集中水流下沙漠风积沙冲刷机理分析

成汇源

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000）

1 问题的提出

新疆西部沙漠面积较大，随着社会经济发展需求，沿沙漠边缘地区建有长距离输水明渠工程[1]。例如位于新疆准葛尔盆地古尔班通古特沙漠腹地的沙漠明渠水利工程[2]，为保证沙漠明渠安全，在渠道沿线设置节制退水闸，当下游渠道发生险情时，通过退水闸将上游渠段内的水排至沙漠腹地；有时也通过退水闸泄放一定流量的水，以维持沙漠明渠周边的植被生长，防止明渠周边砂土被风扬起[3]进入渠道。但是，由于沙漠风积沙十分松散，抗冲刷性较差[4-5]，在退水闸退水时发现，水流进入天然沙漠区，一旦遇到具有跌坎落差的地形时（见图1），水流从跌坎边缘跌落，同时淘刷砂土，使得端部跌坎不断塌落并向上游发展，即图1中的A点在水流冲刷下，高程降低并不断向上游迁移，表现出溯源性破坏现象。当这种溯源冲刷发展推移到退水闸闸室附近时，就会危及水闸安全，甚至会对整个沙漠明渠带来危害和不利影响。因此沙漠风积沙在水流作用下的抗冲刷特性和溯源破坏速度成为人们关注的问题之一。

图1 沙漠明渠退水闸闸后砂土冲刷示意图

此外，由于新疆属于干旱地区，较多地区为沙质土壤，与沙漠风积沙性质相近，在这些地区修建的河堤、渠堤等工程，当出现水流漫堤等情况，遇到具有一定落差的跌坎地形，往往也会出现前述类似的溯源冲刷破坏问题，也会对河堤、渠堤以及相关建筑物的安全产生影响和危害。

2 沙漠风积沙冲刷过程

风积沙溯源冲刷的实际工程条件为大流量和大落差跌坎。集中水流通过沙漠坡面对表面沙漠风积沙产生剥蚀作用，并且下切形成冲沟，流至末端跌坎，跌坎处的水流流态会发生变化，产生明显的掏蚀现象，对底部风积沙进行淘刷，末端风积沙不断塌落并向上游发展，表现出溯源性冲刷破坏现象。同时伴随冲沟两侧沙土失稳塌落，致使冲沟宽度扩展。因此将沙漠风积沙溯源冲刷分为风积沙表面剥蚀、端部溯源冲刷、侧壁崩塌扩展三部分。

目前国内外学者对于坡面水流侵蚀土壤的作用，较多的是利用水流剪切力来进行分析描述[6]。由于水流作用在沙漠表面的剪切力将沙土颗粒分离，从而沙土被水流带走，导致风积沙表面被剥蚀。

在沿坡面向下流动的过程中，由于沙漠坡面坑坑洼洼，凹凸不平，其坡面本身性质的不均匀和坡面水流本身的特性，坡面水流会在凹凸不平的沙漠风积沙表面上冲刷出局部的小侵蚀穴[7-8]。出现侵蚀穴后，会在此处产生明显的掏蚀现象。侵蚀穴不断溯源发展，逐渐形成冲沟。在集中水流的不断冲刷侵蚀下，冲沟下切加深。

虽然风积沙不具有粘性，但坡面上的沙土颗粒之间具有内摩阻力，水流要分离携带走沙土颗粒必须首先克服土粒之间的相互作用力。水流恰好克服土粒间作用力时的剪切力称之为临界剪切力。当水流作用在风积沙表面的剪切力超过临界剪切力部分的剪切力，风积沙颗粒开始分离，产生表面剥蚀。因此风积沙表面剥蚀速率是坡面水流，流切应力与土壤抗冲临界切应力差值的函数。

当坡面集中水流到达跌坎时，由于地面高程突降，形成跌水，伴随着势能向动能的转化，局部流速的突然增大，射流对土壤的作用相对集中，从而使水流的侵蚀能力大大增强[9-10]。经沙漠坡面流向跌坎的溢流，水舌向下游冲击并产生反向漩流，漩流在垂直或近似垂直的跌水面施加剪应力，掏蚀跌水面底部沙土，导致端部土体形态剧烈变化，当端部跌坎坡脚陡到一定程度时，造成跌水面沙土失稳坍塌，跌坎向上游发展。

对于沙漠风积沙这样的均质无粘性土土坡，无论是干坡还是在完全浸水条件下，由于无粘性土土粒间无粘结，只要位于坡面上的单元土体能够保持稳定，即理论上只要坡角小于沙土的内摩擦角土体就是稳定的[11]。集中水流在沙漠风积沙坡面形成冲沟，对冲沟两侧底部沙土冲刷，导致侧壁失稳崩塌，冲沟宽度扩展。

3 结语

针对实际工程问题，根据沙漠风积沙溯源冲刷现象，结合土力学土坡稳定分析理论和水力学跌水理论等专业知识，对其溯源冲刷发展过程和机理进行了探讨分析，认为在具有跌坎的沙漠地形上，集中水流对沙漠风积沙表面具有剪切剥蚀作用，并且下切形成冲沟，流至末端跌坎，跌坎处的水流流态会发生变化，产生明显的掏蚀现象，对底部风积沙进行淘刷，末端风积沙不断塌落并向上游发展，同时对冲沟两侧坡脚底部冲刷导致两侧边坡失稳塌落，侵蚀向上游迁移和两侧扩展，将其冲刷过程主要分为风积沙表面剥蚀、端部溯源冲刷、侧壁崩塌扩展三部分。

［1］李江.沙漠明渠关键技术问题现场试验总结［J］.水利规划与设计，2005（3）：42-46.

［2］余 勇.沙漠明渠退水实例［J］.水利经济，2013（9）：33-35.

［3］王雪芹，雷加强，蒋进，等.古尔班通古特沙漠风沙活动特征与线形工程安全研究［J］.干旱区地理，2003，26（2）：143-149.

［15］宋志建，席福来，司苏慧.引额济乌工程沙漠渠线沙漠砂的工程特性［J］.西部探矿工程，2003（4）：61-64.

［6］李雯.面径流侵蚀过程试验研究［D］.杨凌：西北农林科技大学，2006.

［7］丁文峰.黄土区坡面径流侵蚀动力过程［D］.杨凌：西北农林科技大学，2001.

［8］鲁克新.陡坡薄层水流侵蚀动力过程试验研究［D］.西安：西安理工大学，2001.

［9］张宝军，熊东红，杨丹等.跌水高度对元谋干热河谷冲沟沟头侵蚀产沙特征的影响［J］.土壤学报，2017，54（1）：48-59.

［10］王艳平，张俊华，刘沛清.多沙水库跌水溯源冲刷模式初步研究［J］.水力学与水利信息进展，2006：506-511.

［11］卢廷浩.土力学［M］.北京：高等教育出版社，2010：31-46.