喇嘛溪溝流域侵蝕鏈分析及工程對策

胡 婷，柴春陽(.四川交通運輸職業學校，四川成都 630； .中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川成都 6003)

喇嘛溪溝流域侵蝕鏈分析及工程對策

胡 婷1，柴春陽2
(1.四川交通運輸職業學校，四川成都 611130； 2.中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川成都 610031)

論文結合喇嘛溪溝的流域侵蝕，提出了流域侵蝕鏈的概念，繪制了喇嘛溪溝流域侵蝕鏈結構圖，分析了流域侵蝕驅動力和各種侵蝕形態之間的動態演化。揭示了流域侵蝕鏈的動力機制，提出了控制流域侵蝕的工程對策。

侵蝕形態；流域侵蝕鏈；工程對策

1 流域侵蝕鏈的概念

文坡坡喇嘛溪溝位于四川漢源縣九襄鎮，是流沙河水系的一條支溝(圖1)。該區中下游是第三系昔格達地層，其工程性質與一般巖石有著明顯的區別，強度較低，特別是在水的作用下，承載能力和抗剪強度都會大大降低。昔格達地層巖土特有的工程性質與廣泛發育的結構面相互組合之后，極易形成破裂面與滑動面。同時,昔格達物質主要為粉沙粒級, 黏聚力小, 在風干后，特別是反復浸水，極易崩解，適宜于水力搬運的顆粒。該地區上游為震旦系燈影組白云巖及硅質白云巖，受九襄斷裂帶影響，極其破碎，呈碎石狀。這些為流域侵蝕提供了豐富物質，在重力和流水作用下，風化物質首先發生侵蝕，被水流帶到水系中，發生搬運和堆積。該地區水土流失十分嚴重。流域侵蝕是流域內水系發展和流域地貌演變的基本動力，并且是泥沙輸移與沉積的物質來源[1]。因此，流域侵蝕鏈對于控制和治理該地區水土流失具有重要的意義。

圖1 喇嘛溪流域地形(1：50000)

在內外力共同作用下，流域內地表土層產生剝離、輸移，從而導致流域自然環境的不斷演化。在這個過程中各種侵蝕形態彼此關聯，構成有序排列的鏈狀結構體，我們稱之為流域侵蝕鏈。通過野外調查和理論分析，得出喇嘛溪溝流域侵蝕鏈結構圖式(圖2)，圖中橫向箭頭反映各營力在流域侵蝕中的驅動力作用，即一定的營力條件是與一定的侵蝕方式和侵蝕形態相應的。縱向箭頭反映流域侵蝕動態演化，即各種侵蝕方式之間是相互聯系。

圖2 喇嘛溪溝流域侵蝕鏈結構

2 流域侵蝕驅動力

2.1 降雨

濺蝕是指雨滴直接打擊土壤表面，使土壤顆粒發生分散和移動的過程。雨滴濺蝕的原動力是降雨打擊作用，該區年降雨量700～1 000 mm左右，6～9月夏季降雨特別集中，占全年降雨量60 %左右，且多暴雨。暴雨雨滴對地表的濺擊和侵蝕力量是很強的。根據研究[2]，直徑1.0 mm的小雨滴，具有3.8 m/s的終速度，直徑4.5 mm大暴雨雨滴，具有9 m/s終速度。大雨滴比小雨滴動能大500倍，降雨強度70 mm/h的暴雨散失在地面的動能，幾乎為強度50 mm/h暴雨的100倍，這類暴雨1 h內可以把15 cm厚度土層分別拉起84 cm和90 cm，而強度20 mm/h雨量不足以打碎土塊(1991，張家誠)，強度暴雨的侵蝕和濺擊力足以使陡坡上處于平衡狀態的松散物失去穩定，往下墜落。

2.2 水流

水流在侵蝕過程主要破壞并掀起地表物質的作用。該地區夏季多強降雨，容易形成地表徑流，坡面徑流在其發育初期，水層薄，流速小，流向受地面粗糙度的影響，往往不沿陡坡線流動，而多是漫流狀態，隨著水層的增厚，沖刷能力的加強，薄層片狀水體相連。若水體進一步集中，則面狀水流就向線狀水流轉化，水層薄、流路廣、作用時間和流程短。由地面漫流和線狀水流引起的土壤侵蝕，最初表現為沿程侵蝕。到了一定的距離，由于地表的不均勻在地形凹陷處，徑流集中，侵蝕加強，從而出現侵蝕斑痕或不連續的侵蝕點，進一步發展到貫通的細溝。當細溝出現以后，便大大加強了徑流的侵蝕能力。降雨后坡面徑流逐步匯集于局部相對低洼地帶，并把坡面切割成規模不等的溝槽，由細溝逐步發展成為淺溝、切溝，在坡面的中下部，坡面徑流基本以線狀股流形式沿溝槽流動，在一定條件下，溝槽中的水流不僅搬運上游帶來的土壤顆粒，同時也表現為對溝槽的繼續下切、橫向沖蝕溝槽兩側和溝頭溯源。

2.3 重力

重力是促使斜坡上的物質向下運動的動力。斜坡上松散堆積物或風化基巖，由于本身重量而沿著斜坡向下運動或發生垂直下落，在塊體運動中地表水、地下水等起到促進和觸發作用。塊體運動是一種固體或半固體物質的運動，可以是快速運動，也可以是緩慢不易覺察的移動或蠕動。該區在水流長期作用下形成了很深的溝槽，兩岸邊坡裸露，給下滑的巖土體提供了臨空面，解除岸坡上原來存在的側向壓力，斜坡朝溝槽方向變位，釋放原有的應力，即卸荷作用，把原來壓緊的斷層、節理、裂隙拉開，形成裂縫，當重力克服了物體的慣性力和摩擦阻力時，物體就要向下移動。

3 流域侵蝕的動態演化

濺蝕→面蝕→溝蝕→重力侵蝕，是動態演化的過程。各侵蝕之間不是孤立的，前面的侵蝕為后面的侵蝕的發生提供了必要的條件。

3.1 濺蝕→面蝕

當裸露的地面受較大雨滴打擊時，土壤結構遭到破壞，土粒被濺散，濺起的土粒向坡下移動，其中很多土粒隨徑流流失。這種侵蝕除移走土粒外，對地表土壤物理性狀也有破壞作用，使土壤表面形成泥漿薄膜，堵塞土壤孔隙，阻止雨水下滲，為產生坡面徑流和層狀侵蝕創條件。雨滴本身的輸運能力主要取決于其順坡方向的速度，一般很小，水流本身僅能輸送小顆粒的懸移質，推移質不能被坡面流單獨輸運，只有雨滴擊濺將之抬起后才能被水流輸移，這種流動被稱為降雨—水流輸移或降雨誘發的水流輸移。當坡面沒有細溝發生時，這種輸運方式占主導地位，地表會發生不易察覺的降低，整個坡面被成層地侵蝕掉了。

3.2 面蝕→溝蝕

當坡面流逐漸匯集成股流以后，開始出現細溝侵蝕。它的形成主要有兩種途徑[3]。一是在雨滴擊濺，坡面微地貌導致徑流集中及水流本身的不恒定不均勻等因素單獨或共同作用下，局部土體被水流破壞，形成小侵蝕穴。由于其頭部的躍水，水流在小侵蝕穴中發生掏蝕，使其不斷擴大加深，產生溯源侵蝕，逐漸形成細溝；二是由于土壤失陷，水流匯集而成壤中流，壤中流在下坡段流出地表，細溝順其出口發育，同時壤中流管道頂部塌陷，形成小跌坎，而后溯源侵蝕形成細溝。溝蝕是該區土壤侵蝕的主要形式，在經由片蝕向細溝和淺溝侵蝕演化，而進一步發展成切溝侵蝕，最后形成沖溝后，地面被切割成支離破碎，地面坡度變陡，崎嶇度增大。

3.3 溝蝕→ 重力侵蝕

溝槽形成后，在水流作用下，繼續下切、橫向沖蝕溝槽兩側和溝頭溯源，切割一定的高差以后，兩岸的陡坡上的物質的位能得到釋放，產生了重力坡，開始發生重力侵蝕。谷坡就會以滑坡、崩塌等方式不斷平行本坡面后退。隨著重力侵蝕的發展，谷坡上的物質不斷向坡腳運動，滑入溝道內，谷坡的有效高度降低，坡度變緩, 重力侵蝕逐漸減弱，以致消失。當溝道內產物逐漸被流水作用搬走之后, 使坡腳的坡度增大并形成新的臨空面, 重力坡再次出現。在喇嘛溪溝，重力侵蝕與溝蝕之間形成了較強的耦合關系，具有“洪水時滑動——旱季穩定——沖走堆積物后再次滑動”的特征。即當坡腳被沖刷、支撐力下降、下滑力大于抗滑力時，斜坡就滑動；而當滑坡體的一部分滑入溝河中堆積下來，成為抗滑體時斜坡就暫時穩定下來或僅有很緩慢的滑動；一旦這些堆積體被沖走，則斜坡將再次失去平衡而下滑。

4 工程對策

認識自然的目的，在于改造自然。流域侵蝕鏈動力機制的研究，使我們對的流域侵蝕內在原因有了較多的認識，從而為有效控制與治理該地區的水土流失問題提出了一些有益的啟示。

(1)地區降雨的歷時和強度是無法改變的，但是，可以通過種草種樹，增加地表的植被覆蓋率，來阻截部分降雨的能量，使土壤表面免于雨滴的直接擊濺。另外，植被能增加地表糙率和下滲，從而減少徑流總量和降低徑流速度，并能形成低洼蓄水區使泥沙沉積，減少土壤侵蝕。

(2)水流能量決定坡溝系統土壤侵蝕物質的數量和侵蝕形態的發育，是流域侵蝕鏈形成與演化的主要因素[4]。如能有效地控制水流能量的增長，便可有效地控制侵蝕的發生與發展。可以采取坡地梯田化、等高耕作、設置植被屏障等措施，隔斷坡段間的聯系，使坡段間的能量傳遞削弱或消失，尤其上坡來水數量減少，或者根本不進入下坡，這樣將可使下坡的侵蝕量大幅度地減少。還可以采取各種增大坡而糙率或增加入滲的措施，以削減水流速度，提高入滲率，使坡面產流減少，侵蝕能量降低，侵蝕過程受到抑制。

(3)溝谷陡坡是坡溝系統能量急劇增長的地段，加強其防治是防止強度侵蝕發生的重要方面[3]。唐克麗通過對杏子河流域的考察指出，陡坡開墾是人為破環的重要方式，因開墾陡坡而增加的侵蝕量，約占流域總侵蝕量的30 %。在研究中，25°～35°坡度轉換處，3種實驗雨強均有滑坡或崩塌發生，其侵蝕量占到了全坡面的36 %～39 %，侵蝕模數是4個坡段中最高的。

(4)減弱流域內溝蝕與重力侵蝕的耦合關系，對現有的滑坡、崩塌采取加固措施，在溝道內修筑攔沙壩，它不但可以有效地控制溝道侵蝕，防止溝岸中小型滑坡、崩塌、滑塌的發生，而且抬高了局部侵蝕基準面，降低了谷坡相對高度，增加了谷坡的整體穩定性。

(5)流域侵蝕形態也有平衡的傾向性。當水流所挾帶的泥沙與其挾沙能力大體相近時，流域侵蝕即處于不沖不淤的動態平衡狀態，這時侵蝕過程得到基本抑制。某種意義上講，控制侵蝕就是認識均衡形成的條件，促使低輸出均衡的實現。流域的工程建設與開發應避免打破均衡，造成新的侵蝕過程。

[1] 朱永恒，濮勵杰.流域侵蝕過程研究[J].水土保持研究, 2004,12(2).

[2] 譚萬沛，王成華.暴雨泥石流滑坡的區域預測與預報——以攀西地區為例[M].四川科技出版社, 1994： 50-53.

[3] 劉青泉，李家春，陳力，等.坡面流及土壤侵蝕動力學(Ⅱ)——土壤侵蝕[J].力學進展, 2004，34(4).

[4] 雷阿林，唐克麗，王文龍． 土壤侵蝕鏈概念的科學意義及其特征[J].水土保持學報，2000，14(3).

胡婷(1982)，女，學士，講師，研究方向道路工程。

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[定稿日期]2016-07-15