不同初始含水率黄土雨滴溅蚀试验

2023-10-07邱明明周占江郭富杭赵霞玉赵艳秋

人民黄河 2023年10期

邱明明周占江郭富杭赵霞玉赵艳秋

摘要：降雨特性、土质类型及其改良措施是影响土壤侵蚀的重要因素，为了给黄土高原地区土壤侵蚀防治及相关研究提供参考，以延安地区某边坡上更新统原状黄土为研究对象，制备原状、干燥、增湿３种圆柱体试样（初始含水率分别为１４．５％、４．５％、３３．６％），试验方案为２个雨滴直径（３．０、５．０ｍｍ）、３个雨滴频率（１０、５０、１００滴／ｍｉｎ）、雨滴落差１０００ｍｍ、降雨历时６０ｍｉｎ，利用自行设计的单雨滴溅蚀试验平台进行不同初始含水率黄土的雨滴溅蚀试验，结果表明：１）随着降雨历时延长，雨水从雨滴降落点不断向四周渗透扩散，在雨滴连续击溅作用下试样表面形成由小到大、由浅变深近似圆形的溅蚀坑；溅蚀坑深度随降雨历时延长而增大、随降雨强度提高而增大，不同初始含水率黄土试样溅蚀坑深度随降雨历时的变化趋势基本一致，大致可分为快速增长、持续强化、稳定渐变３个阶段。２）相同初始含水率条件下，试样溅蚀破坏直径和溅蚀扩散直径随降雨强度提高而明显增大；相同降雨强度条件下，干燥试样雨水入渗量和入渗范围较大，增湿试样溅蚀坑内的薄层积水使雨滴溅蚀破坏减弱；小雨情况下初始含水率较高的土体易被溅蚀，而强降雨情况下初始含水率较低的干土易被溅蚀。３）溅蚀扩散直径为溅蚀破坏直径的２．１～３．３倍，溅蚀破坏直径、溅蚀扩散直径和溅蚀量（体积）受土体初始含水率影响显著。

关键词：黄土；初始含水率；雨滴溅蚀；土壤侵蚀；试验

中图分类号：Ｓ１５７．１文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０１９

引用格式：邱明明，周占江，郭富杭，等．不同初始含水率黄土雨滴溅蚀试验［Ｊ］．人民黄河，２０２３，４５（１０）：１０６－１１０，１１７．

黄土高原地区土体松散、大孔隙和垂直节理发育，土体特殊的结构为雨水的快速入渗提供了通道［１－２］，在雨水作用下易发生强度软化、侵蚀变形和一系列岩土工程问题，因此黄土高原是我国地质灾害的重点防治区之一［３－４］。据统计，陕北地区每年的６月下旬至９月下旬是降雨相对集中且多以暴雨形式出现的时段［５－７］，也是黄土地质灾害集中爆发的时段，强降雨诱发的黄土滑坡、侵蚀沟等水土流失灾害问题突出。诸多学者针对降雨条件下土壤的溅蚀特征进行了相关试验研究并取得丰富的成果，如：高学田等［８］通过人工降雨溅蚀试验，发现降雨溅蚀力与溅蚀量线性相关，原状土的溅蚀量为扰动土的２２％～３０％，原状土与扰动土溅蚀量的差异随降雨强度增大而减小；陈浩等［９］研究发现坡度对土壤溅蚀影响显著；程金花等［１０］基于野外模拟降雨试验，研究了降雨强度、降雨动能以及降雨历时对褐土溅蚀量的影响规律，结果表明溅蚀量与降雨强度为指数函数关系；吕威等［１１］通过室内人工模拟降雨试验，研究了聚丙烯酰胺施用量对凸型坡和凹型坡土壤侵蚀规律的影响，认为聚丙烯酰胺施用量对凹型坡土壤流失量影响显著；马仁明等［１２］分析了前期含水率对红壤团聚体稳定性及濺蚀特征的影响，发现前期含水率越高，团聚体破碎程度越高；褚峰等［１３］通过人工合成类废布料纤维纱加筋黄土溅蚀试验，发现纤维纱加筋黄土溅蚀坑深度和溅蚀量均较素黄土的小；覃超等［１４］研究了不同玉米秸秆汁改良黄绵土的抗侵蚀性能，发现改良黄绵土溅蚀量较未改良黄绵土溅蚀量降低了２４．７％～７８．３％；汪明霞等［１５］研究了植被覆盖度对土壤溅蚀的影响，结果表明植被覆盖度大于４０％时可降低黄土区土壤溅蚀强度；邵臻等［１６］分析了侵蚀性降雨对２０°人工草地和天然草地的土壤侵蚀量，结果表明天然草地的抗侵蚀能力优于人工草地的；刘柏玲等［１７］通过人工模拟降雨试验研究了黄土土质对溅蚀特征的影响，发现不同类型黄土的溅蚀有明显差异；周春梅等［１８］分析了不同地表压实度和雨滴击溅速率条件下压实黄土的溅蚀破坏规律，认为提高土体压实度可增强土体耐溅蚀性。

综上所述，降雨特性、土质类型及其改良措施是影响土壤溅蚀的重要因素，因研究对象、试验条件等不尽相同而所得结果存在一定的差异，考虑土体含水率状态对原状黄土溅蚀特征影响的研究少有报道。鉴于此，笔者以延安地区上更新统（Ｑ３）原状黄土为研究对象，利用自行设计的常水头单雨滴溅蚀试验平台，进行不同初始含水率原状黄土的雨滴溅蚀试验，分析不同降雨强度、不同初始含水率对原状黄土雨滴溅蚀的影响，以及土体初始含水率与溅蚀程度的关系，以期为黄土高原地区土壤侵蚀防治及相关研究提供参考。

１试样制备与试验方法

１．１试样制备

试验用土取自延安新区某黄土边坡地表以下０．５ｍ处，属上更新统原状黄土，呈褐黄色和黄色，土质较均匀，天然密度为１．４５～１．５５ｇ／ｃｍ３，天然含水率为１４．５％。采用高２００ｍｍ、内径１５５ｍｍ的透明亚克力管模具进行原位取样，将原状黄土土柱用保鲜膜密封后运回实验室备用。根据土体含水率状态，制备天然含水率试样、干燥试样（用于模拟土体中水分受蒸发减少情况，含水率小于５％）和增湿试样（用于模拟土体近似饱和状态，含水率大于３０％）３种试样。干燥试样和增湿试样均以天然含水率原状黄土土柱试样为基础，进行增湿或减湿处理制备而成，其中：干燥试样是在４０ ℃条件下，通过对原状试样进行连续烘干４８ｈ制备而成，烘干后试样的含水率为４．５％；增湿试样是通过对原状试样每隔３０～６０ｍｉｎ增湿处理１次，连续增湿７２ｈ制备而成，增湿完成后试样的含水率为３３．６％。

１．２试验方法

自行设计的常水头单雨滴溅蚀试验平台包括蓄水箱、给水箱、给（排）水橡胶软管、锥形玻璃滴管、调水阀、可移动支架、旋转三角支架、有机玻璃挡风罩、激光测距仪、高清摄像机等组成（如图１所示）。

通过改变锥形玻璃管管嘴直径来改变雨滴直径，通过调节调水阀流量来控制雨滴频率以模拟不同降雨强度，通过调节可移动支架高度以实现不同雨滴落差，采用激光测距仪测量锥形玻璃管管嘴距试样表面的高度（记为ｈ０），试验开始后ｔ时刻观测锥形玻璃管管嘴距溅蚀坑底的高度（记为ｈｔ），ｔ时刻的累计溅蚀深度为Δｈｔ＝ｈｔ－ｈ０，采用游标卡尺沿不同水平方向对溅蚀范围（溅蚀破坏直径、溅蚀扩散直径）进行不少于３次测量（取其平均值作为溅蚀范围值），采用高清摄像机记录不同时刻雨滴对试样的溅蚀破坏发展过程。

雨滴对土体的溅蚀作用受多因素的影响，本次试验重点分析不同降雨强度和土体初始含水率状态下原状黄土的溅蚀破坏规律。设置雨滴落差（锥形玻璃管管嘴距试样表面的距离）为１０００ｍｍ，设置３．０ｍｍ和５．０ｍｍ两个雨滴直径（ｄ），设置降雨历时为６０ｍｉｎ，设置１０、５０、１００滴／ｍｉｎ３个雨滴频率（用ｑ表示；雨滴直径为３．０ｍｍ、降雨６０ｍｉｎ对应的降雨强度分别为１０．８、５４．０、１０８．０ｍｍ／ｄ，雨滴直径为５．０ｍｍ、降雨６０ｍｉｎ对应的降雨强度分别为１８．０、９０．０、１８０．０ｍｍ／ｄ），设置４种试验工况（见表１）。

试验操作步骤：１）放置试样于锥形玻璃管正下方，调节锥形玻璃管管嘴使其距试样表面中心距离为１０００ｍｍ；２）在试样上放置一透明塑料板，打开调水阀试滴，调节雨滴频率至试验设定值，测试不少于３次，其误差不超过±３滴／ｍｉｎ；３）移除试样表面透明塑料板，开始正式试验，观测降雨历时为０、２、４、７、１０、１５、２０、２５、３０、４０、５０、６０ｍｉｎ时锥形玻璃管管嘴距溅蚀坑底的高度ｈｔ；４）试验结束后，测量图２所示试样的溅蚀破坏范围（溅蚀破坏直径Ｄ０）和溅蚀扩散范围（溅蚀扩散直径Ｄ），并记录试验数据和试验现象。

２试验结果分析

２．１试样贱蚀变化规律

图３为各试验工况原状黄土溅蚀深度时程曲线，可以看出降雨强度越大溅蚀深度越大、各工况的溅蚀深度变化趋势基本一致，可分为３个阶段：１）快速增长阶段（Ⅰ），降雨历时为０～１０ｍｉｎ，雨滴直接落在试样表面使其形成小坑，坑内土体因雨水击溅破坏而产生细小颗粒并向四周迸溅，随着雨水不断下渗和雨滴连续击溅，形成的溅蚀深度快速增长；２）持续强化阶段（Ⅱ），降雨历时１０～４０ｍｉｎ，随着雨水不断下渗，试样上层土体逐渐趋于饱和，在溅蚀坑内形成一层薄积水层，使得雨滴对试样土体的击溅作用稍有减弱，溅蚀深度增速较第Ⅰ阶段减缓；３）稳定渐变阶段（Ⅲ），降雨历时４０～６０ｍｉｎ，随着降雨历时的延长，试样上层土体趋于饱和，雨水下渗速率降低，溅蚀坑内积水增加，加之溅蚀坑已相对较深，雨滴对下部土体的溅蚀逐渐减弱，故溅蚀深度呈缓慢增大趋势。

由图３还可看出，不同初始含水率试样的雨滴溅蚀深度变化情况有所不同，干燥试样溅蚀深度在阶段Ⅰ增速较原状试样和增湿试样的快，而增湿试样溅蚀深度在阶段Ⅱ增速较原状试样和干燥试样的快。在雨滴直径ｄ＝５．０ｍｍ、雨滴频率ｑ＝５０滴／ｍｉｎ情况下，不同初始含水率试样在降雨历时ｔ为０、３０、６０ｍｉｎ的溅蚀坑形貌见表２，可以看出：随着降雨历时延长，雨水不断向雨滴降落点四周渗透扩散，在雨滴的击溅作用下逐渐形成近似圆形的溅蚀坑，溅蚀坑随降雨历时延长由小到大、由浅变深；３种初始含水率试样的雨水渗透范围相比，干燥试样最大，原状试样次之，增湿试样最小；在降雨期间，增湿试样表面积水程度相对较高。

２．２溅蚀破坏状况与初始含水率的关系

溅蚀深度与初始含水率的关系见图４。在雨滴频率为１００滴／ｍｉｎ情况下，初始含水率为４．５％（干燥试样）、１４．５％（原状试样）、３３．６％（增湿试样）的溅蚀深度分别为２３、２０、２６ｍｍ，干燥试样和增湿试样溅蚀深度分别为原状试样的１．１５倍和１．３０倍。雨滴频率为１０滴／ｍｉｎ时溅蚀深度随着初始含水率提高呈直线增大趋势，当雨滴频率为５０滴／ｍｉｎ时溅蚀深度随初始含水率提高呈先增大后减小趋势，当雨滴频率为１００滴／ｍｉｎ时溅蚀深度随初始含水率提高呈先减小后增大趋势，可能的原因是：小雨（雨滴频率为１０滴／ｍｉｎ）情况下雨水以入渗为主，试样表面不产生积水，土体强度随雨水入渗而软化，溅蚀深度随土体初始含水率提高呈持续增大趋势；大雨（雨滴频率为５０滴／ｍｉｎ）情况下溅蚀深度随着雨水下渗和土体软化而增大，干燥试样因初始强度较高而溅蚀深度小于原状试样的，增湿试样因土体含水率接近饱和、溅蚀坑中没来得及入渗的雨水类似保护层削弱了雨滴对土体的击溅而溅蚀深度也小于原状试样的；暴雨（雨滴频率为１００滴／ｍｉｎ）条件下雨滴对土体的连续击溅作用加剧，溅蚀坑中虽形成薄积水层，但不足以削弱雨滴的擊溅作用，故溅蚀深度也随土体初始含水率提高在小幅减小后仍呈增大趋势。

由横向溅蚀范围与初始含水率的关系（见表３）可知，相同初始含水率条件下，溅蚀扩散直径和溅蚀破坏直径随降雨强度提高而增大，溅蚀扩散直径为溅蚀破坏直径的２．１～３．３倍。当雨滴频率为１０滴／ｍｉｎ时，试样溅蚀扩散直径随试样初始含水率提高呈增大趋势；当雨滴频率为１００滴／ｍｉｎ时，干燥试样的横向溅蚀范围最大，增湿试样的次之，原状试样的最小；当雨滴频率为５０滴／ｍｉｎ时，溅蚀扩散直径和溅蚀破坏直径与初始含水率的关系规律性不强，有待进一步研究。图５为溅蚀量（体积）与初始含水率的关系，可以看出：雨滴频率为１０滴／ｍｉｎ时，溅蚀量随初始含水率提高大致呈线性增长趋势；雨滴频率为５０滴／ｍｉｎ时，原状试样的溅蚀量最大，增湿试样的次之，干燥试样的最小；雨滴频率为１００滴／ｍｉｎ时，干燥试样的溅蚀量最大，增湿试样的次之，原状试样的最小，干燥试样的溅蚀量约为原状试样的３倍。由此进一步说明，在小雨条件下初始含水率较高的土体易被溅蚀，而在强降雨条件下干燥黄土易被溅蚀，主要原因是：小雨情况下雨水以入渗为主，土体抗蚀强度随土体增湿而降低；强降雨动能大、对土体的击溅作用强，干燥土体因吸水后迅速膨胀、开裂和团聚体破坏而抗蚀性降低。由不同初始含水率试样在３种降雨强度下的溅蚀破坏形貌（见表４）可知：在相同初始含水率情况下，试样溅蚀破坏范围随降雨强度（雨滴频率）提高而明显增大；相同降雨强度情况下，不同初始含水率试样的溅蚀形貌也明显不同（具体的定量关系有待进一步研究）。

３结论

１）随着降雨历时延长，雨水从雨滴降落点不断向四周渗透扩散；在雨滴连续击溅作用下试样表面形成由小到大、由浅变深近似圆形的溅蚀坑，溅蚀深度随降雨历时延长而增大、随降雨强度提高而增大；不同初始含水率黄土试样溅蚀深度随降雨历时的变化趋势基本一致，大致可分为快速增长、持续强化、稳定渐变３个阶段。

２）相同初始含水率条件下，试样溅蚀破坏直径和溅蚀扩散直径随降雨强度提高而明显增大；相同降雨强度情况下，干燥试样雨水入渗量和入渗范围较大，增湿试样溅蚀坑内的薄层积水使雨滴溅蚀破坏减弱；小雨情况下初始含水率较高的土体易被溅蚀，而强降雨情况下初始含水率较低的干土易被溅蚀。

３）溅蚀扩散直径为溅蚀破坏直径的２．１～３．３倍，溅蚀破坏直径、溅蚀扩散直径和溅蚀量（体积）受试样初始含水率影响显著。

参考文献：

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