黄土坡面发育的细沟水动力学特征的研究论文

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1、黄土坡面发育的细沟水动力学特征的研究论文摘要：本文通过径流冲刷试验，对黄土坡面形成的细沟的水力学特征进行了试验研究。结果表明，反映细沟中径流水力几何形态的过水断面宽，平均径流深，以及平均径流速度与流量的关系指数分别为0.26，0.48和0.26。细沟阻力系数的大小与水流雷诺数密切有关，但其变化趋势受坡度的影响很大。在坡度较缓的坡面上，阻力系数随雷诺数的增大而减小。在坡度较陡的坡面上.freel，h为径流深，cm。径流平均流速不仅是主要的水力学参数，而且也是计算其他许多水力要素所必须知道的参数。试验中用染色法测定了径流平均流速。其方法是多次测定径流流

2、经固定细沟区间的时间，用式U=1/m·∑L/ti计算平均径流流速。m为测验定次数，L为测验定段的细沟长短度，ti为径流流经测定段所需时间。水深是反映水力特征的重要因子。试验中用淤积地形测定仪测定计算了细沟中平均径流深。其方法是多次测定不同细沟断面处的径流深，用式h=1/m·∑hi计算平均径流深。m为测定次数，hi为每次测定的径流深。3试验程序及方法据前人的研究3，坡面细沟侵蚀主要受制于细沟中水流的特征及土壤性质，受雨滴打击的影响很小。一场暴雨过程中，自然坡面上发育的细沟，其深宽因分布的部位、土质条件以及降雨强弱的不同，其规模在尺度上变化很大，但其宽

3、度一般为几厘米到几十厘米不等，深度大多也不超过二十厘米(黄土坡面上梨底层的深度)。因此，细沟侵蚀过程可以通过水流冲刷槽试验来模拟，细沟流的水力学特征及其之间的相互关系也就可以通过水流冲刷试验来研究。本试验在宽为50cm，长500cm，深70cm的可调坡钢制冲刷槽内进行。在装填实验土之前，先在实验槽中铺填30cm厚的天然沙，以保持实验土的透水状况接近天然坡面。然后，现场采集的土样经过筛选后，把通过2cm孔径的土样填入试验槽，填土过程中边填边用力压实，然后再将表层20cm左右翻松以模拟耕作层，填土完成后试验槽土壤表层的干容重为1.17g/cm3。供水设

4、备采用定水头控制流量，从试验槽上端按设计要求加注不同的流量。为了保证每次试验的初始条件一致，试验开始前先均匀地在试验土表面撒水，撒水量控制在能使土壤表面充分饱和，但又未发生产流的程度。试验开始后，仔细观察径流冲刷过程，把握细沟形成时刻，一但细沟形成，使用染色法测定细沟中径流的平均流速，用清华大学研制的淤积地形测定仪测量水深的变化。试验过程分为三阶段，每一阶段10分钟，每个阶段之后，在试验槽的不同部位用测针随机地测定多处细沟断面的形态，整个实验持续30分钟。试验流量变化于40～500ml/s之间，每个流量值连续重复试验二次。坡度采用6°、10°、12

5、°和15°共四级变化。试验用土表1试验土壤的粒径组成Particlesizedistributionandmediandiameteroftestedsoil粒径(mm)0.25～0.050.05～0.010.01～0.0050.005～0.0010.001百分比(%)3.363.214.312.86.4中数粒径0.0185mm为采自北京官厅水库的黄土母质，土样中数粒径为0.0185mm,其粒径组成如表1所示。4结果分析4.1坡面股流的流态分析坡面漫流汇集成股流以后，由于流速的增大，径流侵蚀力大增，其结果在坡面形成细沟。同时，径流的流态发生了很大的

6、变化。表2是根据试验中实测的细沟流的水力要素值计算的水流弗罗德数，表明在试验的坡度及流量范围内，细沟流的弗罗德数都大于1，说明坡面径流汇集成股流后，其流态已属于急流。而且有坡度和流量越大，弗罗德数也越大；在流量相同时，坡度越大弗罗德数也越大的变化趋势。弗罗德数随流量的变化较为复杂，在坡度为6°的坡面上，弗罗德数随流量的变化基本上保持不变。而当坡度较大时，弗罗德数随流量的增加有变大的趋势，同时坡度越陡，这种增大的趋势越明显。径流弗罗德数的这种变化是由于流量及坡度的大小对水深和流速影响作用的具体体现。径流流速随流量和坡度的增加都会不断增大，而水深随流量

7、的增加虽然也会变大，但随坡度的增加又会减小。而且，坡度越大，流速增大程度越大，径流深减小变化也越大。因此，径流弗罗德数就有随流量和坡度的增大而变化，且坡度越陡，这种增大越明显的趋势。坡面流汇集成股流后，径流雷诺数随流量及坡度的不同，其大小变化较大。表3是根据试验中实测的坡面细沟水力要素值计算的径流雷诺数大小，表明在试验的坡度及流量范围内，坡面股流的雷诺数变化于1200～7700之间。而且，雷诺数的大小也是随流量和坡度的不同有所变化；在流量不变坡度增大时，由于径流含沙量变化的复杂性，雷诺数变化的规律性不强，且变化也不显著。而在坡度相同流量增大时，雷诺

8、数则有迅速增大的趋势。说明坡面股流的雷诺数变化，受径流量的影响较大。若按照明渠水流的划分标准4，上述雷诺数的变化范围说明坡