干旱區(qū)河堤侵蝕防控研究

吳建軍

(新疆塔里木河流域和田管理局，新疆 和田 848000)

1 研究方法

1.1 物理模型

大多數(shù)土壤侵蝕研究都是針對(duì)剪切流引起的表面侵蝕，例如大壩溢洪道和橋臺(tái)周圍的沖刷[1-3]。在實(shí)驗(yàn)室中，典型的侵蝕測(cè)量是通過(guò)使用射流侵蝕裝置、鉆孔裝置和侵蝕函數(shù)裝置等進(jìn)行的。然而，很少有人對(duì)防洪墻背面發(fā)生的沖擊侵蝕進(jìn)行研究。沖擊侵蝕的一般機(jī)制可能與剪切應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的侵蝕截然不同：沖擊水流可能會(huì)向土壤提供大量的循環(huán)法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力，而不是連續(xù)的剪切應(yīng)力。從洪水墻中涌出水的另一個(gè)獨(dú)特特點(diǎn)是窄而長(zhǎng)。為了在實(shí)驗(yàn)室中重現(xiàn)這些現(xiàn)場(chǎng)條件，本文設(shè)計(jì)制作了一個(gè)獨(dú)特的侵蝕試驗(yàn)臺(tái)，以模擬和田河流域防洪墻水流沖擊造成的土壤侵蝕，如圖1、圖2所示。

圖1 侵蝕試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試裝置

圖2 侵蝕試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試裝置示意圖(單位：cm)

與射流試驗(yàn)和侵蝕率測(cè)定儀(EFA)等傳統(tǒng)儀器相比，本研究侵蝕試驗(yàn)臺(tái)的物理規(guī)模相對(duì)較大，是由1個(gè)噴嘴、1個(gè)試樣箱、2個(gè)水箱和5個(gè)泵組成(噴嘴和試樣箱采用透明丙烯酸板制成，水箱采用鋼化玻璃制成，管道為PVC管道)，模型的幾何比尺為30。流量由3臺(tái)249 W的潛水排污泵控制。內(nèi)水箱中的3個(gè)泵分別連接到直徑為3.81 cm的PVC管道上，單獨(dú)使用。然后，將所有管道都連接到直徑為7.62 cm的較大集水管上。在集水管末端，連接一個(gè)平面噴嘴(寬度為1.8 cm，長(zhǎng)度為41.8 cm)。以指定的流量(28.9 m3/h)將沖擊水流從噴嘴中抽走。噴嘴的細(xì)節(jié)見(jiàn)圖2(a)和圖2(b)。

將土壤放置在尺寸為38.6 cm×20.8 cm×12.8 cm的試樣箱中，如圖2(a)和圖2(c)所示。試樣箱的一側(cè)有一個(gè)1 cm×1 cm的網(wǎng)格系統(tǒng)，因此可以用攝像機(jī)記錄沖刷深度。垂直安裝在試樣箱一端的板代表防洪墻。噴嘴和試樣箱由1.8 cm厚的透明丙烯酸板制成，用于監(jiān)測(cè)沖刷深度、形狀和流動(dòng)狀況。此外，在外水箱處安裝了2臺(tái)373 W潛水排污泵，用于將水再循環(huán)到內(nèi)水箱中，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)供水。

1.2 測(cè)試步驟

侵蝕試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試的步驟如下：

(1)將試樣箱放在實(shí)驗(yàn)室的桌子上，用小鏟子將干土試樣鋪入試驗(yàn)箱中。土壤類型為粉質(zhì)黏土，含水率為17.85%，干密度為1.76/m3，壓實(shí)度為95%。

(2)輕輕地引入水以使土壤飽和，而不干擾土壤。

(3)將試樣箱安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，調(diào)整噴嘴高度，使噴嘴接觸防洪墻頂部，使水沿防洪墻平穩(wěn)流動(dòng)。

(4)安裝并手動(dòng)對(duì)焦攝像機(jī)，以記錄侵蝕剖面。

(5)同時(shí)打開(kāi)3個(gè)泵，為噴嘴供水。

(6)為了在侵蝕試驗(yàn)開(kāi)始前保持噴嘴的恒定流速，試驗(yàn)箱用板覆蓋，并允許泵達(dá)到恒定流速。

(7)打開(kāi)攝像機(jī)，開(kāi)始記錄侵蝕過(guò)程。

(8)迅速取下蓋板。

(9)測(cè)試結(jié)束后，將記錄的視頻圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，用于分析侵蝕剖面。

1.3 模型防洪墻的類型

在本研究中，對(duì)5種不同類型的防洪墻進(jìn)行了測(cè)試。每個(gè)防洪墻都有不同的表面形狀。每個(gè)防洪墻的示意圖如圖3所示。案例A表示沖洗原始防洪墻表面。案例B和案例C有1 cm× 1 cm的丙烯酸條附著在防洪墻上，以擴(kuò)散沖擊水的動(dòng)能。案例D有一個(gè)L形條帶連接到板的底部，案例E有兩排1 cm×1 cm的塊呈Z字形附在防洪墻上。

圖3 試驗(yàn)防洪墻表面形狀示意圖(單位：cm)

2 測(cè)試結(jié)果

侵蝕試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。為了檢驗(yàn)攝像機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)快門(mén)速度30 fps的有效性，本文嘗試并比較了兩種不同的快門(mén)速度(30 fps和120 fps)。比較顯示，兩個(gè)結(jié)果之間的差異可忽略不計(jì)，如圖4(c)和圖4(d)所示。因此，在所有其余的測(cè)試中都使用了30 fps。

圖4 案例A、案例B、案例C、案例D、案例E的結(jié)果

案例A的最大侵蝕深度為12.8 cm，與試樣箱的深度相同。這表明，如果試樣箱更深，試樣的侵蝕將繼續(xù)。但由于試樣的重量很重(約234 N)，選擇保持試樣箱的深度恒定。案例B中，條帶連接在距離底部1.4 cm處，最終侵蝕深度為9.9 cm，比案例A的侵蝕深度小2.9 cm。由于案例A的侵蝕受到箱體深度的限制，因此案例B的侵蝕減少性能實(shí)際上大于試驗(yàn)結(jié)果差異所表明的性能。案例C中，條帶連接在最底部，表現(xiàn)出與案例B類似的行為，最終侵蝕深度為10.1 cm。表明，條帶的位置不是影響侵蝕減少性能的主要因素。與案例B和案例C相比，案例D的底部連接有“L”形條帶，顯示出類似的侵蝕行為。然而，案例C也顯示出一種獨(dú)特的行為：當(dāng)“L”形條帶的寬度增加到2.0 cm時(shí)，大量涌入的水被反射到試樣箱外?，F(xiàn)場(chǎng)條件下的反射水可能會(huì)對(duì)堤防邊坡造成二次侵蝕；因此，在設(shè)計(jì)消能帶時(shí)應(yīng)考慮最終的水沖擊點(diǎn)。這些試驗(yàn)結(jié)果表明，連接一個(gè)適當(dāng)設(shè)計(jì)的表面結(jié)構(gòu)可以大大減少侵蝕深度。案例E中，方形砌塊以Z字形安裝，表現(xiàn)出與案例D相似的行為，但侵蝕深度略有下降。考慮到制造和連接鋸齒形塊的困難，案例E的侵蝕減少性能并不特別優(yōu)于案例B和案例C。

除了對(duì)侵蝕深度的影響外，當(dāng)使用消能帶時(shí)，達(dá)到最終侵蝕水平所需的時(shí)間顯著延長(zhǎng)。如圖4和表1所示，案例A耗時(shí)1.7 s，而案例B、案例C、案例D和案例E耗時(shí)2.5～2.8 s。由于試樣深度有限，案例A沒(méi)有達(dá)到最終條件。案例A達(dá)到9 cm侵蝕深度(即案例B、案例C、案例D和案例E的近似最終侵蝕深度)的時(shí)間僅為0.7 s，這比案例B、案例C、案例D或案例E所需時(shí)間要短得多。這4個(gè)案例所花費(fèi)的侵蝕時(shí)間大約是案例A的4倍。如果土質(zhì)防洪堤不耐侵蝕，就像目前大多數(shù)防洪堤系統(tǒng)的情況一樣，侵蝕時(shí)間對(duì)于確保居民疏散時(shí)間至關(guān)重要。從這些結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)合理的消能帶或消能塊可以降低堤防的侵蝕潛力，并顯著延長(zhǎng)疏散和響應(yīng)時(shí)間。

表1 數(shù)值預(yù)測(cè)與各自的試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)添加工程表面處理，侵蝕深度顯著減少(40%以下)，侵蝕時(shí)間顯著延長(zhǎng)(400%以上)。

(2)通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，水流沖擊土壤時(shí)，侵蝕深度的減小主要是由于沖擊角度的減小。

(3)根據(jù)侵蝕試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)果，初步證實(shí)了條帶和砌塊的安裝提供了減少或最大限度減少現(xiàn)場(chǎng)侵蝕影響的替代方法。但本研究基于小規(guī)模實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果，后續(xù)研究應(yīng)評(píng)估全尺寸工程表面結(jié)構(gòu)的規(guī)模效應(yīng)。