体边坡而言(I和Ⅲ),土壤剥蚀率表现为偏土质>土石混合质,当放水流量为5,10和15 L/min时偏土质边坡的土壤剥蚀率分别为土石混合质的1.5､1.1和3.3倍,这主要是由于偏土质边坡具有较丰富的细颗粒可作为径流侵蚀的泥沙源｡
2)对相同土石比黄沙壤工程堆积体而言(Ⅳ和V),当流量为5和10 L/min时土壤剥蚀率均以40｡堆积体边坡最大,其可为35｡堆积体边坡的8.5和2.5倍,而当流量为15 L/min时则以35｡堆积体边坡最大,这说明在小流量条件下坡度越大､土壤侵蚀量可能越大｡
2.3工程堆积体边坡产流特征
    径流既是坡面侵蚀产生的主要外营力,又是泥沙输移的载体｡为揭示工程堆积体边坡产流量在冲刷过程中的动态变化过程,选择最接近紫色土工程堆积体自然休止角(300-400) [6]的m小区(坡度为350,土石比为3:2)和相同土石比及堆放条件的黄沙壤工程堆积体Ⅳ进行不同边坡产流､产沙率特征及其产流产沙成因微观机制的分析(图2)｡由图2可见,不同土石混合质堆积体边坡产流率具有以下变化特征:
1)2种土石混合质堆积体边坡产流率均随冲刷时间呈先增加后趋于稳定的变化趋势｡产流率随冲刷时间发生这种变化的原因在于:冲刷初期堆积体边坡表层土体含水率低､入渗大,故产流量小;随着冲刷延续,表层水分渐趋饱和､入渗减小,产流量迅速增加,当达到稳渗阶段后,产流量就趋于一个常数上下波动,其中紫色土堆积体边坡的产流率在流量为5-25 L/min时依次趋于0.1､0.7､1.0､1.1和1.2 L/min｡
2)2种土石混合质堆积体边坡的产流过程均存在突变或波动变化且其程度随放水流量增大而加剧｡在产流后9rain内发生产流率突变现象,表明侵蚀沟形成对产流率大小及产流率稳定时间均有重要影响｡在边坡侵蚀沟发育时其产流率开始增大,由于细沟侵蚀过程中沟头及沟壁土体在自身重力作用下随机崩塌脱落并阻塞水流,当径流汇集到一定程度后阻塞土石才被冲开,故产流率在冲刷过程中呈突变或波动现象｡
3)2种土石混合质堆积体边坡的产流率均随放水流量增大而增大｡放水流量在5-10 L/min时紫色土堆积体边坡的产流率高于黄沙壤,而当放水流量增加时(如15 L/rain)则相反,这说明放水流量增大对黄沙壤工程堆积体边坡的侵蚀作用更强｡黄沙壤土石混合质边坡径流冲刷过程中的平均产流率按放水流量大小依次为0.183､1.117､7.059 L/min,当放水流量由5 L/min至10､15 L/min依次增加时,平均产流率分别增加了510.38%､531.96%,累积径流量增长率在0.24-7.34 L/min之间;而紫色土土石混合质边坡平均产流率依次为0.459､3.090､4.870 L/min,当放水流量由5 L/min至10､15 L/min依次增加时,其平均产流率增加了573.20%､57.61%,累积径流量增长率在0.46--5.55 L/min｡放水流量较小时,由于水流流动慢､冲刷力弱,故形成细沟的速度慢;当放水流量较大时,水流流动快､冲刷力强,很快就会形成细沟,产流量变大｡为揭示不同物质来源及土石比条件的工程堆积体边坡产流过程的差异性,本文选择中流量(15 L/rain)条件下的累积产流量进行产流过程分析｡由不同土石比的工程堆积体边坡累积产流量变化过程(图3)可知,各工程堆积体边坡累积产流量均随冲刷时间呈线性关系增加,其增长率按堆积体边坡顺序依次为5.824､10.812､5.552､7.339､6.580和8.027 L/min｡由图3可知:1)土石比及地形条件相同时,黄沙壤工程堆积体边坡的累积径流量大于紫色土(除V和Ⅵ外);当土石比为4:1时,紫色土堆积体(I)边坡累积产流量随冲刷时间的增长率(5.824 L/min)仅为黄沙壤(II)(10.812 L/rain)的一半左右;当土石比为3:2时,35｡紫色土堆积体(Ⅲ)边坡累积产流量增长率低于黄沙壤(IV),40｡时则相反,这表明含石量较少时土石比对产流量的影响较大,而含石量较大时地形条件对产流量的影响较大｡2)对黄沙壤工程堆积体而言,偏土质堆积体(Ⅱ)边坡的累积产流量明显高于土石混合质(IV和V),其累积产流量增长率可为土石混合质的1.47-1.94倍,说明偏土质堆积体边坡较土石混合质更易发生侵蚀｡3)对紫色土工程堆积体而言,累积产流量随土石比的变化关系不明显,这主要由于紫色土堆积体边坡黏粒含量大,其颗粒间胶结形成的大团粒较多｡因此生产建设项目应在雨季来临前提前做好工程堆积体边坡排水措施及增加边坡入渗､减小径流的措施布置[19]｡
2.4工程堆积体边坡产沙特征
    工程堆积体边坡在径流冲刷作用下极易发生片蚀和细沟侵蚀｡受径流及其边坡条件影响,其产沙过程较产流过程更为复杂｡由不同放水流量下土石混合质边坡(Ⅲ和Ⅳ小区)产沙率变化特征(图4)可知,边坡产沙过程呈现出连续性的多峰多谷特点且波动程度随放水流量增大而增强｡由图4可见,不同土石混合质堆积体边坡产沙率具有以下变化特征:1)小流量(5-10 L/rain)条件下,2种土石混合质边坡的产流率波动式小,其产沙率变异系数在42.8%-127.5%之间;坡面来水量小,水层薄,水流冲刷力弱,且边坡表层石质阻挡作用造成径流分散;坡面形成的侵蚀沟条数多(5-8条),侵蚀沟宽深比较小(0.67-1.0),因此其产沙率比较稳定｡2)中流量(15 L/min)条件下,2种土石混合质边坡产沙率表现为波动式增加而后降低,其产沙率变异系数在90.1%-111.1%之间,黄沙壤堆积体边坡产率波动程度明显增强｡在冲刷过程中,片流汇集成股流向坡下流动,股流具有更强的冲刷力并使得差异性侵蚀不断加大;当股流达到一定程度时就发生细沟侵蚀,细沟侵蚀将导致坡面产沙量迅速增加,使得产沙率呈波动式现象｡此时坡面形成的侵蚀沟数量较少(3-5条),细沟宽沟比在2-10之间｡3)大流量(20-25 L/rain)条件下,2种土石混合质边坡产沙率则表现为剧烈波动式,其产沙率变异系数在96.3%-132.3%之间｡大流量时堆积体边坡侵蚀沟发育迅速,而侵蚀沟条数少(小于3条)､细沟宽深比大(>2.14),且细沟发育过程中沟头及沟壁土体随机崩塌滑落,导致产沙量急剧增加,因此产沙率波动剧烈｡当放水流量为5､10和15L/min时,黄沙壤土石混合质边坡平均产沙率分别为0.001､0.03和0.542 kg/(m2•min),冲刷模数在0.0001-0.397 kg/(m2•rain)之间,而紫色土土石混合质边坡分别为0.0003､0.012和0.034 kg/(m2•rnin),其冲刷模数在0.0005-0.04 kg/(m2•min)｡产沙随放水流量发生的这种变化,一是放水流量的增加增强了边坡径流强度,二是由于放水流量增加时,坡面径流冲刷力及挟沙能力相对增强,坡面侵蚀沟发育时间相对缩短且侵蚀沟发育迅速,因而造成坡面产沙量随放水流量增大而迅速增加｡为分析不同物质来源及土石比的工程堆积体产沙量差异性,同样选择15 L/min放水流量条件下的累积产沙量进行产沙过程分析｡由不同土石比的工程堆积体边坡累积产沙量变化特征(图5)可知,各工程堆积体边坡的累积产沙量随冲刷时间呈非线性关系变化,其冲刷模数按边坡顺序依次为0.130､1.177､0.040､0.397､0.335和0.062 kg/(m2•min)｡
1)对黄沙壤工程堆积体而言,偏土质工程堆积体(II)边坡的累积产沙量明显高于土石混合质(IV和Ⅵ,冲刷时间均为10 rain时,II､Ⅳ和V堆积体边坡的累积产沙量分别为94.13､55.199和36.569 kg,偏土质边坡累积产沙量可为土石混合质边坡的1.7-2.6倍,表明含石量较少的边坡侵蚀剧烈｡
2)对紫色土工程堆积体而言,偏土质工程堆积体(I)边坡的累积产沙量也明显高于土石混合质(In和V1),冲刷时间均为10 rain时,I,Ⅲ和Ⅵ堆积体边坡的累积产沙量依次为4.907､O.885和1.647埏｡因此,生产实践中应重点对土质含量较多的工程堆积体边坡进行水土保持措旌的布置,以防发生严重侵蚀｡
3)黄沙壤工程堆积体边坡的累积产沙量明显高于紫色土,因此生产建设项目在布置各种水土保持措施时应区别对待这2种类型工程堆积体｡冲刷初期,累积产沙量呈增加趋势;冲刷后期,水土界面侵蚀颗粒减少且石砾化程度增加,边坡累积产沙量趋于稳定｡综合以上分析表明,放水流量是决定边坡侵蚀产沙量的主要因素,而土石比是影响边坡侵蚀产沙量的重要因素｡因此,生产建设项目应在雨季前做好工程堆积体边坡防护措施,以保存足够细粒成分为后期植物生长和生态恢复提供物质和养分条件｡
3 讨论
    工程堆积体作为一种特殊的土石混合体,其物质组成和侵蚀动力特征具有特殊性｡研究表明,工程堆积体通常物质组成不均匀､离散程度大､土石含量不等且植物根系和有机质缺乏[13],这些均与原土差异较大｡本研究中各堆积体边坡径流为紊流和缓流,而原土坡面流流态基本呈过渡流和紊流[20],这主要是土石混合体中石质存在增加了坡面粗糙度[21],土石比变化对土石混合体土体干密度､孔隙度及抗剪强度等物理力学性质影响很大[22]｡当粗粒(砾石､沙)质量分数>76%时,土石混合体抗剪强度由粗粒物质决定,当粗粒质量分数低于56%时其抗剪强度由黏粒决定,而粗粒质量分数介于56%-76%时则由二者共同决定[23]｡本研究中紫色土工程堆积体<0.25ram颗粒质量分数在6.54%-12.93%之间,而黄沙壤堆积在43.26%-50.75%之间,因此其抗剪强度均由其黏粒含量决定｡研究表明,土体受径流冲刷时黏聚力是第一个阻挠土体被径流破坏的力[24],而土体抗剪强度大小对水的作用非常敏感,含水率增加时其黏聚力会急剧下降[25],且块石存在影响着土石混合体内部应力场及变形破坏形式[17]｡因此,土石混合体在径流侵蚀过程中其黏聚力会迅速降低,径流不断下切形成侵蚀沟,导致边坡发生严重侵蚀｡由于工程堆积体物理力学性质的特殊性及其复杂性,今后应重点关注工程堆积体边坡各种物理力学性质与土壤侵蚀的响应关系,为科学认识土石混合体边坡侵蚀机理､边坡土壤侵蚀模型提供理论依据｡
    工程堆积体边坡土壤侵蚀形式多样,径流冲刷和重力崩塌共同作用｡工程堆积体边坡土体抗侵蚀性差,在径流作用下极易发生细沟侵蚀｡大量研究表明,细沟侵蚀的产生将直接导致土壤侵蚀量成倍或数lO倍的迅速增加[26],细沟侵蚀量可占到坡面总侵蚀量的70%[27],这主要是因为细沟汇聚的股流具有较大的冲刷力和搬运力｡本研究也表明细沟侵蚀会使工程堆积体边坡产沙量迅速增加且土石比越小则坡面产沙量越大｡在细沟侵蚀过程中,沟头及沟岸土体易在自身重力作用下发生崩塌､滑塌等重力侵蚀现象｡研究表明,细沟发育过程中的重力侵蚀是影响坡面产沙波动的主要因素,且重力侵蚀产沙量在整个坡面侵蚀过程中占到了坡面总产沙量一半以上[28]｡本研究也表明,细沟侵蚀是造成产沙率迅速增加的原因,而侵蚀沟壁土体在重力作用下的崩塌脱落是造成产沙波动的重要原因｡工程堆积体边坡坡面及坡脚易受水流冲刷破坏,并造成上方部分土体悬空､坍塌,同时边坡土体在入渗水流的作用下,其抗剪强度会降低,冲刷和渗透相互影响促进,加剧了边坡土体侵蚀破坏,最后导致边坡失稳[9]｡因此,各种工程建设产生的堆积体如不及时有效地防护,不仅会发生严重水土流失而且还可能发生诱发性崩塌､滑坡和泥石流,对周边地区水土资源造成巨大危害和破坏[29]｡工程堆积体中块石分布及含量会直接影响着边坡坡面侵蚀类型和形式,也会导致重力和水力作用贡献率差异性｡本文将工程堆积体按碎石含量划分为偏土质(土石比为4:1)和土石混合质(土石比为3:2),今后应增加不同物质来源及不同碎石含量梯度的工程堆积体产流产沙过程系统性研究,为生产建设项目工程堆积体边坡及诱发性灾害有效防护提供参数支持｡
4 结论
1)2种松散工程堆积体的物质组成和入渗性能均较原土存在明显差异性｡黄沙壤工程堆积体颗粒分布不均匀,以≤0.25 IILrn颗粒为主,其颗粒变异系数可为原土的1.2-2.0倍,稳定入渗率变化率为原土1.70-4.07倍;而紫色土工程堆积体颗粒分布均匀､级配良好,其颗粒变异系数是原土的2.2倍,稳定入渗率为原土的7.02 -11.59倍｡
2)各种工程堆积体边坡侵蚀动力条件随放水流量增大而增加｡黄沙壤工程堆积体边坡径流剪切力变化在27.632-57.154 N/m2,土壤剥蚀率在0.337-77.07 1g/(m2•s)之间;而紫色土工程堆积体边坡径流剪切力和土壤剥蚀率分别在35.525-53.600 N/mz和1.445-61.910 g/(m2•s)之间变化｡
3)土石混合质堆积体边坡(III和IV)产流突变现象发生在产流后9min内,细沟发育对产流量变化有重要影响｡放水流量由5L/min增至10､15 L/min时,III和Ⅳ堆积体边坡平均产流率分别增加了573.20%､57.61%和510.38%､531.96%,相同条件下边坡累积产流量均表现为偏土质>土石混合质,黄沙壤堆积体高于紫色土堆积体｡
4)土石混合质堆积体边坡(III和IV)产沙过程呈连续性多峰多谷变化,侵蚀沟壁土体在重力作用下的崩塌脱落是造成产沙波动的重要原因;当放水流量由5 L/min依次增至15 L/min时,III和Ⅳ堆积体边坡冲刷模数分别在0.0005-0.04和0.0001-0.397 kg/(m2•min)之间变化｡
[参考文献]
[1]徐文杰,胡瑞林.土石混合体概念､分类及意义[J].水文地质工程地质,2009,36(4):50--56.
[2]李文银,王治国,蔡继清.工矿区水土保持[M].北京:科学出版社,1996.
[3]吕春娟,白中科,秦俊梅,等.黄土区大型排土场岩土侵蚀特征研究[J].水土保持研究,2006,13(4):237--240.
[4]王文龙,李占斌,李鹏,等.神府东胜煤田原生地面放水冲刷试验研究[J].农业工程学报,2005,21(13):59--62.abstract)
[5] 陈奇伯,黎建强,王克勤,等.水电站弃渣场岩土侵蚀人工模拟降雨试验研究[J].水土保持学报,2008,22(5):1—4,lO.
[6]6 史东梅.高速公路建设中侵蚀环境及水土流失特征的研究[J].水土保持学报,2006,20(2):5—9.
[7]王自高,胡瑞林,张瑞,等.大型堆积体岩土力学特性研究[J].岩石力学与工程学报,2013,32(增刊2):3836—843.
[8]张乐涛,高照良,李永红,等.模拟径流条件下工程堆积体陡坡土壤侵蚀过程[J].农业工程学报,2013,29(8):145—153.
[9]沈水进,孙红月,尚岳全,等.降雨作用下路堤边坡的冲刷一渗透耦合分析[J].岩石力学与工程学报,201 1,30(12):2456—2462.
[10]李树武,聂德新,刘惠军.大型碎屑堆积体工程特性及稳定性评价[J].岩石力学与工程学报,2006,25(2):4126--4131.
[11]李俊业,曾蓉.降雨对工程弃土堆积体稳定性的影响分析[J].地质灾害与环境保护,2010(3):104-107.
[12]汪海滨,李小春,米子军,等.排土场空间效应及其稳定性评价方法研究[J].岩石力学与工程学报,201 1,30(10):2103--21 11.
[14]王雪松,谢永生.模拟降雨条件下锥状工程堆积体侵蚀水动力特征叨.农业工程学报,2015,31(1):117—124.
[15]贺莉莎,陈奇伯,姜文达,等.金安桥水电站弃渣场边坡不同部位土壤物理性质特征分析[J].四川农业大学学报,2013,31(2):193—197.
[16]蒋芳市,黄炎和,林金石,等.崩岗崩积体土壤渗透特性分析阴.水土保持学报,2013,27(3):49—54.
[17]董月群,雷廷武,张晴雯,等.集中水流冲刷条件下浅沟径流流速特征研究[J].农业机械学报,201 3,44(5):96-100.
[18]王碹,李占斌,尚佰晓,等.坡面土壤剥蚀率与水蚀因子关系室内模拟试验[J].农业工程学报,2008,24(9):22--26.
[19]史东梅,江东,卢喜平,等.重庆涪陵区降雨侵蚀力时间分布特征[J].农业工程学报,2008,24(9):16--21.
[20]张光辉.坡面薄层流水动力学特性的实验研究[J].水科学进展,2002,13但):159—165.
[22]张宽地,王光谦,孙晓敏,等.坡面薄层水流水动力学特性试验叨.农业工程学报,2014,30(15):182—189.
[23]程展林,丁红顺,吴良平.粗粒土试验研究田.岩土工程学报,2007,29(8):1151—1158.
[25]油新华,汤劲松.土石混合体野外水平推剪试验研究[J].岩石力学与工程学报,2002,21(10):1537—1540｡
[28]韩鹏,倪晋仁,王兴奎.黄土坡面细沟发育过程中的重力侵蚀实验研究阴.水利学报,2003,(1):5l-55.