砾石覆盖对坡面流水动力学特性试验研究

摘要

紫色土是一种初育土，结构疏松，母岩裂隙发育，极易风化，土壤侵蚀十分强烈。由于紫色土风化程度浅，砾石含量高成为了紫色土主要特征之一。坡面薄层水流是土壤水蚀过程的主要动力，水动力学特性与坡面侵蚀密切相关，而砾石覆盖和粒径大小对坡面薄层水流水动力学参数有着重要影响，开展不同砾石覆盖度和不同砾石粒径大小对坡面流水动力学参数变化的研究，不仅能够深入认识砾石对坡面侵蚀的作用机理及其影响，更重要的是能够为紫色土地区水土保持措施规划以及水土流失治理方案提供科学依据。
　　本试验以三峡库区秭归县王家桥小流域的紫色土为研究对象，选用光滑的鹅卵石并设置了5种砾石覆盖度（0、10％、20％、30％和40％），四种粒径大小(0.5-1 cm、1-2 cm、2-4 cm和4-6 cm)以及三种冲刷流量(2 L/min、4 L/min和6 L/min)，坡度设置为5度，通过室内模拟冲刷实验(土槽2 m×0.5 m×0.15 m)，对紫色土坡面流水动力学特性及细沟侵蚀含沙量变化的主要研究结论如下:
　　(1)随着砾石覆盖度的增大，流速和弗劳德数有减小的趋势;径流深、水流剪切力、水流功率、阻力系数和曼宁糙率系数等都有增大的趋势，雷诺数变化不明显;细沟内雷诺数、平均流速、径流深和水流剪切力要比细沟间大;细沟内阻力系数和曼宁糙率系数一般要比细沟间小，特别是在覆盖度较大的条件下差异更为显著;随着冲刷流量的增大，雷诺数、径流深、水流剪切力等有增大的趋势。
　　(2)径流含沙量随着冲刷流量增大而增大，随着砾石覆盖度的增大而减小。不同砾石覆盖度下径流含沙量变化趋势基本相同，在冲刷流量较大时（6 L/min）表现为先增大后减小，最后趋于平稳的趋势;在冲刷流量较小时(2 L/min)，径流含沙量一直缓慢增大;细沟在无砾石覆盖时比有砾石覆盖发育快，在冲刷流量大时比冲刷流量小时发育快，径流含沙量的变化与细沟形态发育以及水流剪切力密切相关。
　　(3)随着砾石粒径的增大，阻力系数和曼宁糙率系数等有减小的趋势;流速、径流深、水流剪切力、水流功率等有增大的趋势，雷诺数变化不明显;细沟内雷诺数、平均流速、径流深和水流剪切力要比细沟间大;细沟内阻力系数和曼宁糙率系数一般要比细沟间小;随着冲刷流量的增大，雷诺数、径流深、水流剪切力等有增大的趋势;相同冲刷流量下，随着砾石粒径的增大，侵蚀量不断增大。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 水力学特性

1．2．2 砾石覆盖及粒径大小与水力学参数

1．2．3 水力学参数与坡面侵蚀

1．3 目前亟待深入研究的问题

第二章 研究目标、内容及实验设计

2．1 研究目标与内容

2．1．1 研究目标

2．1．2 研究内容

2．2 技术路线

2．3 实验设计方案

2．4 实验过程

2．4．1 建立覆盖度与砾石质量的关系

2．4．2 填土

2．4．3 冲刷前数据测量

2．4．4 冲刷过程的观测

2．5 数据处理

第三章 砾石覆盖与坡面水动力学参数的关系

3．1 坡面流速

3．2 径流深

3．3 坡面流态

3．4 坡面阻力

3．5 水流剪切力和水流功率

3．6 本章小结

第四章 砾石覆盖与细沟发育过程中含沙量的关系

4．1 含沙量的变化及其影响因素

4．2 砾石覆盖对侵蚀量的影响

4．3 含沙量与细沟形态变化以及水流剪切力的关系

4．4 本章小结

第五章 粒径大小对坡面水力学特性的影响

5．1 坡面流速

5．2 坡面流态

5．3 径流深

5．4 坡面阻力和曼宁系数

5．5 水流剪切力及水流功率

5．6 粒径大小对坡面侵蚀的影响

5．7 本章小结

第六章 主要结论及展望

6．1 研究结论

6．1．1 砾石覆盖度对水动力学参数的影响

6．1．2 砾石覆盖与细沟发育过程中含沙量的关系

6．1．3 砾石粒径大小对水动力学参数的影响

6．2 研究展望

参考文献

致谢