成汇源，唐新军，高 强

(新疆农业大学 水利与土木工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830052)

沙漠风积沙溯源冲刷速度的影响因素初探

成汇源，唐新军，高 强

(新疆农业大学 水利与土木工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830052)

通过试验对沙漠风积沙的冲刷破坏形态以及影响沙漠风积沙溯源冲刷速度的主要因素进行初步分析。结果表明：在具有跌坎的地形上，沙漠风积沙在集中水流冲刷下，表面的冲刷剥蚀速度远小于跌坎处的溯源冲刷速度；沙漠风积沙的溯源冲刷速度与通过沙漠风积沙表面水流的单宽流量、跌坎处初始落差以及沙漠风积沙的含水率等因素有关；在初始落差一定的情况下，溯源冲刷速度随单宽流量的增大而加快；在相同单宽流量作用下，溯源冲刷速度随初始落差的增大而增大。

沙漠风积沙；溯源冲刷速度；影响因素；模型试验

新疆沙漠面积较大，随着社会经济发展和科学技术进步以及国家经济大开发战略的实施，沿沙漠边缘地区的基础建设工程也越来越多，甚至有横穿部分沙漠区域的长距离沙漠公路、长距离输水明渠工程[1-2]等。构成沙漠的沙漠风积沙是一种具有独特物理力学性质与工程特性的特殊性松散土[3-4]，在这种沙漠风积沙上构筑建筑物，人们除关心其基本物理力学性质和工程力学性质[5-6]外，这种特殊性松散土在水流作用下的冲刷性能也是人们关注的问题之一。例如修建在沙漠中的长距离输水渠道，当其退水闸退水时发现，水流从退水渠出口进入天然沙漠区，一旦遇到具有跌坎落差的地形时(见图1)，水流从跌坎边缘跌落，同时淘刷砂土，使得端部跌坎不断塌落并向上游发展，表现出溯源性冲刷破坏现象。当这种溯源冲刷向上游发展并推移到退水闸闸室附近时，就会危及水闸安全，甚至会对整个沙漠渠道带来危害和不利影响。因此，工程建设与管理人员对沙漠风积沙在集中水流作用下发生溯源冲刷所产生的影响和危害已开始关注[7]。国内外学者对土壤冲刷侵蚀[8-13]的研究，在土壤侵蚀产沙量与输沙率方面已获得许多成果；但专门针对沙漠风积沙在集中水流作用下发生溯源冲刷侵蚀破坏的研究很少。本文以沙漠坡面末端跌坎位置在水平方向随时间的变化率代表溯源冲刷速度，通过试验模拟在集中水流作用下沙漠风积沙的冲刷破坏过程，探究沙漠风积沙冲刷破坏形态及影响沙漠风积沙溯源冲刷速度的主要因素，以期为修建在沙漠地区的工程提供参考。

图1 沙漠坡面溯源冲刷示意图

1 材料与方法

1.1 试验装置与材料

沙漠风积沙冲刷试验装置由平坡水槽和供水系统组成。水槽高30 cm，宽40 cm，长20 m。为模拟水流从沙漠风积沙表面流过，在水槽端部设置矩形堰，堰后填铺一定长度且与矩形堰顶等高的沙漠风积沙层，并将沙漠风积沙层的下游末端做成具有一定落差的跌坎。

试验供水系统由供水池，水泵，水塔，稳水箱组成。试验采用循环供水方式，用水泵从供水池抽水至槽上方水塔，通过水槽前方阀门控制冲沙流量，多余的水通过回流管道回到供水池内。试验装置简图如图2所示。

图2 沙漠风积沙冲刷试验装置简图

试验所用沙漠风积沙取自古尔班通古特沙漠，经过土工试验测定，最大干密度为1.6 g/cm3，最小干密度为1.35 g/cm3，其颗粒级配曲线如图3所示。不均匀系数为2.3，曲率系数为1.1。

1.2 试验方案

为探究在集中水流作用下沙漠风积沙的冲刷破坏形态、溯源冲刷速度及其主要影响因素，试验中取沙漠风积沙下游末端跌陡的初始落差H分别为12.5 cm和18.5 cm两个方案，并分别对含水率为0.00%、干密度为1.5 g/cm3的干燥沙漠风积沙和含水率为13.30%、湿密度为1.65 g/cm3的潮湿沙漠风积沙两种沙漠风积沙进行试验，其中，在干燥沙漠风积沙试验组中，通过沙土顶面水流的单宽流量q分别取0.012 m3/(s·m)，0.018 m3/(s·m)，0.025 m3/(s·m)，0.032 m3/(s·m)；在潮湿沙漠风积沙试验组中，通过沙土顶面水流的单宽流量q分别取0.032 m3/(s·m)、0.044 m3/(s·m)。

图3 试验用沙漠风积沙颗粒级配曲线

2 试验结果分析

2.1 沙漠风积沙冲刷破坏形态分析

试验中观察到，在集中水流冲刷下，沙土表面仅产生缓慢的表面剥蚀，而在沙土末端水流跌落处，则发生剧烈的端部溯源冲刷侵蚀，并迅速向上游迁移。沙漠风积沙冲刷破坏形态如图4所示。将试验测得的沙漠风积沙表面剥蚀速度Vy与其末端水流跌落处端部溯源冲刷速度Vx进行比较发现，表面剥蚀速度仅为端部溯源冲刷速度的0.22%～0.79%，即沙漠风积沙表面剥蚀速度远小于端部溯源冲刷速度。故在集中水流冲刷下，沙漠风积沙溯源冲刷破坏对工程安全的影响和危害更大。

图4 沙漠风积沙冲刷破坏形态示意图

2.2 沙漠风积沙溯源冲刷速度的影响因素分析

2.2.1 单宽流量与初始落差

两组初始落差的干燥沙漠风积沙(含水率为0.00%，干密度为1.5 g/cm3)。分别在四种单宽流量水流冲刷下，溯源冲刷速度Vx的结果对比见表2和图5，从表2和图5可知：沙漠风积沙的溯源冲刷速度既与单宽流量有关，也与初始落差有关。在初始落差一定的情况下，溯源冲刷速度随单宽流量的增大而加快；在相同单宽流量作用下，溯源冲刷速度随初始落差的增大而增大。

表2 干燥沙漠风积沙冲刷试验结果

注：H为初始落差，q为单宽流量，Vx为沙漠风积沙溯源冲刷平均速度。

图5 干燥沙漠风积沙溯源冲刷速度随单宽流量变化曲线

表3给出了在单宽流量增量相同(由0.012 m3/(s·m)增大到0.032 m3/(s·m))情况下，两种初始落差组的溯源冲刷速度的增量值ΔVx。由表3可见，在相同单宽流量增量下，随初始落差的增大，溯源冲刷速度的增量也在加大。

表3 不同初始落差沙漠风积沙溯源冲刷速度增量对比

2.2.2 沙漠风积沙含水率

在实际工程中，在不同环境或不同地层深度情况下，沙漠风积沙的含水率及密实度会有所不同，为探讨沙漠风积沙含水率及密实度对溯源冲刷速度的影响，以初始落差为12.5 cm和18.5 cm两种情况，对于潮湿沙漠风积沙(含水率为13.30%)进行了冲刷试验，并与干燥沙漠风积沙(含水率为0.00%)的试验结果进行了对比，试验结果如表4所示。

由表4可知，当初始落差同为18.5 cm时，在相同的单宽流量冲刷下，潮湿沙漠风积沙的溯源速度明显小于干燥沙漠风积沙；当初始落差同为12.5 cm时，针对潮湿沙漠风积沙的冲刷单宽流量大于干燥沙漠风积沙的单宽流量，但潮湿沙漠风积沙发生的溯源速度仍然小于干燥沙漠风积沙。这说明，含水率也影响沙漠风积沙的溯源冲刷速度，与干沙条件相比，当沙漠风积沙具有一定的含水率时，溯源速度明显减小。

表4 不同含水率沙漠风积沙冲刷试验结果对比表

3 结 语

本文通过试验对沙漠风积沙的冲刷破坏形态以及影响沙漠风积沙溯源冲刷速度的主要因素进行了分析探讨，初步可得到以下认识：

(1) 在集中水流冲刷下，沙漠风积沙表面剥蚀速度远小于端部溯源冲刷速度，沙漠风积沙的溯源冲刷破坏对工程安全的影响和危害更大。

(2) 沙漠风积沙的溯源冲刷速度既与单宽流量有关，也与初始落差有关。在初始落差一定的情况下，溯源冲刷速度随单宽流量的增大而加快；在相同单宽流量作用下，溯源冲刷速度随初始落差的增大而增大。

(3) 含水率也在一定程度上影响沙漠风积沙的溯源冲刷速度，与干沙条件相比，当沙漠风积沙具有一定的含水率时，溯源冲刷速度明显减小。

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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

成汇源(1991—)，男，新疆伊犁人，硕士研究生，研究方向为水工结构。 E-mail：mudiaoyang@163.com。

唐新军(1959—)，男，陕西蒲城人，教授，博士生导师，主要从事当地材料坝设计理论教学与科研工作。 E-mail：tangxj59@163.com

TV131.6

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1672—1144(2017)04—0126—03