冲刷性能（精选7篇）
冲刷性能 篇1
0前言
工程设备大部分工作在恶劣的环境中,极易遭受到磨损和腐蚀,往往需做涂覆防护处理。目前涂层制备的常用方法有堆焊、激光熔覆、喷砂、电镀等。Co基合金具有良好的耐高温和耐磨损性能,且在激光熔覆过程中与奥氏体不锈钢具有良好的浸润性[1,2]。现有的激光熔覆研究大多针对价格较低的Ni基合金,而对Co基合金研究较少,且对特定冲刷腐蚀类环境中的针对性不强。本工作采用激光熔覆Co Ni Cr Al Y粉末对316L不锈钢表面进行改性处理,以期找到更好的提高金属抗冲刷腐蚀性的方法。
1试验
1.1材料与激光熔覆
基材为316L不锈钢,用钢丝刷对其表面进行清理。激光熔覆用Co Ni Cr Al Y合金粉末的牌号为PR 2627,粒度为 - 74 ~ 45 μm,化学成分 ( 质量分数 ) : 31. 00% ~ 34. 00% Ni,24. 50% ~ 26. 50% Cr,5. 00% ~ 6. 50% Al,0. 40% ~ 0. 80% Y,< 0. 02% C,< 0. 20% Fe, < 0. 10% Si,余量Co。
采用DL-HL-T5000B型5 k W CO2激光器激光熔覆Co Ni Cr Al Y合金粉末制备涂层: 将基材放在激光熔覆器的工作台上,用夹具固定好,关闭工作室门,抽真空至10 Pa左右; 将Co Ni Cr Al Y合金干燥粉末倒入送粉盒中,采用同轴式激光熔覆,激光输出功率4 k W,光斑直径0. 5 mm,扫描速度7 mm/s,送粉量50 g /min,熔覆层厚8 mm。
1.2冲刷腐蚀
采用自制喷射式冲刷腐蚀设备进行冲刷腐蚀: 将激光熔覆试样加工成 12 mm × 13 mm,试验前先用240 ~ 1 000号金相砂纸逐级打磨试样表面,冲刷角度45°,喷射距离为5 mm,室温,时间8 h; 其他冲刷腐蚀条件分4种,见表1。冲刷腐蚀完成后超声波清洗、吹干, 用感量为0. 1 mg的电子天平称重,获得失重数据。
1.3测试表征
采用OLYMPUS GX71金相显微镜观察316L不锈钢及其熔覆层的金相形貌。采用XD -5A型X射线衍射仪( XRD) 分析熔覆层物相,选用Cu靶材,α 粒子轰击待测样品表面,扫描范围为10° ~ 90°。采用HMV WIN型显微硬度计测试熔覆层的硬度,载荷5 N ,加载时间30 s,取5次的平均值。采用QUANTA200型扫描电镜( SEM) 观察试样冲刷腐蚀后的表面形貌。
2结果与讨论
2.1CoNiCrAlY合金熔覆层的组织形貌与硬度
图1为316L不锈钢及Co基合金熔覆层的金相组织。由图1可见,316L不锈钢基体为奥氏体组织,而Co Ni Cr Al Y合金熔覆层是由 γ -Co奥氏体、共晶组织和析出强化相组成。
图2为Co基合金熔覆层的XRD谱。由图2可知, 析出的强化相为Cr2Ni3,Al Co,Al Ni相。
Co基合金熔覆层硬度值为368. 72 HV5 N,316L不锈钢基体 的为203. 02 HV5 N,前者比后 者高出了81. 6% 。
2.2Co基合金熔覆层的耐冲刷腐蚀性能
2.2.1碱性条件下
表2为316L不锈钢和Co基合金熔覆层在碱性条件下的冲刷腐蚀失重量。由表2可以看出: 当碱液浓度、含砂量和流速都较低时,316L不锈钢的累计失重为0. 6 mg,Co基合金熔覆层的为0. 4 mg,比316L不锈钢更耐冲刷腐蚀,但优势并不明显; 当碱浓度、含砂量和流速都较高时,316L奥氏体不锈钢的累计失重为4. 0 mg,Co基合金熔覆层的为0. 7 mg,前者约为后者的6倍,表明316L奥氏体不锈钢的耐冲刷腐蚀性能比Co基合金熔覆层的差很多。
mg
图3为316L不锈钢和Co基合金熔覆层经条件1冲刷腐蚀后的SEM形貌。由图3可以看出: 2种试样的冲刷腐蚀均较轻,316L不锈钢腐蚀表面出现了相对较多的短而浅的显微切削凹坑,有个别凹坑较深,Co基合金熔覆层的表面只出现了相对较少的冲刷腐蚀凹坑。由于碱溶液浓度低,氧去极化腐蚀并不充分,冲刷速度也较慢,两者联合作用不强,所以2种试样的累计损耗量都很少。
图4为316L不锈钢和Co基合金熔覆层经条件2冲刷腐蚀后的SEM形貌。由图4可以看出: 316L不锈钢的冲刷腐蚀表面比Co基合金熔覆层的严重,316L不锈钢表面出现了短深的切削沟槽和凹坑,还发生了由于砂粒的犁削作用而形成的犁沟,部分犁沟两边和前方出现了材料的堆积,塑性变形相对较大; Co基合金熔覆层表面出现了少量的切削犁沟。从化学因素方面考虑,由于在碱性溶液中发生的是氧去极化反应,溶液中O2溶解量少,腐蚀反应速度较同浓度酸中相比较慢,腐蚀反应会在316L不锈钢表面形成钝化膜,但是由于冲力大,导致钝化膜不完整,又因为316L不锈钢的腐蚀电位比Co基合金熔覆层的低[3],所以316L不锈钢的腐蚀程度要比Co基合金熔覆层的严重。从力学因素方面考虑,316L不锈钢的硬度比Co基合金熔覆层的低,Co基合金表面析出了硬质相Cr2Ni3,Al Co,Al Ni,这些硬质相在冲刷过程中有效地抵抗了固相颗粒的机械作用[4],起到了保护作用,所以Co合金熔覆层的累计失重量比316L不锈钢的小,耐冲刷腐蚀性更好。
2.2.2酸性条件下
表3为316L不锈钢和Co基合金熔覆层在酸性条件下冲刷腐蚀后的累计失重量。由表3可以看出: 当酸浓度、含砂量和流速都较低时,316L不锈钢的累计失重为2. 1 mg,Co基合金熔覆层的为1. 8 mg,耐冲刷腐蚀性能比316L奥氏体不锈钢的好,但优势不明显; 当酸浓度、含砂量和流速都较高时,316L不锈钢的累计失重高达169. 0 mg,Co基合金熔覆层的为30. 8 mg。前者是后的5倍,表明316L不锈钢的耐冲刷腐蚀性能远不及Co基合金熔覆层。
mg
图5为316L不锈钢及Co基合金熔覆层经条件3冲刷腐蚀后的SEM形貌。由图5可以看出: 316L不锈钢表面不仅出现了短而浅的切削沟槽和部分凹坑,犁沟的两侧和前端还出现了材料的堆积和塑性变形,Co基合金涂层表面仅出现细小的腐蚀凹坑,表面并没有发生塑性变形,这是因为虽然酸的浓度很低,但氢去极化腐蚀不断进行,所以2种材料都被腐蚀; Co基合金熔覆层的腐蚀电位高于316L不锈钢的,所以316L不锈钢腐蚀较严重,失重量较大; 由于冲刷速度相对较低, Co基合金熔覆层表面的硬质相可以完全起到保护作用,所以其表面基本没有塑性变形,而316L不锈钢硬度比Co基合金熔覆层低,也没有硬质相的保护,导致了其表面部分发生塑性变形。
图6为316L不锈钢和Co基合金熔覆层经条件4冲刷腐蚀后的SEM形貌。由图6可以看出: 316L不锈钢表面不仅出现了大量长而深的切削沟槽,而且还发生了由于砂粒的犁削作用而形成的犁沟和深的凹坑, 促进了冲刷腐蚀; 在酸中316L不锈钢的腐蚀电位低于Co基合金熔覆层的,316L不锈钢表面被严重腐蚀,而流动促使液体中的H+和熔覆层表面充分接触而促进了传质过程,腐蚀导致表面材料变得疏松,在大机械力的作用下,材料被挤压到犁沟的两侧和前方形成剪切唇,在随后的冲刷腐蚀冲击下,剪切唇被固体颗粒切削掉,如此反复,造成了严重损耗; Co基合金熔覆层表面也出现了切削犁沟,并且在部分沟槽前端出现了材料堆积,但是熔覆层中的硬质相在冲刷腐蚀过程中有效地抵抗了固体颗粒的机械作用,再加上Co元素的抗腐蚀性,二者的联合有效地提高了熔覆层的耐冲刷腐蚀性能,Co基合金熔覆层在同样条件下的累积失重仅约为316L不锈钢的1 /5。在高速冲刷和高浓度腐蚀联合作用下,材料的损伤主要取决于材料的硬度[5]。Co基合金熔覆层硬度比316L不锈钢的高得多,因此具有优良的抗冲刷腐蚀性能。
综合酸性条件和碱性条件的试验结果可知,在相同腐蚀溶液浓度、含砂量及冲刷速度下,基材及熔覆层在酸中的腐蚀比在碱中的严重,这是由于氢去极化腐蚀比氧去极化容易些。316L不锈钢和Co基合金熔覆层经条件4冲刷腐蚀的累积失重均约为条件2冲刷腐蚀的40倍。这是因为在高浓度的酸中,材料表面发生了充分的氢去极化腐蚀,严重的腐蚀使金属表面变得疏松,使固体颗粒的冲击作用有了更大的威力,极大地促进了化学和力学的交互作用,从而加速了表层的脱落,如此反复,使高浓度酸中的冲刷腐蚀比高浓度碱中的严重得多。
3结论
( 1) 在低浓度( 1% ) 酸碱及低含砂量( 5% ) 及低速 ( 5 m/s) 冲刷条件下,Co基合金熔覆层的耐冲刷腐蚀性略高于316L不锈钢; 但在高浓度( 5% ) 酸碱及高含砂量( 20% ) 及高速( 20 m/s) 冲刷条件下,Co基合金熔覆层的耐冲刷腐蚀性能明显优于316L不锈钢。
( 2) Co基合金熔覆层含有大量的Co,Ni元素,可以提高材料的耐腐蚀性,硬质相Cr2Ni3,Al Co和Al Ni的析出,可以提高材料的耐力学冲刷性能。这2个有利因素的综合作用促使Co基合金熔覆层的耐冲刷腐蚀性能远远高于316L不锈钢的。
( 3) 优化激光熔覆工艺参数进一步提高了金属表面的耐冲刷腐蚀性能。
冲刷性能 篇2
关键词：Ni-P-SiC涂层,Ni60JH涂层,冲刷腐蚀,耐蚀性,冲蚀角,温度,冲蚀速度
0 前 言
冲刷腐蚀是腐蚀与磨损之间交互作用的结果, 大大加速了材料的失效过程[1,2,3,4], 其危害性较大。用电化学方法研究发现, 磨料的机械作用使腐蚀度增加了2～4个数量级[5];使用电化学方法和失重法研究发现, 在3.5%NaCl溶液中材料的耐冲刷腐蚀能力并不随表面显微硬度的增大而必然增长, 添加N, Mo等元素可以提高不锈钢的耐冲刷腐蚀性能[6];在一般条件下, 颗粒硬度越高, 冲刷腐蚀越严重, 颗粒浓度越大, 冲刷腐蚀速率的绝对值越大, 但并不是一直呈线性增加, 高浓度条件下颗粒间的相互影响所引起的“屏蔽效应”会使其冲蚀效率降低[7]。高速电弧喷涂FeCrAl 涂层和3Cr13 涂层的冲刷腐蚀性能为:冲蚀角相同的情况下, 冲刷速度增加, 涂层损伤加重, 在冲蚀速度一定的情况下, 冲蚀角为30°时涂层失重率最高[8]。影响冲刷腐蚀的主要因素有4种[9,10,11]:材料、腐蚀环境、固体颗粒、流体力学, 应从这4个方面出发开展工作, 以缓解冲刷腐蚀的危害。
本工作研究Q235钢基体上Ni - P - SiC涂层和Ni60JH涂层在酸性环境中的冲刷腐蚀性能, 考察了不同冲刷速度、冲蚀角度及试验温度等因素对涂层冲刷腐蚀行为的影响, 为耐磨耐蚀涂层体系在液固两相流冲刷腐蚀工况中的实际应用提供理论依据。
1 试 验
1.1 Ni - P - SiC涂层的制备
在表面预处理后的Q235钢试样上通过酸性化学镀镍制备Ni - P - SiC涂层。酸性化学镀镍配方及参数:10～50 g/L 硫酸镍 (主盐) , 10～50 g/L 次亚磷酸钠 (还原剂) , 0～15 g/L 柠檬酸钠 (配位剂) , 15～25 mL/L 乳酸 (配位剂) , 0～15 g/L 醋酸钠 (pH值缓冲剂) , 2～15 g/L SiC, 其他组分0～5 g/L;pH值4.0～6.0, 温度80～95 ℃。化学镀镍后用重铬酸盐封闭镀层。
1.2 Ni60JH涂层的制备
以粒度15～40 μm的Ni60镍基合金粉末为喷涂用材, 采用SULZER METCO DJ - 2700型火焰喷涂设备对喷砂后的Q235钢试样进行超音速火焰喷涂, 制备Ni60JH涂层试样, 燃料气体采用丙烷, 喷涂距离为190 mm, 喷涂厚度为0.30 mm。为消除涂层表面粗糙度对冲蚀磨损试验结果的影响, 对喷涂后的试样表面用砂纸打磨至800号, 再用丙酮除油、酒精清洗干净, 并用超声波清洗, 尽量使试样表面状态保持一致。试样非暴露表面用704胶涂封, 固化24 h备用。
1.3 测试条件与方法
冲刷试验在自制冲刷腐蚀试验机上进行, 其结构示意图见图1。试验浆料 (质量分数) 为5%H2SO4+15%石英砂 (60目) , 温度为 (20±1) ℃, 冲刷腐蚀时间为180 min, 冲蚀角为0°, 30°, 60°, 线速度为0, 2.5, 5.0, 7.5, 10.0 m/s, 溶剂为蒸馏水。试样试验前后用精度为0.1 mg的电子天平称重。
1.电机 2.主轴 3.碳刷 4.铜套 5.罐盖 6.浆料罐7.挡板 8.铜柱 - 弹簧 9.试样盘 10.搅拌叶轮11.铂片 12.鲁金毛细管 13.乳胶管 14.饱和甘汞电极
冲刷腐蚀交互作用各质量损失分量的关系为[12]:
Wt=We+Wc+Wec
式中 Wt ——总冲刷腐蚀磨损失重, 用失重法测得
We ——纯磨损失重分量, 阴极保护下失重法测得, 保护电位为-1.0 V
Wc ——纯腐蚀失重分量, 在无磨料的腐蚀介质中用失重法测得
Wec ——磨损与冲刷腐蚀交互作用分量
动态电化学测试采用PS - 168型电化学微机控制测量系统进行, 电化学试验参数:采样周期为1 s, 扫描速度为1 mV/s, 扫描范围为-900～900 mV, 以饱和甘汞电极 (SCE) 为参比电极, 铂电极为辅助电极。
2 结果及讨论
2.1 冲刷速度对涂层冲刷腐蚀磨损的影响
在冲蚀角为0°下, Ni - P - SiC和Ni60JH涂层的Wt, We和Wc随冲刷速度的变化见图2。从图2可以看出, 随冲刷速度提高, 2种涂层的损伤程度加剧;当冲刷速度从2.5 m/s提高到5.0 m/s时, Ni60JH涂层的Wt从37.0 g/ (m2·h) 增加到89.0 g/ (m2·h) , Ni - P - SiC涂层的从4.0 g/ (m2·h) 增加到12.0 g/ (m2·h) ;当冲刷速度从2.5 m/s提高到7.5 m/s时, Ni60JH涂层的Wt从37.0 g/ (m2·h) 增加到173.0 g/ (m2·h) , 而Ni - P - SiC涂层的则从4.0 g/ (m2·h) 增加到41.0 g/ (m2·h) , 可见随冲刷速度增加, 2种涂层的纯磨损率We和纯腐蚀率Wc均有大幅度上升, Ni60JH涂层的Wt远大于Ni - P - SiC涂层, 主要是因为Ni60JH涂层的纯腐蚀失重率Wc在各个冲刷速率下均比Ni - P - SiC涂层高很多。
从各损失分量占总失重量的比例可知, Ni - P - SiC涂层的损伤以磨损为主, 而Ni60JH涂层的损伤以腐蚀为主。因此, 要使涂层在腐蚀浆料中具有优良的耐冲刷腐蚀磨损性能, 首先必须具备优良的耐蚀性, 在此基础上再考虑涂层的耐磨性, 取得两者的最优配比。
2.2 冲刷角度对涂层冲刷腐蚀磨损的影响
在冲刷速度为5 m/s条件下, 2种涂层的冲刷腐蚀磨损率Wt和冲刷腐蚀与磨损的交互作用率Wec随冲蚀角的变化见图3。
从图3可以看出, 2种涂层均在30°处出现极大值。出现极值的原因是涂层的We在30°处出现极大值, 从而导致Wec也出现极大值。这也与材料冲蚀磨损过程的破坏机制有关[13,14]:冲蚀磨损材料的破坏机制主要有微切削机制和塑性变形机制;在低角度冲蚀磨损时, 以微切削机制为主, 而高角度冲蚀磨损时, 则以变形破坏机制为主;2种破坏机制的结合使材料在某一角度出现最大的冲蚀磨损失重率。显然, 要降低涂层在这一角度使用时的损伤, 提高其耐磨性将是有效的。
2种涂层的纯冲刷磨损率的试验结果见表1。从表1可以看出, Ni - P - SiC涂层的We比Ni60JH涂层稍高, 但差距不明显。这可能是由于2种涂层的硬度与浆料中石英磨料的硬度相比仍属于硬磨料磨损范畴, 此时提高涂层的硬度对降低磨损率影响不大。根据相关磨损试验结果, 要使材料的耐磨性有较大提高, 材料硬度与磨料硬度的比值应达到0.8以上。
g/ (m2·h)
2.3 温度对涂层冲刷腐蚀磨损的影响
图4为冲蚀角0°, 冲蚀速度5 m/s, 不同试验温度下, 2种涂层的Wt, We, Wc和Wec数据。
由图4可知:当温度从20 ℃提高到80 ℃时, Ni - P - SiC涂层的Wt增加了2.75倍, Ni60JH涂层的Wt增加了3.18倍;在20 ℃时, Ni - P - SiC涂层的We和Wc分别约占Wt的66.7%和25.0%, 温度增至80 ℃时, We的比例下降到24.2%, 而Wc的比例则增加到72.7%;Ni60JH涂层在20 ℃时的We和Wc分别约占Wt的10.1%和65.2%, 当温度升到80 ℃时, We降至3.2%而Wc升至79.2%。这一结果表明, 随试验温度上升, 涂层的纯腐蚀失重率占总冲刷腐蚀磨损失重率的比例大幅上升, 而纯磨损失重率变化不大, 总冲刷腐蚀磨损失重以腐蚀失重为主, 提高涂层的耐蚀性可显著降低冲刷腐蚀磨损工况下涂层的损伤。
3 结 论
(1) 在5%H2SO4+15%石英砂冲刷条件下, 2种涂层均以腐蚀损伤为主。冲刷腐蚀磨损条件的变化使2种损伤的相对比例有所变化, 耐蚀性较好的Ni - P - SiC涂层具有较低的冲刷腐蚀磨损率和低的腐蚀与磨损交互作用率, 耐蚀性较差的Ni60JH涂层腐蚀及腐蚀与磨损交互作用导致的损伤更严重, 冲刷腐蚀磨损率较高。
(2) 在冲刷角度和温度一定的条件下, 随冲刷速度提高, Ni - P - SiC涂层质量损失率的增长速度大于Ni60JH涂层;耐蚀性好的Ni - P - SiC涂层以磨损为主, 耐蚀性较差的Ni60JH涂层以腐蚀为主。
(3) 在冲刷速度和温度一定的条件下, Ni - P - SiC涂层和Ni60JH涂层均在冲蚀角为30°时出现质量损失极大值。主要原因为材料在此角度下的磨损达到最大值, 从而使腐蚀与磨损的交互作用也达到最大值。
山区公路小桥涵冲刷机理研究 篇3
1 公路小桥涵的水力特性
小桥的泄流分为自由出流和湮灭式出流2类:ht<1.3hk时为自由式出流, ht≥1.3hk时为湮灭式出流。其中:ht为下游水深, hk为桥孔中的临界水深。
因涵洞具有极其广泛的应用性, 并且与小桥的水流特性有一定的相似性, 本文仅以涵洞为主要研究对象, 对涵洞内的水流流态进行分析。
涵洞因进出口型式、洞身长短及断面形式、底坡, 孔径尺寸和上下游水位等的不同, 过涵水流可表现为无压流、半有压流和有压流三种水流形态, 并且具备不同的水流特征。因此, 进行涵洞水力设计时, 须先判明在一定条件下涵洞中可能产生哪一种水流形态, 以便根据具体条件选择合适的水流形态及与之相应的水力计算方法。在公路的设计中, 涵洞一般采用无压涵洞, 本文仅就自由出流条件下涵洞水流型态的转变及相应判别界限进行分析。
对无压涵洞, 可根据整个洞长范围内的水流现象, 按进口段、洞身段和出口段分别进行分析。试验研究表明, 对于进出口形式、洞长、纵坡、洞身断面形式、建筑材料及孔径尺寸已确定的涵洞, 洞中的水流现象主要决定于上、下游水位。
2 小桥涵水毁的冲刷机理
2.1 局部冲刷坑的形成过程
局部冲刷是小桥涵下游及其附近所存在的普遍问题。当小桥涵兴建后, 由于其泄流宽度远较原有河道缩窄, 使得单宽流量增加。同时, 由于抬高上游水位造成显著的上下游水位差, 因而上游来水流经小桥涵后把位能转换为巨大的动能, 集中向下游渲泄, 水流湍急, 即使经过消能措施, 仍有可能超过原有河道的正常流速或河床土质的允许不冲流速, 引起小桥涵后的局部冲刷。如图1所示。
由于在小桥涵铺砌末端垂裙下游形成局部冲刷坑, 冲刷坑深度在水流作用下逐渐加大, 特别是当冲刷坑的深度超过垂裙的基础埋置深度时, 将会严重影响小桥涵出口处的稳定性、安全性。山区公路小桥涵的水毁, 多数发生在出口处, 往往是由于局部冲刷坑的深度超过了垂裙的基础埋置深度, 引起垂裙下沉、坍塌, 进而形成小桥涵出口铺砌段损毁, 严重时会危及小桥涵出口处的安全。加深垂裙的埋置深度是山区公路小桥涵的一种水毁防治办法, 但仅靠加深垂裙的深度是不够的, 因为超过一定的深度, 施工困难程度将显著, 对小桥涵的出口处采取消能和加固措施, 无疑是一种既经济又有效的方法, 它可以减小冲刷深度, 增加小桥涵的稳定性。
2.2 局部冲刷坑的形成机理研究
研究小桥涵出口附近的冲刷问题, 首先应了解冲刷过程和引起冲刷的水流的内部结构, 然后才能在此基础上做进一步的定量分析。而这种研究手段除了必要的理论分析计算以外, 还需要水工模型试验。通过试验观测可知, 冲刷过程分为开始的强烈冲刷与随后的持续发展2个阶段, 并且可以通过垂直剖面和平面上的水流流动特征, 来分析描述冲刷坑的形成、发展过程。
从沿纵剖面的二元水流观点来说, 水流流出下游铺砌末端 (或不致冲动的抛石防护) 进入天然河床时, 就开始紧贴河床向前流动。由于高速水流的直接作用, 河床发生强烈冲刷和急剧变形, 靠近铺砌末端的河床很快就形成冲刷坑, 如图2 (a) 所示。
接着, 由于河床淘刷, 冲出铺砌末端的主流就脱离冲刷坑的前坡面形成平轴漩涡水流区域, 并基本上改变了开始极短时间内该区坡面泥沙的运动方向。旋滚水流的末端大致与冲刷坑最深点相合, 或稍在坑底下游。冲刷坑后坡面的泥沙仍然沿底向下游运动, 而且后坡面逐渐变缓。同时由于主流下面边界处的旋滚水流作用, 冲刷坑底逐渐向下游推移, 深度也逐渐加深至冲刷平衡为止。因此, 前坡面上回漩水流范围随冲刷坑的变化也在加大, 如图2 (b) 所示, 这就是形成最大冲刷坑要延续很久的重要水流形式。至于沿前坡面 (包括坑底在内) 向上游推送的泥沙, 则由于回漩水流的剧烈紊动现象, 随时可能被吸升到主流区内而抛向下游或散落附近, 随后又有坑底淘刷泥沙继续向前坡面补充。同时, 由于前坡面上的局部漩涡不停地扬卷泥沙, 造成时冲时淤的复杂现象。泥沙的搬运则以坑底附近和后坡面为最快, 如图2 (b) 中的影线部分, 前坡面则基本上没有改变。
由于水流内部的紊动现象、波动压力的不平衡、冲刷坑的边界不断变化等, 虽然断面上各点的平均流速分布已相当均匀, 实际水流仍难保持真正的二元水流性质, 故常因局部旋涡或瞬时的不平衡水流现象造成各种复杂的冲刷地形。在试验中可以看到, 很难获得沿横向一致的冲刷坑。如果对试验中水流形态和冲刷坑的发展过程进行仔细观察, 就会发现沿坡面排列着左右成对的回漩, 不断的交替着将侧边泥沙扬卷到中部。以致在水槽中的冲刷地形时常会有中间显著高于两个侧边的情况, 因此, 有必要进一步从水流的平面上来说明冲刷的过程。
在水流的平面图上, 从横向流速的分布来看, 若有流势集中的主流时, 两侧就经常伴随着回漩水流。由于两侧回漩水流是不稳定的, 此消彼涨, 难以保持对称。而可能将主流吸向某一侧, 当主流偏向左侧时, 则左侧回漩 (竖轴旋涡) 区被迫缩小而回旋速度加块, 随之对左侧河床泥沙淘刷加剧, 右侧回漩区扩大而强度降低。反而暂时形成淤积。同时, 部分泥沙则被主流挟向下游。接着左右两侧河床继续冲淤变形。回漩范围逐渐改变, 一直到河床土质与回漩流速相适应, 左右回漩相平衡时, 主流暂时摆列中间, 但是由于水流挟沙运动的惯性和泥沙开始起动的不易, 因此左右回漩的发展往往超过均势状态而迅速把主流吸向右侧, 再冲刷右侧河床, 因此, 主流不断左右摇摆, 两侧冲刷坑就交替地向前推进加深, 主流摆动的幅度也逐渐减小, 直至河床冲刷平衡, 水流稳定时为止。河床泥沙大都在向下游运动的同时, 也同样被左右搬运, 有时冲刷严重者两侧深坑向下游推进的结果也会合二为一。
以上从垂直剖面和平面上观察到的局部冲刷的过程, 实有类似之处, 即主要受主流下面和侧面的回漩水流影响, 而水流因固定边界或消能工程的作用, 使进入冲刷河床的流速分布具有各种各样的不均匀分布情况, 在整个水流横剖面上经常会造成一股或几股集中流, 他们周围都分别伴随着回漩水流, 与地形相互作用构成了复杂的冲刷过程。
3 结语
通过室内水工模型试验及理论分析, 对自由出流条件下涵洞水流形态进行了分析。从垂直剖面和平面上的涵洞水流流动特征考查小桥涵出口局部冲刷坑的形成、发展过程, 明确了山区公路小桥涵冲刷水毁机理, 为防冲、消能的研究提供基础。研究认为, 对小桥涵的出口处采取消能和加固措施, 是一种既经济有效的方法, 可以减小冲刷深度, 增加小桥涵的稳定性。
参考文献
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不同边坡防护形式防冲刷试验研究 篇4
目前的边坡防护主要是考虑边坡稳定性,对边坡及防护设施的量化抗冲刷能力考虑较少, 水对边坡的冲刷造成的边坡失稳,并没有引起足够的重视。边坡的防护措施大多基于经验类化,进行防护设计时缺乏系统的理论依据[1]。
坡面防护主要分为植物防护和圬工防护。植物防护是在坡面上种植植物或铺草皮,依靠植物根系的固土作用以及茎叶的阻流作用来抵抗冲刷破坏,但这种方法的抗冲刷能力较圬工防护低,在一些土质不佳的地区,仅采用植被防护难以达到很好的抗冲刷效果。公路边坡防护措施主要有浆砌片石、衬砌拱形、水泥混凝土预制块、六角空心块等防护措施[1]。圬工防护的优点是抗冲刷能力强,在土质不佳地区必须使用。但是这种措施的成本高,并且对环境有污染。本次试验旨在通过室内模型试验,研究植被防护措施与圬工防护措施相结合的防护效果,具有重要的理论意义。
1降雨对边坡坡面的破坏与边坡防护形式
坡面冲刷过程包括降雨溅蚀和径流冲刷引起的土颗粒分离、泥沙转移和沉积三大过程。在降雨过程中,当降雨强度超过了土壤表面的下渗能力后,就会在土壤表面产生径流,根据不同的地表形貌,径流发生汇集并逐渐形成水深较深、流速较大的水流。这必然会对土壤形成冲刷,当径流流量、流速达到或超过土壤的抗侵蚀能力后,会对土壤结构造成破坏。根据破坏的程度不同可分为面状侵蚀、细沟侵蚀、浅沟侵蚀和切沟侵蚀[2]。本次试验是在室内进行的,难以考虑降雨击溅对坡面的侵蚀,主要研究边坡在径流冲刷的情况下几种防护措施的防护效果。
坡面的冲刷是一个复杂的过程,冲刷破坏不仅取决于降雨的强度、径流流量的大小、流速等因素,同时也跟土壤本身的土质(土分离的难易程度)、以及气候、地形、植被覆盖等因素有直接关系。在本次室内边坡模拟冲刷试验中,需要考虑的因素主要有防护坡的坡型、坡度与尺寸,径流流量的大小以及防护形式。
边坡防冲刷的防护形式主要分为工程措施方面和植物措施方面。边坡植物防护与工程防护的方法有很多种,这些方法都有各自的作用和特点,适用于不用条件的边坡,综合考虑边坡的防护性能与工程经济性。本次室内试验采用了砌体骨架加植被的综合防护措施。以达到在稳定的边坡上种植适合当地土质的植物的目的。
骨架形式采用预制块方形网格、预制块菱形网格与衬砌拱型骨架三种;草种选择美国兰草与高羊茅两种按1∶1混播种植,为了便于草皮生长,在室外布置两块场地,分别种植纯草皮与加三维网的草皮,待密度达到试验要求后,严格按照相应的施工工序移植到骨架内。
2试验模型及方法
模型试验在空军工程大学机场排水实验室内进行。 模型试验系统包括供水系统、模型试验区及排水系统。供水系统由储水池、水泵房、恒压水塔、流量控制装置以及进水稳流设施组成。由17 kW的水泵连续向水塔供水,水塔有恒压装置,恒压水流经管道流进流量控制装置,然后通过消浪稳定后形成与试验沟槽同宽的稳定水流进入模型试验区。模型试验的试验区总长3.5 m,宽0.9 m,坡面为坡比1∶2的平整坡面,试验区上部为混凝土坡面,作用是增加流速,投影长2.5 m,铺草皮段投影长1 m。模型试验区主要测量不同流量下的边坡断面的水面深度,用来计算边坡内的径流流速。模型照片如图1所示。
试验方法为启动水泵,调节进水阀门,在矩形堰观测进水流量。水流通过稳定水池稳定后,进入试验区,通过混凝土平面坡,使坡面流速基本稳定,然后进入防护试验区。流量从小逐级增大,分2～4级,每级持续冲刷1 h。如果上一级流速未造成防护坡冲刷破坏,加大流速,直至草皮冲刷破坏。草皮的破坏至今没有一个固定的标准,本次试验以坡面土壤出现较大的坑洞或草皮翻起为破坏标准。为了对比不同防护形式的防护效果,本次试验在三种骨架内分别移植纯密草皮与加三维网的密草皮。
试验测试内容主要是测定水头高度以及混凝土边坡上的水流深度,并以此计算出水流流速。矩形堰流量按式(1)、式(2)计算。
式中:Q为流量,L/s;m为流量系数;B为水面宽,m;b为堰口宽,m;H为堰头水深,m;p为上游堰高,m。数据采集前需要对矩形堰进行率定,空军工程大学航空航天工程学院李洪囡等所做的研究得出率定系数为0.922[4]。
为了保证测量到的径流深度比较准确,本次试验在坡面的固定的水平线上设立左、中、右三个固定的观测点,通过取平均值确定径流深度。通过公式(3)得出径流流速
v=Q/hb (3)
式(3)中,v为径流流速,m/s;Q为径流流量,L/s;h为径流深度,m;b为坡面宽度,m。
3试验数据分析
本次试验中,径流流速是通过调节流量来控制的,所以,为了很好地控制径流流速,必须掌握径流流速与流量的关系。在试验系统不变,边坡坡度为1∶2,坡面为平面的条件下,得到的矩形堰的流量与径流流速之间的关系可用图2表示。
从图2中的趋势线我们可以看出,径流的流速随着流量的增大而增大,但单位流量的流速增加量逐步减小,也就是说流速增长的趋势逐渐减小。在已知径流流速与流量的关系的前提下,就能在试验中很好地控制径流流速。
3.1预制块方形网格
方形骨架尺寸为:内边宽35 cm,长45 cm,与上部坡面平行。
采用方形网格骨架,纯密草皮在流速达到1.269 m/s的时候遭到冲坏,如图3所示,加三维网的密草皮在流速达到1.993 m/s的时候遭到破坏,如图4所示,试验结果见表1。
刚启动水泵时,流量很小,坡面水流以薄层漫流的形式冲刷表面,只能冲刷表层一些分散的土颗粒,这是冲刷的第一个阶段——面状侵蚀;少量加大流量后,径流在流动的过程中发生汇集,形成股流,侵蚀力增强,经过一定时间后会在土表面形成细沟,这是冲刷的第二个阶段——细沟侵蚀;当流量进一步加大后,流速变大,径流在土表和细沟内形成更大的侵蚀力,径流的剪切力增强,最后沿着细沟下切导致草皮土壤结构遭到破坏,这一阶段即是冲刷的切沟侵蚀;未加三维网的密草皮在1.269 m/s的流速下持续冲刷1 h后,草皮在细沟处被冲翻起,形成面积较大、深6.5 cm的坑,此时,可以认为草皮被冲坏。由于草皮被冲刷破坏的标准不好掌握,为了便于比较不同防护形式的抗冲刷能力,此次试验即以观测法观测草皮出现较大的坑或草皮翻起为破坏标准。
加三维网的草皮在1.533 m/s的流速下持续冲刷1 h后,出现了面积较小的坑,但草未被冲走,草根仍与三维网交织在一起,仍能起到阻挡径流的作用。加大流量,在1.993 m/s的流速下持续冲刷1小时后,草皮的破坏情况较上一级相比,坑的面积增加量不是很大。对此,我们可以看出,由于三维网的存在,在草较稀的部位尽管土壤流失较严重,但面积较小,且草不易被冲走,这就使得草皮的减小径流速度的能力得以保持,有效保护了下方的草皮;并且有效阻止了径流沿着细沟下切致使草皮发生大面积掏空甚至连根翻起的现象。
3.2预制块菱形网格
菱形骨架尺寸为:内边长35 cm,宽10 cm,顶角45°,与上部坡面平行。
采用菱形网格骨架,纯密草皮在流速达到1.388 m/s的时候遭到冲坏,如图5所示,加三维网的密草皮在流速达到2.095 m/s的时候遭到破坏,如图6所示,防护效果略好于方形骨架,试验结果见表2。
通过观察我们发现,由于方形与菱形骨架是与混凝土坡面平行的,两者对水流的引流流向都是与上部平行,这样就避免了水流直接对草皮形成下切的力。试验结果表明菱形骨架对水流的分流作用略好于方形骨架,两种骨架形式对边坡防护所起的作用相近。
3.3衬砌拱形骨架
拱形骨架的尺寸为:拱圈半径15 cm,宽3 cm,高出混凝土表面3 cm,两拱间间距为10 cm,试验数据见表3。
采用拱形骨架,各经过三个级别的冲刷后,两种草皮都未被冲坏。径流在第一级的流量下刚好能够越过拱顶进入草皮区,这时的径流由于受到拱顶的阻碍,流量、流速较小,只对离拱顶较近表层土有少量的侵蚀;加大流量到第二级时,径流流量、流速加大,冲击拱顶后跃起,对拱的中间部分产生击溅,经过一小时的冲刷,未加三维网的密草皮被击溅部分形成最大约0.9 cm深的坑,草皮整体侵蚀很少,如图7所示;三维网的密草皮被击溅部分只形成最大约0.8 cm深的坑,草皮整体侵蚀很少,如图8所示;当流量加大到第三级时,径流冲击拱顶后完全越过了下方的草皮区,不会对草皮产生破坏。
通过实验现象可以看出,大部分的水流由于拱顶的存在都从衬砌拱的两侧排出,水流的能量也在撞击后大大减小,进入到草皮区的水流的侵蚀力也很有限。两种草皮在试验中都能有效抵抗住径流的侵蚀,拱形砌体不仅保证了边坡稳定,而且在对径流的分流、消能方面起到了很好的作用。
4结论
通过室内模拟冲刷试验,对三种不同形式的生态防护措施的抗冲刷能力进行了研究,结果表明:
(1)径流从坡面进入草皮后,流速明显下降,说明植物在边坡防护中能够起到阻缓径流的作用,植物的根系还能增强土的抗剪能力等作用。
(2)三维网具有固土性能优良、消能作用明显、网络加筋突出等作用,本次试验通过使用三维网加植草的措施,抗冲刷流速达到了2 m/s左右。
(3)工程防护措施在边坡防护中所起到的防护作用大于植物防护措施,虽然植被防护措施具有很好的经济性与美观性,但在土质不佳的地区,仅使用植被防护措施可能会达不到边坡稳定的要求,所以必须采取两者相结合的综合防护措施。在工程防护措施方面,对比方形网格、菱形网格、衬砌拱形三种防护形式,发现衬砌拱形的防护效果最佳。
摘要：通过室内模型试验,研究了三种不同工程防护措施结合两种不同植被防护措施的边坡的防护效果。试验证明三维网能有效提高草皮的抗冲刷能力。衬砌拱形骨架的防护能力好于方格网骨架和菱形骨架。在对边坡采取防护措施时,结合工程防护措施与植被防护措施能够使在稳定的边坡上种植适合当地土质的植被,从而取得良好的防护效果。
关键词：坡面防护,三维网,植被,圬工,室内试验
参考文献
[1]高民欢,李辉,张新宇,等.高等级公路边坡冲刷理论与植被防护技术.北京:人民交通出版社,20052JTJ018—97公路排水设计规范
[3]王小彪.公路边坡生态防护的防冲刷机理及防治效果研究.重庆:重庆交通大学,2010
[4]李洪囡.高原机场边坡及排水沟生态防护技术研究.西安:空军工程大学,2008
三门峡库区溯源冲刷现象分析 篇5
溯源冲刷是一种坝前水位迅速下降至淤积三角洲顶点以下所引起的自下而上的冲刷, 冲刷强度随库水位降落到淤积三角洲顶点以下越低而越大, 相应的向上发展的速度越快, 冲刷末端发展的也越远。溯源冲刷是水库冲刷的重要方法之一[1], 冲刷时间短、效率高。
1 溯源冲刷的产生
坝前水位下降是产生溯源冲刷的必要条件[2], 但并不是每次坝前水位下降都会产生溯源冲刷, 只有当水位下降到库区淤积三角洲顶点以下时, 溯源冲刷才会发生。汛初坝前水位逐步降低, 在入库输沙率变化很小的前提下, 出库输沙率突然增大, 可认为发生了溯源冲刷。以出库输沙率突然增大时的逐日平均水位确定为发生溯源冲刷时的坝前水位。1980年以来水库非汛期最高运用水位逐年下调, 高水位运用时间也不断减少, 特别是1992年以后, 水库非汛期高水位运用时间迅速减少, 非汛期水位>320m天数由80d减小到30d, 1993、1995年更是出现了非汛期>322m水位运用0d的情况。水库非汛期运用水位的变化, 也反映在汛初发生溯源冲刷时所需的水位上。
从图1可以看到, 两者有较好的相关性, 非汛期平均运用水位越高, 发生溯源冲刷时所需的坝前水位降水就越少。当非汛期平均运用水位在315m左右时, 汛初发生溯源冲刷时的坝前水位在305m附近。而当非汛期平均运用水位达到了316.5m左右时, 冲刷水位基本在306~308m之间。水库非汛期平均运用水位每升高1.5m, 发生溯源冲刷需要的坝前降水就减小1~2m。因此, 非汛期平均运用水位对汛期发生溯源冲刷时所需水位起着重要作用。
非汛期平均运用水位越高、高水头运用天数越长, 水库淤积三角洲顶点高程也就越高, 只有当水库坝前水位降低到淤积三角洲顶点以下, 才会发生溯源冲刷, 所以非汛期平均运用水位升高, 高水头运用天数增加, 使发生溯源冲刷所需坝前降水减少。
2 冲刷的发展范围
在水库溯源冲刷的过程中, 一般是从淤积三角洲顶点向上游发展的, 三门峡库区溯源冲刷距离与流量、降水幅度、非汛期黄淤31~41断面的淤积量等因素有关。
如表1所示[3], 1980、1981年冲刷发展到了黄淤38断面。1982~1987年冲刷距离不断减小, 其中1987年仅发展到31断面。1989~1995年冲刷距离变化并不明显, 基本在33~37断面之间变化。用发生溯源冲刷时的坝前水位与汛期最低坝前水位之差表示降水幅度, 可以看到, 溯源冲刷发展距离随降水幅度增大而增大。降水幅度在8m以上, 溯源冲刷可以发展到黄淤36断面以上, 而降水小于8m, 冲刷发展距离较短, 如1986、1987、1995年分别发展到了黄淤34、31、33断面。
流量较小的时候, 冲刷距离相应的较短。1987、1991年汛期均为小流量, 冲刷断面仅发展到了31、33断面。当其他条件变化不大的情况下, 流量越大冲刷距离越长。对比1982和1987年, 坝前水位和低水头运用天数均相似。1982年流量为1729m³/s, 发展到了37断面, 1987年流量为710m³/s, 仅发展到了31断面。当流量大于1500m³/s时, 冲刷距离可以发展到36断面以上。而随着流量的减小, 冲刷距离明显缩短。续表溯源冲刷发展范围
除此之外, 溯源冲刷的发展距离还应该考虑非汛期31~41断面间的淤积量, 从表1可以看到, 淤积量基本在0.6亿m³以下, 且淤积量与冲刷距离有较好的相关性, 冲刷距离随着淤积量的增大而增大。淤积量每增大0.1亿m³, 冲刷长度增加约2.6km。
3 结语
三门峡水库非汛期平均运用水位和高水位的运用天数, 对汛期发生溯源冲刷时的水位起着关键作用。非汛期水库运用水位在315m左右时, 汛初发生溯源冲刷时的坝前水位在305m附近。而当非汛期的运用水位达到了316.5m左右时, 冲刷水位基本在306~308m之间。非汛期运用水位每升高1.5m, 发生溯源冲刷需要的坝前降水就减小1~2m。T320、T322每增加10d, 发生冲刷所需的坝前降水分别减少0.5m、0.3m。
溯源冲刷的发展与流量、降水幅度和非汛期黄淤31~41断面间的淤积量有关。当流量大于1500m³/s时, 冲刷发展到黄淤36断面以上;降水幅度在8m以上, 溯源冲刷可以发展到黄淤36断面以上。黄淤31~41断面间淤积量每增大0.1亿m³, 冲刷长度增加约2.6km。
参考文献
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[2]陕西省水利科学研究生河渠研究室, 清华大学水利工程系泥沙研究室.水库泥沙[M].水利电力出版社, 1979.
冲刷性能 篇6
在试验区修建长4m, 宽1m的试验小区, 集水口处接10cm PVC管, 试验小区上部修建稳流槽, 保证坡面径流均匀稳定, 接近于自然状态。
试验所建径流小区为自然坡面条件下不同坡度小区, 坡度类型分为五种, 分别为10°、15°、20°、25°、30°共5个自然植被小区。试验坡面植被覆盖度为80%, 冲刷流量设计为9L/min, 每组试验冲刷时间为40min。
二、试验数据分析
根据试验收集数据, 得出不同坡度条件下小区坡面产流总量及产沙总量见表1;坡面产流总量随坡度动态变化图见图1;坡面产沙总量随坡度动态变化见图2。
三、试验结果
根据试验结果分析, 不同坡度条件下, 坡面产流量、产沙量增减效益分析见表2。表中数据以30°坡面产流量及产沙量为基准, 计算其余各坡面减流减沙效益。
根据试验结果分析可知, 不同坡度 (10°、15°、20°、25°、30°) 条件下进行的坡面径流冲刷试验, 随着坡度的增加, 产流量和产沙量都随之增加, 并且坡度越大, 产流量与产沙量增加的越快。
从表2数据中可以看出, 随着坡度减小, 坡面减沙减流效益显著, 当坡度减小到20°或以下时, 可以有效减沙50%以上, 坡度减小到15°, 减沙效益达到90%以上, 因此有效减缓陡坡, 营造山区梯田、鱼鳞坑及水平阶地可以有效减少水土流失, 达到环境治理的最终目标。
摘要：作者通过对榆林风沙区室外坡面径流冲刷的试验, 对不同坡度的试验径流小区进行研究, 结果表明, 在冲刷流量一定的情况下, 坡度越大, 坡面产流量越大。针对出现的问题作者提出对试验区陡坡进行整治, 适当修建水平阶和梯田可有效减少水土流失的产生。
边坡冲刷中细沟侵蚀机理研究 篇7
细沟侵蚀在坡面径流侵蚀中占有很重要的地位,在此之间的面状侵蚀对冲刷破坏的贡献很小,大量的观测研究也已证明,坡面侵蚀方式在由面状侵蚀发展为细沟侵蚀后,侵蚀量会成倍甚至数十倍增大;而当径流速度很大时的切沟侵蚀又在机理上与细沟侵蚀相似,因此本文重点研究细沟侵蚀理论。
1 边坡冲刷的影响因素
土的冲刷是一个极其复杂的物理过程,它受到许多自然因素的制约,同时又受到人类活动的干扰,各因素之间存在着错综复杂的相互作用。其影响因素一般有降雨的溅蚀力、径流量的大小、土分离的难易程度、水流冲刷携带泥沙的能力。这些参数又取决于雨滴动能、雨滴数量及降雨强度、地质、土质类型及结构、坡度、植被、土的含水量以及各种形式的水流因素(如流速、流量)等特征值。本文把降雨量乘以顶面半宽定义为半宽雨量。在寻求路堤边坡土冲刷量与各因子的相关性时,用路堤顶面半宽雨量来代替总雨量。当降雨强度大于土体的入渗能力时,多余的降雨就会转变成地表径流。国内外学者普遍认为影响坡面冲刷量最重要的因素是径流流量大小和流速。因此选用这两个参数作为表示径流冲刷能力大小的影响因素较为合适。
2 影响坡面径流水力要素的关键因子分析
径流水力要素包括径流水渗、径流速度、水力半径、过水断面的水力几何形态、阻力系数等。根据经典水力学的曼宁公式,径流速度公式可以表达为水力半径和水面坡能的函数,如下:
其中,V为径流速度,m/s;J为水面坡能,J=tanθ,θ为坡面的坡度,(°);R为侵蚀沟断面的水力半径,m;n为粗糙系数。
前人通过研究不同条件下细沟的断面形态后,得出细沟流的水力半径可以用下式表示:
其中,C为与侵蚀沟断面形态有关的参数;A为细沟流的过水断面面积,m2。
考虑到流量计算公式Q=AV,结合式(2),可推得以径流量和水面坡能的表达式:
将式(3)代入到式(1)中,整理得到以径流量和水面坡能表示的水力半径:
R=n0.375Q0.25J-0.187 5 (4)
再进一步求取径流深h。尽管细沟断面形态十分复杂,但由于细沟中径流深一般只有几厘米,目前计算有关细沟流水力要素时,可近似将细沟过水断面当作矩形来等效处理。以B表示细沟的等效宽度,根据流量公式,有:
将式(3)代入,整理得到径流量和水面坡能表示的径流深:
因为细沟径流深一般很小,可近似以水力半径代替,则可进一步得到:
至此,侵蚀细沟中各水力要素都表示成了径流量和水面坡能的表达式。观测和实验研究中,流量、土壤性质及坡面坡度可人为控制或直接测算,剩下的就是如何确定坡面细沟的阻力特征及过水断面宽度。有了这些参数就可方便的估算细沟流的各水力学参数。
3 发生坡面细沟侵蚀的临界水力条件
对于细沟侵蚀发生的临界条件,不同的学者采用不同的数值指标加以说明,除了径流切应力外,还有单位水流动力、单宽径流量等。细沟流冲刷分散土壤的能力可由下式来表示:
Dr=Kr(τ-τc) (8)
其中,Kr为土壤可蚀性指标;τ为细沟中的径流切应力;τc为发生细沟的临界切应力,m2/s2。
根据曼宁公式,对于坡面薄层水流,径流切应力及流量的计算式可表示如下:
τc=γhwsinθ (9)
其中,hw为坡面地表径流深,m;θ为坡面倾斜度,(°);n为曼宁粗糙系数;qc为细沟发生的临界流量,m3/s。
因为对同一种土壤,τc可以认为为一定值,那么由式(9),式(10)便可得出坡面上细沟侵蚀发生的临界流量qc的表示式如下:
qc=c(sinθ)-7/6 (11)
其中,c=n-1(τc/γ)5/3,主要决定于土壤性质,对同一种土壤,可认为c为定值。该式表明,坡面上细沟侵蚀发生的临界流量主要随坡度的变化而有所不同。通过实验率定不同土壤在各种地形条件下的c后,就可根据式(11)计算各种地质条件下细沟侵蚀发生的临界流量值。
室内细沟侵蚀实验表明,坡面产流后,由于地面微形态的影响,坡面流会很快汇集并以股流形式向下流动。径流一经汇集,侵蚀力剧增,迅速下切地表,在坡面形成侵蚀沟。这一由面状侵蚀向细沟侵蚀的转化过程十分短暂。当坡面冲刷形成的侵蚀沟大于0.8 cm时,细沟开始形成发育,侵蚀方式由面状侵蚀向细沟侵蚀演化,可用此刻的水沙关系来分析细沟发生的临界水力条件。对实验坡度下流量与侵蚀沟深度的测定值进行多元回归分析处理,得到:
H=0.642Q0.81θ1.110 (12)
其中,H为侵蚀沟的深度,cm;Q为径流量,mL/(s·cm);θ0为坡面原始坡度。把H=0.8 cm代入式(12)得临界流量与坡度的关系式:
Qc=1.36θ-1.370 (13)
用式(13)来计算不同坡度下的流量值,作为各坡度级细沟发生的临界流量值。计算结果是当坡面坡度为3°时,产生细沟的临界流量是30.2 mL/(s·cm);坡度增加到6°时,由于重力影响作用的增大,细沟发生所必须的最小流量减少到11.7 mL/(s·cm);当坡面坡度继续增大到10°时,坡面出现细沟侵蚀的临界流量只有6 mL/(s·cm)。表明坡度对细沟形成的影响很大,随着坡度的增大,水流本身势能的增加,同样状态的流水侵蚀力势必增强,细沟形成所需临界流量也就很快减小。把用以上试验所得各实验坡度下的细沟侵蚀发生的临界流量值代入式(11)计算可得,在3种坡度平均的情况下试验土的c值为0.857 4。
实验中确切地测定细沟发生时的水力要素值十分困难,特别是水深大小的测定更为不易。研究中主要测定径流速度及同步记录细沟的形态变化来推求其他水力特征值的大小。流速的测定是通过螺旋桨微流速测速仪来实现的,只要水深大于0.5 mm,就能得到准确的流速读数。一旦细沟开始发生,立即测定股流的流速,连续测定多次,取其平均值。形态变化是通过连续拍照来实现的。每隔3 min从固定角度自动连续拍摄置有刻度标尺的实验槽表面,以记录侵蚀沟的平面形态,最后计算细沟的宽度。通过测定的流速值和由照片上量算的细沟宽计算径流深度。有了水深及流速值,就可以计算细沟侵蚀发生时,细沟中径流的福氏数、雷诺数以及阻力系数等水力特征值。
摘要：结合现有观测研究成果,介绍了边坡冲刷的影响因素,对影响坡面径流水力要素的关键因子进行了分析,对发生坡面细沟侵蚀的临界水力条件进行了计算,并阐述了各水力要素值的计算思路,对促进边坡冲刷中细沟侵蚀机理的研究具有指导作用。
关键词：边坡冲刷,细沟侵蚀,坡面径流,机理
参考文献
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