喇嘛溪沟流域侵蚀链分析及工程对策

胡 婷，柴春阳(.四川交通运输职业学校，四川成都 630； .中铁二院工程集团有限责任公司, 四川成都 6003)

喇嘛溪沟流域侵蚀链分析及工程对策

胡 婷1，柴春阳2
(1.四川交通运输职业学校，四川成都 611130； 2.中铁二院工程集团有限责任公司, 四川成都 610031)

论文结合喇嘛溪沟的流域侵蚀，提出了流域侵蚀链的概念，绘制了喇嘛溪沟流域侵蚀链结构图，分析了流域侵蚀驱动力和各种侵蚀形态之间的动态演化。揭示了流域侵蚀链的动力机制，提出了控制流域侵蚀的工程对策。

侵蚀形态；流域侵蚀链；工程对策

1 流域侵蚀链的概念

文坡坡喇嘛溪沟位于四川汉源县九襄镇，是流沙河水系的一条支沟(图1)。该区中下游是第三系昔格达地层，其工程性质与一般岩石有着明显的区别，强度较低，特别是在水的作用下，承载能力和抗剪强度都会大大降低。昔格达地层岩土特有的工程性质与广泛发育的结构面相互组合之后，极易形成破裂面与滑动面。同时,昔格达物质主要为粉沙粒级, 黏聚力小, 在风干后，特别是反复浸水，极易崩解，适宜于水力搬运的颗粒。该地区上游为震旦系灯影组白云岩及硅质白云岩，受九襄断裂带影响，极其破碎，呈碎石状。这些为流域侵蚀提供了丰富物质，在重力和流水作用下，风化物质首先发生侵蚀，被水流带到水系中，发生搬运和堆积。该地区水土流失十分严重。流域侵蚀是流域内水系发展和流域地貌演变的基本动力，并且是泥沙输移与沉积的物质来源[1]。因此，流域侵蚀链对于控制和治理该地区水土流失具有重要的意义。

图1 喇嘛溪流域地形(1：50000)

在内外力共同作用下，流域内地表土层产生剥离、输移，从而导致流域自然环境的不断演化。在这个过程中各种侵蚀形态彼此关联，构成有序排列的链状结构体，我们称之为流域侵蚀链。通过野外调查和理论分析，得出喇嘛溪沟流域侵蚀链结构图式(图2)，图中横向箭头反映各营力在流域侵蚀中的驱动力作用，即一定的营力条件是与一定的侵蚀方式和侵蚀形态相应的。纵向箭头反映流域侵蚀动态演化，即各种侵蚀方式之间是相互联系。

图2 喇嘛溪沟流域侵蚀链结构

2 流域侵蚀驱动力

2.1 降雨

溅蚀是指雨滴直接打击土壤表面，使土壤颗粒发生分散和移动的过程。雨滴溅蚀的原动力是降雨打击作用，该区年降雨量700～1 000 mm左右，6～9月夏季降雨特别集中，占全年降雨量60 %左右，且多暴雨。暴雨雨滴对地表的溅击和侵蚀力量是很强的。根据研究[2]，直径1.0 mm的小雨滴，具有3.8 m/s的终速度，直径4.5 mm大暴雨雨滴，具有9 m/s终速度。大雨滴比小雨滴动能大500倍，降雨强度70 mm/h的暴雨散失在地面的动能，几乎为强度50 mm/h暴雨的100倍，这类暴雨1 h内可以把15 cm厚度土层分别拉起84 cm和90 cm，而强度20 mm/h雨量不足以打碎土块(1991，张家诚)，强度暴雨的侵蚀和溅击力足以使陡坡上处于平衡状态的松散物失去稳定，往下坠落。

2.2 水流

水流在侵蚀过程主要破坏并掀起地表物质的作用。该地区夏季多强降雨，容易形成地表径流，坡面径流在其发育初期，水层薄，流速小，流向受地面粗糙度的影响，往往不沿陡坡线流动，而多是漫流状态，随着水层的增厚，冲刷能力的加强，薄层片状水体相连。若水体进一步集中，则面状水流就向线状水流转化，水层薄、流路广、作用时间和流程短。由地面漫流和线状水流引起的土壤侵蚀，最初表现为沿程侵蚀。到了一定的距离，由于地表的不均匀在地形凹陷处，径流集中，侵蚀加强，从而出现侵蚀斑痕或不连续的侵蚀点，进一步发展到贯通的细沟。当细沟出现以后，便大大加强了径流的侵蚀能力。降雨后坡面径流逐步汇集于局部相对低洼地带，并把坡面切割成规模不等的沟槽，由细沟逐步发展成为浅沟、切沟，在坡面的中下部，坡面径流基本以线状股流形式沿沟槽流动，在一定条件下，沟槽中的水流不仅搬运上游带来的土壤颗粒，同时也表现为对沟槽的继续下切、横向冲蚀沟槽两侧和沟头溯源。

2.3 重力

重力是促使斜坡上的物质向下运动的动力。斜坡上松散堆积物或风化基岩，由于本身重量而沿着斜坡向下运动或发生垂直下落，在块体运动中地表水、地下水等起到促进和触发作用。块体运动是一种固体或半固体物质的运动，可以是快速运动，也可以是缓慢不易觉察的移动或蠕动。该区在水流长期作用下形成了很深的沟槽，两岸边坡裸露，给下滑的岩土体提供了临空面，解除岸坡上原来存在的侧向压力，斜坡朝沟槽方向变位，释放原有的应力，即卸荷作用，把原来压紧的断层、节理、裂隙拉开，形成裂缝，当重力克服了物体的惯性力和摩擦阻力时，物体就要向下移动。

3 流域侵蚀的动态演化

溅蚀→面蚀→沟蚀→重力侵蚀，是动态演化的过程。各侵蚀之间不是孤立的，前面的侵蚀为后面的侵蚀的发生提供了必要的条件。

3.1 溅蚀→面蚀

当裸露的地面受较大雨滴打击时，土壤结构遭到破坏，土粒被溅散，溅起的土粒向坡下移动，其中很多土粒随径流流失。这种侵蚀除移走土粒外，对地表土壤物理性状也有破坏作用，使土壤表面形成泥浆薄膜，堵塞土壤孔隙，阻止雨水下渗，为产生坡面径流和层状侵蚀创条件。雨滴本身的输运能力主要取决于其顺坡方向的速度，一般很小，水流本身仅能输送小颗粒的悬移质，推移质不能被坡面流单独输运，只有雨滴击溅将之抬起后才能被水流输移，这种流动被称为降雨—水流输移或降雨诱发的水流输移。当坡面没有细沟发生时，这种输运方式占主导地位，地表会发生不易察觉的降低，整个坡面被成层地侵蚀掉了。

3.2 面蚀→沟蚀

当坡面流逐渐汇集成股流以后，开始出现细沟侵蚀。它的形成主要有两种途径[3]。一是在雨滴击溅，坡面微地貌导致径流集中及水流本身的不恒定不均匀等因素单独或共同作用下，局部土体被水流破坏，形成小侵蚀穴。由于其头部的跃水，水流在小侵蚀穴中发生掏蚀，使其不断扩大加深，产生溯源侵蚀，逐渐形成细沟；二是由于土壤失陷，水流汇集而成壤中流，壤中流在下坡段流出地表，细沟顺其出口发育，同时壤中流管道顶部塌陷，形成小跌坎，而后溯源侵蚀形成细沟。沟蚀是该区土壤侵蚀的主要形式，在经由片蚀向细沟和浅沟侵蚀演化，而进一步发展成切沟侵蚀，最后形成冲沟后，地面被切割成支离破碎，地面坡度变陡，崎岖度增大。

3.3 沟蚀→ 重力侵蚀

沟槽形成后，在水流作用下，继续下切、横向冲蚀沟槽两侧和沟头溯源，切割一定的高差以后，两岸的陡坡上的物质的位能得到释放，产生了重力坡，开始发生重力侵蚀。谷坡就会以滑坡、崩塌等方式不断平行本坡面后退。随着重力侵蚀的发展，谷坡上的物质不断向坡脚运动，滑入沟道内，谷坡的有效高度降低，坡度变缓, 重力侵蚀逐渐减弱，以致消失。当沟道内产物逐渐被流水作用搬走之后, 使坡脚的坡度增大并形成新的临空面, 重力坡再次出现。在喇嘛溪沟，重力侵蚀与沟蚀之间形成了较强的耦合关系，具有“洪水时滑动——旱季稳定——冲走堆积物后再次滑动”的特征。即当坡脚被冲刷、支撑力下降、下滑力大于抗滑力时，斜坡就滑动；而当滑坡体的一部分滑入沟河中堆积下来，成为抗滑体时斜坡就暂时稳定下来或仅有很缓慢的滑动；一旦这些堆积体被冲走，则斜坡将再次失去平衡而下滑。

4 工程对策

认识自然的目的，在于改造自然。流域侵蚀链动力机制的研究，使我们对的流域侵蚀内在原因有了较多的认识，从而为有效控制与治理该地区的水土流失问题提出了一些有益的启示。

(1)地区降雨的历时和强度是无法改变的，但是，可以通过种草种树，增加地表的植被覆盖率，来阻截部分降雨的能量，使土壤表面免于雨滴的直接击溅。另外，植被能增加地表糙率和下渗，从而减少径流总量和降低径流速度，并能形成低洼蓄水区使泥沙沉积，减少土壤侵蚀。

(2)水流能量决定坡沟系统土壤侵蚀物质的数量和侵蚀形态的发育，是流域侵蚀链形成与演化的主要因素[4]。如能有效地控制水流能量的增长，便可有效地控制侵蚀的发生与发展。可以采取坡地梯田化、等高耕作、设置植被屏障等措施，隔断坡段间的联系，使坡段间的能量传递削弱或消失，尤其上坡来水数量减少，或者根本不进入下坡，这样将可使下坡的侵蚀量大幅度地减少。还可以采取各种增大坡而糙率或增加入渗的措施，以削减水流速度，提高入渗率，使坡面产流减少，侵蚀能量降低，侵蚀过程受到抑制。

(3)沟谷陡坡是坡沟系统能量急剧增长的地段，加强其防治是防止强度侵蚀发生的重要方面[3]。唐克丽通过对杏子河流域的考察指出，陡坡开垦是人为破环的重要方式，因开垦陡坡而增加的侵蚀量，约占流域总侵蚀量的30 %。在研究中，25°～35°坡度转换处，3种实验雨强均有滑坡或崩塌发生，其侵蚀量占到了全坡面的36 %～39 %，侵蚀模数是4个坡段中最高的。

(4)减弱流域内沟蚀与重力侵蚀的耦合关系，对现有的滑坡、崩塌采取加固措施，在沟道内修筑拦沙坝，它不但可以有效地控制沟道侵蚀，防止沟岸中小型滑坡、崩塌、滑塌的发生，而且抬高了局部侵蚀基准面，降低了谷坡相对高度，增加了谷坡的整体稳定性。

(5)流域侵蚀形态也有平衡的倾向性。当水流所挟带的泥沙与其挟沙能力大体相近时，流域侵蚀即处于不冲不淤的动态平衡状态，这时侵蚀过程得到基本抑制。某种意义上讲，控制侵蚀就是认识均衡形成的条件，促使低输出均衡的实现。流域的工程建设与开发应避免打破均衡，造成新的侵蚀过程。

[1] 朱永恒，濮励杰.流域侵蚀过程研究[J].水土保持研究, 2004,12(2).

[2] 谭万沛，王成华.暴雨泥石流滑坡的区域预测与预报——以攀西地区为例[M].四川科技出版社, 1994： 50-53.

[3] 刘青泉，李家春，陈力，等.坡面流及土壤侵蚀动力学(Ⅱ)——土壤侵蚀[J].力学进展, 2004，34(4).

[4] 雷阿林，唐克丽，王文龙． 土壤侵蚀链概念的科学意义及其特征[J].水土保持学报，2000，14(3).

胡婷(1982)，女，学士，讲师，研究方向道路工程。

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[定稿日期]2016-07-15