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摘要：尽管在大量研究中均认为，渗流对坡面侵蚀有着重要的影响，但是目前为止，并没有详尽的实验或成熟的理论成果以反映渗流对坡面侵蚀的作用机理。为此，本文有针对性地提出了坡面流-渗流共同作用下斜坡土体搬运过程的实验装置及试验方法，并进行了ABAQUS有限元渗流计算分析，结果验证了该试验研究方法的有效性。
关键词：坡面侵蚀；渗流；坡面流；实验；ABAQUS
引言
从侵蚀水动力来源看，坡面侵蚀可大致分为两大类：一类是坡面土体的外部水动力，其中主要考虑坡面流冲刷力等对土壤的机械破坏作用；另一类是坡面土体的内部水动力，主要考虑壤中水向坡外方向的渗流对土粒的分散和悬浮作用。为研究渗流与坡面片蚀流共同作用下的耦合冲刷效果，本文提出能反映向外渗流影响的土坡冲刷研究装置，探讨其试验方法，并通过有限元分析研究其有效性。
1 试验装置及原理
通过试验，为获得不同地形特征、不同来水流量时坡面形态变化的过程，且重点考察渗流对坡面浅层流水动力特性和坡面侵蚀的影响机理，因此必须研制专门的实验设备。实验设备必须满足5个方面的功能：1）进入试验段的坡面水流流量可调节，且必须为平稳的浅层流，利于现象观测和结果对比；2）在试验中，坡面的坡度可按要求调整，模拟坡地的多种坡度情况；3）渗流在坡面上各点的渗流比降相同，包括方向和大小；4）渗流强度可以调整，模拟多种渗流工况。为此，该设备的基本结构如图1，包括4个部分：土槽、供水装置、渗流装置和尾水接收装置。土槽为坡度可调节的钢制土槽，宽60cm、长500cm、深70cm，且其顶端设置一个钢制稳流槽。利用土槽放水来模拟坡面流。试验中，为了减少稳流槽与冲刷槽接合处因边壁作用导致的土壤下陷，试验小区最顶端1米长的坡段上用塑料布将土体与坡面水流隔开。供水装置采用定水头控制土槽放水最大流量，从试验槽上端按设计要求通过水阀控制流量。供水装置包括定水头供水池、蓄水池、潜水泵、供水管和分流管，其中分流管是控制潜水泵向供水池泵送流量的，多余的水量返回蓄水池，而供水池中多余的水可以从溢流口流出，使得水位保持不变。在实验土槽下端为出水口，并需要设置相应的尾水接收装置。试验开始后，量测坡面出口的水量可得到坡面流的平均流量，并可量测坡面水流的含沙量和输沙率过程。
该实验设备的重点是渗流装置，其主要工作原理如图2。从图2可见，渗流装置主要包括渗流水位控制槽、连接软管、透水多孔管、透水砂砾石和不锈钢丝网。在强透水砂砾石垫层与坡面填土之间布设一层不锈钢丝网，筛孔尺寸可取，目的是防止上部土体填料下漏进入垫层。砂砾石垫层顶面可用粗砂找平，利于不锈钢丝网的铺设和上部土体装填。渗流水位控制槽内的水位高于土槽内坡面水流水位，即⊿H > 0，在此水头差作用下，渗流水位控制槽内的水将向土槽坡面水流补给水量，即发生渗流。由于透水砂砾石的渗透系数一般在10-1cm/s级，且厚度小（10～15cm），而坡面土体的渗透系数一般小于10-3cm/s，所以渗流的水头损失可认为完全由坡面填土产生，而透水砂砾石土层起着蓄积渗流用水的作用，并使得坡面填土渗流底边界的水头一致，确保坡面各点渗流比降相同。渗流水位控制槽与透水多孔管，以软管连接，这便于渗流水头差的按需调节。实验中可利用测压管跟踪量测渗流水头差。
渗流装置的布置如图3。土槽中土体的渗流被渗流舱板分隔成很多段，各自渗流独立，但渗流舱板的顶端埋在坡面以下一定深度，该深度必须大于坡面侵蚀试验中的冲刷厚度。舱板间距取20cm左右。渗流水位控制槽与土槽平行布置，通过等间距布置的透水多孔管向坡面填土底部供水，且每一跟软管只对一个渗流舱供水，而软管两端连接点在坡面法向方向上，故每一个渗流舱中的坡面处渗流比降可按i = ⊿H*cos/DS计算。
1.渗流水位控制槽；2.连接软管；3.透水多孔管；4.砂砾石垫层；
5.渗流舱板；6.试验填土；7.溢流隔板；8.土槽
图3设备中的渗流装置布置示意图
2渗流装置的设计与验证
依据上述设计思想，拟定结构尺寸，利用大型商业软件ABAQUS进行二维有限元计算，优化设计参数，并验证设计的合理性。
2.1 计算模型
应力/流体渗透耦合分析中，砂土应力变形计算采用广泛应用的扩展Mohr-Coulomb塑性模型，其屈服面函数为：
其中， 为剪胀角； 是初始粘聚力，即没有塑性变形时的粘聚力， 为子午面内势函数的顶点与渐近线、p轴交点的偏离值系数， 。
应力/流体渗透耦合分析中的渗流计算采用Forchheimer渗透定律，其渗透系数表达式为：
其中 为饱和土渗透系数， 为反映速度对渗透系数的影响系数， 为流体速度， 为饱和度 的函数，默认 ，本文中 。
2.2 计算方案
本文的渗流计算为稳定渗流，具体计算方案如表1。
通过对比计算分析，可获取设计的最佳参数。对比各方案的计算结果，可优选方案和获取相应规律，见表2。方案1～3之间的差别仅仅在于渗流舱板高度不同，因而可以优选渗流舱板高度。方案1、4和5之间的差别仅仅在于渗流舱板间距不同，因而可以优选渗流舱板的布置间距。方案1、6、7和8之间的差别仅仅在于坡面的坡度不同，因而可以对比分析坡度的不同给坡面渗流比降带来的影响。方案1、9和10之间的差别仅仅在于水头差不同，因而可以对比分析水头差对坡面渗流比降带来的影响。
计算结果在对比如表3：对比方案1～3，可以看出，随着渗流舱板高度的增加（从25cm增加到40cm），坡面渗流比降平均值变化不大，但渗流比降的波动值明显增加，且渗流方向与坡面所成夹角逐渐减小，其波动值显著增加。设计中，希望渗流舱板高度越小越好，但为了防止各渗流舱板顶端的绕渗过大，取舱板高度为25cm是合适的。对比方案1、4和5可见，渗流舱板间距越小越好，在舱板间距为30cm时其渗流比降波动仅为0.52%，但综合经济成本和设计要求（波动值不超过3%），选取间距为40cm较为合适。因此，对于本文中试验采用45cm填土厚度时，渗流舱板高度取25cm，其布置间距取40cm，其坡面渗流比降的均匀程度满足设计要求。对比方案1、6、7和8可见，坡度越小，则渗流越均匀。对比方案1、9和10可见，水头差越小则坡面渗流比降越小，但渗流均匀程度基本一致。
3结语
目前的国内外斜坡土体侵蚀实验装置，能反映坡面流侵蚀机理，但还不能定量研究渗流对斜坡土体搬运过程的耦合作用机理，尤其是土中水的外渗。曾有学者直接向实验土体内部供水，以观察土中水外渗对斜坡土体搬运的影响，其结论是渗流影响显著。本文提出的实验装置与试验方法，能有效克服现有试验方法的不足，并有望广泛应用于复杂水流-渗流坡面冲刷问题的研究中。
参考文献：
[1] 张培文，刘德富，宋玉普. 多孔介质上浅水流动的数学模型. 长江科学院院报，2003，20（3）：13-16.
[2] Dunne，T. 1990. Hydrology，mechanics，and geomorphic implications or erosion by subsurface flow. p. 11–28. In C.G. Higgins and D.R. Coates（ed.）Groundwater geomorphology：The role of subsurface water in earth-surface processes and landforms. Geol. Soc. Am.，Boulder，CO.
[3] Howard，A. D.，and McLane，C. F.（1988）. “Erosion of cohesionless sediment by groundwater seepage.” Water Resour. Res.，24（10），1659–1674.
[4] 张我华，吴昌灿，金荑. 海滩侵蚀的数值分析模型. 海洋工程，2002，20（2）：24-31.
[5] Cheng N S，Chiew Y M. Incipient sediment motion with upward seepage . Journal of Hydrauic Research，1999，37（5）：665-681.
关键词：坡面侵蚀；渗流；坡面流；实验；ABAQUS
引言
从侵蚀水动力来源看，坡面侵蚀可大致分为两大类：一类是坡面土体的外部水动力，其中主要考虑坡面流冲刷力等对土壤的机械破坏作用；另一类是坡面土体的内部水动力，主要考虑壤中水向坡外方向的渗流对土粒的分散和悬浮作用。为研究渗流与坡面片蚀流共同作用下的耦合冲刷效果，本文提出能反映向外渗流影响的土坡冲刷研究装置，探讨其试验方法，并通过有限元分析研究其有效性。
1 试验装置及原理
通过试验，为获得不同地形特征、不同来水流量时坡面形态变化的过程，且重点考察渗流对坡面浅层流水动力特性和坡面侵蚀的影响机理，因此必须研制专门的实验设备。实验设备必须满足5个方面的功能：1）进入试验段的坡面水流流量可调节，且必须为平稳的浅层流，利于现象观测和结果对比；2）在试验中，坡面的坡度可按要求调整，模拟坡地的多种坡度情况；3）渗流在坡面上各点的渗流比降相同，包括方向和大小；4）渗流强度可以调整，模拟多种渗流工况。为此，该设备的基本结构如图1，包括4个部分：土槽、供水装置、渗流装置和尾水接收装置。土槽为坡度可调节的钢制土槽，宽60cm、长500cm、深70cm，且其顶端设置一个钢制稳流槽。利用土槽放水来模拟坡面流。试验中，为了减少稳流槽与冲刷槽接合处因边壁作用导致的土壤下陷，试验小区最顶端1米长的坡段上用塑料布将土体与坡面水流隔开。供水装置采用定水头控制土槽放水最大流量，从试验槽上端按设计要求通过水阀控制流量。供水装置包括定水头供水池、蓄水池、潜水泵、供水管和分流管，其中分流管是控制潜水泵向供水池泵送流量的，多余的水量返回蓄水池，而供水池中多余的水可以从溢流口流出，使得水位保持不变。在实验土槽下端为出水口，并需要设置相应的尾水接收装置。试验开始后，量测坡面出口的水量可得到坡面流的平均流量，并可量测坡面水流的含沙量和输沙率过程。
该实验设备的重点是渗流装置，其主要工作原理如图2。从图2可见，渗流装置主要包括渗流水位控制槽、连接软管、透水多孔管、透水砂砾石和不锈钢丝网。在强透水砂砾石垫层与坡面填土之间布设一层不锈钢丝网，筛孔尺寸可取，目的是防止上部土体填料下漏进入垫层。砂砾石垫层顶面可用粗砂找平，利于不锈钢丝网的铺设和上部土体装填。渗流水位控制槽内的水位高于土槽内坡面水流水位，即⊿H > 0，在此水头差作用下，渗流水位控制槽内的水将向土槽坡面水流补给水量，即发生渗流。由于透水砂砾石的渗透系数一般在10-1cm/s级，且厚度小（10～15cm），而坡面土体的渗透系数一般小于10-3cm/s，所以渗流的水头损失可认为完全由坡面填土产生，而透水砂砾石土层起着蓄积渗流用水的作用，并使得坡面填土渗流底边界的水头一致，确保坡面各点渗流比降相同。渗流水位控制槽与透水多孔管，以软管连接，这便于渗流水头差的按需调节。实验中可利用测压管跟踪量测渗流水头差。
渗流装置的布置如图3。土槽中土体的渗流被渗流舱板分隔成很多段，各自渗流独立，但渗流舱板的顶端埋在坡面以下一定深度，该深度必须大于坡面侵蚀试验中的冲刷厚度。舱板间距取20cm左右。渗流水位控制槽与土槽平行布置，通过等间距布置的透水多孔管向坡面填土底部供水，且每一跟软管只对一个渗流舱供水，而软管两端连接点在坡面法向方向上，故每一个渗流舱中的坡面处渗流比降可按i = ⊿H*cos/DS计算。
1.渗流水位控制槽；2.连接软管；3.透水多孔管；4.砂砾石垫层；
5.渗流舱板；6.试验填土；7.溢流隔板；8.土槽
图3设备中的渗流装置布置示意图
2渗流装置的设计与验证
依据上述设计思想，拟定结构尺寸，利用大型商业软件ABAQUS进行二维有限元计算，优化设计参数，并验证设计的合理性。
2.1 计算模型
应力/流体渗透耦合分析中，砂土应力变形计算采用广泛应用的扩展Mohr-Coulomb塑性模型，其屈服面函数为：
其中， 为剪胀角； 是初始粘聚力，即没有塑性变形时的粘聚力， 为子午面内势函数的顶点与渐近线、p轴交点的偏离值系数， 。
应力/流体渗透耦合分析中的渗流计算采用Forchheimer渗透定律，其渗透系数表达式为：
其中 为饱和土渗透系数， 为反映速度对渗透系数的影响系数， 为流体速度， 为饱和度 的函数，默认 ，本文中 。
2.2 计算方案
本文的渗流计算为稳定渗流，具体计算方案如表1。
通过对比计算分析，可获取设计的最佳参数。对比各方案的计算结果，可优选方案和获取相应规律，见表2。方案1～3之间的差别仅仅在于渗流舱板高度不同，因而可以优选渗流舱板高度。方案1、4和5之间的差别仅仅在于渗流舱板间距不同，因而可以优选渗流舱板的布置间距。方案1、6、7和8之间的差别仅仅在于坡面的坡度不同，因而可以对比分析坡度的不同给坡面渗流比降带来的影响。方案1、9和10之间的差别仅仅在于水头差不同，因而可以对比分析水头差对坡面渗流比降带来的影响。
计算结果在对比如表3：对比方案1～3，可以看出，随着渗流舱板高度的增加（从25cm增加到40cm），坡面渗流比降平均值变化不大，但渗流比降的波动值明显增加，且渗流方向与坡面所成夹角逐渐减小，其波动值显著增加。设计中，希望渗流舱板高度越小越好，但为了防止各渗流舱板顶端的绕渗过大，取舱板高度为25cm是合适的。对比方案1、4和5可见，渗流舱板间距越小越好，在舱板间距为30cm时其渗流比降波动仅为0.52%，但综合经济成本和设计要求（波动值不超过3%），选取间距为40cm较为合适。因此，对于本文中试验采用45cm填土厚度时，渗流舱板高度取25cm，其布置间距取40cm，其坡面渗流比降的均匀程度满足设计要求。对比方案1、6、7和8可见，坡度越小，则渗流越均匀。对比方案1、9和10可见，水头差越小则坡面渗流比降越小，但渗流均匀程度基本一致。
3结语
目前的国内外斜坡土体侵蚀实验装置，能反映坡面流侵蚀机理，但还不能定量研究渗流对斜坡土体搬运过程的耦合作用机理，尤其是土中水的外渗。曾有学者直接向实验土体内部供水，以观察土中水外渗对斜坡土体搬运的影响，其结论是渗流影响显著。本文提出的实验装置与试验方法，能有效克服现有试验方法的不足，并有望广泛应用于复杂水流-渗流坡面冲刷问题的研究中。
参考文献：
[1] 张培文，刘德富，宋玉普. 多孔介质上浅水流动的数学模型. 长江科学院院报，2003，20（3）：13-16.
[2] Dunne，T. 1990. Hydrology，mechanics，and geomorphic implications or erosion by subsurface flow. p. 11–28. In C.G. Higgins and D.R. Coates（ed.）Groundwater geomorphology：The role of subsurface water in earth-surface processes and landforms. Geol. Soc. Am.，Boulder，CO.
[3] Howard，A. D.，and McLane，C. F.（1988）. “Erosion of cohesionless sediment by groundwater seepage.” Water Resour. Res.，24（10），1659–1674.
[4] 张我华，吴昌灿，金荑. 海滩侵蚀的数值分析模型. 海洋工程，2002，20（2）：24-31.
[5] Cheng N S，Chiew Y M. Incipient sediment motion with upward seepage . Journal of Hydrauic Research，1999，37（5）：665-681.