山区高速公路施工期边坡降雨产流机理的模拟研究

陈强 ,殷黎明,蒲文明,赵国军

（ 1.中水电十六局有限公司，福州 350003；2.重庆大学，重庆 400044；3.中电建路桥集团有限公司，北京 100048 ）

摘 要：西南地区山地较多、沟壑纵横、降雨充沛，穿越该区域内的高速公路面临大量隧道开挖，切坡、填方及弃渣问题，严重破坏原有的土体-水系-植被平衡，易于诱发水土流失。探明产流机理是认清水土流失、找出生态恢复的关键所在。本研究研发了简捷的室内降雨模拟设备，研究了不同坡角、不同降雨强度下边坡土体的产流机理；对起始产流时间、入渗率及入渗过程进行了分析。该研究揭示了边坡产流演化机理，并提出了产流预测的合理模型。

关 键 词：高速路施工；水土流失；降雨模拟；产流机理；预测模型

1. 引言

水土流失是世界性的影响环境与生态问题之一，也是土木工程施工对水环境影响的重要影响因素。高速公路特别是山区高速公路施工打破原有生态平衡，破坏了原有地质体、植被及水环境，在汛期到来之际，诱发水土流失问题尤为突出。

众多科研工作者围绕工程建设对水环境的影响展开了较为系统的研究。赵剑强等对公路项目环境影响评价中存在的有关水环境的问题进行了探讨^[1]；彭世寿等总结了贵州岩溶地区公路建设水环境破坏的6种形式，并结合不同的岩溶地貌类型提出了相应的防治措施^[2]；母进伟等提出了岩溶地区公路建设中的水环境影响评价方法^[3]。

学者们在对工程建设对水土流失影响研究进行了研究，并提出了应对的工程措施。但是在施工诱发水土流失的机理及定量研究还较少，而关于产流机理及产砂机理方面的研究更是鲜见报道。

本文针对山区高速公路施工中的水土流失特征开展研究。设计了室内便捷式降雨模拟设备，设定了不同降雨强度及坡角的正交实验。探讨了产流的演化过程，并提出了合理的评价模型。该研究可为施工诱导水土流失的定量研究及生态修复等提供指导。

2. 坡面产流-模拟实验设计

野外人工降雨实验存在诸多问题，如：降雨条件难以客观描述、土壤特征离散性强以及试验周期难以控制等问题。针对这些问题，本文特研发了便携式室内人工模拟降雨实验室。其优点在于：可实现对不同降雨强度的模拟、严格控制试验条件、有利于控制试验周期，可以实现全过程监控土壤侵蚀发生演变过程及各因素间的影响规律。克服了现有的人工降雨模拟试验装置虽然种类较多，但却普遍存在体积庞大、操作复杂、试验成本高等问题^[4]。

2.1 实验设备

为了系统研究水土流失的产流机理，在深入调研现有人工降雨模拟试验装置的基础上^[4, 5]，结合本次试验的具体要求，设计出一个小型人工降雨模拟试验装置，如图1所示，该试验系统主要包括降雨系统、土槽装置和数据采集系统。

图1 人工降雨模拟试验装置示意图

降雨系统包括储水箱1、供水管2、水泵3、流量计4、降雨水箱8、水滴发生器9、液面指示管17和水箱支架16。其中，储水箱、水泵、流量计和降雨水箱之间用供水管连接，流量计实时控制供水量，降雨水箱长宽尺寸按照试验降雨面积要求设计，高度一般可控制在15-20cm，水箱设有进水孔5和排气孔6。水箱底面设有降水孔，呈矩阵形式布置，孔间间距为3cm，孔外接雨滴发生器。液面指示管上标有刻度，可实时显示水箱内水位，试验过程中水箱排气孔敞开，试验结束时关闭水泵并且拧上密封螺帽7使得降雨停止。

土槽装置固定在底座上，包括土槽12、坡度指示表20以及升降螺杆10；底座四周支脚安装滚轮18，可以移动。土槽前端与底座铰接，通过旋转升降螺杆控制土槽坡度，土槽坡度由坡度显示表读出。径流数据采集系统布置在土槽前端，包括收集管13、径流桶14、电子秤15；试验过程中，土槽内产生的地表径流通过收集管流入径流桶中，由电子称实时显示径流量数据。

2.2 土样及实验设计

（1）土样及其性质

水土流失具有显著区域特征性。本研究主要针对西南地区开展。所选取的土样采自重庆市梁平县境，为第四纪坡积土。野外取样地点位于梁忠高速公路施工区域内。土样容重1.76g/cm³，运回后用10mm孔径的筛除去过大石块，并用筛分法对土样进行颗粒分析，表1为其机械组成。

表 1 试验用土的机械组成（d，mm）

（2）实验设计

结合川-渝的降雨特征及高速公路的坡面形态，采用2因素完全试验设计，即3个降雨强度（0.6mm/min、0.9mm/min、1.2mm/min），4个坡度（5°、15°、25°、35°），共计12组模拟降雨试验。所采用的实验设备为上图1中的简易式模拟降雨装置，该装置降雨均匀、降雨强度稳定。

试验土槽为移动式可变坡度小型不锈钢土槽，长1m、宽0.5m、深0.4m。土槽填土的密度控制在1.79g/cm³，土壤本身的含水率为10%，与现场含水率相近。试验土槽底部均匀铺10cm厚的砾石，砾石之上再均匀铺满5cm厚细沙，沙层之上再填装20cm厚试验土壤，以满足试验过程中土壤水分的自由下渗条件。采用分层填装以确保土层均匀性。

2.3 试验步骤

1）试验开始前，首先敞开排气孔、打开水泵向降雨水箱中注入水，测量不同液面高度下的降雨强度，对液面高度与雨强之间的关系进行标定；

2）向土槽装填土样，装填完成后将土槽移至降雨水箱下部区域后调节好土槽坡度等待试验；

3）打开水泵和排气孔，向降雨水箱中注水直至试验要求雨强对应的液面高度，调节流量计维持水箱液面一段时间后开始试验，正式降雨前土体表面预先遮盖塑料膜直至试验开始时掀开，进行水土流失模拟实验。

4）待试验进行到土体表面开始产生径流后，通过径流收集管流入径流桶中，通过电子称实时采集径流量数据并做记录。

3. 产流结果分析

3.1对起始产流时间的影响分析

降雨产生径流与否以及径流量的大小与起始产流时间关系非常密切。在土壤类型等因素一致的条件下，坡度、降雨强度不同时，则起始产流时间会表现出不同，结果见表2。

表2 不同降雨强度和坡度下起始产流时间（s）

从上表可以看出，产流随着坡度的升高和降雨强度的增大会相应提前，起始产流时间变化范围是20~92s。且在坡道大于15°以后，起始产流时间变化最大。

（a） 同一降雨强度下

(b)  同一坡度下

图2 起始产流时间变化图

运用线性回归方法，发现坡度大于15°时，起始产流时间和土槽坡度以及降雨强度之间存在显著的线性相关关系，由此建立了土体起始产流时间的线性回归模型：

 (R²=0.886)  (1)

式中：-起始产流时间（s）；-降雨强度（mm/min）；-坡度（°）。

3.2对坡面径流强度和入渗率的影响分析

降雨时土壤水分入渗的总量，同时也是入渗过程的能量来源之一。其中土壤水分入渗过程的控制因素，一般认为稳定入渗率与降雨强度有显著的正相关关系。结果如表3。

表3 降雨强度、坡度对径流强度的影响（mm/min）

运用线性回归方法，分析起入渗率和土槽坡度以及降雨强度的关系，发现他们之间存在较为显著的线性相关关系，由此建立了土体入渗率的线性回归模型。

（R²=0.826） (2)

式中：-入渗率（mm/min）；、同式（1）。

3.3对坡面产流入渗过程的影响分析

降雨过程中，如果降雨强度满足径流发生条件，则坡面开始产流。产流开始时候，产流量比较小，随着产流进行，产流量慢慢变大随后达到稳定。试验过程中降雨强度和坡度对坡面产流过程也有着不同的影响。

图3 在5°，0.6mm/min条件下产流量随产流历时变化

图4 在5°，0.6mm/min条件下入渗率随产流历时的变化

4. 坡面产沙试验结果分析

4.1产沙量随产流时间的变化

在模拟降雨试验过程中，为了研究产沙量随产流历时的变化规律，用烧杯每隔5分钟对径流取样，径流取样时间为1分钟，测量取样径流的体积后静置，按同样方法将静止后的径流上层清液滤去，将剩下的浊液放入烘箱中烘干，烘干后测量取样径流中含有的泥沙质量，以25°、35°坡面下的数据为例，如图5所示。

图5 坡度为25°的产沙量随时间变化

图6 坡度为35°的产沙量随时间变化

根据图6，当坡度为25°时，三种水平的雨强下，取样径流中的含沙量随时间变化的大体呈下降的趋势。总体上，下降的幅度比较明显，在1.2mm/min降雨条件下，产沙量由初始时的8.34g到结束时的4.88g，幅度达到3.46g，而0.9mm/min和0.6mm/min条件下，产沙量幅度分别为3.80g和2.89 g。分析产沙随产流历时逐步减小的趋势，分析如下：降雨过程中，初始阶段由于降雨量小，土壤干燥，形成不了径流，但是这一阶段雨滴对坡面土壤的打击作用是不会减少的；根据前面分析，当泥土颗粒粒径越大是，其越加难以被径流携带走。因此，从降雨开始到径流产生这一时段，由于雨滴打击作用下形成的细小泥沙颗粒相对较多，一旦径流开始形成后，这一部分累积量将率先随径流流走，而随着降雨持续，这一部分会越来越少。另一方面，根据前面分析，当降雨过程中降雨强度一定时，坡面径流流速随着入渗率稳定时也会稳定下来，所以该水流速度对应坡面能被携带走的泥沙颗粒直径的泥沙量是会逐渐减少的，这也会导致取样径流中泥沙量的减少。

另外，从图中可以明显地看出，同一坡度下，随着降雨强度增加，产沙量水平也是随之增加，这一点很好解释，由于降雨强度增加，导致坡面径流量增大，所以径流携带的泥沙量也会随之增大，为撇开径流量的影响，现分析径流中含沙率，含沙率为取样径流中泥沙颗粒总质量与径流体积之比，如图7所示。

图7 坡面角度为25°含沙率随产流历时的变化

图8 坡面角度为35°含沙率随产流历时的变化

根据图7、8，三种降雨强度下的含沙率随产流历时变化趋势与含沙量大体类似，大致趋势是随之降雨持续含沙率随之降低，但曲线波动幅度更大。撇开径流量的因素后，可以看出，同一角度下，三种降雨条件下的含沙率相差不大，任一时刻含沙率差值均小于0.005g/ml。

5. 结论

（1）分析坡面产流过程发现，当坡度大于等于15°时，起始产流时间与降雨强度、坡度大致呈线性关系，并且得到其线性回归方程。

（2）坡度一定时，径流强度随着降雨强度增大而增大，且两者增大幅度几乎一致；降雨强度一定时，径流强度随坡度升高则缓慢递增。

（3）降雨强度和坡度对稳定入渗率影响比较明显，入渗率随坡度增加而降低，随降雨强度增加而升高，整体上与两个因素呈线性关系，并且得到其回归方程。

（4）需要强调的是，回归模型为经验模型，其结果表示单位时间单位面积上的产流量，该模型只与降雨强度、坡度有关；由于该模型是利用某类土壤试验得到的经验公式，所以一般只能用于该类土壤的产流量预测。

参考文献：

[1] 赵剑强，邱艳华. 公路环境影响评价中几个水环境问题的探讨[J]. 交通环保, 2004, 25(2): 1-4.

[2] 彭世寿, 程星, 王青, 等. 岩溶地区公路建设水环境问题及防治对策——以贵州省为例[J]. 贵州师范大学学报(自然版), 2007, 25(1): 23-26.

[3] 母进伟, 石连富. 岩溶地区公路建设中的水环境影响评价方法[J]. 西部交通科技, 2010(4): 77-80.

[4] 倪际梁, 何进, 李洪文, 等. 便携式人工模拟降雨装置的设计与率定[J]. 农业工程学报, 2012, 28(24): 78-84.

[5] 王洁, 胡少伟, 周跃. 人工模拟降雨装置在水土保持方面的应用 水土保持研究, 2005, 12(4): 188-190.