人工模拟降雨条件下坡面侵蚀特性的模型试验研究

孙狂飙，袁 超，周 峙，罗 易，米 敏，张家铭

(1.安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230088；2.中国地质大学(武汉)工程地质与岩土防护学术创新基地&岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，湖北 武汉 430074;3.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

随着高速公路建设的快速发展，大量路基边坡、弃土场、基坑坡面已成为新增水土流失的重要源头[1-2]。边坡绿化施工后植被生长并具有坡面防护能力需要一定的时间，在此期间若坡面抗冲刷能力差，坡面上的土体细颗粒会在径流侵蚀作用下流失，导致土体结构破坏，进而诱发一系列边坡工程事故[3-4]。

针对坡面侵蚀问题，前人已开展了大量的研究工作[5]。如史志华等[6]、Gong等[7]和Selby[8]研究认为降雨是土壤水蚀的关键来源，坡形是影响土壤侵蚀的重要因素，直接影响坡面的侵蚀程度；王晓燕等[9]、沈海欧等[10]、李桂芳等[11]和赵宏渠等[12]通过模型试验研究发现，随着降雨强度的增加，坡面径流量增大数倍，侵蚀量呈线性增加，降雨强度对坡面产流的影响最大，占权重的20%以上，且产流时间与降雨强度呈现负相关；谭贞学等[13]、Riekezapp等[14]、Shen等[15]和任瑞雪等[16]在室内模型试验中发现，不同坡度下细沟侵蚀率大于降雨强度的递增速率，细沟侵蚀模数随坡度同趋势增大，且随着降雨历时的推移，产沙率增大并逐渐趋于稳定；姜义亮等[17]、沈海鸥等[18]、郑粉莉[19]研究指出，泥沙的产生主要由降雨作用导致，而汇流作用贡献率占比较小，并通过双土槽降雨试验进行了验证；Brodie等[20]对降雨强度与颗粒冲刷相关动能变化的理论关系进行了研究。

目前坡面侵蚀研究多采用室内模型试验[21]，模型主要为缩尺模型，鉴于模拟降雨的雨滴形状、动能与自然条件下的差异，尺寸效应及边界效应明显，从而导致研究结果与实际情况存在较大的差异。此外，多数模型试验[18]重点关注雨滴打击作用对坡面侵蚀的影响，而且采用传统单径流小区降雨模型试验，很难区分径流侵蚀作用与雨滴打击作用。鉴于目前研究的不足，本文采用足尺模型试验，以期降低边界条件对试验结果的影响，并且试验选用进口转角型实心喷头降雨系统，对降雨均匀度、影响半径、雨滴粒径及动能进行精确控制，尽可能保持与天然条件下的降雨一致，开展了人工模拟降雨条件下坡面侵蚀特性的模型试验，研究了不同降雨强度和坡度对坡面侵蚀特征的影响，以期为水土流失防治提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象

本试验选取池州长江公路大桥接线某路堑边坡土体为研究对象。该路堑边坡上覆地层以全新统(Q4)黏土、粉质黏土为主，黏粒含量为28.2%～39.8%，粉粒含量为20.1%～42.0%；土样的天然密度为1.652～1.863 g/cm3，天然含水率为15.6%～18.2%，液限为30.2%～37%，塑限为17.2%～22.1%，自由膨胀率为20%～42%，标准吸湿含水率为2.32%～4.51%。

研究区域雨量充沛，全年最大降水量为1 618.7 mm，最小降水量为440.8 mm，降水主要集中在6～9月份，占全年降水量的50%以上，降雨强度较大。该地区土壤侵蚀以水蚀为主，是本区水土流失及地质灾害的重要诱发因素之一。

1.2 试验设计

试验模型箱尺寸为3 m×3 m×2.6 m (长×宽×高)，模型试验系统装置由试验区、降雨装置、径流装置、过滤装置、供水装置组成，见图1。根据试验区天然降雨特点和工程实际情况，本次试验采用3种代表性降雨强度(50 mm/h、75 mm/h、100 mm/h)、3种坡度(53°、30°、15°),每组试验重复两次，试验筑坡保留后部坡顶面0.5 m空白区(未进行降雨试验)，为后续试验削坡处理做准备。

图1 模型试验系统装置图Fig.1 Model test device diagram

试验土样提前过筛，控制土体含水率并密封24 h，试验斜坡按照设计密度1.3～1.4 g/cm3分层(每层10 cm)填筑压实，并将压实面打毛处理，保证填土斜坡的均匀性，填土完成后用塑料薄膜覆盖静置12 h。试验前用雨量桶对降雨系统进行厘定，保证降雨均匀度和强度满足设计要求。为了揭示雨滴打击作用对坡面侵蚀的贡献，在斜坡填筑过程中，预先在坡体中1.5 m处埋设隔水板，以便在试验区左、右两侧进行对比试验。试验时，隔水板右侧区域进行降雨，左侧区域用透水纱网遮挡消除雨滴打击作用，试验过程中对两侧坡面进行观测，记录坡面产流时间。试验前期间隔1 min采集一次径流泥沙样，趋于稳定后调整为2 min采集一次，采集的泥沙样利用筛分法分组后分别烘干(110℃、12 h)称重，测定其相对含量。坡面流速测定采用高锰酸钾溶液示踪法，同一观测时段取不同部位流速平均值作为坡面流速，坡面流速经过修正得到实际坡面流速[22]。试验时记录坡面出现侵蚀沟的时间、数量、类型以及位置和形状，用填土法估算侵蚀沟填土体积，用钢尺测量侵蚀沟形态特征，同时记录集流桶内每时刻径流总量的变化情况。坡体正前方采用高清照相机定时拍摄，记录坡面变化情况。具体试验参数设计见表1。

表1 试验参数设计

1.3 数据分析处理

根据各时间段泥沙产量，综合侵蚀沟填土体积、径流桶中径流总量的变化，推演坡面侵蚀过程，比对两侧试验区段数据，计算不同特征参数。所有试验数据处理均重复多次取平均值，不同变量数据利用SPSS软件进行拟合分析，考虑降雨强度、坡度等变量的主效应及不同指标之间的交互效应是否显著，研究各指标之间的相互变化规律。

2 结果与分析

2.1 坡面产流过程分析

表2为不同坡度和降雨强度下坡面的产流时间。

表2 不同坡度和降雨强度下坡面的产流时间

由表2可知，随着降雨强度的增大，坡面的产流时间明显缩短；同一坡度(为53°)下，当降雨强度从50 mm/h增至100 mm/h时，坡面的产流时间差值由1倍增至2.5倍，坡面产流时间的变化趋势呈指数型；同一降雨强度(为50 mm/h)下，当坡度由53°降至15°时，坡面的产流时间间隔从1.3 min增至1.9 min，坡面的产流时间曲线变化幅度变陡；当降雨强度增大时，坡度由大到小，坡面的产流时间间隔从3.2 min降至1.1 min。

在坡度一定时，随着降雨强度的增大，坡面的产流时间减小；且坡度越缓，坡面的产流时间随降雨强度的变化越明显。这是因为：初始坡面土体含水率较低，在降雨初期，土体孔隙快速吸水、雨水下渗，小降雨强度条件下，土体饱和时间较长，大降雨强度使表面土壤快速吸湿、充填饱和，多余降雨迅速形成径流[23]；降雨强度一定时，当坡度增大，雨水向下的自重分力增大，雨水流速相应增大，雨水来不及下渗导致形成的径流增多，坡面更容易产流，即随着降雨强度、坡度的增加，土壤入渗率降低，坡面产流增加，这与文献[24]的研究结论一致。右侧降雨直接作用区与左侧试验区坡面的产流时间相近，说明雨滴打击作用对坡面产流时间的影响较小，两者的相关性差。

2.2 坡面径流过程分析

图2为不同降雨强度和坡度组合下左、右试验区径流强度变化曲线的对比图。

由图2可见，右侧雨摘打击作用试验区由图2(a)至图2(c)径流强度呈递增趋势，但随着降雨强度和坡度的不同组合，径流强度的增长趋势存在明显差异：当降雨强度为100 mm/h时，径流强度最大值是降雨强度为50 mm/h的1.9倍；当降雨强度为50 mm/h时，径流强度曲线达到峰值的时间为15～18 min，而降雨强度为100 mm/h时径流强度达到峰值的时间为18～20 min，可见降雨强度对径流强度的影响显著，即随着降雨强度的增大，地表径流量增加，径流强度随之增强，其达到峰值的时间缩短。李桂芳等[11]研究认为坡度增大导致承雨面积减小、径流强度降低，其与径流强度的变化趋势呈反比。坡度变化对径流强度的影响较复杂，坡度、坡长和降雨强度综合影响径流强度，本试验数据的整体变化趋势显示随着降雨强度和坡度的增大，径流强度增强。

右侧雨滴打击作用试验区径流强度的变化曲线分为缓慢产流、逐渐递增、趋于稳定三个阶段，而左侧无雨滴打击作用试验区仅存在后两个阶段；右侧试验区径流强度的峰值大于左侧试验区，且随着降雨强度的增大，同一坡度下左、右侧试验区径流强度的差值增大。这是由于因降雨强度由50 mm/h增至100 mm/h时，右侧试验区径流强度的击溅作用逐渐增强，造成坡面入渗率不稳定，故右侧试验区径流强度的变化曲线存在第一阶段，同时由于雨滴打击作用导致侵蚀沟径流增加，促使右侧试验区径流强度的峰值较大。

图2 不同降雨强度和坡度组合下左、右试验区径流强度变化曲线的对比Fig.2 Comparison of runoff intensity variation curves in left and right test area under different rainfall intensity and slope combination

2.3 坡面侵蚀过程分析

坡面侵蚀主要由泥沙流失导致，因此研究坡面产沙信息对土壤侵蚀预测与防治具有重要的意义[25]。径流含沙量是反映坡面侵蚀快慢的指标，由于变化规律的相似性，本文仅选取降雨强度为50 mm/h和100 mm/h条件下不同坡度的径流含沙量变化曲线(见图3)来研究降雨对坡面侵蚀过程的影响。

由图3可见，径流含沙量变化曲线呈现动态变化，即径流含沙量在降雨初期快速增加，短时间呈现减小趋势后，快速增大至峰值并趋于稳定；整体上来看降雨强度和坡度越大，径流含沙量的增幅越明显，达到峰值的时间越短，降雨强度对径流含沙量的影响明显大于坡度；左侧无雨滴打击作用试验区径流含沙量峰值为初始值的3～5倍，右侧雨滴打击作用试验区径流含沙量峰值为初始值的5～10倍；相同降雨强度条件下，初始径流含沙量差值由图3(a)的10～30 g/L增至图3(c)的50～80 g/L等，初始径流含沙量左侧试验区均大于右侧试验区。

为了揭示雨滴打击作用的规律，姜义亮等[26]、王坤等[27]对模型斜坡直接提供径流，对比研究不同降雨强度和汇流速率对坡面侵蚀的影响，试验发现降雨对于土壤侵蚀的影响显著大于汇流作用；安娟等[28]研究了坡面裸露与纱网覆盖下土壤团聚体的迁移特征，结果显示裸地土壤团聚体的流失量高于有覆盖层的20%。本次试验数据比对可知，降雨初期，径流含沙量曲线呈现小范围降低后、又升高的变化趋势，这是因为水流将表面颗粒搬迁增大了径流含沙量，但随着松散的土颗粒流失减少使径流含沙量又趋于递减趋势；降雨后期，径流冲刷力稳定，泥沙来源由侵蚀沟提供，径流含沙量又变为递增趋势。左侧无雨滴打击作用试验区径流含沙量大于右侧雨滴打击作用试验区，这主要是因为：前期坡面产流较小，无雨滴打击作用时，左侧坡面能迅速形成稳定的径流将坡面较松散的土颗粒带走，降雨初期径流作用即可形成片蚀和小细沟，使侵蚀强度明显增强，导致无雨滴打击作用试验区初始径流含沙量较高；随着降雨历时的增加，坡面径流逐渐增大趋于稳定，形成的细沟、浅沟等逐渐增多并成为坡面侵蚀的主要方式，雨滴打击作用加强了径流向侵蚀沟搬运土颗粒的能力，使右侧雨滴打击作用试验区径流含沙量逐渐超过左侧无雨滴打击作用试验区。因此，降雨强度越大，水体重力增加使雨滴打击作用越强，则径流含沙量的峰值越大，达到峰值的时间越短。

图3 不同降雨强度、不同坡度下左、右侧试验区径流含沙量变化曲线的对比Fig.3 Sediment variation curves of different slopes in left and right test areas with different rainfall intensities

2.4 坡面侵蚀特征

坡面侵蚀特征评价指标较多，侵蚀沟平均密度、产沙量、径流总产沙量均为描述坡面侵蚀特征的主要指标。坡面侵蚀过程大致可分为溅蚀、片蚀、细沟、浅沟、切沟侵蚀几个阶段，本次模型试验坡面侵蚀沟的特征见图4。

图4 模型试验坡面侵蚀沟的特征Fig.4 Features of erosion ditch on the surface of model slope

在不同外部影响条件下，不同性质的土壤会存在侵蚀差异:首先雨水对地表进行均匀的鳞片状、层状片蚀；随着降雨历时的推移，产生细沟，此时产沙量逐渐递增；侵蚀沟不断发展，扩大为浅沟、切沟，在径流冲刷力以及土体自重作用下，侵蚀沟不断加深、加宽。本文利用IPP对侵蚀沟照片进行处理，以准确分析坡面侵蚀特征，并根据填土法确定坡面侵蚀沟的实际体积，间接测算不同坡度和降雨强度条件下各种类型侵蚀沟的数量及产沙量，因试验条件限制，本文仅选取细沟、浅沟、切沟3种侵蚀类型作为评价坡面侵蚀特征的指标，左侧无雨滴打击作用试验区和右侧有雨滴打击作用试验区坡面侵蚀特征的对比，见表3。

表3 有、无雨滴打击作用试验区坡面侵蚀特征的对比(左/右侧试验区对照)

由表3可知，不同降雨强度和坡度条件下细沟的数量占坡面侵蚀沟总数的65%以上，是坡面侵蚀的主要方式之一，对坡面形态发育、演变具有重要的影响；当坡度和降雨强度较小时，切沟的发育程度较低，坡面侵蚀类型和产沙来源主要为细沟、浅沟侵蚀；随着坡度和降雨强度的增大，大坡度条件下切沟数量和产沙量为小坡度量级的2倍，切沟总产沙量贡献率占比超过60%；左、右侧试验区对比发现，当雨滴打击作用使侵蚀沟形态更加复杂，当雨滴打击作用消除后，侵蚀沟的差异程度减小，沟形更加规则，且消除雨滴影响后的侵蚀沟发育程度和产沙量降低。

本文对不同降雨强度下的左、右侧试验区径流总产沙量进行了颗粒级配分析，计算各粒径土颗粒占颗粒总质量的百分比，同时为了研究坡度和降雨强度对不同粒径土颗粒流失量的影响规律[29-31]，选取降雨强度为50 mm/h和100 mm/h下坡度为15°和53°左、右侧试验区各粒径土颗粒流失量的百分比进行了对比分析，见图5。

图5 不同降雨强度、不同坡度左、右侧试验区土颗粒流失量百分比的对比Fig.5 Percentage of soil particle loss in left and right test areas with different rainfall intensity

由图5可见，雨滴打击作用导致大于2 mm与小于0.25 mm粒径土颗粒流失量的差异最明显，从图5(a)到图5(b)和图5(c)到图5(d)，左、右两侧试验区大于2 mm粒径土颗粒流失量百分比的差值由5%增大至10%，小于0.25 mm粒径土颗粒流失量百分比的差值由6%增大至15%，因坡表面径流优先迁移细土颗粒，且降雨强度越大，雨滴打击作用越强，土颗粒迁移作用越剧烈；随着降雨历时的增长，坡表面土颗粒逐渐流失，当小粒径土颗粒来源减少时，雨滴开始对大粒径土颗粒进行拆分、搬运，导致大于2 mm与小于0.25 mm粒径土颗粒流失量的差异较大；同一降雨强度下，随着坡度的增大，大于1 mm粒径土颗粒流失量的百分比越高，坡度越大，越有利于大粒径土颗粒向下搬运迁移；而对于0.25～1 mm粒径土颗粒的作用规律恰好相反，无雨滴打击作用试验区0.25～1 mm粒径土颗粒流失量的百分比大于雨滴打击作用试验区。

2.5 指标相关性分析

坡面侵蚀主要受降雨强度和坡度的影响，本次试验以产流时间、径流强度和径流含沙量为测试指标，降雨强度、坡度为试验指标，通过上述降雨模型试验，从产流时间数据(见表2)可以看出：降雨强度和坡度对产流具有促进作用，两者间交互作用为正相关，雨滴打击作用仅使产流时间小幅度提前。径流强度随着降雨强度和坡度的不同组合，其增长趋势存在明显的差异：降雨强度对径流强度的影响显著，降雨增加了地表径流量，使径流强度增大、达到峰值的时间提前；而坡度变化对径流强度的影响较复杂，当坡长不变时，坡度与径流强度的变化趋势成正相关，这与李君兰等[32]、Kinnell[33]的研究结果相符合；雨滴打击作用使径流强度的变化阶段多元化，同时导致径流强度的峰值增大。分析发现土壤流失量与降雨强度、坡度之间的变化规律符合幂函数型，径流强度对产沙量有促进作用，坡度和降雨强度与径流含沙量具有正相关性，两者的交互作用比单指标作用更加显著，而降雨量与径流含沙量的相关性不明显。

3 结论与建议

本文通过降雨模型试验对坡面侵蚀特性进行了研究，通过设置不同初始条件探究了土壤水力侵蚀过程和变化规律，得出以下结论：

(1) 坡面径流过程中，产流时间随着降雨强度、坡度的增大，初始产流时间提前；对比左、右两侧试验区发现，坡面初始产流时间与雨滴打击作用的相关性较小；降雨强度增大，径流强度呈指数型增长；坡度变化对径流强度的影响较复杂，坡度和降雨强度综合影响径流强度，试验数据整体变化趋势显示随着两者数值的增大，径流强度增加；雨滴打击作用增大了右侧试验区径流强度的峰值，同时导致径流强度的变化阶段存在差别，无雨滴打击作用时，径流强度值在降雨初期迅速增大，达到峰值的时间提前。

(2) 坡面侵蚀过程中，径流含沙量的增长规律为初期增长、短时间减小后迅速增大至峰值后趋于稳定；降雨强度和坡度越大，径流含沙量越大、增幅越明显，且两者交互作用对径流含沙量的影响大于单指标；雨滴打击作用加强了水流的侵蚀力，使雨滴打击作用试验区初始径流含沙量、径流含沙量峰值更大，达到峰值的时间缩短。

(3) 坡面侵蚀特征主要由坡面侵蚀沟数量及产沙量体现，在降雨作用下，坡面侵蚀沟逐渐产生，细沟产生后产沙量快速增加；随着降雨量的增加，细沟不断发展，扩大为浅沟、切沟，产沙量前期主要由细沟侵蚀提供，随着降雨强度、坡度的增大，切沟不断发育并成为主要的产沙来源。雨滴打击作用使坡面侵蚀沟形态更加复杂，侵蚀沟发育程度和产沙量也明显增加，产沙量中粒径大于2 mm、小于0.25 mm的土颗粒受降雨强度和坡度的影响最大，降雨强度越大，雨滴打击作用越强，该粒径区间的土颗粒流失量的变化越明显。

根据本文试验结果，并结合研究区降雨特点和坡面侵蚀特征，建议在工程施工期应主动避开雨季，并提前做好导水、排水措施，坡面采取工程和生物覆盖措施防止细粒土流失，对抑制雨滴打击作用和水土流失具有积极的效果。

由于试验条件的限制，本文未对试验土体的压实度和颗粒级配两个影响因素进行研究，后续将会开展相关试验做进一步的研究。