铁路工程边坡次降雨侵蚀产流模拟及影响规律.doc

基金项目 基金项目 国家自然科学基金资助 50908012 教育部高等学校科技创新工程培育资金项目 708010 作者简介 作者简介 沈宇鹏 1977 男 Email Email ypshen 铁路工程边坡次降雨侵蚀产流模拟及影响规律铁路工程边坡次降雨侵蚀产流模拟及影响规律 沈宇鹏 匡星 王连俊 白明洲 北京交通大学 土木建筑工程学院 北京 100044 摘 要 通过铁路工程边坡水力侵蚀试验结果 根据坡面土壤入渗理论及水流波动理论进行 铁路工程边坡的入渗分析及坡面流分析 提出铁路工程土质边坡的次降雨侵蚀入渗产流模拟 方程 为预测及控制铁路工程边坡坡面水土流失问题 针对降雨强度 渗透系数 土壤吸力 压实度 含水率 糙率系数 坡度等对铁路工程边坡产流初始时刻 产流量的影响规律进行 了计算分析 结果表明 渗透系数对产流时间和产流量影响较大 长时间降雨时 坡长对路 堑产流量影响大 短时间强降雨时 糙率系数变大和坡度减小是降低路堑边坡产流量的主要 因素 关键词 铁路 降雨侵蚀 产流模拟 影响规律 中图分类号 S157S157 1 文献标志码 A Research on the flow simulation and influence of rainfall erosion on railroad slopes Shen Yupeng Kuang Xing Wang Lianjun Bai Mingzhou Department of Civil Eigineering Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China Abstract Analysis and simulation work concerning rainfall infiltration and motion equation of slope runoff is carried out based on achievements of related research subjects with theory of infiltration and flow fluctuations Influence laws of runoff time and production flow the influencing factors are deduced on The influencing factors include rainfall intensity permeability coefficient soil suction compactness water content manning roughness coefficient slope gradient and slope length The results show the rainfall intensity has more impaction on the runoff time and production flow In prolonged rainfall the slope length affects the cutting slope In short rains the larger roughness and slope decrease are important factor to reduce runoff Key words Railroads Water erosion Flow simulation Influence of erosion 降雨时 铁路工程边坡因雨水入渗 汇流 冲刷发生水土流失 其产流较浅 流速较快 影响因 素众多 边界条件异常复杂 计算理论尚未成熟 试验过程中往往又受到自然条件 工程条件和人力 资源诸多因素限制 实施过程具有很大困难 目前 国内外研究学者多利用坡面流模拟和坡面土壤侵 蚀力学分析和揭示边坡的坡面水土流失过程和影响因素 1 3 具有重要的研究价值 1 铁路工程边坡次降雨入渗及产流分析 1 1 铁路工程边坡入渗分析 试验发现 坡面水土流失过程中 土壤入渗过程对坡面流的形成影响很大 土壤入渗呈现较为明 显的对数或指数规律 4 目前对土壤入渗问题的研究先后得出了许多经验性 半经验 半理论的模型 常用的有Green Ampt 模型 Philip模型 Horton模型 Kostiakov模型等 通过对工程边坡水力侵蚀试验的分析认为 铁路工程施工期各试验区的产流是超渗产流的过程 5 一般可以将降雨强度和渗透率独立研究 然后通过超额降雨量作为坡面流的源项与坡面流动联系起来 6 采用物理概念明晰的Green Ampt入渗模型 Green Ampt模型计算方程为 1 0 0 0 1ln 1 s s S S I SKtI I S K dt dx i 式中 i 为入渗率 m s K 为土壤渗透系数 饱和导水率 m s 为土壤饱和含水率 即有效空 s 隙率 为土壤初始含水率 S 为土壤吸力 m I 为累积入渗量 m x 为坡长变化参数 t 0 为时间变化参数 由Green Ampt模型可知 入渗率随累积入渗量的增加而减小 当累积入渗量达到某一值时 入渗 率等于降雨强度 此时即开始积水 设地表开始积水的时间为tp 此时的累积入渗量为Ip 实际情况不是由 t 0 开始积水 与 Green Ampt 模型假设干土积水入渗条件不一致 故积水以后的 累积入渗量不能直接由式 1 计算 应采用修正后公式 7 设t1表示由t 0时刻开始到积水后的累积入渗量所需的时间 则坡面降雨入渗过程Green Ampt模型 为 0 1 1 S p ip S II p K p tt 0 2 02 20 01 1 ln S s pps s S iK I SI IK ttIS SI p tt 式中 I1和 I2分别表示由 0 时刻到 t1时刻和 t1时刻到 t2时刻的累积入渗量 模型中参数和根据试 s 0 验条件给出 累积入渗量 I 根据试验数据给出 其计算程序中要同时注意土壤吸力 S 0 和降雨强度 p 大于渗透系数 K 1 2 铁路工程边坡产流分析 根据试验发现 坡面径流模数随时间变化逐渐稳定 并且各工程边坡稳定的径流模数与降雨强度 有较强的相关性 4 目前一般是把坡面流当做一维 恒定 非均匀沿程变量流处理 采用适用的运动波 理论进行坡面流分析 雨水降落在坡面上将产生雨水的聚集并形成坡面水流 坡面水流是土壤水蚀过程的主要动力 8 坡 面流满足水流质量守恒公式和曼宁公式 采用一维运动波理论 通过联立方程组 可以得出单宽流量 q 水深 h 和流速 v 的瞬时值 水流运动波方程为 3 2 1 0 3 5 1 cos Sh N q ip t h x q 式中 h为水深 mm q为单宽流量 mm2 s p为降雨强度 mm s S0 sin 为坡面坡度 为坡面倾角 N为糙率系数 采用简单的一阶显式求解式 3 即 4 2 1 0 3 5 1 1 1 cos Sh N hq hqq x t ipth jkjk jkjkjkjkjk 式中 L 为工程坡面降雨侵蚀小区总坡长 T 为计算总时间 Lx 0Tt 0 m 为坡长 L 的划分单元数 n 为时间 T 的划分单元数 mk 3 2 1 nj 3 2 1 边界条件 初始条件 Lx 00 t0 0 k h0 0 j q 根据迎风差分格式求解对流方程的稳定性判断条件 当满足时 差分格式稳定 则式1 x t 4 的稳定条件为 2 5 1 3 51 2 1 0 x t Sh N 根据格式划分 边界条件及差分形式 对式 3 进行模拟计算 则可得出各计算坡长和时间的 h q v的结果值 根据式 4 编程求数值解 计算模拟结果与解析结果相同 满足单宽单位时间的 流量方程 糙率系数 N 表现坡面粗糙度 不仅决定坡面流和坡面流剪切力的量值 同时还决定了计算程序步 长和计算难易 目前很多人通过试验对模型中的参数进行修正或优选 如都金康 9 等人对分布式降雨径 流模型水力学参数采用多目标分析 对参数进行优选 由于工程边坡试验条件复杂 选用简单常用的 经验值法或试错法来确定参数 N 的值 2 铁路工程边坡次降雨产流参数影响规律 2 1 参数选取 以路堑和施工营地作为两个主要铁路工程边坡类型 分别对主要影响因素和影响规律进行分析 计算参数选取如表 1 所示 表 1 铁路工程边坡小区计算参数 Tal 1 Parameters of railway slope pilots 取值 特性参数 路堑边坡施工营地 降雨大雨强 p mm s 2 33 10 22 33 10 2 渗透系数 K mm s 2 78 10 33 5 10 3 土壤吸力 S m0 250 15 压实度 k0 90 95 初始含水率 00 150 1 最终含水率 s0 470 35 粉粒径中值 d mm0 10 05 土壤 颗粒密度 s kg m3 26602660 糙率系数 N0 50 2 坡度 S0 425表面 坡长 L mm50005000 2 2 参数影响规律分析 运用 VC 编程语言编程求解 对主要影响因素降雨参数 土壤参数和表面参数进行分析 2 2 1 降雨参数影响规律 1 降雨强度对产流时间的影响规律 分别取路堑 施工营地的降雨强度计算路堑 施工营地在各雨强时的产流时刻 取值在 0 5 1 34mm min 和 0 5 1 4 mm min 之间 降雨强度与路堑和施工营地产流的时间关系如图 1 和图 2 所示 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 1 6 020406080 产流时间 min 雨强 mm min 图 1 降雨强度与路堑产流时间关系 Fig 1 Relationship between rainfall intensity and runoff time 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 1 6 0102030405060 产流时间 min 雨强 mm min 可以看出 随着降雨强度减小 产流时间增长 其影响规律与地表开始积水时的物理意义相同 以路堑不产流为标准 可分析路堑发生水力侵蚀的临界降雨特性 2 降雨强度对产流量的影响规律 在各降雨强度下 分别计算路堑边坡 施工营地边坡在 0 80min 0 200min 时的产流量 如图 3 图 4 所示 10 0 10 20 30 40 50 60 70 020406080100 时间 min 产流量 mm2 s p 1 35mm min p 1 3mm min p 1 2mm min p 1 1mm min p 1mm min p 0 9mm min p 0 8mm min 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 050100150200250 时间 min 产流量 mm2 s p 1 4mm min p 1 3mm min p 1 mm min p 1 1mm min p 1mm min p 0 9mm min p 0 8mm min p 0 7mm min p 0 6mm min p 0 5mm min 从图 3 可以看出 随着降雨强度增大 路堑边坡产流量明显增强 坡面流计算结果受入渗率影响 较大 坡面产流后 实际产流量较计算结果值小 说明入渗率偏大 Green Ampt 模型有待进一步改进 从图 3 还可以看出 当降雨强度为 1 34mm min 时 60min 之后 该计算路堑边坡的产流逐渐稳定 计 算还发现 随着降雨强度增大 稳定时间缩短 由于降雨强度为 1 34mm min 持续 1h 的强暴雨情况 很少出现 因此 路堑边坡产流量较少出现稳流状态 在降雨强度为 1 34mm min 降雨时间在 0 40min 内 该路堑边坡产流呈现非线性递增 产流均不稳定 也给产沙计算带来困难 从图 4 中可以看出 随着降雨强度增大 施工营地边坡的产流量明显增强 稳定时间逐渐减小 在 200min 计算时间内产流量逐渐趋向稳定流 施工营地坡面水流高度随降雨强度有相同增强规律 2 2 2 土壤参数影响规律 图 2 降雨强度与施工营地产流时间关系 Fig 2 Relationship between rainfall intensity and runoff time 图 3 降雨强度与路堑产流量关系图 Fig 3 Relationship between rainfall intensity and rain flow 图 4 降雨强度与施工营地产流量关系图 Fig 4 Relationship between rainfall intensity and rain flow 在土壤参数影响分析中 施工营地的土壤参数变化较小 故以路堑作为主要分析对象 对各土壤 参数进行影响分析 主要土壤参数如表 2 所示 表 2 路堑边坡主要土壤参数变化值 Tab 2 Main soil parameters of cutting slopes 土壤参数基本参数取值 1取值 2 渗透系数 K m s 0 002780 00020 02 土壤吸力 S m0 20 150 25 压实度 k0 850 80 9 初始含水率 00 150 250 35 最终含水率 s0 470 350 6 粒径直径 d mm0 10 050 115 1 土壤参数对产流时间的影响 选取渗透系数为 0 0002 mm s 0 00278mm s 和 0 020mm s 土壤吸力为 0 15 m 0 2 m 和 0 25 m 含水率为 0 25 0 35 0 15 0 47 和 0 35 0 6 分别对产流时间进行影响分析 得出土壤参数与路堑边坡产 流时间关系变化如图 5 可见渗透系数对产流时间影响较大 土壤吸力和含水率对于产流影响较小 对 于路堑边坡产流时间而言 控制土壤渗透系数较为有效 2 土壤参数对产流量的影响 对路堑边坡渗透系数 土壤吸力 含水率参数变化与产流量影响进行分析 得出土壤参数与路堑 边坡产流量关系图 如图 6 所示 可以看出 渗透系数对路堑边坡产流量影响明显 土壤吸力和含水 率对产流量影响较小 0 20 40 60 80 100 120 0204060 产流时间 min 入渗率 10 4mm s 土壤吸力m s 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 46810 产流时间 min 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0510 产流时间 min 含水率 20 0 20 40 60 80 100 120 050100150200250 时间 min 产流量 mm2 s S 0 15mS 0 2mS 0 25m k 0 0002mm sk 0 00278mm sk 0 020mm s 含水率0 25 0 35含水率0 15 0 47含水率0 35 0 6 2 2 3 坡面参数影响规律 铁路工程边坡坡面参数主要包括糙率系数 坡度和坡长 以路堑边坡作为主要分析对象 其表面 粗糙度 坡度和坡长参数基本参数取 N 0 5 S0 40 L 5m 1 坡面参数对产流量的影响 取糙率系数 N 为 0 2 0 4 0 5 和 0 7 坡度为 20 40 和 70 坡长为 2m 5m 7m 和 10m 时 分别进行计算 得坡面参数对产流量关系的计算结果如图 7 所示 可以看出 在 25 200min 内 计算 坡长对产流量影响最大 糙率系数和坡度对产流量的影响程度较弱 认为减小坡面汇流长度是减小长 图 5 土壤参数与路堑边坡产流时间关系图 Fig 5 Relationship between soil parameters and runoff time 图 6 土壤参数与路堑边坡产流量关系图 Fig 6 Relationship between soil parameters and rain flow 时间降雨产流量的有效方法 汇流长度控制是工程边坡水土流失防护治理的重要措施 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 050100150200250 时间 min 产流量 mm2 s N 0 2N 0 5N 0 4N 0 7S 20 S 40 S 70 L 2mL 5mL 7mL 10m 0 20 40 60 80 100 120 101520253035 时间 min 产流量 mm2 s N 0 2N 0 5N 0 4N 0 7S 20 S 40 S 70 L 2mL 5mL 7mL 10m 在 11 30min 时间内 对坡面参数与路堑边坡产流量进行计算 如图 8 所示 可以看出 在雨强为 1 34cm min 的强降雨情况下 在产流后 11 24min 内 坡面粗糙率参数影响较大 坡度影响次之 其他 参数影响较小 坡度 S 20 糙率系数 N 0 7 坡长 L 2m 时 产流量最小 分析可见 糙率系数变大 和坡度减小是降低产流量的重要因素 故可采用工程防护 植草 放缓坡度来降低工程坡面短时间强 降雨产流量 3 结论 1 随着降雨强度增大 路堑边坡和营地边坡产流时间缩短 路堑边坡和营地边坡产流量明显增强 在计算时间内 路堑边坡产流尚未达到稳定 营地边坡的产流逐渐趋向稳定 2 渗透系数对产流时间和产流量影响较大 土壤吸力和含水率对产流时间和产流量影响较小 控 制渗透系数对于控制路堑边坡产流时间和产流量较有效 3 长时间强降雨时 坡长对路堑产流量影响最大 糙率系数和坡度影响较弱 减小坡面长度是减 小坡面汇流的有效方法 短时间强降雨时 粗糙度变大和坡度减小是降低路堑边坡产流量的重要因素 采用工程防护或植草防护和通过削坡 是减小路堑边坡的重要方法 参考文献 1 李毅 王全九 邵明安 巨娟丽 Green Ampt 入渗模型及其应用 J 西北农林科技大学学报 自然科学版 2007 35 2 225 230 Li Yi Wang Quan jiu Shao Ming an Ju Juan li Green Ampt model and its application J Journalof Northwest A F Universit Natural Science 2007 35 2 225 230 in Chinese 2 陈力 坡面水流和细沟侵蚀的动力学研究 D 北京 中国科学院力学研究所 2001 英文 3 张晴雯 雷廷武 夏卫生 潘英华 刘纪根 土壤水蚀动态模拟参数的试验研究与理论分析 J 水土保持学报 图 7 边坡坡面参数与路堑边坡产流量关系图 Fig 7 Relationship between surface parameters and rain flow 图 8 边坡坡面参数与路堑边坡产流量关系图 Fig 8 Relationship between surface parameters and rain flow 2002 16 1 87 90 Zhang Qing wen Lei Ting Wu Xia Wei sheng Pan Ying hua Liu Ji gen Laboratory Experiment and Theory Analysis of Dynamic Parameters Used in Water Erosion Prediction Model J Journal of Soil and Water Conservation 2002 16 1 87 90 in Chinese 4 匡星 铁路工程边坡水力侵蚀规律与评价方法研究 D 北京 北京交通大学 2009 Kuang Xing Research on the rules and evaluations of water erosion on railroad slopes D Beijing Beijing Jiaotong University 2009 in Chinese 5 叶翠玲 铁路施工期水力侵蚀规