（岩土工程专业论文）黄土抗侵蚀能力与抗剪强度的关系研究.pdf

摘要 黄土高原脆弱的生态环境和严重的水土流失是制约该地区资源开发和经济发 展的主要因素，研究黄土高原土壤侵蚀力学本质，对于探索土壤侵蚀规律、完善 区域侵蚀理论意义不言而喻，并籍以整治该地区生态环境具有特殊的熏要性和紧 迫性。 土壤是侵蚀的对象，土壤抗侵蚀能力是影响土壤侵蚀内在因素。国内外学者 主要从土壤物理性质和土壤侵蚀力学角度这两个方面对土壤的抗侵蚀能力进行 研究。在土壤侵蚀力学方面，土壤抗侵蚀能力与抗剪强度关系研究需待进一步深 入。本文通过理论分析、野外测试试验及室内土工实验对黄土抗侵蚀能力与黄土 抗剪强度的关系进行了系统的研究： 首先，通过对黄土高原地区7 省3 0 个县( 市) 的3 0 个测点进行土壤入渗、 抗冲、崩解、抗剪、土壤容重以及含水量等指标测定，获得了评价土壤抗侵蚀能 力的原始资料。 其次，以室内土力学试验获得的黄土高原土壤低压下抗剪强度指标为基础， 结合理论分析探讨野外测试抗剪强度与室内测试抗剪强度之间的关系，提出野外 测试抗剪强度实际上是天然状态下的土壤粘聚力，揭示了野外测试抗剪强度的物 理学意义，为应用野外测试抗剪强度提供了理论依据。 第三，从侵蚀力学角度对坡面土壤侵蚀机理进行探讨，提出黄土高原水力侵 蚀的实质或冲刷的实质是土壤在薄层径流动水压力条件下被剪切破坏。 最后，结合理论分析及试验数据探讨黄土抗侵蚀能力与抗剪强度关系，提出 黄土抗侵蚀能力与原状土饱和抗剪强度有本质联系，并指出在土壤粘聚力大于 2 k p a 的情况下，黄土抗冲系数与黄土抗剪强度存在简单的线性关系。 以上研究进展揭示了黄土高原土壤抗侵蚀能力这个地学概念的力学意义。 关键词黄土抗侵蚀能力 剪切破坏黄土抗冲系数 粘聚力饱和黄土抗剪强度 a b s r a c t x i ay a n h u a ( r o c ka n ds o i le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b yz h a n gp i n g c h a n g a n d s h e n g q i n t h em a i nf a c t o rw h i c hr e s t r i c t st h er e s o u r c e e x p l o i t a t i o n a n dt h ee c o n o m i c d e v e l o p m e n t o fl o e s s p l a t e a u i st h es e r i o u ss o i le r o s i o na n dw e a ke c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t ，s oi t i sv e r yi m p o r t a n ta n du r g e n tt or e v e a lt h el a wo fs o i le r o s i o nb y w h i c ht h e a g g r a v a t i o no ft h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ti nl o e s s p l a t e a u w i l lb e c o n t r o l l e d s o i li st h eo b j e c to fe r o s i o na n dt h ei n t e r n a lf a c t o ro f a f f e c t i n gt h es o i le r o s i o ni s t h es o i la n t i e r o s i o na b i l i t y t h ed o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r sh a v er e s e a r c h e dt h e s o i le r o s i o nm a i n l yf r o mt h et w oa s p e c t sw h i c ha r et h ep h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dt h e e r o s i o nm e c h a n i c so fs o i l a sf o rt h el a t t e r t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ea n t i e r o s i o n a b i l i t ya n d t h es h e a rs t r e n g t hn e e dt os t u d yi nad e e p e r g o i n gw a y i th a sb e e nm a d e a s y s t e m a t i cs t u d yi nt h i sp a p e rt h r o u 曲t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t e s t i n gi nf i e l da n di n d o o r s o i lm e c h a n i c a lt e s t ： f i r s t ，t h r o u g ht h et e s t i n go f t h es t a b l ei n f i l t r a t i o nr a t i o ，t h ea n t i w a s h i n gs t r e n g t h ， t h ed i s i n t e g r a t i o ns t r e n g t h ，t h es h e a r s t r e n g t h ，t h eu n i tw e i g h ta n d t h ew a t e rc o n t e n to f s o i la b o u t3 0g a u g i n g p o i n ti nt h el o e s sp l a t e a ua r e a , t h ep r i m a r yd a t ao fe v a l u a t i n g t h ea n t i - e r o s i o na b i l i t yo f s o i la r eo b t a i n e d s e c o n d l y , t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h es h e a rs t r e n g t hi n d o o ra n dt h et e s t i n gs h e a r s t r e n g t hi nf i e l dw e r ei n v e s t i g a t e d ，a sb a s e do nt h es h e a rs t r e n g t hc o e f f i c i e n ti nl o w p r e s st h r o u g h t h es o i lm e c h a n i c a lt e s t i n gi n d o o ri nl o e s sp l a t e a uc o m b i n e dw i t ht h e o r y a sar e s u l t ，i ti so b t a i n e dt h a tt h es h e a rs t r e n g t ho fs o i li nf i e l di se s s e n t i a l l yt h es o i l c o h e s i o ni nt h en a t u r ec o n d i t i o n t h ei n n a t el a wo ft h es h e a rs t r e n g t hi nf i e l di s r e v e a l e d ，t h e r e f o r e ，t h es c i e n t i f i cb a s i so f t h ea p p l i c a t i o no f t h es h e a rs t r e n g t hi nf i e l d i sp r o v i d e dt h e o r e t i c a l l y i i t h i r d l y , i ti sa d v a n c e d t h a tt h ee s s e n c eo f t h ew a t e re r o s i o no r w a s h i n g e r o s i o ni n l o e s sp l a t e a ui st h a tt h es o i li sw i p e do u ti nt h ec o n d i t i o no fd y n a m i cp r e s s u r eo f s u r f a c er u n o f f t h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i o no f s o i le r o s i o nm e c h a n i s mf r o mt h ea s p e c to f e r o s i o nm e c h a n i c s f i n a l l y , a sf o r a sl o e s si s c o n c e r n e d ，i ti sa d v a n c e dt h a tt h e r ea r ee s s e n t i a l r e l a t i o n sb e t w e e nt h ea n t i e r o s i o na b i l i t ya n dt h es h e a rs t r e n g t ho fs a t u r a t e ds o i li n o r i g i n a ls t a t e ，w h i c hi sb a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt e s td a t a f u r t h e r m o r ei ti s o b t a i n e dt h a tt h e r ei sa s i m p l e l i n e a rr e l a t i o nb e t w e e nt h e a n t i - w a s h i n g e r o s i o n c o e f f i c i e n t a n dc o h e s i o no f s o i l w h e n t h ec o h e s i o n o f s o i l i s g r e a t e r t h a n 2 k p t h ea b o v ea d v a n c e sr e v e a lt h em e c h a n i c s m e a n i n g o ft h e g e o s c i e n c e s c o n c e p t i o no f a n t i e r o s i o na b i l i t yo f s o i li nl o e s sp l a t e a u k e yw o r d s a n t i - e r o s i o n a b i l i t y o fl o e s s d e s t r o y e db ys h e a r i n g a n t i - w a s h i n ge r o s i o nc o e f f i c i e n t c o h e s i o no fs o i ls h e a r s t r e n g t ho f o r i g i n a ls a t u r a t e d l o e s s 1 1 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究意义 水土流失是指地球陆地表面的土壤及其母质、岩石等在受水力、风力、冻 融和重力等作用下所产生的侵蚀、搬运和堆积过程 i - 2 1y 包括水力侵蚀、风力 侵蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀和化学侵蚀等1 3 1 0 水土流失是水土保持学科和山区 国土整治的常用概念，美、英、前苏联等多数国家采用土壤侵蚀一词，其含义 与水土流失一词基本一致，即指在降雨、风等各种外营力作用下引起土壤的分 离、搬运和堆积1 。土壤侵蚀包括土壤的流失与水分的流失，两者形影相 随、相伴而失，其核心是土壤的流失。 土壤侵蚀是一个全球性的问题，依据联合国( 1 9 8 0 ) 环境规划资料，全球 每年有近2 0 0 0 万h m 2 的土地因土壤侵蚀而丧失部分或全部生产力e 7 1 。土壤侵蚀 是通过降低土壤的水分、养分和有机质的可利用性，以及根系层的厚度来影响 作物产量c 8 op i m e n t e l 研究认为哼1 ，土壤侵蚀能减少3 0 以上的土壤透水性， 且水力侵蚀和风力侵蚀通过有选择地搬运细土颗粒和有机质，使坡地上土壤持 水能力降低，这不仅降低或损失了土地的生产力，而且引起了严重的环境问 题；j u d s o n ( 1 9 8 1 ) 估计1 1 0 1 每年由河流输送入海洋的泥沙，从集中农业和放 牧开始以前的1 0 0 亿吨，迄今增至2 5 0 - - - 5 0 0 亿吨之多；d u d a l ( 1 9 8 1 ) 研究 指出，世界范围内的土壤侵蚀以及其他因素引起的农田缩减、土壤退化导致每 年有6 0 0 万公顷肥沃的土地不可逆转地丧失生产力；h i g g i n s ( 1 9 8 2 ) 及其合作 者研究指出1 1 2 1 , 自从人类定居从事农业生产以来，土壤侵蚀已毁掉了约4 3 亿 公顷的用地；b u r i n g h ( 1 9 8 1 ) 估计i 1 3 1 全球每年农业生产用地因为土壤侵蚀 损失为3 0 0 万公顷，因沙漠化损失2 0 0 万公顷。土壤侵蚀导致土地生产力的丧 失以及土地荒化、沙漠化等，严重威胁人类的生存，因此研究土壤侵蚀规律其 意义是不言而喻的。 黄土抗侵蚀能力与抗剪强度的关系研究 黄土高原是中华民族的摇篮，古文明的发祥地。千万年来，人类活动影响 和自然环境的演变，导致黄土高原土壤侵蚀、风沙危害严重，生态环境十分脆 弱。黄土高原地势特点总体上由东南向西北逐渐升高，大部分地面( 约7 0 ) 海拔高度在1 0 0 0 2 0 0 0 m 之间，海拔高度在2 0 0 0 m 以上的地面占1 0 左 右。该区具有地形支离破碎、沟壑众多，密度大、沟谷下切深，高差大，起伏 剧烈、坡面陡，地面坡度大、气候干旱，多大风，暴雨等特征，土壤侵蚀十分 严重。该区土壤侵蚀面积约4 3 万平方公里，多年平均输入黄河的泥沙为1 1 亿 吨，土壤侵蚀严重和较严重的重点水土流失区面积约2 7 3 万平方公里，年均入 黄河泥沙占黄河输沙量的9 0 以上1 1 4 1 0 黄土高原严重的土壤侵蚀和脆弱的生态 环境是制约该区资源开发和经济发展的主要因素，因此研究清楚黄土高原地区 土壤侵蚀规律，籍以整治该地区生态环境具有特殊的重要性和紧追性。 在土壤侵蚀的各种外营力中，水是最活跃的因素t 1 5 1 在众多文献中土壤侵 蚀一词一般指的是水力侵蚀，本文中的土壤侵蚀一词不作特别申明均指水力侵 蚀。国外对土壤侵蚀的研究在1 8 世纪末到1 9 世纪初逐步确立起来，我国受西 方科学技术的影响，于2 0 世纪2 0 年代末开始研究土壤侵蚀t 1 6 1 0 为了合理整治 规划国土资源和合理进行农业生产，近3 0 年来，世界各国集中大量人力物力着 手开发土壤侵蚀预报模型，取得了大量创新性的成果，先后开发了u s l e 1 7 1 r u s l e 1 1 8 1 w e e p 1 1 9 - 2 0 1 l i s e m 等模型。自2 0 世纪5 0 年代以来，我国学者 开始尝试开发土壤侵蚀预报模型，并取得了一定的进展1 2 1 - 2 8 1 。 从土壤侵蚀研究历史和现状来看，土壤侵蚀预报模型的研究先后经历了以 经验为主的统计模型到注重土壤侵蚀物理过程和概念的物理模型，当前，土壤 侵蚀物理过程和概念模型是土壤侵蚀研究的热点。揭示土壤侵蚀内在机制是当 前生产、生态环境建设以及其中长期远景发展的内在需求。 土壤侵蚀的发生和发展以及侵蚀强度，主要受到下列因素的影响和制约： 降雨径流、土壤、地形地貌、地面覆盖或植被以及人为活动等，其中土壤是被 侵蚀或流的对象。其在土壤侵蚀发生和发展中的作用是不言而喻的。 土壤抗侵蚀能力是指土壤是否易受侵蚀破坏的性能，也就是土壤对侵蚀介质 剥蚀和搬运的敏感性1 3 0 1 。国外称之为可蚀性，我国称之为土壤抗侵蚀性，朱显 谟院士首次将土壤抗侵蚀性分为抗蚀性和抗冲性两类1 2 9 1o 与侵蚀营力一样，土 壤抗侵蚀能力是影响土壤侵蚀量大小的一个重要因素。在水土保持学科中，习 第一章绪论 惯上把“水”和“土”并列使用，而国际上则用“s o i ll o s s ”、“s o l l e r o s i o n ”、“s o i lc o n s e r v a t i o n ”或“s o i la n dw a t e rc o n s e r v a t i o n ”等术 语。显然，土壤是水土保持学科的重点。另一方面，土壤侵蚀营力是土壤流失 过程中的外部因素，而土壤性质才是内在因素，因此，水土保持学科中的核心 问题是土壤保护。土壤抗侵蚀能力研究在水土保持研究工作中具有重要意义，国 际上把土壤抗侵蚀能力研究一直作为水土保持学科研究的重要内容之一。由于 土壤是侵蚀外营力作用的对象，研究土壤抗侵蚀能力对土壤侵蚀预报模型尤其 是土壤侵蚀物理过程和概念模型的建立有着不可或缺的作用。 1 2 土壤抗侵蚀能力国内外研究现状 土壤抗侵蚀能力研究始于3 0 年代，到现在已经有6 0 多年的历史。土壤的 抗侵蚀能力是一个复杂的概念，受着土壤自身特性和处理情况等许多因素的影 响，土壤抗侵蚀能力并不是一个物理的或化学的定量可测定指标，而是一个综 合性因子，只能在一定的控制条件下通过实际测定土壤流失量或测定土壤某些 性质作为土壤抗侵蚀能力指标，从而达到估价土壤抗侵蚀能力的目的。基于此， 国内外学者主要从土壤物理性质和土壤侵蚀力学机制这两个方面对土壤的抗侵 蚀能力进行研究，以探求影响和决定土壤抗侵蚀能力的内在因素。 1 2 1 国外研究现状 自从德国土壤学家w o l l n y 于1 8 7 7 年第一个从事土壤侵蚀实验以来，人们就 开始研究土壤类型、土壤性质对土壤侵蚀的影响1 3 1 1 6 土壤可蚀性( 即抗侵蚀能 力) 这一术语是由c o o k 于1 9 3 6 年首先提出来的1 3 2 。b e m e t 于1 9 2 6 年第一个 认识到土壤的抗侵蚀性质随土壤的不同而变化1 3 3 1 , 他研究了古巴的砖红壤，测 定了影响土壤抗侵蚀能力的重要土壤性质，如土壤质地、土壤结构、有机质含 量和化学组成。研究结果表明，土壤侵蚀与s ( h r 2 0 3 之间有明显相关性。但 是，他当时并未提出把s 0 2 r 2 0 3 作为土壤抗侵蚀能力指标。m i d d l e t o n 1 ( 1 9 3 0 ) 根据野外观察到不同侵蚀阶段的土壤实验分析资料建立了土壤抗侵蚀 能力指标。他做了两组试验，第一组把两个采自密苏里的易侵蚀土壤与两个采 自古巴的不易侵蚀土壤进行了研究比较，第二组把北卡罗来纳的同一地区的易 黄土抗侵蚀能力与抗剪强度的关系研究 侵蚀壤土与不易侵蚀粘壤土进行了研究比较，发现以分散状态存在的粉沙加粘 性含量与土壤抗侵蚀能力有明显的相关性，这样就提出了以分散率作为估价土 壤抗侵蚀能力的指标，即：分散率( ) = ( 水散性粉沙+ 粘粒) ( 总的粉沙+ 粘粒) 1 0 0 ，并指出一般易侵蚀土壤的分散率 1 5 ，不易侵蚀土壤的分散率 5 0 ， 变化在3 7 2 7 0 o 之间。细纱( o 0 5 毫米) 含量一般为1 5 - - 3 0 ，粘粒( o o l 毫米粒级中有5 0 余种，主要是石英、 黄土抗侵蚀能力与抗剪强度的关系研究 长石和碳酸盐矿物，它们的含量 9 5 。各地黄土中矿物成分基本相似，但其中 重矿物成分从西北向东南有下列变化：( 1 ) 比重较大的矿物( 比重4 5 5 o ) 逐渐 减小，比重较小的矿物逐渐增加。如在第1 带内比重较大的含量为2 0 7 3 2 3 4 4 ，比重较小的含量为1 8 1 7 2 0 2 7 ；第1 i 带内比重较大的含量为2 0 o o - - 2 1 4 3 ，比重较小的含量为1 6 4 8 2 1 4 6 ；第1 i i 带内比重较大的含量为1 7 6 3 - - 2 0 0 9 ，比重较小的含量为1 4 4 1 - - 2 3 3 6 。( 2 ) 不稳定矿物自西北向东南逐渐 减小，而稳定、极稳定的矿物则有所增加。在第1 带不稳定矿物含量为4 9 6 9 5 3 2 8 ，第1 i 带内不稳定矿物含量为2 5 2 3 4 1 6 0 ，第1 i i 带不稳定矿物含量为 5 0 0 1 9 4 1 。 3 马兰黄土的化学成分主要是s i 0 2 和a 1 2 0 3 ，含量常 6 0 ，其次为f e 2 0 3 和c a o ，f e 2 0 3 含量一般为3 o 一6 o ，c a o 含量多为7 5 一l o 5 。上述主要化 学成分自西北向东南亦呈逐渐变化的趋势，其中f e 2 0 3 和a 1 2 0 3 自西北向东南逐 渐增加，在第1 带内为2 1 5 4 7 0 、8 4 1 1 2 5 7 ，第1 i 带内为3 3 4 6 1 4 、 1 0 0 5 1 4 1 6 ，第带内为4 2 l 一5 5 1 、1 1 0 9 1 3 4 9 。c a o 和s i 0 2 的含量 切与此相反，有逐渐减小的趋势，在第1 带内为0 6 2 1 3 5 、6 3 5 4 5 4 ，1 1 ， 第1 i 带内为0 。2 4 一o 8 7 、5 4 4 5 - - 4 9 5 2 ，第带内为o 5 3 0 6 1 、5 8 2 9 4 9 2 3 。 此外，马兰黄土中硅酸系数( x 。= 舢钐l n ) 和p h 值自西北向东南有逐 渐变小的趋势，而c a c 0 3 含量自西北向东南有所增加。 3 1 2 黄土的结构 如同马兰黄土物质成分一样，马兰黄土的结构也呈现自西北向东南区域性变 化规律。 刘东生研究表明1 8 9 1 黄土高原上马兰黄土的结构有如下规律： 1 骨架颗粒的区域性交化：马兰黄土中大于 o 1 毫米的颗粒极少，大部分 是0 0 2 0 0 4 毫米的颗粒。根据显微镜下观察，在其骨架颗粒( o 2 5 0 0 5 毫米) 中 o 0 5 毫米的颗粒自西北向东南减少。第1 带砂黄土为2 5 5 ，第1 i 带黄土为 5 左右，第1 i i 带粘黄土 5 。同时骨架颗粒的滚圆度逐渐变大，从第1 带为棱 角状过渡到第1 i i 带多为滚圆或半棱角状。 2 胶接形式的区域性变化：马兰黄土中细粒胶接物自西北向东南增加，胶接 第三章黄土的物理力学性质 形式由接触式逐渐过渡为基底式。在上述第1 带中，横山、靖边一带呈薄膜状， 其特点是粘粒呈薄膜包围了粗大碎屑矿物颗粒，薄膜厚一般 o 0 5 毫米的孔径，一般较大的孔隙其孔径在o 0 3 毫 米左右。粒间孔隙的边缘往往还有细粒胶接物分布。在此带内粒间孔隙所占面积 比砂黄土要小，一般占土体面积的2 7 4 左右。第1 带粘黄土中粒间孔隙更为细 小，孔径都 0 5 时，运动波模型可 以很好地描述坡面流运动。这对于大多数坡面流，基本上均可满足此条件。因此， 对坡面径流采用运动波近似假定，即水流的重力作用与阻力达到平衡： 黄土抗侵蚀能力与抗剪强度的关系研究 善等通过对黄土高原试验资料统计分析发现1 1 3 1 ，坡面径流阻力规律不能用一般 明渠流阻力的概念和表达方法，黄土高原地区坡面流速计算式为： “= 2 0 q o 5 s 0 3 5 r 4 2 7 ) s = s i n 口 ( 4 - 2 8 ) 式中：”为坡面流速( c m s ) ：q 为单宽流量( c m 3 ( s t m ) ) ：为地面坡度。 坡面单宽径流量为单位宽度坡面径流量顺坡向下的增加率，即： 粤：毋( 4 2 9 )2 毋【4 。 甜 在均匀降雨条件下，距离坡顶工处的单宽流量为： q = i q 血= q ，x 将( 4 2 9 ) 代入( 4 - 2 7 ) 得坡面径流流速： u = 2 o ( q ，工门盛印尸 qr = i c o s f l f 。 将( 4 - 3 0 ) 代入( 4 - 2 6 a ) 得坡面径流深为： ( 4 - 3 0 ) ( 4 - 3 1 ) f 4 - 3 l b ) 2 警= 扣工) “铀卢) ”5 ( 4 - 3 2 a ) q ，= lc o s , 8 一f ，媳一3 2 b ) 式( 4 - 3 2 ) 表明，坡面径流深h 与降雨强度，、径流长度x 、土壤入渗率工和坡 面坡度等因素有关，随降雨强度j 和径流长度工的增加而增大，随土壤入渗率 z 和坡度的增大而减小。 4 3 2 坡面土壤降雨入渗过程 4 3 2 1 黄土高原坡面土壤降雨水分运动过程控制方程 降雨入渗是影响坡面土壤侵蚀的一个重要因素。土壤入渗能力的大小直接影 响着坡面径流的产生和发展。因此，研究坡面土壤入渗规律是研究坡面土壤侵蚀 的一个重要方面。 降雨入渗的实质包含两方面的内容：一是地面以上的水进入土壤之中；二是 黄土抗侵蚀能力与抗剪强度的关系研究 善等通过对黄土高原试验资料统计分析发现1 1 3 1 ，坡面径流阻力规律不能用一般 明渠流阻力的概念和表达方法，黄土高原地区坡面流速计算式为： “= 2 0 q o 5 s 0 3 5 r 4 2 7 ) s = s i n 口 ( 4 - 2 8 ) 式中：”为坡面流速( c m s ) ：q 为单宽流量( c m 3 ( s t m ) ) ：为地面坡度。 坡面单宽径流量为单位宽度坡面径流量顺坡向下的增加率，即： 粤：毋( 4 2 9 )2 毋【4 。 甜 在均匀降雨条件下，距离坡顶工处的单宽流量为： q = i q 血= q ，x 将( 4 2 9 ) 代入( 4 - 2 7 ) 得坡面径流流速： u = 2 o ( q ，工门盛印尸 qr = i c o s f l f 。 将( 4 - 3 0 ) 代入( 4 - 2 6 a ) 得坡面径流深为： ( 4 - 3 0 ) ( 4 - 3 1 ) f 4 - 3 l b ) 2 警= 扣工) “铀卢) ”5 ( 4 - 3 2 a ) q ，= lc o s , 8 一f ，媳一3 2 b ) 式( 4 - 3 2 ) 表明，坡面径流深h 与降雨强度，、径流长度x 、土壤入渗率工和坡 面坡度等因素有关，随降雨强度j 和径流长度工的增加而增大，随土壤入渗率 z 和坡度的增大而减小。 4 3 2 坡面土壤降雨入渗过程 4 3 2 1 黄土高原坡面土壤降雨水分运动过程控制方程 降雨入渗是影响坡面土壤侵蚀的一个重要因素。土壤入渗能力的大小直接影 响着坡面径流的产生和发展。因此，研究坡面土壤入渗规律是研究坡面土壤侵蚀 的一个重要方面。 降雨入渗的实质包含两方面的内容：一是地面以上的水进入土壤之中；二是 第四章土壤侵蚀力学机制 进入土壤中的水不断地向下运动。如果把坡长为岫自土坡视为连续多孔介质。那 么可把降雨入渗过程表述为流体在连续多孔介质之中的运动和流体通过界面各 段具有某一性质分段光滑界面的运动。流体在连续多孔介质中的运动规律符合 d a r c y 定律和质量守恒定律；在进行模型研究时流体通过某些界面的运动可用边 界条件表达。 降雨入渗过程中坡面土壤中水分运动符合d a r c y 定律，降雨入渗过程是非饱 和土壤水运动过程。根据d a r e y 定律和质量守恒定律可导出坡面土壤入渗过程控 制微分方程1 1 2 8 d a r c y 定律： q = 一_ | ( y ，) v y ( 4 3 3 ) 式中：口为土壤水分运动通量( r n m r a i n 1 c m 2 ) ；k 为非饱和土壤导水率， ( m m r a i n 1 c m 。2 ) ：妒，为土壤基质势，m p a ：y 为土壤土水势，m p a ；v 为l a p l a c e 算子。 质量守恒定律： 詈却( q ) ( 4 - 3 4 ) 式中，0 为土壤体积含水量( ) 。 将d a r c y 定律代入质量守恒方程得： 詈如。) v y ( 4 - 3 5 ) 式( 4 ) 便是非饱和土壤水分运动的基本方程式。 假定水中不含其他溶质以及土壤中各点温度相同，则y 为土壤水势，用水头 h 代替水势y ，得“2 ”： 船署= v i ( ) v ( 4 - 3 6 a ) ：一旦 ( 4 3 6 b ) 一o ( u o - u ) _ 式中：为比水容量：p w 为水容重：g 为重力加速度；h 为水头；o i n 体n 含水量( ) ；u 。为孑l 隙气压力：“。为孔隙水压力。 黄土抗侵蚀能力与抗剪强度的关系研究 由于黄土高原垂直节理发育，黄土高原土壤一般为垂直入渗，因而降雨坡面 入渗可视为一维入渗。一维渗透非饱和土壤水分运动方程式为： g 塑a t = 旦o z l 警| ( 4 - s ，a ) ：一羔(437b)mw 一硒习 一 得到土壤水分运动方程式之后还需给出边界条件，只有土壤边界条件完全确 定以后，才能给出描叙壤水分运动过程的解。 在一个降雨过程中，降雨强度，( f ) 是一个随时间变化的量。同时土壤入渗速 率在降雨过程中随时间的延伸迅速减小，土壤入渗速率是一个随时间以幂函数衰 减的量，土壤初始入渗率一般很大，偶后迅速减小，经过一段时间后趋入稳定， 趋入稳定的土壤入渗速率称为土壤稳渗速率。本文根据野外测试试验结果得到黄 土高原地区土壤入渗速率随时间变化规律曲线表达式为： s ( r ) = 4 8 6 4 ，“4( 4 - 3 8 ) 降雨初期土壤入渗率远远大于降雨强度，降雨初期所降的雨量都及时入渗到 土壤中，因此降雨初期土壤实际入渗速率等于降雨强度。由于土壤入渗速率随时 间迅速减小，当降雨一段时间后，降雨雨强将大于土壤的入渗速率，这时坡面积 水，当积水填洼后，坡面产流。 假设经过时间t 后，土壤入渗速率将到与降雨强度相等，在时间t 之后入渗 速率将小于降雨强度，即： s ( t ) ，( r ) t a ，( 4 - w1 ， 智，。智 旷争 式中：t 为单位宽度坡面上被剥离土块的长度。 若侵蚀只是在地表坡面上某一段发生，则，只表 示发生侵蚀的那一段坡长。 由上述可知侵蚀厚度d 取决于被侵蚀土壤 自身属性，与土壤粒径级配、土壤结构及土壤 水稳团粒等因素有关，与侵蚀力大小无关。侵 蚀力无论有多小或多大，只要侵蚀发生，土壤 破坏面总是在垂直于坡面上土壤第一个薄弱面 处。 就无粘性土壤而言，由于土壤在径流作用 下主要是以粒状形式被剥离的，因而土壤侵蚀 x v * 鬟 ( 4 5 2 ” 稳柽( 鼍米) 图4 - 9 土壤粒径频率曲线 黄土抗侵蚀能力与抗剪强度的关系研究 厚度d 取决于土壤粒径。而通常的土壤并不是由单一的土壤颗粒组成，而是由不 同大小、不同形状及不同矿物等土壤颗粒组成，甚至有有机物成分。粒径级配曲 线反映了土壤颗粒组成情况( 图4 - 9 ) ，因而侵蚀厚度d 取决于土壤粒径组成。想 象有一系列的平行于坡面的平面将坡面切开，假定土壤粒径组成在侵蚀范围内是 均匀的，则每一个平面所遭遇的土壤某一粒径颗粒的面积以及孔隙的面积是相同 的。显然坡面地表表面亦是系列平面中的一个。在坡面地表取一长方体，其在坡 面的表面表面积为5 ，垂直坡面地表厚度为d 一( d 。为土壤颗粒最大粒径) 。设 土壤干容重为儿，土壤孔隙度为妒，土壤比重为g ，各粒径土壤体积为k ( i = l 珂) ，水的容重为h 。则在此长方体内，土壤的体积为： 矿：丝! 空些 5 k g 喜形= _ = 訾 巧= k q = 学q 式中：万；为颗粒粒级为4 土壤重量占土壤总重的百分含量a 假定土壤是均匀的，则有： 矿 墨2 芒 ( 4 5 3 ) “- 5 4 ) ( 4 - 5 5 ) ( 4 - 5 6 ) s 矗 d = 土l 一 ( 4 5 7 ) 式中：s ，为颗粒粒径为一土壤的表面积( 即平行于坡面的平面所截的颗粒粒径为 d ；的土壤面积) 。 颗粒粒径为吐土壤所占据的坡面地表面积为n 2 印： 5 ：= 丢 ( 4 5 8 ) 驴高 劭 第四章土壤侵蚀力学机制 则侵蚀厚度d 可用下列函数形式表示： s 赢， 。 拈等5 、_ - i z - 磊z r d - t s 、， 将式( 4 5 4 ) 、( 4 5 5 ) 、( 4 5 6 ) 代入( 4 5 9 ) 得： r 4 5 9 ) d ：挲：击喜南啊：商知喜啊：焉知孑。， 式中d 为土壤中值粒径。 无粘性土壤侵蚀厚度d 的表达式为： d ：了孑( 4 - 6 1 ) ( 1 一妒) y 。g 就粘性土壤而言，由于粘性土壤抗剪能力在空间上的变异性受土壤结构与土 壤团聚体影响，因此土壤破坏面与土壤结构和团聚体有关，图( 4 1 0 ) 给出了两 种不同结构粘土在径流作用下的破坏面。图( 4 1 0 ) 说明土壤侵蚀厚度d 与土壤 结构和团聚体有关，可表示成土壤结构和团聚体的函数。 破坏蕾 图4 1 0 粘性土壤结构及破坏面图 将粘性土壤水稳团聚体视作无粘性土壤的土颗粒，则粘性土壤侵蚀厚度d 可 直接套用无粘性土壤侵蚀厚度d 计算公式，并考虑土壤结构对粘性土壤侵蚀厚度 d 的影响，得到粘性土壤侵蚀厚度d 的表达式如下： d ：口_ ；士一孑 ( 4 6 2 ) ( 1 一庐) y 。g 。 式中：口是土壤结构影响系数，孑是粘土团聚体中值粒径。 被剥离的地表土块很薄，即侵蚀厚度d l 很小，被侵蚀的土块破坏弧面w l ( 在 黄土抗侵蚀能力与抗剪强度的关系研究 单位宽度坡面上为弧长，：) 与单位宽度坡面上被剥离土块在地表的面积( 在单 位宽度坡面上为坡长i ) 近似相等，可取w i = w l ，因此地表土壤作用在被剥离土 块上的抗剪力可近似认为作用于在平均了土壤空间差异之后所得侵蚀厚度d 的 理想土块底面上。经过上述理想化处理后在坡面上单位长度侵蚀厚度为d 的土块 在径流作用下的受力图如下图( 4 1 1 ) 所示： 理想化处理后侵蚀厚 度为d 的土块( 单位长度) 在径流作用下所受到的力 有：径流对土壤的侵蚀 切应力r ；径流作甩于 土壤的压力p ；土壤渗 流水作用于土壤的孑l 隙水 压力p i ；土壤自重w ； 土壤侧压力p ，p ，+ 。； 底部土壤与土壤之间的摩 擦力f ，；底部土壤对土块 的压力玎。 图4 - i i 坡面土壤受力图 设土壤饱和容重为以，有效容重为，+ ；坡面坡度为声；水的容重为凡。单 位宽度，单位坡长坡面土壤破坏时( 即将破坏时) 所满足的平衡条件： f + w s i n ，+ p ，+ a r f ，一p ，= 0( 4 - 6 3 a ) p i + 盯一p w c o s f f = 0 ( 4 6 3 b ) 根据有效应力原理，土壤抗剪强度7 ，的表达式为： 7 ，= c + p u ) t a n o 式中：c 和占为土壤有效抗剪强度指标。 r 4 6 4 ) ( 4 - 6 5 ) 第四章土壤侵蚀力学机制 由( 4 6 3 ) 、( 4 6 4 ) 、( 4 6 5 ) 得土壤破坏时土壤临界切应力f 。： r 。= c + w c o s 一( p l p ) t a n o 一w s i n f l + p ，一p 。k( 4 6 7 ) 式中：p 。一p 即为径流对土壤的上举力。 考虑到侵蚀厚度d 很小，土壤侧压力n 和p 。近似相等，取其相等，则： f 。= c 。+ 陟。d c o s f l 一( p i p ) m o 一) , d s i n f l ( 4 - 6 8 ) 就无粘性土而言，粘聚力不存在，c = 0 ，土壤临界切应力r 。为： t = r , d c o s p 一( p 。一p ) 】切l i l 臼- y a s i n f l ( 4 6 9 ) 分别将无粘性土和粘性土土壤侵蚀厚度d 的计算式( 4 - 6 1 ) 和( 4 6 2 ) 代入土壤临界 切应力f 。计算式( 4 6 9 ) 中得： 无粘性土： t 2 揣赫s ( 蚀o - t a n 多) 如- p ) t a n o ( 4 - 7 0 ) 粘性土： z , - - - c + a 商铷孑 c o s p ( m o - t a n ) 咆- p ) t a n o 。( 4 - 7 1 ) 式( 4 7 0 ) 、( 4 7 1 ) 表明，土壤发生侵蚀临界条件受坡地状况、降雨条件以 及土壤性质等诸多因素的影响，土壤侵蚀是这些因素共同作用的结果。 从式( 4 7 0 ) 、( 4 7 1 ) 中可知，土壤在径流作用下所受到的上举力是影响土 壤侵蚀的一个重要因素，土壤上举力愈大，土壤愈易侵蚀，当上举力达到一定程 度大小后，即使在很小的径流下，土壤也会发生侵蚀，对粘性土而言，此上举力 包括土壤土粒和水之间的亲和力t 1 2 7 1 。当土壤所受到的上举力大到一定程度后， 土壤颗粒将分散和悬浮。 从式( 4 7 0 ) 、( 4 7 1 ) 中还可得知，无粘性土的粒径级配以及颗粒粒径的大 小在无粘性土土壤侵蚀中有着至关重要的作用，中值粒级孑越大，土壤愈难被分 离。同时中值粒级孑也是影响土壤抗剪强度在土壤侵蚀中作用的个重要因素， 黄土抗侵蚀能力与抗剪强度的关系研究 当中值粒级孑旦二坐粤( p k - p ) ，土壤抗剪强度指标愈大，土壤愈难被分离； 1 0d c o s p 当中值粒级孑 旦= _ ! 坐4 ( 仇一p ) ，土壤抗剪强度指标愈大，土壤反而易被分离。 y ，y dc o s j 对于粘性土来说，当粘聚力c 很大时( 较之径流作用下土壤的内摩擦力来 说) ，土壤抗侵蚀能力取决于土壤粘聚力c 。土壤粘聚力c 越大，土壤抗侵蚀能 力越强。否则，土壤抗侵蚀能力取决于粘聚力c 、内摩擦角巾、土壤结构、土颗 粒与水之间的亲和力以及水稳团聚体等。 总之，土壤侵蚀过程的复杂性决定了土壤抗侵蚀能力的复杂性，土壤抗侵蚀 能力不是某一单一的因子所能决定的。 4 4 小结 1 通过详细讨论坡面径流力学行为并以黄土高原神木地区1 9 9 5 2 0 0 1 的 降雨径流泥沙观测资料为佐证指出坡面薄层水流对土壤颗粒上举力一般小于土 壤颗粒的自重，总的来说，坡面薄层水流难以将土壤颗粒举起，因而一般情况下， 土壤在径流作用下沿坡面破坏，即黄土高原水力侵蚀的实质问或冲刷的实质是土 壤在径流动压条件下被剪切破坏。 2 着重分析了坡面径流与土壤的相互作用过程，提出土壤抗侵蚀能力主要 来源于两个方面：一是土壤侵蚀厚度：另一是土壤抗剪能力。无粘性土壤侵蚀厚 度与土壤粒径、级配、孔隙率及容重有关；粘性土壤侵蚀厚度与水稳团粒、土壤 结构、孔隙率及容重有关。 无粘性土壤侵蚀厚度d 的表达式为： d ：一五孑 ( 1 一) ，。g 粘性土壤侵蚀厚度d 的表达式如下： d ：小一一z d 孑+ ( 1 一庐) y 。g 第四章土壤侵蚀力学机制 3 通过分析土壤在坡面薄层水流作用f 的受力推导出土壤临界切匝力f 。 表达式： 无粘性土： l 2 揣, 8 ( t a n a 咖p ) 电- p ) 刚。 粘性土： l 2 c + 口揣s 卢( 训一t a i l 卢) 也刊t a i l 黄土抗侵蚀能力与抗剪强度的关系研究 第五章黄土抗侵蚀能力与抗剪强度的关系 5 1 黄土高原土壤抗冲性测试试验 5 1 1 黄土高原土壤抗冲性 自从朱显谟院士将土壤抗侵蚀性分为抗蚀性和抗冲性后，我国研究者对黄土 高原土壤的抗冲性做了大量的研究，并取得了较大进展。 所谓土壤抗冲性是指土壤抵抗径流冲刷破坏的能力。黄土结构疏松，其所发 生的水力侵蚀过程常常是流失和冲刷同时进行，而且冲刷过程非常强烈，常常大 大地掩盖了流失的强度。由于黄土高原土壤特殊的结构，其在径流冲刷下极易剥 离，黄土高原土壤水力侵蚀主要为冲刷侵蚀。因而王占礼认为t 8 4 1 黄土高原土 壤的抗侵蚀能力主要表现为抗冲性，反过来也就是说抗冲性基本上就代表了黄土 高原地区的土壤抗侵蚀能力，因此，黄土高原土壤因子对土壤侵蚀的直接影响就 是抗冲。 5 1 2 黄土高原土壤抗冲性评价指标 目前，评价土壤抗冲性指标很多，主要有： 1 朱显漠院士评价土壤抗冲性的指标 朱显漠m 采用土样( s c m 5 c m 5 c m ) 在流水中的冲失率，并以土样在流水 中的冲刷时间为附加指标来评价土样的抗冲性。 2 周佩华等评价土壤抗冲性的指标 周佩华等8 用单位径流深的冲刷量作为土壤抗冲性指标，并将黄土高原的 土壤抗冲性划分为极弱、弱、中等、强、极强五个级别。 3 蒋定生评价土壤抗冲性的指标 蒋定生h 9 4 7 1 设计了原状土冲刷水槽，先后采用了三个指标来评价土壤抗 冲性：单位水体引起的土壤冲刷量；每平方米面积上所需的冲刷