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