沙漠風積沙溯源沖刷速度的影響因素初探

成匯源，唐新軍，高 強

(新疆農業大學 水利與土木工程學院， 新疆 烏魯木齊 830052)

沙漠風積沙溯源沖刷速度的影響因素初探

成匯源，唐新軍，高 強

(新疆農業大學 水利與土木工程學院， 新疆 烏魯木齊 830052)

通過試驗對沙漠風積沙的沖刷破壞形態以及影響沙漠風積沙溯源沖刷速度的主要因素進行初步分析。結果表明：在具有跌坎的地形上，沙漠風積沙在集中水流沖刷下，表面的沖刷剝蝕速度遠小于跌坎處的溯源沖刷速度；沙漠風積沙的溯源沖刷速度與通過沙漠風積沙表面水流的單寬流量、跌坎處初始落差以及沙漠風積沙的含水率等因素有關；在初始落差一定的情況下，溯源沖刷速度隨單寬流量的增大而加快；在相同單寬流量作用下，溯源沖刷速度隨初始落差的增大而增大。

沙漠風積沙；溯源沖刷速度；影響因素；模型試驗

新疆沙漠面積較大，隨著社會經濟發展和科學技術進步以及國家經濟大開發戰略的實施，沿沙漠邊緣地區的基礎建設工程也越來越多，甚至有橫穿部分沙漠區域的長距離沙漠公路、長距離輸水明渠工程[1-2]等。構成沙漠的沙漠風積沙是一種具有獨特物理力學性質與工程特性的特殊性松散土[3-4]，在這種沙漠風積沙上構筑建筑物，人們除關心其基本物理力學性質和工程力學性質[5-6]外，這種特殊性松散土在水流作用下的沖刷性能也是人們關注的問題之一。例如修建在沙漠中的長距離輸水渠道，當其退水閘退水時發現，水流從退水渠出口進入天然沙漠區，一旦遇到具有跌坎落差的地形時(見圖1)，水流從跌坎邊緣跌落，同時淘刷砂土，使得端部跌坎不斷塌落并向上游發展，表現出溯源性沖刷破壞現象。當這種溯源沖刷向上游發展并推移到退水閘閘室附近時，就會危及水閘安全，甚至會對整個沙漠渠道帶來危害和不利影響。因此，工程建設與管理人員對沙漠風積沙在集中水流作用下發生溯源沖刷所產生的影響和危害已開始關注[7]。國內外學者對土壤沖刷侵蝕[8-13]的研究，在土壤侵蝕產沙量與輸沙率方面已獲得許多成果；但專門針對沙漠風積沙在集中水流作用下發生溯源沖刷侵蝕破壞的研究很少。本文以沙漠坡面末端跌坎位置在水平方向隨時間的變化率代表溯源沖刷速度，通過試驗模擬在集中水流作用下沙漠風積沙的沖刷破壞過程，探究沙漠風積沙沖刷破壞形態及影響沙漠風積沙溯源沖刷速度的主要因素，以期為修建在沙漠地區的工程提供參考。

圖1 沙漠坡面溯源沖刷示意圖

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與材料

沙漠風積沙沖刷試驗裝置由平坡水槽和供水系統組成。水槽高30 cm，寬40 cm，長20 m。為模擬水流從沙漠風積沙表面流過，在水槽端部設置矩形堰，堰后填鋪一定長度且與矩形堰頂等高的沙漠風積沙層，并將沙漠風積沙層的下游末端做成具有一定落差的跌坎。

試驗供水系統由供水池，水泵，水塔，穩水箱組成。試驗采用循環供水方式，用水泵從供水池抽水至槽上方水塔，通過水槽前方閥門控制沖沙流量，多余的水通過回流管道回到供水池內。試驗裝置簡圖如圖2所示。

圖2 沙漠風積沙沖刷試驗裝置簡圖

試驗所用沙漠風積沙取自古爾班通古特沙漠，經過土工試驗測定，最大干密度為1.6 g/cm3，最小干密度為1.35 g/cm3，其顆粒級配曲線如圖3所示。不均勻系數為2.3，曲率系數為1.1。

1.2 試驗方案

為探究在集中水流作用下沙漠風積沙的沖刷破壞形態、溯源沖刷速度及其主要影響因素，試驗中取沙漠風積沙下游末端跌陡的初始落差H分別為12.5 cm和18.5 cm兩個方案，并分別對含水率為0.00%、干密度為1.5 g/cm3的干燥沙漠風積沙和含水率為13.30%、濕密度為1.65 g/cm3的潮濕沙漠風積沙兩種沙漠風積沙進行試驗，其中，在干燥沙漠風積沙試驗組中，通過沙土頂面水流的單寬流量q分別取0.012 m3/(s·m)，0.018 m3/(s·m)，0.025 m3/(s·m)，0.032 m3/(s·m)；在潮濕沙漠風積沙試驗組中，通過沙土頂面水流的單寬流量q分別取0.032 m3/(s·m)、0.044 m3/(s·m)。

圖3 試驗用沙漠風積沙顆粒級配曲線

2 試驗結果分析

2.1 沙漠風積沙沖刷破壞形態分析

試驗中觀察到，在集中水流沖刷下，沙土表面僅產生緩慢的表面剝蝕，而在沙土末端水流跌落處，則發生劇烈的端部溯源沖刷侵蝕，并迅速向上游遷移。沙漠風積沙沖刷破壞形態如圖4所示。將試驗測得的沙漠風積沙表面剝蝕速度Vy與其末端水流跌落處端部溯源沖刷速度Vx進行比較發現，表面剝蝕速度僅為端部溯源沖刷速度的0.22%～0.79%，即沙漠風積沙表面剝蝕速度遠小于端部溯源沖刷速度。故在集中水流沖刷下，沙漠風積沙溯源沖刷破壞對工程安全的影響和危害更大。

圖4 沙漠風積沙沖刷破壞形態示意圖

2.2 沙漠風積沙溯源沖刷速度的影響因素分析

2.2.1 單寬流量與初始落差

兩組初始落差的干燥沙漠風積沙(含水率為0.00%，干密度為1.5 g/cm3)。分別在四種單寬流量水流沖刷下，溯源沖刷速度Vx的結果對比見表2和圖5，從表2和圖5可知：沙漠風積沙的溯源沖刷速度既與單寬流量有關，也與初始落差有關。在初始落差一定的情況下，溯源沖刷速度隨單寬流量的增大而加快；在相同單寬流量作用下，溯源沖刷速度隨初始落差的增大而增大。

表2 干燥沙漠風積沙沖刷試驗結果

注：H為初始落差，q為單寬流量，Vx為沙漠風積沙溯源沖刷平均速度。

圖5 干燥沙漠風積沙溯源沖刷速度隨單寬流量變化曲線

表3給出了在單寬流量增量相同(由0.012 m3/(s·m)增大到0.032 m3/(s·m))情況下，兩種初始落差組的溯源沖刷速度的增量值ΔVx。由表3可見，在相同單寬流量增量下，隨初始落差的增大，溯源沖刷速度的增量也在加大。

表3 不同初始落差沙漠風積沙溯源沖刷速度增量對比

2.2.2 沙漠風積沙含水率

在實際工程中，在不同環境或不同地層深度情況下，沙漠風積沙的含水率及密實度會有所不同，為探討沙漠風積沙含水率及密實度對溯源沖刷速度的影響，以初始落差為12.5 cm和18.5 cm兩種情況，對于潮濕沙漠風積沙(含水率為13.30%)進行了沖刷試驗，并與干燥沙漠風積沙(含水率為0.00%)的試驗結果進行了對比，試驗結果如表4所示。

由表4可知，當初始落差同為18.5 cm時，在相同的單寬流量沖刷下，潮濕沙漠風積沙的溯源速度明顯小于干燥沙漠風積沙；當初始落差同為12.5 cm時，針對潮濕沙漠風積沙的沖刷單寬流量大于干燥沙漠風積沙的單寬流量，但潮濕沙漠風積沙發生的溯源速度仍然小于干燥沙漠風積沙。這說明，含水率也影響沙漠風積沙的溯源沖刷速度，與干沙條件相比，當沙漠風積沙具有一定的含水率時，溯源速度明顯減小。

表4 不同含水率沙漠風積沙沖刷試驗結果對比表

3 結 語

本文通過試驗對沙漠風積沙的沖刷破壞形態以及影響沙漠風積沙溯源沖刷速度的主要因素進行了分析探討，初步可得到以下認識：

(1) 在集中水流沖刷下，沙漠風積沙表面剝蝕速度遠小于端部溯源沖刷速度，沙漠風積沙的溯源沖刷破壞對工程安全的影響和危害更大。

(2) 沙漠風積沙的溯源沖刷速度既與單寬流量有關，也與初始落差有關。在初始落差一定的情況下，溯源沖刷速度隨單寬流量的增大而加快；在相同單寬流量作用下，溯源沖刷速度隨初始落差的增大而增大。

(3) 含水率也在一定程度上影響沙漠風積沙的溯源沖刷速度，與干沙條件相比，當沙漠風積沙具有一定的含水率時，溯源沖刷速度明顯減小。

[1] 李 江.沙漠明渠關鍵技術問題現場試驗總結[J].水利規劃與設計，2005(3)：42-46.

[2] 李 馳，高 瑜.沙漠公路風沙土路基風蝕破壞試驗研究[J].巖土力學，2011，32(1)：33-38.

[4] 徐德富.沙漠地區風積沙地基的工程特性[J].水利水電技術，2004，35(9)：43-46.

[5] 焦 莉，王 磊.風積沙路基壓實特性試驗研究[J].水利與建筑工程學報，2012，10(4)：22-26.

[6] 張景燾.風積沙的壓實特性研究[J].水利與建筑工程學報，2014，12(1)：77-82.

[7] 余 勇.關于沙漠明渠退水實例的思考[J].水利科技與經濟，2013，19(9)：33-35.

[8] 魯有柱.灃河下游溯源侵蝕破壞淺析[J].西北水資源及水工程，1996，7(4)：64-68.

[9] 詹 松.黃土高塬溝壑區溝頭溯源侵蝕過程模擬試驗[D].楊凌：西北農林科技大學，2014.

[10] Wells R R, Alonso C V, Bennett S J. Morphodynamics of headcut development and soil erosion in upland concentrated flows[J]. Soil Science Society of America Journal, 2009，73(2)：521-530.

[11] 陳樹群，陳聯光.溯源沖刷實驗觀測分析[J].水土保持研究，1999，6(3)：120-129.

[12] 巨 江.溯源沖刷的計算方法及其應用[J].泥沙研究，1990(1)：30-39.

[13] 李 雯.坡面徑流侵蝕過程試驗研究[D].西安：西安理工大學,2006.

A Preliminary Study on the Factors Affecting the Headward Erosion Rate of Desert Aeolian Sand

CHENG Huiyuan， TANG Xinjun， GAO Qiang

(SchoolofWaterConservancyandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052,China)

Through experiment this paper analyzed the desert aeolian sand erosion failure pattern under the action of water and the main factors influencing the failure back desert aeolian sand speed, the results show that, in terrain with a slump, desert aeolian sand under concentrated water flow, scour on the surface of the desert aeolian sand erosion rate is far less than drop headward erosion speed; the headward erosion speed of desert soil depends on the unit discharge of the overtopping flow through the surface water of the desert soil, the initial step height and the moisture content and the density of the desert soil. When the initial step height is the same, the greater the flow rate, the faster the damage rate; when the unit discharge of the overtopping flow is the same, the higher the initial step height, the faster the headward erosion rate of desert aeolian sand.

desert aeolian sand; headward erosion rate; influencing factors; model test

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.04.024

2017-02-11

2017-03-19

成匯源(1991—)，男，新疆伊犁人，碩士研究生，研究方向為水工結構。 E-mail：mudiaoyang@163.com。

唐新軍(1959—)，男，陜西蒲城人，教授，博士生導師，主要從事當地材料壩設計理論教學與科研工作。 E-mail：tangxj59@163.com

TV131.6

A

1672—1144(2017)04—0126—03