降雨条件下的边坡稳定论文

降雨条件下的边坡稳定论文
沈阳农业大学学报，2010－10，41(5)：598-601
Journal of Shenyang Agricultural University，2010－10，41(5)：598-601
天然降雨条件下坡面侵蚀动力学特性研究
王瑄，雷洋
（沈阳农业大学水利学院，沈阳110866）
摘要：采用天然降雨径流小区试验的方法，通过观测天然降雨条件下坡面径流流速，对坡面侵蚀发生过程中的径流水动力学特性进行了研究。

结果表明：植被覆盖的坡面和裸坡的径流水力学参数流速、雷诺数、弗汝德数均随降雨强度的增大而增大；阻力系数则随降雨强度的增大而减小。

有植被覆盖的坡面流的雷诺数与弗汝德数则随雨强的变化相对平稳。

关键词：天然降雨；坡面流；水力学参数
中图分类号：S157.1文献标识码：A文章编号：1000-1700（2010）05-0598-04
Study on Dynamic Characteristics of Slope Erosion under Natural
Rainfall Conditions
WANG Xuan,LEI Yang
(College of Water Conservancy,Shenyang Agricultural University,Shenyang110866,China)
Abstract：The experiment is to study dynamic characteristics of slope erosion under natural rainfall conditions by observing the slope under natural rainfall runoff velocity.The results showed that the Reynolds number and the Froude number of the slope coverd by vegetation and bare increased with the increase of rainfall intensity.The drag coefficient decreased with the rainfall intensity.the Reynolds number and the Froude number of the
slope coverd by vegetation changed in relatively stable with the rainfall intensity.
Key words：natural rainfall;shallow flow;hydraulic parameter 坡面流是降雨强度超过地面入渗能力情况下产生的薄层水流[1-2]。

以山坡水文学、水力学、泥沙运动力学及河床演变理论为基础的水动力学模拟，是分析坡面侵蚀过程动力学机制的经典方法[3]，其中，坡面流水动力学特性的研究尤为重要[4]。

近年来，GILLEY[5]通过试验对坡面流的水力学特性进行了详细分析；姚文艺[6]研究了坡面流的阻力规律。

但目前坡面流水动力参数的量测、求解、相互间关系等研究，多以清水冲刷试验模拟获得，很少涉及到天然降雨。

因此，本试验采用天然降雨径流小区试验的方法研究坡面细沟侵蚀的水动力学特性，将有助于从动力学角度认识坡面产沙及侵蚀演变过程的内在机制，进而为建立具有明确物理成因基础的水土流失预报模型提供关键支持。

1研究方法
1.1试验设计
试验采用坡度为15°的试验小区，坡面分别布设裸坡和植被坡，但植被覆盖形式采用在坡面分段错落分布。

植被坡面的植被为大豆，播种密度为178株·m-2，在春耕时期将大豆以15cm行距×15cm株距点种在坡面上（图1）。

植被布置形式有2种（图2）。

1.2试验方法
试验用土为棕壤，其颗粒组成见表1。

因为原土的土块比较大，且含有大量的枯枝落叶、石块等杂质，需要从中去除，因此将原土过10mm×10mm的筛子，一是可以将土中的杂物去除，二是可以得到粒径比较细的试验土壤。

将试验小区内各土槽按设定的坡度整平坡面；压实，以接近原土体状态。

试验于2010年5～7月进行。

试验过程中，降雨开始后待坡面产生径流时，用染色剂法每隔2min分别测定试验小区4个固定断面的水流流速，在测定流速的同时，用测尺测定细沟的宽度和深度。

收稿日期：2010-08-28
基金项目：辽宁省自然科学基金项目（20062110）；辽宁省教育
厅项目（L2010496）
作者简介：王瑄（1965-），女，沈阳农业大学教授，博士，从事土壤侵蚀和农业节水研究。

第5期图3降雨雨强变化过程
Figure 3Changes of rainfall intensity during natural rainfall 图1裸坡、植被坡平面布置图Figure 1Floor chart of bare slopes and vegetaiton slopes 表1供试土壤粒径分析结果
Table 1The result of particle analysis of the test soil
供试土壤粒径Size of the tested soils/mm
所占比重Share /% 2.0~1.03.25 1.0~0.2542.320.25~0.0539.840.05~0.017.030.01~0.0051.210.005 ~0.0010.87<0.0015.48图2植被坡面布置形式
Figure 2Layout forms of vegetation slopes
2坡面流水力要素的计算
用流速、水力半径、雷诺数、弗汝德数、阻力系数表示坡面水流的水力学参数[7]。

（1）水力半径:R =A /X （1）
式中:A 为过水断面面积（cm 2）；X 为湿周周长（cm ）。

假如细沟横断面为矩形，则:R =Bh /B +2h （2）
式中:B 为细沟的宽度(cm)；h 为细沟水流的水深(cm)。

（2）雷诺数:Re =vR /υ
（3）式中:v 为流速(cm ·s -1)；υ为运动粘滞性系数(cm 2·s -1)，根据试验的水温查表而得。

Re 反映水流的惯性力和粘滞力之比。

如果Re <500，则水流为层流；如果Re ≥500，则水流处于紊流状态。

（3）弗汝德数:Fr =υ/gh
姨（4）式中：g 为重力加速度（m ·s -2）；h 为细沟水流的水深（m ）。

Fr 是表征水流流型的重要参数，它反映水流的惯性力与重力之比。

如果Fr <1，水流为缓流；如果Fr ≥1，水流为急流。

（4）阻力系数:f =8g RJ /υ2
（5）式中：J 为水流能坡，由于对坡面流速作平均化处理，采用坡面比降直接计算。

阻力系数反映了坡面含沙水流在运动中所受的综合阻力大小。

3结果与分析
选取2010年7月16日和2010年7月20日发生的2次降雨数据进行分析。

根据自记雨量计记录的降雨资料，可绘出2次降雨过程中雨强变化过程如图3。

3.1流速v
由图4可见，与裸坡相比布设有植被的坡面水流流速明显要低于裸坡流速。

根据河流动力学，流速的大小
王瑄等：天然降雨条件下坡面侵蚀动力学特性研究599··
第41卷沈阳农业大学学报图4流速变化过程
Figure 4Changes of runoff velocity during natural rainfall
图5雷诺数变化过程
Figure 5Changes of Reynolds number during natural rainfall 决定着水流对泥沙搬运强度[8]，因此，布设植被通过降低径流流速可以减弱其搬运泥沙的能力。

两个设有植被的坡面流速相比，植被布设形式二的坡面流速要小于植被布设形式一的。

因为降雨时，坡面径流主要是沿坡面方向不断向下汇集，而植被形式二的坡面更为有效的在坡面的中下部拦蓄坡面径流，也就更为有效的降低了坡面径流流速。

3.2雷诺数Re 沿程变化趋势
由图5可知，在试验条件下，水流的Re 为165～1830。

根据一般水力学的划分标准判断，在2次天然降雨条件下，裸坡水流为紊流，而布设有植被的坡面水流流态会随着雨强的增大发生改变，但大多数时间为层流，水流的粘滞力的作用较强，而紊动性较弱。

在2次天然降雨过程中，坡面水流的雷诺数变化和雨强的变化有着很好的一致性。

雷诺数随着雨强的增大而增大，但是布设有植被的坡面水流的雷诺数要比裸坡低，而且随雨强改变产生的波动要小。

原因是布设有植被的坡面，由于植被在消减径流能量和分散径流的同时，还增加了地表糙率，对延缓坡面流流速起到了重要作用;同时由于抑制了侵蚀的发展，
其形成的细沟不能充分发育，因此，布设植被的坡面流流速变化很小，使得整个雷诺数波动不明显。

对于不同的植被覆盖形式来说，植被覆盖形式一的坡面水流雷诺数要大于植被形式二的坡面水流雷诺数。

3.3弗汝德数Fr 变化过程
由图6可知，在降雨初期雨强不是很大，坡面水流的Fr 均小于1，水流的流态为缓流。

但随着雨强的增大，裸坡水流的Fr 迅速增大，流态随之变为急流。

随着雨强的不断增大，布设有植被的坡面水流Fr 也相继变大，当雨强到达最强时，坡面水流Fr >1，其流态均属于急流。

与裸坡相比，布设有植被坡面的Fr 变化要相对平缓，原因是由于有植被的存在，增加了坡面阻力，使得径流变化比较平缓，所以弗汝德数变化比较平缓。

3.4阻力系数f
由图7可知，在2次天然降雨过程中，水流阻力系数随着雨强的增大而减小的趋势。

在降雨初期坡面阻力系数较大，随着雨强的增大，坡面流速的变大，阻力系数随之变小。

阻力系数f 反映了径流在流动过程中所受阻力的大小，阻力系数越大，说明径流克服坡面阻力所消耗的能量就越大，而用于坡面侵蚀和泥沙输移的能量就越小，坡面侵蚀产沙就越少，表明植被对于坡面径流具有明显的拦截作用。

600··
第5期图6弗汝德数变化过程
Figure 6Changes of Froude number during natural rainfall
图7降雨坡面流阻力系数变化过程
Figure 7Changes of drag coefficient during natural rainfall
4结论与讨论
研究结果表明，天然降雨条件下，裸坡坡面流速要大于有植被覆盖的坡面。

而且植被布设形式二的坡面流速要小于植被布设形式一的。

天然降雨条件，裸坡坡面流雷诺数与弗汝德数跟雨强的变化有一定的相关性，而有植被覆盖的坡面流的雷诺数与弗汝德数则随雨强的化相对平稳。

在天然降雨件下，坡面流阻力系数与雨强的关系密切，随着雨强的增大，坡面的阻力系数呈减小的趋势。

而且有植被覆盖的坡面
流阻力系数要大于裸坡的。

试验分析表明，降雨强度和植被覆盖对坡面径流雷诺数、弗汝德数和阻力系数有重要影响。

降雨强度的增大，一方面增大了水流的紊动性，使径流雷诺数和弗汝德数增大，另一方面使侵蚀产沙量增大。

雨强的增大导致坡面径流流速增大，而坡面阻力系数减小。

流速是反映天然降雨坡面水流水力学特征的重要指标，雷诺数是水流的惯性力与粘滞力之比，弗汝德数是水流的惯性力与重力之比，其中，惯性力起着扰动水体，并使其脱离规则运动的作用。

植被的覆盖能够有效的减少径流能量和分散径流的同时，还增加了地表糙率，对延缓坡面流流速起了重要作用。

植被的覆盖能有效增大坡面阻力系数。

天然降雨过程中坡面产生径流，而且有植被覆盖的条件下坡面水流动力学过程极为复杂，本研究仅是2次天然降雨过程下的结果，今后应多收集此方面的资料，做进一步的研究。

参考文献：
[1]张光辉．坡面薄层流水动力学特性的实验研究[J].水科学进展,2002,13(2):159－165．
[2]王夙,孙三翔，湖清华．国内坡面流研究现状[J].甘肃水利水电技术,2004,40(4):332－334．
[3]张光辉．坡面薄层流水动力学特性的实验研究[J].水科学进展,2002,13(2):159-165．
[4]郭雨华,赵廷宁,孙保平,等．草地坡面水动力学特性及其阻延地表径流机制研究[J].水土保持研究,2006,13(4):264-267．
[5]GILLEY J E,KOTTWITZ E R,SIMANTON J R.Hydraulic characteristics of rills[J].Transactions of the ASAE,1990,33（6）:1900-1906.
[6]姚文艺.坡面阻力规律试验研究[J].泥沙研究，1996，3（1）：74-81.
[7]罗榕婷,张光辉,曹颖.坡面含沙水流水动力学特性研究进展[J].地理科学进展,2009,28（4）:567-574.
[8]夏卫生,雷廷武,刘春平,等.降雨条件下坡面薄层水流速度特征[J].
水利学报,2004(11):119-123.
[责任编辑亓国]王瑄等：天然降雨条件下坡面侵蚀动力学特性研究601··。