宁夏平罗盐碱地排水渠道抗冲性野外水槽试验

宁夏平罗盐碱地排水渠道抗冲性野外水槽试验 () 文章编号 :167223317 20110220055205 3 宁夏平罗盐碱地排水渠道抗冲性野外水槽试验 1 ,2 1 1 ,2 1范小黎, 王随继, 杜 俊, 康跃虎 (1 . 中国科学院 地理科学与资源研究所 , 中国科学院 陆地水循环及 地过 )程重点实验室 , 北京 100101 ; 2 . 中国科学院 研究生院 , 北京 100049 摘 要 : 采用水槽试验的方法来分析宁夏平罗西大滩地区分别以白僵土 、沙土所铺设成的排水渠道的稳定性 。结 果表明 ,用白僵土铺成的渠道有很强的抗冲性 ,白僵土的侵蚀及渠道的冲淤变化 ,主要归因于反复对白僵土的浸润 湿化与脱水干燥 ;沙土粘性小 ,抗冲性弱 ,用沙土铺成的渠道在水流作用下纵向横向变形都很大 ,随着试验的进行 , 沙土逐渐被河流冲刷带走 ,渠道中出露的白僵土颗粒能起到抗冲铺盖层的作用 ,阻止渠道进一步在纵向上的变形 。 对比西大滩常见的白僵土和沙土的抗冲性发现 ,用白僵土铺成的渠道稳定性好 ,如果能够很好的解决白僵土浸润 : TV131 . 6 ; S287 文献标志码 : A 中图分类号 湿化与脱水干燥问题 ,则以白僵土构建排水渠道将会维持其稳定性 。 关 键 词 : 白僵土 ; 砂土 ; 水槽试验 ; 宁夏 ; 盐碱地 水槽模拟试验作为河流地貌学及河流工程学中对河流特性进行物理模拟的重要手段 ,已经开展逾半个 [ 123 ] 世纪了 ,也取得了不少研究成果。灌溉和排水渠道作为人工渠道 ,其稳定性一样受到人们的关注 ,但是有 关其抗冲性的水槽模拟试验研究迄今鲜见报道 。结合宁夏平罗盐碱地开发治理的需要 ,利用水槽模拟试验 方法来分析平罗西大滩不同土质排水渠道的稳定性及其侵蚀特征 ,在科学理论和工程实践上都具有一定的 意义 。 1 材料与方法 1 . 1 研究区概况 试验地位于宁夏平罗西大滩 。平罗县属大陆性气候 ,春旱 ,多风 ,升温快 ,蒸发量大 ; 夏季炎热 ,雨量集 中 ;秋季短暂 ,降温快 ;冬季干冷 、雪少 。全年日照长 ,温差大 。西大滩年平均降水量仅 150 mm ,降水在一年 中的分布很不均匀 ,7 —9 月降水约 占全 年降 水 量的 55 %, 75 % ; 其中 尤以 8 月最 多 , 可占 全年 降 雨量 的 [ 526 ] 25 %,43 % 。年平均蒸发量为 1 755 . 1 mm。长期的农业灌溉和强烈蒸发 ,导致土地盐渍化严重 ,急需治 理 ,而治理的主要方法是及时排水 ,这就涉及到排水渠道的稳定性问题 。 1 . 2 试验材料 水槽试验用土分为 2 种 ,一类是白僵土 ,另一类是砂土 ,都是西大滩最有代表性的土壤 。白僵土交换性 钠的含量较高 ,多数土层中交换性钠占交换总量的 10 %,50 % ,属于强碱化土 ,p H 多在 9 以上 。白僵土的 质地各处不一 ,在西大滩内一般较粘重 ,多为粘土及重壤土 。白僵土因含有大量的交换性钠 ,土壤被充分分 散 ,结构破坏 ,水稳性含量一般不足 6 % ,故干时板结 、坚硬 、皲裂 ; 湿时渗透性极差 ,是该区渗透性最差的土 3收稿日期 : 2010208224 壤 ,全剖面吸水速度仅为 0 . 009,0 . 318 m/ h ,渗透系数仅为 0 . 004,0 . 016 mm/ mi n 。这种恶劣的物理性质 , ( )基金项目 : 中国科学院西部行动计划项目 KZCX22XB2213 ( ) 作者简介 : 范小黎 19842,男 ,湖北襄樊人 。博士研究生 ,主要从事河流地貌与河道演变研究 。 使植物的根系不得伸展 ,亦无法获得足够的水分等生活条件 。沙土 ,西大滩内有较多小型固定沙丘与白僵土 通讯作者 : 王随继 。 该区沙粒的重要来源 。白僵土和沙土的机械组成如表 1 。 表 1 白僵土和沙土的机械组成 机械组成/ % 土壤类型 中值粒径/ mm < 0 . 001 mm 0 . 001,0 . 005 mm 0 . 005,0 . 01 mm 0 . 01,0 . 05 m m 0 . 05,2 mm 白僵土 1 . 2 30 . 65 25 . 85 32 . 68 9 . 62 0 . 009 4 0 . 01 2 . 34 1 . 62 7 . 14 88 . 89 0 . 221 7 沙 土 1 . 3 试验设置 试验装置分为 3 个部分 :储水池 、稳水池和模拟试验水槽 。储水池为正方形 ,深 150 cm 、内宽 100 c m , 池通过水泵供水 ;试验水槽的长度为 600 cm ,内宽度为 200 c m ,深为 60 cm ; 为防止水流的波动对试验结 的影响 ,在水槽的进口设置稳水池以消能 ,稳水池长 150 cm ,宽 60 cm 。 自进口处到出口一共布设 50 个断面 ,间隔 0 . 1 m ,分别位于 0 . 5 、0 . 6 、0 . 7 、0 . 8 、??、5 . 5 m 处 。有效 验长度为 5 m 。由于试验初始渠道的规模较小 ,相应需要量测的流量较小 ,所以采用三角形薄壁堰 ,能够 好的控制流量的精度 。 试验用白僵土 、砂土分 2 次布设 ,分 2 次进行 。以期通过 2 次试验的对比来分析西大滩不同土质排水 道的稳定性 。试验一 :水槽内满铺白僵土 ,比降设为 6 ‰。铺完后在水槽中间掏出顺直渠道 ,顺直渠道初 顶宽 25 c m ,底宽 15 c m ,渠道深 3 cm 。试验二 :水槽内满铺沙土 ,比降 7 ‰,顺直渠道初始顶宽 30 cm ,底 2 结果与分析 20 cm ,渠道深 5 c m 。 2 . 1 白僵土渠道的试验过程及结果 流量值通过薄壁堰中水流对应的刻度来确定 ,每次放水结束前 2 h 测量水深 ,放水结束以后测量渠道 试验总共历时 40 h ,在历时 7 、11 、16 、22 、28 、34 、40 h 时停止放水 ,以便对渠道横断面地形进行测量 , 断面 。 且在每次停水前 2 h 内 , 还分别进行了有关渠道水流流速和水位的测定 。试验设计的流量大小通过三角 来测定 ,该试验中使用的流量总是保持 0 . 783 L / s 。 部分渠道断面图如图 1 所示 ,在最初的 7 h ,渠道断面有较大的变化 ,7,40 h 只有轻微的冲淤变化 生 。渠道断面形态指标 :渠宽 、水深 、宽深比基本不变 。 2 . 2 沙土的试验过程及结果 2 . 2 . 1 沙土的试验过程 试验总共历时 24 h , 在历时 4 、8 、12 、16 、20 、24 h 时停止放水 , 分别进行了渠道横断面地形测量 , 而且 在每次停水前 2 h 内 , 还分别进行了有关渠道水流流速和水位的测定 。试验设计的流量大小通过三角堰来 测定 ,该试验中前 16 h 使用的流量均为 0 . 218 L / s ,16 h 后使用流量为 0 . 783 L / s 。试验二的材料为沙土 ,沙 土中含有少量的白僵土泥块 。 在开始放水的 4 h ,渠道首先在出口断面发生冲刷 ,随后发生溯源侵蚀 。在最初的 4 h ,渠道变化剧烈 , 一方面溯源侵蚀不断往上游发展 ,另一方面 ,靠近出口断面的渠道主流线摇摆不定 ,在左右摇摆的过程中 ,首 先不断淘刷下部的沙土 ,进而引起上层沙土边缘的局部崩塌 ,渠道逐渐展宽 。由于水流量不大 ,水流在展宽 的渠道中流路弯曲 ,并有边滩形成 。在随后的试验过程中 ,渠道水流主流线不固定 ,渠道逐渐展宽 ,随着试验 的进行 ,渠床粗化出现白僵土的泥块 ,在有白僵土泥块的地方 ,渠道的下切作用减缓 。在 16 h 结束使用新流 量前 ,渠道在 3 m 断面以下开始往弯曲发展 。 在 16 h 后 ,流量变换为 0 . 783 L / s ,在新流量下 ,渠道之前形成的平衡状态被打破 。水流开始继续淘刷 下部的沙土 ,进而引起上层沙土边缘的局部崩塌 ,渠道逐渐展宽 ,流路摇摆不定 。1 . 2,2 m 断面处 ,左岸形 成边滩 ,渠道主流向右岸偏移 ,右岸泥块的存在阻止了水流淘蚀右岸 ,使渠道主流变窄 。在 1 . 8,3 . 5 m 处 , 右岸形成边滩 ,主流向左岸偏移 。3 . 5 m 以下 ,比降明显较 3 . 5 m 以前大 ,渠床粗化明显导致泥块较 3 . 5 m 以前相对增多 ,渠道开阔 ,水流散乱 。 2 . 2 . 2 试验二的数据处理及分析 渠道部分断面图如图 2 所示 ,沙土铺成的渠道在纵向及横向 2 个方向的变形都很大 ,从图 2 还可以看出 越往下游渠道断面变化越剧烈 。 图 2 渠道横断面演变趋势 渠道深泓位置的变化如图 3 所示 ,渠道在最初的 4 h 内下切作用明显 ,在 2 . 5 m 后深泓位置的变化明显 大于 2 . 5 m 以前 ,在 4,16 h 之间渠道深泓变化不明显 。16 h 以后由于流量变大 ,渠道继续下切 , 此时在 3 . 5 m 以前下切的速率大于 3 . 5 m 以后 ,渠道比降逐渐调平 。20 h 以后 ,4 . 5 m 断面以前的渠道坡度逐渐接 近于平坡 。此时可以看到渠道内出现很多白僵土块 ,下游渠道白僵土块多于上游 ,由于白僵土块的存在对渠 道起到防冲铺盖层的作用 ,所以下游渠道比降调整在 16 h 后小于上游 。 () 渠道平均深度的变化见图 4 。结合渠道平均深度变化率 图 5可以看出 ,最初的 4 h 变化明显 ,且 3 . 5 m 以后断面变化速率大于之前断面 。在 4,16 h 之间渠道变化趋缓 ,有的断面有淤积现象发生 。加大流量后 的调整与之前有所不同 。为适应新的流量变化 ,断面重新调整 ,前 4 h 变化明显 ; 渠道在 3 . 5 m 断面前的 整速率大于 3 . 5 m 断面后的调整速率 ,调整的结果使试验结束时各断面的平均深度基本一致 。 图 3 渠道深泓位置变化 图 4 平均深度变化 图 5 渠道平均深度变化率 图 6 渠道宽度变化 渠道宽度变化如图 6 所示 ,渠宽在 3 . 5 m 断面以后的调整明显大于 3 . 5 m 断面以前 。结合渠道深泓 (() ) 置图 图 3及渠道平均深度变化图 图 4,可以看出 ,在最初的 16 h 内 ,也就是采用流量为 0 . 218 L / s 时 , 于渠道的溯源侵蚀 ,下游渠道的比降大于上游渠道 ,致使下游渠道的在纵横 2 个方向的调整速率都大于 游 。当流量采用 0 . 783 L / s 后 ,渠道重新调整 ,渠道内的大量泥沙被水流带走 ,白僵土块出现的越来越多 3 . 5 m 断面以后的白僵土块比 3 . 5 m 以前多 。此时渠道上游的调整主要以渠道的冲深为主 ,下游由于白 土块形成的防冲铺盖层 ,渠道的冲深受到限制 ,调整主要以增加河宽为主 。 3 讨论 3 . 1 白僵土渠道演变分析 与初始渠道相比 ,放水历时 7 h 其渠道变化较大 ,主要原因是试验水槽中白僵土的自然压实及水土的 互作用 。此后渠道只有轻微的冲淤 。试验时正值西大滩多风季节 ,气候干燥炎热 ,渠道内的白僵土在停水 [ 7 ] 板结 、皲裂 。Tho r ne认为尽管有许多因素可以改变土体的抗冲性 ,但自然界中的浸润湿化与脱水干燥 用 ,可以明显地改变河岸土体的抗冲及抗剪强度 。由于浸润湿化与脱水干燥这 2 种因素的作用 ,天然渠道 岸土体的抗冲强度会大大降低 ,导致土体易受到水流冲刷 。试验一般每天放水 5 h 左右 ,有 19 h 左右的 间渠道都暴露在自然气候下 ,白僵土体在浸水和风干的交替作用下膨胀和收缩 ,又因为白僵土对脱水干燥 用表现明显 ,使得土体很容易干裂 ,这种干裂作用对土体产生较大的破坏作用 ,因此白僵土土体的湿化与 水作用是渠道发生冲淤变化的原因之一 。试验中另外一个现象就是渠道的冲淤变化一般发生在每次放水 初期 ,即在放水的前 2 h 发现渠道有白僵土小颗粒物质的运移 ,2 h 后水流对白僵土渠道没有侵蚀作用 ,这 一般发生在放水的初期 。因此认为渠道的冲淤变化 ,白僵土的侵蚀作用主要来自于对白僵土的反复浸润湿 化与脱水干燥 。 3 . 2 沙土渠道演变分析 γτ试验中由于沙土的粘性小 ,抗冲性弱 ,渠床在纵向及横向 2 个方向的变形都很大 。水流拖曳力=hJ , 在 0 水 γ的密度和水深 h 相差不大的情况下 , 主要取决于水力坡降 J 的大小 。在开始放水的 4 h ,渠道首先在出 口 ( ) 断面发生冲刷 ,致使出口处渠道比降 即 3 . 5 m 断面以后大于此断面以前的渠道 ,所以水流的拖曳力前 者大于后者 。渠道横断面的调整主要包括渠床的纵向下切和渠道的横向展宽 ,纵横向的变化主要取决于水 流的拖曳力与土体的抗剪强度 。试验中在最初放水的 8 h 里 ,水流的拖曳力 ,3 . 5 m 断面以下大于3 . 5 m 断 面以前 ;渠床沙土的抗剪强度小于渠岸沙土的抗剪强度 。所以渠道在最初的 8 h 里 ,渠道以床面的纵向下切 为主 ,其表现为渠道平均深度的增加 ,并且在 3 . 5 m 以下断面变化剧烈 。在放水 8,16 h ,渠道内出现的白 僵土泥块 ,起到了防冲铺盖层的作用 ,阻止渠道在纵向的变化 ,试验渠道在流量为 0 . 218 L / s 下 ,逐渐达到平 衡状态 。在 16 h 后 ,流量变为 0 . 783 L / s ,水流能量变大 。3 . 5 m 以下渠道的白僵土泥块较 3 . 5 m 断面以上 多参考文献 : 且在渠道内均匀铺设 ,渠床的抗冲性前者大于后者 ,此时渠道的在上游的调整主要是以渠道的下切为主 , 比Schu mm , Kha n . Exp eri ment al st udy of cha nnel pat t er n s[ M ] . Geolo gical Societ y of A merica Bulleti n , 1972 ,83 :1 75521 770 . [ 1 ] [ 2 ] ( ) 金德生. 边界条件对曲流发育影响过程响应模型试验[J ] . 地理研究 ,1986 , 3: 12221 . 降逐渐调平 。3 . 5 m 以下渠道 ,由于防冲铺盖层的形成 ,渠岸的抗剪强度小于渠床的抗剪强度 ,水流淘蚀 [ 3 ] 钱宁 ,张仁 ,周志德. 河床演变学[ M ] . 北京 :科学出版社 ,1987 . [ 4 ] ( ) 王随继 ,薄俊丽. 网状河流多重河道形成的实验模拟[J ] . 地理科学进展 , 2004 , 23 3:34242 . 岸坡脚 ,使渠岸的坡脚变陡 ,渠岸的稳定性降低 ,重力侵蚀加剧 ,渠道逐渐展宽 。 [ 5 ] ( ) 谢守栋 ,李惠弟 ,杨本学. 黄河宁夏段利用现状与整治规划[J ] . 人民黄河 ,1992 , 6:27228 . [ 6 ] 冯有亭. 宁夏灌区渠道衬砌工程防冻胀试验研究[ D ] . 西安 : 西安理工大学 ,2003 . [ 7 ] Tho r ne , Hey a nd New so n . Applied fl uvial geo mo rp holo gy fo r river engi neeri ng a nd ma nage ment [ M ] . New Yo r k : J o hn Wiley a nd So n s , 1997 . The Fiel d Fl ume Experiment of Dra inage Channel Erosion Resistance in the Pingl uo Sal ine Land of Ningxia 1 ,2 1 1 ,2 1FA N Xiao2li, WA N G Sui2ji, D U J un, KA N G Yue2hu (1 . Key L a bo rato r y of Wat e r Cycle a nd Relat ed L a nd Surf ace Proce sse s ; In stit ut e of Geo grap hical Scie nce s a nd Nat ural Re so urce s Re sea rch ; Chi ne se Aca de my of Scie nce s , Beiji ng 100101 , Chi na ; )2 . Gra duat e U nive r sit y of Chi ne se Aca de my of Scie nce s , Beiji ng 100049 , Chi na Abstract : Thi s p ap er u se f l u me e xp eri me nt s to a nal yze t he st a bilit y of t he drai na ge cha nnel s , t he t wo dif2 f ere nt cha nnel s were p a ve d by Baijia ngt u a nd sa nd i n t he sali ne la nd of Ni ngxia , re sp ectivel y. Fro m t he e x2 p e ri me nt s , we ca n draw co ncl u sio n s t hat t he cha nnel w hic h p a ve d by Baijia ngt u ha s a st ro ng re si st a nce to wat er f lo w ero sio n . The mi no r c ha nge of t he cha nnel e ro sio n a nd depo sitio n i s due to t he rep eat e d wet ti ng a nd air dr yi ng. The sa nd i s ea sy e ro sio n by wat e r f lo w , so t he cha nnel w hich p aved by t he sa nd ha s a la r ge defo r matio n i n t he lo ngit udi nal a nd t ra n sver se under t he wat er f lo w . B ut t he mud2gravel co mpo sed of t he Baiji ngt u o n t he cha nnel bed re st rict t he f ur t he r lo ngit udi nal defo r matio n . Co mp a ri ng t he t wo t e st we ca n draw a co ncl u sio n t hat t he Baijia ngt u co ul d be u sed to co n st r uct t he drai na ge c ha nnel i n t he Pi ngl uo sali ne la nd of Ni ngxia , if t he wet ti ng a nd ai r dr yi ng p ro ble ms ca n be sol ved. Key words : Baijia ngt u ; sa nd ; f l ume si mulatio n e xp eri me nt ; Ni ngxia ; sali ne la nd