成匯源

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊 830000）

1 問題的提出

新疆西部沙漠面積較大，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展需求，沿沙漠邊緣地區(qū)建有長距離輸水明渠工程[1]。例如位于新疆準葛爾盆地古爾班通古特沙漠腹地的沙漠明渠水利工程[2]，為保證沙漠明渠安全，在渠道沿線設置節(jié)制退水閘，當下游渠道發(fā)生險情時，通過退水閘將上游渠段內(nèi)的水排至沙漠腹地；有時也通過退水閘泄放一定流量的水，以維持沙漠明渠周邊的植被生長，防止明渠周邊砂土被風揚起[3]進入渠道。但是，由于沙漠風積沙十分松散，抗沖刷性較差[4-5]，在退水閘退水時發(fā)現(xiàn)，水流進入天然沙漠區(qū)，一旦遇到具有跌坎落差的地形時（見圖1），水流從跌坎邊緣跌落，同時淘刷砂土，使得端部跌坎不斷塌落并向上游發(fā)展，即圖1中的A點在水流沖刷下，高程降低并不斷向上游遷移，表現(xiàn)出溯源性破壞現(xiàn)象。當這種溯源沖刷發(fā)展推移到退水閘閘室附近時，就會危及水閘安全，甚至會對整個沙漠明渠帶來危害和不利影響。因此沙漠風積沙在水流作用下的抗沖刷特性和溯源破壞速度成為人們關注的問題之一。

圖1 沙漠明渠退水閘閘后砂土沖刷示意圖

此外，由于新疆屬于干旱地區(qū)，較多地區(qū)為沙質(zhì)土壤，與沙漠風積沙性質(zhì)相近，在這些地區(qū)修建的河堤、渠堤等工程，當出現(xiàn)水流漫堤等情況，遇到具有一定落差的跌坎地形，往往也會出現(xiàn)前述類似的溯源沖刷破壞問題，也會對河堤、渠堤以及相關建筑物的安全產(chǎn)生影響和危害。

2 沙漠風積沙沖刷過程

風積沙溯源沖刷的實際工程條件為大流量和大落差跌坎。集中水流通過沙漠坡面對表面沙漠風積沙產(chǎn)生剝蝕作用，并且下切形成沖溝，流至末端跌坎，跌坎處的水流流態(tài)會發(fā)生變化，產(chǎn)生明顯的掏蝕現(xiàn)象，對底部風積沙進行淘刷，末端風積沙不斷塌落并向上游發(fā)展，表現(xiàn)出溯源性沖刷破壞現(xiàn)象。同時伴隨沖溝兩側(cè)沙土失穩(wěn)塌落，致使沖溝寬度擴展。因此將沙漠風積沙溯源沖刷分為風積沙表面剝蝕、端部溯源沖刷、側(cè)壁崩塌擴展三部分。

目前國內(nèi)外學者對于坡面水流侵蝕土壤的作用，較多的是利用水流剪切力來進行分析描述[6]。由于水流作用在沙漠表面的剪切力將沙土顆粒分離，從而沙土被水流帶走，導致風積沙表面被剝蝕。

在沿坡面向下流動的過程中，由于沙漠坡面坑坑洼洼，凹凸不平，其坡面本身性質(zhì)的不均勻和坡面水流本身的特性，坡面水流會在凹凸不平的沙漠風積沙表面上沖刷出局部的小侵蝕穴[7-8]。出現(xiàn)侵蝕穴后，會在此處產(chǎn)生明顯的掏蝕現(xiàn)象。侵蝕穴不斷溯源發(fā)展，逐漸形成沖溝。在集中水流的不斷沖刷侵蝕下，沖溝下切加深。

雖然風積沙不具有粘性，但坡面上的沙土顆粒之間具有內(nèi)摩阻力，水流要分離攜帶走沙土顆粒必須首先克服土粒之間的相互作用力。水流恰好克服土粒間作用力時的剪切力稱之為臨界剪切力。當水流作用在風積沙表面的剪切力超過臨界剪切力部分的剪切力，風積沙顆粒開始分離，產(chǎn)生表面剝蝕。因此風積沙表面剝蝕速率是坡面水流，流切應力與土壤抗沖臨界切應力差值的函數(shù)。

當坡面集中水流到達跌坎時，由于地面高程突降，形成跌水，伴隨著勢能向動能的轉(zhuǎn)化，局部流速的突然增大，射流對土壤的作用相對集中，從而使水流的侵蝕能力大大增強[9-10]。經(jīng)沙漠坡面流向跌坎的溢流，水舌向下游沖擊并產(chǎn)生反向漩流，漩流在垂直或近似垂直的跌水面施加剪應力，掏蝕跌水面底部沙土，導致端部土體形態(tài)劇烈變化，當端部跌坎坡腳陡到一定程度時，造成跌水面沙土失穩(wěn)坍塌，跌坎向上游發(fā)展。

對于沙漠風積沙這樣的均質(zhì)無粘性土土坡，無論是干坡還是在完全浸水條件下，由于無粘性土土粒間無粘結(jié)，只要位于坡面上的單元土體能夠保持穩(wěn)定，即理論上只要坡角小于沙土的內(nèi)摩擦角土體就是穩(wěn)定的[11]。集中水流在沙漠風積沙坡面形成沖溝，對沖溝兩側(cè)底部沙土沖刷，導致側(cè)壁失穩(wěn)崩塌，沖溝寬度擴展。

3 結(jié)語

針對實際工程問題，根據(jù)沙漠風積沙溯源沖刷現(xiàn)象，結(jié)合土力學土坡穩(wěn)定分析理論和水力學跌水理論等專業(yè)知識，對其溯源沖刷發(fā)展過程和機理進行了探討分析，認為在具有跌坎的沙漠地形上，集中水流對沙漠風積沙表面具有剪切剝蝕作用，并且下切形成沖溝，流至末端跌坎，跌坎處的水流流態(tài)會發(fā)生變化，產(chǎn)生明顯的掏蝕現(xiàn)象，對底部風積沙進行淘刷，末端風積沙不斷塌落并向上游發(fā)展，同時對沖溝兩側(cè)坡腳底部沖刷導致兩側(cè)邊坡失穩(wěn)塌落，侵蝕向上游遷移和兩側(cè)擴展，將其沖刷過程主要分為風積沙表面剝蝕、端部溯源沖刷、側(cè)壁崩塌擴展三部分。

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