水利工程論文-黃土坡面發(fā)育的細(xì)溝水動(dòng)力學(xué)特征的研究.doc

水利工程論文-黃土坡面發(fā)育的細(xì)溝水動(dòng)力學(xué)特征的研究摘要：本文通過徑流沖刷試驗(yàn)，對(duì)黃土坡面形成的細(xì)溝的水力學(xué)特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，反映細(xì)溝中徑流水力幾何形態(tài)的過水?dāng)嗝鎸?，平均徑流深，以及平均徑流速度與流量的關(guān)系指數(shù)分別為0.26，0.48和0.26。細(xì)溝阻力系數(shù)的大小與水流雷諾數(shù)密切有關(guān)，但其變化趨勢(shì)受坡度的影響很大。在坡度較緩的坡面上，阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的增大而減小。在坡度較陡的坡面上，由于水流侵蝕作用強(qiáng)度的變化及重力影響作用的漸趨顯著，阻力系數(shù)又會(huì)隨雷諾數(shù)的增大而變大。關(guān)鍵詞：黃土坡面侵蝕細(xì)溝水動(dòng)力學(xué)1前言隨著對(duì)侵蝕機(jī)理研究的不斷深入及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，以土壤侵蝕發(fā)生過程為基礎(chǔ)、具有明確物理意義的侵蝕預(yù)報(bào)模型得到了很大的發(fā)展。這類模型以泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)及河床演變理論為依據(jù)，通過分析侵蝕發(fā)生過程中各因子間的力學(xué)關(guān)系，用較為嚴(yán)密的控制方程計(jì)算土壤侵蝕量。由于在坡面侵蝕過程中，細(xì)溝侵蝕與面狀侵蝕是具有不同機(jī)理及發(fā)生過程的兩種侵蝕方式，因此，以過程為基礎(chǔ)的預(yù)報(bào)模型都將細(xì)溝侵蝕與面狀侵蝕區(qū)別開來(lái)加以預(yù)報(bào)1，2。要對(duì)坡面細(xì)溝侵蝕作出合理的預(yù)報(bào)，必須解決以下三個(gè)方面的問題：(1)細(xì)溝在坡面的分布特征，(2)降雨產(chǎn)流發(fā)生過程中徑流量在每個(gè)細(xì)溝中的分配，(3)各個(gè)不同形態(tài)的細(xì)溝的侵蝕產(chǎn)沙特征及其侵蝕量多少。其中，最后一個(gè)問題是建立細(xì)溝侵蝕物理模型的關(guān)鍵。為了達(dá)到這一目的，必須深入地研究坡面細(xì)溝的水動(dòng)力學(xué)特征。然而，目前關(guān)于細(xì)溝流的水動(dòng)力學(xué)特征還了解的不多，除了國(guó)外有關(guān)緩坡條件下的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的報(bào)道外，關(guān)于黃土坡面上細(xì)溝的水動(dòng)力學(xué)特性的有關(guān)研究報(bào)道還很少。本研究通過室內(nèi)徑流沖刷實(shí)驗(yàn)，對(duì)發(fā)育于黃土坡面上的細(xì)溝水力學(xué)特征及其相互關(guān)系進(jìn)行了研究。2細(xì)溝水力要素的觀測(cè)計(jì)算細(xì)溝侵蝕是徑流匯集后發(fā)生的侵蝕過程，其水流運(yùn)動(dòng)方式已經(jīng)有別于坡面漫流而類似于河流，只是坡面細(xì)溝流的溝床比降較大，徑流深較小，及其形態(tài)演化較為迅速而已。因此，在目前還沒有成熟的坡面流理論之時(shí)，可以借鑒河流動(dòng)力學(xué)的原理和方法，用其相應(yīng)的有關(guān)公式來(lái)計(jì)算研究細(xì)溝的水動(dòng)力學(xué)特征。徑流深、過水?dāng)嗝鎸挾取搅髌骄魉?、雷諾數(shù)、弗氏數(shù)以及阻力系數(shù)等水力要素是反映水流動(dòng)力學(xué)特征的主要指標(biāo)，可以用相應(yīng)的水力學(xué)公式對(duì)細(xì)溝流的上述水力要素進(jìn)行計(jì)算或測(cè)定。Darcyweisbach阻力系數(shù)由公式計(jì)算f=8gRJ/U2(1)式中f是Darcyweisbach糙度系數(shù)；g是重力加速度；R為水力半徑，R=A/P,A為過水?dāng)嗝婷娣e，P為濕周。J為水面能波，U為水流平均流速。無(wú)量綱參數(shù)雷諾數(shù)及弗氏數(shù)也可用來(lái)表征細(xì)溝流紊動(dòng)性程度和流態(tài)Re=Uh/v(2)Fr=U(3)Re為雷諾數(shù)，F(xiàn)r為水流弗羅德數(shù)，U為細(xì)溝斷面平均流速，h為斷面平均徑流深，v是水動(dòng)粘性系數(shù)。g是重力加速度。曼寧糙率系數(shù)用曼寧公式計(jì)算U=(1/n)R2/3J1/2(4)n=(R2/3J1/2)/U(5)n曼寧糙率系數(shù)。R為水力半徑，在寬深比較大時(shí)可用徑流深代替。J為水流能坡，在細(xì)溝底坡較大時(shí)可近似的用地表坡度代替。U為徑流的平均速度。過水?dāng)嗝鎸挾仁歉鶕?jù)量測(cè)的細(xì)溝橫斷面形態(tài)數(shù)據(jù)而建立的細(xì)溝斷面上不同深度與相應(yīng)深度處的斷面寬度的關(guān)系，經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式(6)計(jì)算過水?dāng)嗝鎸挾菳=6.148h0.431(6)式中B為過水?dāng)嗝鎸挾龋琧m，h為徑流深，cm。徑流平均流速不僅是主要的水力學(xué)參數(shù)，而且也是計(jì)算其他許多水力要素所必須知道的參數(shù)。試驗(yàn)中用染色法測(cè)定了徑流平均流速。其方法是多次測(cè)定徑流流經(jīng)固定細(xì)溝區(qū)間的時(shí)間，用式U=1/mL/ti計(jì)算平均徑流流速。m為測(cè)驗(yàn)定次數(shù)，L為測(cè)驗(yàn)定段的細(xì)溝長(zhǎng)短度，ti為徑流流經(jīng)測(cè)定段所需時(shí)間。水深是反映水力特征的重要因子。試驗(yàn)中用淤積地形測(cè)定儀測(cè)定計(jì)算了細(xì)溝中平均徑流深。其方法是多次測(cè)定不同細(xì)溝斷面處的徑流深，用式h=1/mhi計(jì)算平均徑流深。m為測(cè)定次數(shù)，hi為每次測(cè)定的徑流深。3試驗(yàn)程序及方法據(jù)前人的研究3，坡面細(xì)溝侵蝕主要受制于細(xì)溝中水流的特征及土壤性質(zhì)，受雨滴打擊的影響很小。一場(chǎng)暴雨過程中，自然坡面上發(fā)育的細(xì)溝，其深寬因分布的部位、土質(zhì)條件以及降雨強(qiáng)弱的不同，其規(guī)模在尺度上變化很大，但其寬度一般為幾厘米到幾十厘米不等，深度大多也不超過二十厘米(黃土坡面上梨底層的深度)。因此，細(xì)溝侵蝕過程可以通過水流沖刷槽試驗(yàn)來(lái)模擬，細(xì)溝流的水力學(xué)特征及其之間的相互關(guān)系也就可以通過水流沖刷試驗(yàn)來(lái)研究。本試驗(yàn)在寬為50cm，長(zhǎng)500cm，深70cm的可調(diào)坡鋼制沖刷槽內(nèi)進(jìn)行。在裝填實(shí)驗(yàn)土之前，先在實(shí)驗(yàn)槽中鋪填30cm厚的天然沙，以保持實(shí)驗(yàn)土的透水狀況接近天然坡面。然后，現(xiàn)場(chǎng)采集的土樣經(jīng)過篩選后，把通過2cm孔徑的土樣填入試驗(yàn)槽，填土過程中邊填邊用力壓實(shí)，然后再將表層20cm左右翻松以模擬耕作層，填土完成后試驗(yàn)槽土壤表層的干容重為1.17g/cm3。供水設(shè)備采用定水頭控制流量，從試驗(yàn)槽上端按設(shè)計(jì)要求加注不同的流量。為了保證每次試驗(yàn)的初始條件一致，試驗(yàn)開始前先均勻地在試驗(yàn)土表面撒水，撒水量控制在能使土壤表面充分飽和，但又未發(fā)生產(chǎn)流的程度。試驗(yàn)開始后，仔細(xì)觀察徑流沖刷過程，把握細(xì)溝形成時(shí)刻，一但細(xì)溝形成，使用染色法測(cè)定細(xì)溝中徑流的平均流速，用清華大學(xué)研制的淤積地形測(cè)定儀測(cè)量水深的變化。試驗(yàn)過程分為三階段，每一階段10分鐘，每個(gè)階段之后，在試驗(yàn)槽的不同部位用測(cè)針隨機(jī)地測(cè)定多處細(xì)溝斷面的形態(tài)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)持續(xù)30分鐘。試驗(yàn)流量變化于40500ml/s之間，每個(gè)流量值連續(xù)重復(fù)試驗(yàn)二次。坡度采用6、10、12和15共四級(jí)變化。試驗(yàn)用土表1試驗(yàn)土壤的粒徑組成Particlesizedistributionandmediandiameteroftestedsoil粒徑(mm)0.250.050.050.010.010.0050.0050.0010.001百分比(%)3.363.214.312.86.4中數(shù)粒徑0.0185mm為采自北京官?gòu)d水庫(kù)的黃土母質(zhì)，土樣中數(shù)粒徑為0.0185mm,其粒徑組成如表1所示。4結(jié)果分析4.1坡面股流的流態(tài)分析坡面漫流匯集成股流以后，由于流速的增大，徑流侵蝕力大增，其結(jié)果在坡面形成細(xì)溝。同時(shí)，徑流的流態(tài)發(fā)生了很大的變化。表2是根據(jù)試驗(yàn)中實(shí)測(cè)的細(xì)溝流的水力要素值計(jì)算的水流弗羅德數(shù)，表明在試驗(yàn)的坡度及流量范圍內(nèi)，細(xì)溝流的弗羅德數(shù)都大于1，說(shuō)明坡面徑流匯集成股流后，其流態(tài)已屬于急流。而且有坡度和流量越大，弗羅德數(shù)也越大；在流量相同時(shí)，坡度越大弗羅德數(shù)也越大的變化趨勢(shì)。弗羅德數(shù)隨流量的變化較為復(fù)雜，在坡度為6的坡面上，弗羅德數(shù)隨流量的變化基本上保持不變。而當(dāng)坡度較大時(shí)，弗羅德數(shù)隨流量的增加有變大的趨勢(shì)，同時(shí)坡度越陡，這種增大的趨勢(shì)越明顯。徑流弗羅德數(shù)的這種變化是由于流量及坡度的大小對(duì)水深和流速影響作用的具體體現(xiàn)。徑流流速隨流量和坡度的增加都會(huì)不斷增大，而水深隨流量的增加雖然也會(huì)變大，但隨坡度的增加又會(huì)減小。而且，坡度越大，流速增大程度越大，徑流深減小變化也越大。因此，徑流弗羅德數(shù)就有隨流量和坡度的增大而變化，且坡度越陡，這種增大越明顯的趨勢(shì)。坡面流匯集成股流后，徑流雷諾數(shù)隨流量及坡度的不同，其大小變化較大。表3是根據(jù)試驗(yàn)中實(shí)測(cè)的坡面細(xì)溝水力要素值計(jì)算的徑流雷諾數(shù)大小，表明在試驗(yàn)的坡度及流量范圍內(nèi)，坡面股流的雷諾數(shù)變化于12007700之間。而且，雷諾數(shù)的大小也是隨流量和坡度的不同有所變化；在流量不變坡度增大時(shí)，由于徑流含沙量變化的復(fù)雜性，雷諾數(shù)變化的規(guī)律性不強(qiáng)，且變化也不顯著。而在坡度相同流量增大時(shí)，雷諾數(shù)則有迅速增大的趨勢(shì)。說(shuō)明坡面股流的雷諾數(shù)變化，受徑流量的影響較大。若按照明渠水流的劃分標(biāo)準(zhǔn)4，上述雷諾數(shù)的變化范圍說(shuō)明坡面股流基本上屬于層流和紊流的過渡流范圍，在流量較大時(shí)，其流態(tài)也進(jìn)入紊流狀態(tài)。但考慮到坡面流受邊壁擾動(dòng)大等實(shí)際特點(diǎn)，結(jié)合其弗羅德數(shù)的大小，可以認(rèn)為坡面股流已屬于急紊流范圍。表2坡面股流的弗羅德數(shù)Froudenumberofflowinrillsontheslope流量(m/s)坡度()61012150.610-41.0341.4471.4021.500110-41.0651.0851.1431.434210-41.0801.5831.4711.656310-41.0601.2371.4621.702510-4-1.4031.1782.326表3坡面股流的雷諾數(shù)Reynoldsnumberofflowinrillsontheslope流量(m/s)坡度()61012150.610-41720124014351858110-42798238524622515210-43628343836603517310-4502344305.484366510-4-5276762971004.2細(xì)溝水力要素間的相互關(guān)系分析徑流在順坡流下的過程中，不斷沿程侵蝕搬運(yùn)土壤，在坡面上形成一條條細(xì)溝。在細(xì)溝的形成發(fā)展過程中，徑流會(huì)通過不斷地自我調(diào)整，力圖使其能量消耗達(dá)到最小。徑流的自我調(diào)整，使其各種水力要素此消彼漲，但其間存在著相互聯(lián)系、相互制約的必然關(guān)系。深入認(rèn)識(shí)細(xì)溝流各個(gè)水力要素間的關(guān)系及其表現(xiàn)特征，對(duì)于揭示坡面水流的侵蝕動(dòng)力學(xué)及各種水力要素的估算都十分重要。Lepold和Maddock曾指出5，河流斷面的水力幾何形態(tài)可以用建立于平均過水?dāng)嗝鎸挾菳，平均徑流深h，以及平均流速與流量之間的指數(shù)關(guān)系來(lái)描述B=aQb(7)h=cQd(8)U=eQm(9)其中a，b，c，d，e，m都是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，由質(zhì)量連續(xù)定律可知，上述經(jīng)驗(yàn)系數(shù)之間有關(guān)系：ace=1,b+d+m=1。也可以用同樣的方法來(lái)研究細(xì)溝的水力學(xué)特征。為此，Lane和Foster6，Gilley7以及Govers等8研究了形成于緩坡條件下的細(xì)溝的水力學(xué)特征，結(jié)果表明上述關(guān)系式中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)b變化于0.140.48之間，平均為0.3；經(jīng)驗(yàn)系數(shù)m變化于0.230.39，平均值為0.298，也近似地等于0.3，這樣也就可以推算出d等于0.4。Govers的結(jié)果更表明m不受坡面坡度大小的影響，穩(wěn)定在0.3左右。最近，Abrahams9研究了形成于草地上的細(xì)溝的水力特征后，發(fā)現(xiàn)b,d,m分別為0.33，0.34和0.33。我們的試驗(yàn)結(jié)果表明(圖1，2)，在試驗(yàn)的坡度和流量范圍內(nèi)，形成于黃土坡面上的細(xì)溝中的徑流的水力要素與流量關(guān)系也滿足指數(shù)方程，其中的指數(shù)b,d,m分別為0.26，0.48和0.26，即有關(guān)系式B=0.39Q0.26J-0.026(10)h=0.68Q0.48J-0.17(11)U=2.12Q0.26J0.25(12)圖1徑流深隨流量及坡度的變化圖2徑流寬度隨流量及坡度的變化DepthofflowversusdischargeandslopeWidthofflowversusdischargeandslope其中B為細(xì)溝平均過水?dāng)嗝鎸挾?，單位為cm。h平均細(xì)溝徑流深，單位為cm。U斷面平均徑流速度，單位為m/s。Q為細(xì)溝徑流量，單位是m/s。J是水流能坡，可近似地表示為tg，是溝槽底床的坡度，由于在細(xì)溝形成發(fā)展過程中，細(xì)溝底床在不斷加深，實(shí)際上在不斷變化。水流能坡J可取地面坡度與細(xì)溝最終底床的坡度的平均值，J=tg-h/2L,是地表坡度，h是細(xì)溝侵蝕深，L為細(xì)溝長(zhǎng)度。在細(xì)溝較淺且較長(zhǎng)時(shí)，可以用坡面坡度來(lái)替代水流能坡。分析式(10)(12)中各項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與發(fā)育于緩坡條件下的細(xì)溝對(duì)比，坡度變陡后徑流寬及平均流速與流量的關(guān)系指數(shù)都有所減小，相應(yīng)地平均徑流深與流量的關(guān)系指數(shù)變大。這主要是因?yàn)?，?dāng)坡度變陡以后，徑流侵蝕能力大增，而且相對(duì)于徑流側(cè)向侵蝕，下切侵蝕作用顯得更為顯著。陡坡上相同流量時(shí)的侵蝕深比緩坡時(shí)要大，反映在水力幾何形態(tài)上，徑流深與流量的關(guān)系指數(shù)有所變大。同時(shí)由于坡度增大后，水流受自身重力作用的影響更為顯著，徑流量對(duì)流速的影響相對(duì)減弱，平均流速與流量的關(guān)系指數(shù)有所變小。關(guān)系式(10)(12)還表明，在細(xì)溝徑流量相同時(shí)，過水?dāng)嗝鎸捄推骄鶑搅魃疃加须S坡度的增大而減小的趨勢(shì)，但過水?dāng)嗝鎸挼淖兓淮?。徑流沿?xì)溝流動(dòng)，必須會(huì)受到阻力作用。水流所受阻力的大小不僅直接影響徑流速度，而且還關(guān)系到徑流對(duì)土壤的有效侵蝕力。從能量角度分析，水流阻力主要來(lái)自三個(gè)方面：沙粒本身對(duì)水流的阻礙作用，溝槽形態(tài)對(duì)水流的阻礙作用