汶川震区滑坡堆积体土石混合坡面细沟水动力学特征室内试验

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1、水利学报2014年8月SHUILIXUEBAO第45卷第8期文章编号：0559-9350（2014）08-0892-11汶川震区滑坡堆积体土石混合坡面细沟水动力学特征室内试验李天阳1，何丙辉1，雷廷武2，陈展鹏1，张怡3（1.西南大学资源环境学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆400715；2.中国农业大学水利与土木工程学院，北京100083；3.北京师范大学地理学与遥感科学学院，北京100875）摘要：野外测定汶川震区滑坡堆积体休止角、土石混合坡面容重、土壤（<2mm）与碎石（2~7mm）比例，以

2、此作为模拟研究的参数范围，开展了室内土石混合高陡坡面放水冲刷试验，研究了不同流量、坡度与石土比例组合下的水动力学特征。结果表明：34°坡面各流量及36°坡面4L/min组合下，全土情况的水流流速均显著大于含碎石情况下的水流流速，在36°坡面8L/min，12L/min情况下，含碎石情况的水流流速逐渐增大并超过全土情况；各组合水流流速均随冲刷时间的延长而减小。石土比例对雷诺数Re的影响较复杂，在试验时段内各组合的水流基本属于过渡流或紊流。石土比例对弗劳德数Fr的影响规律与流速相似，Fr随冲刷时间延长而逐渐从急流转

3、变为缓流，其中含碎石情况相比全土情况表现更加明显。Darcy-weisbach阻力系数f随冲刷时间先缓慢增加后迅速增加再急速下降，全土情况下的f值介于0.16~14.40，含碎石情况下f值介于0.16~29.68。Darcy-weisbach阻力系数f与Re呈负相关关系。关键词：汶川震区；滑坡堆积体；细沟侵蚀；土石混合；水动力学中图分类号：S157.1文献标识码：Adoi：10.13243/j.cnki.slxb.2014.08.0021研究背景2008年“5·12”汶川地震不仅造成了巨大的地震灾害，同时也引发

4、了崩塌、滑坡、泥石流与堰塞湖等次生灾害［1］。其中，震区仅滑坡就约有48007处，分布区域面积约为48678km2，总面积达到了11.8km2［2］。滑坡堆积体主要由松散土石混合物组成，是泥石流内重要固体物质的来源。震区滑坡堆积体主要沿主河及支流河谷发育和分布［3］，沿河发育的大规模滑坡堆积体在强降雨等作用下，坡面极易形成侵蚀，促使泥沙随水流进入河道，进而造成河道淤塞，给震区灌溉、防洪、排涝等水利水电工程造成巨大危害。目前针对震区滑坡堆积体的报道主要侧重于利用遥感、卫星影像图像结合GIS技术研究堆积体的分布、数

5、量与规模等［2-4］，同时也有针对滑坡堆积体体积测量方面的研究［5］，但缺乏堆积体坡面土壤侵蚀机理的研究。坡面水动力学的研究是坡面土壤侵蚀机理研究的重要组成部分之一，其常采用人工降雨或放水冲刷的方式来明确坡面水流流速、径流深、雷诺数Re、弗劳德数Fr和Darcy-weisbach阻力系数f等指标的变化规律及内在联系，借此阐明水流能量转换及侵蚀能力的关系［6］。然而，目前开展的坡面水动力学研究主要集中在30°以下坡面，土壤结构单一［7-9］，主要涉及工程建设弃渣人为形成的堆积体坡面［10-11］，还缺少对如震区滑

6、坡堆积体这样的高陡土石混合坡面的研究。鉴于此，采集震区滑坡堆积体坡面松散土石混合物，以野外现场调查典型堆积体的相关参数作为依据，进行室内人工放水冲刷模拟试验，观测不同坡度、流量、石土比例下震区堆积体坡面水动收稿日期：2014-03-04；网络出版日期：2014-06-12网络出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20140612.1104.002.html基金项目：国家自然科学基金面上项目（41271291）作者简介：李天阳（1988-），男，四川蓬溪人

7、，硕士生，主要从事城市水土保持研究。E-mail：litianyang8853@163.com通讯作者：何丙辉（1966-），男，博士，教授，主要从事土壤侵蚀与小流域综合治理研究。E-mail：hebinghui@swu.edu.cn力学特征，为后续震区滑坡堆积体坡面土壤侵蚀研究提供基础数据。2材料与方法2.1野外调查区域概况调查路线为国道213映秀-汶川段，全长约56km，由南向北经过汶川的映秀、银杏、草坡、绵虒和威州5个乡镇（图1）。调查区内总体地势表现为西北高东南低，高差悬殊，超过2000m，其中汶川县城

8、威州镇海拔1325m。调查区域为典型的高山峡谷地貌。区域内气候垂直分带明显，差异显著，分为北部的暖温带半干旱季风气候区，包括威州、绵虒等地，年降雨量约528.7mm；南部的山地亚热带湿润季风气候区，包括漩口、映秀等地，年降雨量高达1332.2mm。山体坡度以25°~55°为主［12］。区内河谷深切，水流湍急，岷江河床平均坡降8‰，其中佛堂坝至中滩堡段（映秀）23km内落差22.3m，平