沟坡重力侵蚀的物理图景概化

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：图6-21黄土沟坡重力侵蚀物理图形在垂直坡面方向将沟坡土体分为表层土和中层土。土体重力在降雨期间随土壤含水量发生变化，其两个分量分别是构成下滑力和抗滑力的主要力学因素。该力对土体稳定造成不利影响。沟坡重力侵蚀是在上述各力的作用下，达到临界平衡条件导致的失稳破坏。要正确模拟沟坡重力侵蚀，必须同时对这两类因素加以考虑。沟坡重力侵蚀模型流程如图6-22所示。

重力侵蚀发生在黄土坡面的沟谷区，其形态和影响因素十分复杂，建立模型需要进行简化。本节是在数字流域中关于流域单元划分的坡面上建立重力侵蚀模型 (王光谦等，2005a)。根据数字流域平台提取的坡面信息，将重力侵蚀发生的单位宽度沟坡概化如图6-21所示。

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图6-21　黄土沟坡重力侵蚀物理图形

在垂直坡面方向将沟坡土体分为表层土和中层土。表层土包括全新世黄土和晚更新世黄土(新黄土和马兰黄土)，中层土则主要包括离石黄土的上、下两层以及午城黄土的上部。这两层土体在渗透特性和力学特性上有一定差异，在进行力学分析时应分别对待。沟坡坡度、坡高、沟道宽度等由数字流域平台根据DEM 提取得到。沟坡受力状况包括:

(1)土体重力Wt。模型中土体重力主要考虑土体自重以及降雨过程中由于雨水入渗产生的重力增量。土体重力在降雨期间随土壤含水量发生变化，其两个分量分别是构成下滑力和抗滑力的主要力学因素。

(2)裂缝水压力T。由于黄土垂直节理较为发育，沟坡常形成垂直裂缝并贯穿至中层土中。降雨条件下，雨水灌入将形成一定的水压力，并由于裂缝中水基本保持静止状态，因此可假设其效果为指向边坡的水平静水压力。该力对土体稳定造成不利影响。

(3)裂隙面上的抗滑力FR。抗滑力与土体的粘聚力和摩擦角有关，由于粘聚力和土体摩擦角在降雨条件下随含水量变化，因此抗滑力也是随土体含水量变化的变量。抗滑力是促使沟坡稳定的重要因素。

(4)坡脚处的水流切割力τ。暴雨在坡面形成的径流在沟道汇集后将形成具有一定水深和流速的沟道水流。沟道水流经过沟坡坡脚时则形成侧向水流切割力τ，从而对坡脚土体产生侧向冲刷。该力将直接导致坡脚在横向的后退，继而使直立面高度增加，对坡面稳定产生不利影响。

沟坡重力侵蚀是在上述各力的作用下，达到临界平衡条件导致的失稳破坏。从上述分析可以看出，构成重力侵蚀发生条件的因素主要有两类，一类是与土体力学性质有关的因素，如土体重力、粘聚力、摩擦角等，它们在时间上均随含水量而变化;另一类是通过改变沟坡几何形态间接改变沟坡受力条件，诱发重力侵蚀发生的因素，如坡脚的水流侧向切割，这类因素主要随径流洪峰强度而变化。要正确模拟沟坡重力侵蚀，必须同时对这两类因素加以考虑。

在重力侵蚀的各决定因素中，粘聚力和摩擦角等又都与众多的微观因素有关，比如土壤颗粒的形状及咬合程度、盐类含量及电化学特性等，而由于这些微观因素本身具有的随机性以及尚未了解的特性，使得在近似的力学条件下，重力侵蚀的发生也具有随机性。因此在分析中应该用随机数学理论适当描述其随机性，不仅便于在数字流域平台中进行模拟计算，而且使结果更符合实际情况。沟坡重力侵蚀模型流程如图6-22所示。

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图6-22　重力侵蚀计算模型流程

沟坡重力侵蚀的物理图景概化

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