鄂尔多斯丘陵区砒砂岩水蚀动力学机理研究

According to special physical and chemical property of the soft rock and climatic characteristics of rainfall concentrated,by starting from research on the physical slope model of soil erosion,combining actual field rainfall observation and artificial simulated rainfall experiment, looking for the relationship between different intensity of rainfall splash, infiltration, runoff and soil index, bond strength and shear strength,establishs its stress state law in longitudinal profile and cross section of marginal soft rock soil, and analyzes the erosion process of shear zone from microcosmic level. Dynamic monitoring the runoff and sediment yield on the slope during the rainfall. This project also takes into consideration the shear displacement of soil hydraulic erosion surface in feldspathic sandstone areas. From the research on idea of bed load sediment’s dynamic balance, this project is to reveal the dynamic mechanism of soil hydraulic erosion in plateau hilly areas which are mainly coarse sands. Moreover, based on the theories in aerodynamics and hydromechanics and so on, this project uses particle flow code to establish dynamic differential equation of the coarse sand transport by simulating the movement and interaction of system particles using discrete element method. Besides, by using arge amounts of particles of various sizes to reflect the macro movement mechanism of aggregate (sediment current), this projects establishes the dynamic model of feldspathic sandstone’s soil hydraulic erosion . All these provide the important scientific evidence for the harnessing plan in the hilly areas of Ordos.

本项目针对该地区砒砂岩特殊的理化性质及降雨集中的气候特点，从土壤坡面实体模型研究出发，以野外实际降雨观测实验为主，人工模拟降雨实验为辅，寻找不同强度降雨的击溅、入渗、径流与土性指标、胶结强度、抗剪强度的关系，建立砒砂岩土体在纵剖面及横剖面上应力状态改变的规律，从微观层次上分析砒砂岩土体剪切带发生剥蚀过程；动态监测降雨过程中坡面的产流、产沙过程，考虑降雨径流的强剪切作用，从研究推移泥沙动平衡的思路出发，借鉴国际最新建模思想，以空气动力学、流体力学等理论为基础，运用颗粒流理论，通过离散单元法模拟系统中沙粒的运动及其相互作用，建立粗沙输移的动力学微分方程；运用最大熵原理确定输移泥沙粒径的概率密度函数，反映集合体（泥沙流）的宏观运动机制，建立砒砂岩土壤水力侵蚀动力学预测模型，揭示砒砂岩土壤侵蚀规律及内在力学机理，为鄂尔多斯丘陵区的治理规划提供科学依据。

项目以内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗的红色砒砂岩作为研究对象，依据砒砂岩力学特性、微观结构、冻融等特性等方面的研究成果，首先对不同粒径区间的砒砂岩进行了干湿循环下的力学性能试验，得到了干湿循环作用下表土不同的粒径组成对砒砂岩抗剪强度、黏聚力、内摩擦角的影响。.在野外降雨侵蚀基础上，采用模拟人工降雨和自制的溅蚀收集装置进行砒砂岩击溅侵蚀试验，通过对上、下坡面溅蚀质量和溅蚀粒径各粒级变化、单颗粒击溅跃移的几何方面、力学方面的深入研究，揭示了砒砂岩溅蚀的机理。借助溅蚀力学模型，建立了砒砂岩溅蚀量关于降雨动能、坡度的双因子击溅侵蚀模型。.通过开展不同雨强、不同坡度下的降雨侵蚀试验，建立了砒砂岩饱和坡面的侵蚀量与雨强、坡度及水动力学参数的关系。通过不同密度下降雨侵蚀试验，同步采用直剪仪直接测定砒砂岩风化物的粘聚力和内摩擦角等力学指标，利用赤池信息量准则编程建立了砒砂岩风化物饱和坡面降雨侵蚀量预测模型；通过单颗粒启动受力分析，推演得到饱和砒砂岩风化物坡面起动流速计算公式，揭示了由降雨产生的砒砂岩内应力（粘聚力、内摩擦角）变化所引起外部侵蚀的原因。.通过室内冲刷试验，针对不同坡度、不同流量条件下砒砂岩坡面的侵蚀形态、径流特性、产沙规律进行分析研究。应用灰色关联对砒砂岩坡面产沙的动力因子分析，利用Matlab软件建立了冲蚀条件下砒砂岩坡面侵蚀冲蚀率的双因子模型；基于WEPP土壤水蚀预报模型，对砒砂岩细沟侵蚀的主要影响因子进行分析，得到了冲蚀条件下砒砂岩的可蚀性参数和临界抗剪切应力；建立了冲蚀条件下以坡度、水流剪切力、单宽流量为变量的砒砂岩细沟侵蚀产沙数学模型。.由于项目开展了较深入的砒砂岩击溅侵蚀、降雨侵蚀、冲涮侵蚀等的大量试验，获得了大量详实的实验数据，目前还在对床面侵蚀机理进行更深入探究，项目的研究可以揭示该地区水蚀作用下砒砂岩变异规律，对砒砂岩区水力侵蚀的防治及改善地区环境都具有实际意义。