人工模拟降雨法在隧道弃渣坡面水土流失规律研究中的应用

柴亚凡，周 波，刘 敏，侯 超

(甘肃省水土保持科学研究所，甘肃兰州 730020)

人工模拟降雨法在隧道弃渣坡面水土流失规律研究中的应用

柴亚凡，周 波，刘 敏，侯 超

(甘肃省水土保持科学研究所，甘肃兰州 730020)

人工模拟降雨器;激光雨滴谱仪;水土流失监测;隧道弃渣

采用人工模拟降雨方法，配套使用激光雨滴谱仪，研究了隧道弃渣的坡面侵蚀特征及变化趋势。试验结果表明:降雨前期，渣体渗透性能较好，水分大量渗入渣体，待降雨强度大于入渗能力时，径流才开始产生;样品A(黄绵沙)开始产流的时间为11 min，样品B(红黏土)开始产流的时间为4 min，样品A的入渗性能明显高于样品B;以样品A为供试材料的坡面上有较多的侵蚀沟，但长度都较短，以细沟侵蚀为主，而以样品B为供试材料的坡面上侵蚀沟较少，但是分布相对集中，且以面蚀为主。

在水土保持研究领域，人工模拟降雨法可以进一步补充论证在自然降雨环境下得到的结果，可以弥补在自然降雨条件下因环境变化而无法得到预期的试验结果［1－5］，还可以在较短时间内获取大量系统的数据资料，因此该方法已成为此研究领域不可或缺的重要研究方法［6－10］。隧道弃渣多以松散堆积体的形式堆放在指定的区域，松散、表面裸露，遇降雨极易产生坡面侵蚀，尤其是堆渣较高，坡面长、坡度大的坡面，侵蚀尤为严重。本研究采用人工模拟降雨法对隧道弃渣坡面侵蚀特征及变化趋势进行对比研究，以分析渣体坡面产流、入渗及侵蚀沟分布规律。

1 研究地点概况

1.1 自然概况

本试验地点位于兰州市城关区窦家山兰州水土保持科学试验站，距兰州市区约4 km，是典型的黄土丘陵沟壑区。属北温带半干旱大陆性季风气候区，年平均气温9.8℃，年均降水量311 mm，年均蒸发量1 446 mm。受季风的影响，降水季节分配极为不均，春季多风，少雨干旱;夏无酷热，降水增多;秋季凉爽，温差较大;冬季寒冷，干燥少雪。土壤为黄土母质上发育而成的灰钙土，部分地方的山体基部有岩石和第三系红土层裸露。土壤中腐殖质缺乏，有机质含量低，质地疏松多孔，湿陷性强。

1.2 供试材料

试验材料取自在建的兰渝铁路桃树坪隧道2号斜井隧洞出渣(样品A)和长寿山隧道进口出渣(样品B)。样品A:质地为黄绵沙，容重1.48 g/cm3，自然含水率20%。样品B:质地为红黏土，容重1.42 g/cm3，自然含水率11%。

2 研究方法

2.1 径流小区的布设

在窦家山风水复合侵蚀监测示范点人工模拟降雨试验区15°自然坡面，开挖坑槽1.5 m×4.5 m(人工模拟降雨器有效降雨面积)，开挖深度30 cm。在土槽四周插入高50 cm钢板，插入深度30 cm。试验前，将供试样品分层填入土槽内，填筑厚度为50 cm，填筑过程中分层压实，保证其紧实度，然后将坡面平整均匀。

2.2 人工模拟降雨器

选用的人工模拟降雨器是由美国生产的NORTON降雨模拟器，该装置采用振荡式原理，标准调节强度为50～100 mm/h，有效降雨面积为1.5 m×4.5 m。模拟降雨器架设在小区上端，调整使其坡度在5°左右，用自来水供水。供水水泵采用1 500 kW的潜水泵，降雨强度通过供水水压控制。本次试验采用模拟降雨器第三档位，单摆状态，利用阀门开关将其保持在70 kPa的压力下，以保证两组试验在同等压力条件下进行。

2.3 激光雨滴谱仪

选用的雨滴谱仪是由德国THIES公司生产的LNM激光雨滴谱仪，该装置由激光光学发射源产生一组平行光束，位于接收端的透镜光二极管可以测量光强并把它转换成电信号。当雨滴穿过激光束时产生接收信号，通过减小的振幅计算出雨滴直径，通过减小信号的持续时间测得雨滴的下降速度。根据所有雨滴直径和速度的统计比例确定降雨类型［11］。本试验将激光雨滴谱仪架设在人工模拟降雨器正下方，终端采用电脑远程控制和记录。

2.4 样品采集及侵蚀量的测定

(1)降雨开始时用秒表计时，至开始产流时记录产流时间。

(2)以后每隔2 min承接泥沙径流样品，直至产流趋于稳定(波动范围不大于 0.5 kg)［12］。

(3)将所采集泥沙样常温下静置，待沉淀充分后，将水和泥沙进行过滤分离，在105℃下将泥沙烘干至恒重，采用称重法测定产流量。

3 结果与分析

3.1 样品产流及侵蚀特征

在试验过程中，测得样品A开始产流时间为11 min，样品B开始产流时间为4 min，样品A所需的产流时间较样品B长。这主要是因为:降雨前期，土壤渗透性较好，水分大量渗入渣体，待降雨强度大于入渗能力时，径流才开始产生。另外，通过试验可知样品A的渗透性比样品B的好。侵蚀过程见表1。沟，随着入渗速率的减小，降雨进一步汇集，形成径流，沿细沟

图1 入渗特征

表1 侵蚀过程

从表1可以看出，开始产流后随着降雨的持续，时段侵蚀量快速增加，最终达到峰值，随后逐渐趋于平缓，一直持续到接近稳定。可以将整个侵蚀过程分为瞬变段(侵蚀变化较快的初始阶段)、渐变段(变化减缓的过渡阶段)、平稳段(变化较慢的稳定阶段)3个阶段，以探讨侵蚀过程的整体特征。在产流初始阶段，样品A、B的时段侵蚀量随着降雨的持续迅速增加，前者在10 min时达到峰值74.8 g，在0—10 min内其累积侵蚀量为328.1 g;后者在6 min时时段侵蚀量达到峰值72.1 g，在0—6 min内累积侵蚀量为189.7 g。样品A的初始阶段要长于样品B。过渡阶段样品A在10—18 min之间，而样品B在6—16 min之间，在这段时间内，两者的时段侵蚀量迅速降低，并逐渐趋于平稳。样品B大约在14 min时就达到稳定，而样品A大约在18 min以后才趋于稳定。

3.2 水分入渗特征

在降雨试验结束后，对供试样品的水分入渗深度进行了测量，按照距坡顶的不同距离(25、50、75、100、150、200、300、350、425 cm)分别测量入渗深度。由图1可以看出，随着距离的增加，入渗深度逐渐增加;样品A的入渗性能明显优于样品B。在整个降雨过程中，样品A小区下部的入渗深度可以达到30 cm，而样品B的入渗深度仅为12 cm。

3.3 不同坡面侵蚀沟分布特征

降雨试验结束后，对侵蚀坡面上形成的侵蚀沟的特征和形态进行了量测和分析。从降雨过程中可以看到，在降雨初期，雨滴对渣体的击溅作用强烈，渣粒四处飞溅，坡面逐渐出现细流出。由表2可以看出在6.75 m2的侵蚀坡面上宽度≥10 cm的侵蚀沟数量，样品A侵蚀面达到了4条，切沟深度达到了0.5～0.8 cm，且都位于坡面中下部;样品B只有1条，而且侵蚀沟较浅，只有0.2 cm，但是该切沟较长，达到了210 cm。在5—10 cm的区间内，样品A和样品B的侵蚀沟数量分别为3条和2条，同样呈现出样品A的切沟深度远远大于样品B的切沟深度。

可以看出，以质地为黄绵沙为主的供试材料A的侵蚀坡面上侵蚀沟分布数量较多，而且分布较广，但是侵蚀沟都较短，主要以细沟侵蚀为主。而在质地为红黏土的供试材料B的侵蚀坡面上，侵蚀沟分布较少，分布较集中，多集中在坡面中部，主要以面蚀为主。这主要是由于红黏土入渗性较差，降雨使表层土壤快速板结，土壤抗蚀性增强，使得降雨动能对土壤表层做功减少。

表2 侵蚀沟分布特征

4 结果与讨论

(1)降雨前期，渣体渗透性较好，水分基本都渗入渣体，因此这段时间不产流，待降雨强度大于入渗能力时，径流才开始产生。在以样品B和样品A为供试材质的径流小区内，从坡上至坡下，入渗深度逐渐增加。但是从整个入渗特征可以看出样品A的入渗性明显强于样品B。以样品A为供试材料的侵蚀坡面上，侵蚀沟分布数量较多，而且分布较广，但是侵蚀沟都较短，主要以细沟侵蚀为主;以样品B为供试材料的侵蚀坡面上，侵蚀沟分布较少，而且较集中，多集中在坡面中部，主要以面蚀为主。

(2)在施工过程中，施工单位应首先按照先拦后弃的原则及要求，在渣场弃渣前先修筑拦挡工程;其次，在弃渣过程中，尽量做到分层碾压，边堆弃边碾压，有条件的可以进行洒水，以尽可能地保证渣体的紧实度;再次，可将隧道出渣用于隧洞前施工场地的铺垫及施工道路的填筑，将弃渣与利用很好地结合，以减少弃渣场占地及弃渣流失，这样既节约了工程建设费用，也符合水土保持要求。

(3)本研究仅对野外弃渣进行了试验场人工模拟降雨试验，未对渣体坡面产流的其他水动力学参数进行深入分析;坡度和坡长也是影响渣体坡面侵蚀的重要因素，今后可在这些方面开展进一步研究，以便更深刻地揭示坡面侵蚀发生机理及发展过程。

(4)人工模拟降雨器与激光雨滴谱仪的配套使用在很大程度上提高了工作效率，弥补了传统的雨滴参数的测定方法，省时省力，可操作性好，保证了人工模拟降雨试验数据的连续性和完整性，所有的降雨参数都实现了连续完整的测量和自动记录。激光雨滴谱仪在很大程度上实现了人工模拟器只能依靠压力阀调节供水压力、降雨强度，人工滴定进行雨滴参数测量，完全实现了自动测量和自动记录，完成了雨滴参数的校准，大大节省了试验时间。今后还须进行大量的试验，解决何种压力水头下，直接判读基本降雨参数的问题，即通过不断调整压力水头，读取人工模拟降雨器压力仪表盘的压力读数和激光雨滴谱仪的各种降雨参数，建立逐一对应的关系，这样在今后的降雨模拟试验中，就可以提高工作效率。

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S157

C

1000－0941(2012)10－0033－03

本研究受水利部“948”项目(201036)资助

柴亚凡(1981—)，男，甘肃酒泉市人，工程师，在读博士，主要从事水土流失监测研究。

2012－03－25

(责任编辑 孙占锋)