排土場水蝕野外與室內試驗研究進展

曹艷偉

（鄂爾多斯市科技事業發展中心 內蒙古鄂爾多斯 017000）

露天煤礦開采嚴重破壞地表植被及土壤結構，對脆弱生態系統造成不可恢復影響。露天煤礦大面積開采中，大量棄土棄渣堆積成結構疏松、穩定性差的排矸場、排土場，《煤炭工業露天礦邊坡工程設計標準》（GB 51289-2018）、《煤炭工業露天礦設計規范》（GB 50197-2015）等相關規范對排土場壓實度沒有定量指標要求，短期內排土場邊坡沒有植被保護，在降雨等自然因素作用下，易出現嚴重水蝕現象，導致大量水土及碳氮磷等營養成分流失，土壤荒漠化問題更加突出，嚴重時易引發崩塌、滑坡、塌陷等自然災害。

本文在分析大量研究成果并結合實際工程的基礎上，總結礦區排土場邊坡水蝕問題的試驗研究進展、亟須研究與解決的難點與“瓶頸”問題，進一步推動礦區排土場邊坡水蝕現象的研究。

1 野外試驗研究

張樂濤等通過野外放水試驗，研究在徑流沖刷條件下典型堆積體36°陡坡的侵蝕過程。結果表明，重力侵蝕是徑流含沙量變化的主要因素，土壤剝蝕率與單寬流量呈線性變化，與時段產沙量、流寬呈函數關系。

史東梅等采用野外實地放水沖刷試驗研究邊坡徑流侵蝕過程，采用的放水沖刷試驗裝置由水源、蓄水箱、穩壓水泵、流量計及水閥、溢流槽、試驗小區、集流槽、徑流桶組成。試驗結果表明，在放水量增大時，邊坡侵蝕動力隨之增加，侵蝕過程中產流量受細溝發育影響比較顯著，造成產沙波動的主要原因是在重力作用下侵蝕溝壁土體崩塌脫落。

黃孝鵬通過現場模擬降雨對邊坡沖刷過程試驗，分析降雨對邊坡沖刷后產流產沙特征及降雨入滲規律，人工模擬降雨裝置主要包括降雨控制系統、模型試驗槽及泥沙收集系統3 個部分。試驗結果表明，邊坡侵蝕主要影響因素是降雨強度，隨降雨強度增大，徑流量、對坡面沖濺作用力、坡面侵蝕產沙量均呈現遞增趨勢；降雨類型為均勻型時，當坡度增大時，地表累積徑流量隨之增大。

速歡等通過野外放水沖刷試驗研究露天礦排土場邊坡侵蝕過程。試驗結果表明，排土場平臺、邊坡的流速與產沙率隨放水歷時變化現象均為突變—波動—穩定3 個階段。在進行野外放水試驗時，試驗場地條件優勢較為明顯，能夠建立大型試驗模型，能夠減弱模型邊界的影響，其結果在一定程度上更接近于實際情況。

2 室內模擬試驗研究

王瑄等通過室內土槽放水沖刷試驗，研究坡面土壤剝蝕率受水蝕因子坡度、流量、水流剪切力、水流功率、單位水流功率、單寬能耗等影響情況。試驗結果表明，土壤剝蝕率與坡度、流量、水流剪切力呈冪函數關系，與水流功率、單寬能耗呈線性關系，與單位水流功率呈三次方關系。

Shi Z H等通過對不同坡度的邊坡進行降雨模擬試驗，分析土質邊坡在降雨條件下的侵蝕過程與沉積物分選過程的關系。試驗結果表明，邊坡水土流失主要是懸浮、推移滾動及接觸共同作用的結果，在邊坡細溝開始發育后，邊坡侵蝕的主要原因是推移滾動大中型沉積顆粒進行遷移。

Jijun He 和He J J等建立坡度為10°的模擬降雨試驗的模型，通過改變降雨強度，研究粘性土、黃土邊坡的徑流、細溝演變與侵蝕率之間的關系。結果表明，邊坡侵蝕含沙量和侵蝕率隨時間的變化與滴坑和細溝的出現具有良好的一致性，降雨強度的增加對粘性土邊坡侵蝕含沙量和侵蝕率影響不大、對黃土邊坡的影響較為明顯。

董旭在中國科學院水利部水土保持研究所人工模擬降雨大廳進行黃土坡面細溝侵蝕室內模擬試驗，設計6種坡度、5種流量組合試驗方案，用以研究細溝流對黃土坡面侵蝕過程及侵蝕過程中水動力學特征、跌坑作用。結果表明，細溝流平均流速與徑流流量、過水斷面寬度與徑流流量、土壤剝蝕率與流量、土壤剝蝕率與坡度均呈現冪函數關系，當坡度增加時，細溝流跌坑平均深度也隨之增加。

姜義亮等在黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室人工模擬降雨大廳，對黑土區坡面在降雨條件下侵蝕過程進行室內模擬試驗，試驗包括兩種降雨強度、兩種匯流速率及4 種組合方式。試驗結果表明，坡面土壤侵蝕產沙受降雨影響程度大于匯流作用。

Guo Zhonglu等采用室內模擬試驗，研究降雨—徑流耦合作用對土質邊坡的侵蝕過程，分析降雨及徑流單獨作用與耦合作用下水動力參數流速、雷諾數、弗勞德數、水流功率、剪應力、曼寧系數等的變化規律。結果表明，雷諾數和平均流速都是單位輸沙量和徑流中溶質運移的良好指標，在多元回歸模型中，雷諾數是單位輸沙量的最佳預測因子，平均流速是用于估算降雨和流入組合條件下徑流中溶質運移較好參數。

董亮基于實體工程勝利東二礦露天煤礦排土場，在室內建立二階排土場模型，采用稀土元素示蹤技術，研究在不同降雨條件下排土場邊坡細溝侵蝕過程、產流產沙特征、侵蝕泥沙來源、侵蝕泥沙量及不同部位的泥沙對侵蝕的貢獻率。結果表明，隨降雨強度增加，排土場邊坡產流時間逐漸縮短、坡面流速與細溝間流速均增大，侵蝕泥沙主要來源是排土場第一階邊坡的產沙。

劉展采用西安理工大學水資源研究所的下噴式模擬降雨裝置開展室內模型試驗，研究高陡邊坡在降雨條件下產流產沙特征、含水率變化規律、侵蝕動力參數（即徑流平均流速、雷諾數、弗勞德數、阻力系數）變化規律等。結果表明，在間歇性降雨條件下，坡面產流時間隨坡度、降雨場次增加而縮短；坡面流速隨降雨場次、坡度增加而增大；坡面徑流為層流時，雷諾數隨降雨場次增加而增大、隨坡度增大而減小；坡面徑流為急流時，弗勞德數隨坡度增加而增大；徑流阻力系數隨坡度增加而減小。

黃予以高速公路棄渣場邊坡為研究對象。采用人工模擬降雨系統與移動式手搖變坡鋼槽進行室內模擬試驗，分析邊坡土壤侵蝕速率、總產沙量、水動力學參數的特征。結果表明，土壤侵蝕速率隨產流時間變化規律為先增大后平緩或多峰多谷現象，坡面徑流平均流速與降雨強度及徑流深度與降雨強度均呈現正比關系，土壤顆粒組分的差異性受降雨強度影響較小。

Xin Quan等通過室內降雨模擬試驗，結合地面激光掃描技術，研究兩種黃土不同坡度下受水蝕作用時徑流和侵蝕泥沙變化規律、坡面土壤侵蝕和泥沙沉積的空間分布特征及坡面土壤粗糙程度、沉積物粒徑與侵蝕沉積之間的關系。結果表明，土壤粒徑組成和坡度對侵蝕空間分布、徑流、沉積物濃度變化規律及邊坡表面侵蝕—沉積的空間變化有重要影響。

李葉鑫等通過室內模擬試驗，研究在暴雨作用下排土場平臺—邊坡系統土壤侵蝕過程，試驗過程中，采用不同的降雨強度與土體裂縫深度，分析排土場平臺—邊坡系統土壤侵蝕演變過程、產流產沙特征及侵蝕溝形態特征。試驗結果表明，排土場平臺—邊坡系統土壤侵蝕演變過程分為土壤濺蝕與面蝕、裂縫充水與坍塌、細溝侵蝕、裂縫貫穿、坡肩垮塌和穩定階段6個階段，土壤侵蝕過程是水力侵蝕和重力侵蝕共同作用的結果。

研究者在對土質邊坡侵蝕過程及影響因素進行研究時，更傾向于進行室內模型試驗，主要因為室內模型試驗能夠有效地控制試驗條件、減少周圍環境對試驗過程的影響、縮短試驗周期，可以提高試驗效率，且能夠較為準確地建立影響因素之間的關系。

3 結語

排土場邊坡水蝕過程是一個兩相耦合、高濃度、強非線性等復雜條件下的運動。野外試驗有較為突出的試驗場地優勢，能夠有效地分析邊坡侵蝕過程，更貼近于真實工況，但其試驗周期較長，無法準確控制各影響因素，受外界環境的影響比較嚴重。室內試驗能夠有效控制各影響因素，分析各影響因素間的變化規律，但受試驗室條件限制，進行大尺度邊坡模型侵蝕試驗較為困難，受模型邊界條件影響比較嚴重，且所獲得的參數均為時間段或斷面的平均值，無法描述邊坡侵蝕過程的時空差異性。