近年来，随着城市化进程快速发展，黄土高原城市建设空间不足的问题日益突出，平山造地工程已经成为黄土沟壑地区城市发展的必然趋势^[1]。兰州作为典型河谷城市，地处黄土丘陵沟壑区的河谷两岸，呈条带状分布，空间狭窄。为拓展城市空间，对周边实施削山、填沟、造地等工程建设项目^[2]，虽有效缓解城市用地压力，但其产生的大量松散堆填体和剧烈扰动的地表土体，改变了原有地质、地貌、水文循环条件，土体结构、搬运、沉积规律与原地貌黄土特性差异性明显^[3]。有关工程建设可能诱发的环境工程问题，已引起广泛关注^[4]。

土壤侵蚀主要受自然条件和人类活动共同影响，已有研究表明人类活动引发的土壤侵蚀已成为主导^[5]。人为扰动会加剧土地的剥脱，导致地表侵蚀率增加，因人类生产活动造成的侵蚀率远大于未开发利用土地的自然侵蚀^[6]。国内外最早关注此类问题主要集中在采矿废弃区土体复垦、道路及水力工程等侵蚀边坡防治及恢复方面，提出施工和采矿而堆积形成松散物侵蚀问题^[7]。在黄土高原地区，高建伟等^[8]依据大量野外调查资料，得出堆填黄土边坡主要以冲刷侵蚀、坡面泥流、滑塌、湿陷变形和潜蚀等破坏形式为主。堆积体冲刷侵蚀中沟蚀演变过程为沟头形成、溯源—拓宽和稳定发育^[9]。Wang等^[10]基于野外与室内测试，表明裂隙是黄土堆填边坡破坏的重要因素，表现为裂隙发育、压实黄土软化、边坡前缘蠕变、后缘裂隙和贯通滑动面的形成。李永红等^[11]研究表明堆积体坡面侵蚀位置集中在坡面上部，侵蚀时段为产流后期。冯志倩等^[12]发现汇流强度和坡度的交互作用对堆积体坡面侵蚀影响最大。Li等^[13]基于微观尺度发现堆填黄土的骨架结构松散，具有较大的孔隙比，颗粒间呈现接触不稳定现象，易发生坍塌。黄土高原土壤特性的空间变化规律变异明显，不同土壤性质对侵蚀影响存在差异^[14]。前人研究针对工程堆填黄土从其破坏形式、侵蚀发育特征、侵蚀影响因素及微观结构等方面取得众多研究进展，而工程堆积体侵蚀破坏过程中往往伴随土水参数变化^[15]，鲜有堆积体侵蚀破坏过程中土—水耦合方面的相关报道。

黄土垂直节理裂隙发育，结构疏松多孔，颗粒间胶结强度低，流变特性较强，对人类活动影响敏感度高。在自然界中主要以非饱和状态存在，对水的敏感性高^[16]。由于水对黄土的物理和化学作用，黄土中可溶盐的软化、溶解，会导致颗粒间的连结强度减弱、骨架结构溃散，该过程黄土强度显著降低并出现明显沉陷、土体变形及侵蚀的发生^[17]。在水动力作用下会进一步加剧沟床侵蚀，甚至诱发黄土泥石流灾害。有关前期降雨引起含水率变化导致土壤侵蚀加剧的机制有待深入研究，水动力与人类活动双重作用下堆填黄土侵蚀机理的认识尚不充分，从而在很大程度上增加流域水土流失治理难度，因此进一步深化堆填黄土内部水土参数变化对侵蚀过程影响尤为重要。

笔者基于野外调查，结合兰州市山洪沟道堆填黄土特点，选取黄河兰州段北岸典型堆填黄土沟道—碱水沟，开展室内堆填黄土沟床的降雨冲刷直槽概化模型试验，分析降雨与水流冲刷过程中土体体积含水率和孔隙水压力变化规律，并探究含水率对堆填黄土沟床侵蚀过程及特征的影响规律，以期进一步揭示堆填黄土沟床土—水耦合侵蚀机理，为城市建设中工程堆积体侵蚀机理研究提供参考，对流域水土流失综合治理具有指导意义。

碱水沟为黄河兰州段北岸的一级支沟(图 1)，流域面积约1.18 km²，主沟道长约2.41 km，海拔在1 650~1 900 m之间，比降约52.06‰，沟谷呈“V”字形。区域主要为黄土丘陵和侵蚀堆积沟谷地貌，长期遭水流侵蚀切割较强烈。沟道范围内工程扰动堆填黄土场面积约0.32 km²，并发育有Ⅰ、Ⅱ台地，宽约27.8 m、高约16.5 m，深度约为15~40 m，堆填土体边坡在30°~45°之间，堆填区植被覆盖度极低。年平均降水量293.5 mm，主要集中在7—9月，多为短历时高强度降雨。受降雨作用，沟床表面出现多处陷穴、潜蚀通道及切沟。在强降雨下，极易引发大规模黄土泥流，威胁下游居民生命财产安全、破坏周边生态环境，还可能沿支沟输送大量泥沙入汇黄河，影响黄河流域生态健康。

图 1(Fig. 1)

图 1 兰州市碱水沟流域概况图 Fig. 1 Overview map of Lanzhou Jianshuigou watershed

试验土样取自碱水沟黄土堆填沟床，约2 000 kg。此外，现场取方形原状堆填黄土用保鲜膜和木箱进行封存，保证原状黄土的天然状态。经取样分析堆填黄土主要以粉黏粒为主，级配良好，其中d₅₀=0.026 mm，d₁₀=0.003 1 mm。依据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》，开展室内土工试验，测定试验土体的物理性质指标(表 1)。

表 1(Tab. 1)

表 1 试验土体物理力学特征指标 Tab. 1 Physical and mechanical characteristics index of test soil 物理指标Physical index 数值Value 天然密度Natural density/(g·cm-3) 1.38 初始含水率Initial water content/% 10 塑限Plastic limit/% 16 液限Liquid limit/% 26 饱和导水率Saturated hydraulic conductivity/(cm·min-1) 0.03 饱和含水率Saturated water content/% 45

表 1 试验土体物理力学特征指标 Tab. 1 Physical and mechanical characteristics index of test soil

沟床堆填黄土含水量增加主要由前期降雨引起，多次短历时强降雨导致沟床侵蚀现象，会加剧后续地表径流对沟床侵蚀破坏。基于此，笔者采用甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所的滑坡泥石流模拟装置(图 2)，试验于2023年7—9月完成。试验装置由人工降雨模拟装置与水槽装置2部分组成，可实现单一降雨、水流冲刷和降雨与水流共同作用等多种工况设计。人工模拟装置采用静止下喷式降雨装置与自来水管道连接，经多次阀门开关调节确定试验降雨强度，降雨喷头共计6个，间隔0.5 m，布设于水槽中轴线正上方1.7 m位置。水流冲刷装置采用自来水管供给，并接有流量计(量程为9~100 L/min)均匀释放。试验水槽长5 m，宽0.5 m(可调节0~0.8 m)，高0.5 m，两侧为5 cm×10 cm网格线的有机钢化玻璃，便于观察沟床侵蚀发育情况，底部为光滑钢板，可调节坡度范围为0~40°。

图 2(Fig. 2)

图 2 室内直槽概化模型装置及传感器布设示意图 Fig. 2 Layout of indoor straight flume generalized model and sensor

试验中将土样过20 mm筛，配置含水率(10%左右)与野外测定一致。土样分2次填入试槽，每层厚6 cm，共计2层12 cm，使用木槌夯实，直至达到野外天然密度，为防止水分蒸发，覆上一层保鲜膜，静置24 h，使土体达到自重应力平衡状态。依据《甘肃省暴雨洪水图集》研究区最大1 h降雨量为51.9 mm、最大10 min降雨量为18.6 mm，考虑极端降雨条件取平均10 min最大降雨量1.3 mm/min为试验降雨强度。降雨时长设定为10、20、30 min和无降雨(对照组)，具体工况设计见表 2。试验中水流流量(15 L/min)及时间(30 min)、干密度、降雨强度和试槽坡度(参照野外观测堆填沟床坡度范围设为9°)均一致。试验前利用水准仪对坡度校准，并使用雨量筒对降雨强度率定。试验过程分3个阶段，即降雨开始至设定降雨时间结束并关闭降雨装置为降雨阶段；降雨结束后为使雨水充分入渗设置10 min的间歇阶段；间歇阶段后打开水流阀门开始时长30 min的汇流阶段。

表 2(Tab. 2)

表 2 试验工况 Tab. 2 Test conditions 试验编号 No. of test 降雨时长 Rainfall duration/min 降雨强度 Rain intensity/(mm·min-1) 流量 Flow discharge/(L·min-1) 坡度 Slope gradient/(°) T1 10 1.3 15 9 T2 20 T3 30 T4 0

表 2 试验工况 Tab. 2 Test conditions

本试验利用体积含水率传感器(G S- 3，0.1%)、孔隙水压力传感器(H C- 25，0.1 kPa)监测记录侵蚀过程中土水参数变化，共埋设4个含水率传感器、4个孔隙水压力传感器，两两对应一组，沿沟床床面中轴线布设于距底部6 cm处(图 2)。并分类绑扎传感器导线以减少干扰。试验前对采集仪电脑端平衡清零、校准，确保采集数据的有效性。高清摄像机(Pocket 2，4K)架设于前、后正面斜上方，双机位记录沟床侵蚀过程。试验结束后利用Origin 2021软件对采集的数据进行制图。

如图 3所示，试验中含水率呈现缓慢增大—快速上升—高含水率波动—缓慢下降的变化趋势。T1和T2组在降雨阶段无显著响应，汇流阶段各点含水率剧增。T3组降雨阶段750~1 250 s土体含水率快速增加至饱和含水率，间歇阶段出现下降，汇流阶段H4、H3、H2出现增加—骤降波动，与切沟溯源侵蚀先后顺序一致，表明点位附近土体经历反复“滑塌—溃决”过程。T4仅进行汇流阶段，200~800 s含水率大幅上升后下降至稳定。随降雨持续时间增加，土体含水率显著上升，土体结构及稳定性变差，使水流冲蚀能力加强，沟床侵蚀显著加剧。

图 3(Fig. 3)

1、2、3分别为降雨阶段、间歇阶段、汇流阶段。下同。 1, 2 and 3 in the figure are rainfall stage, intermittent stage and confluence stage respectively. The same below. 图 3 不同降雨条件下体积含水率变化曲线 Fig. 3 Variation curve of volumetric water content under different rainfall conditions

试验前期土体中存在毛细水，孔隙水压力表现为负值(图 4)。孔隙水压力突增出现在土体破坏之前，而土体颗粒被水流搬运后，则急剧减小。堆积体破坏过程中孔隙水压力随含水率变化而变化^[18]。T1、T2组降雨阶段监测点均未产生有效孔隙水压力，与含水率变化一致。T1组1 500 s时各点位孔隙水压力出现骤增—下降现象，K2突增至1.13 kPa，后减小至-0.77 kPa。T2组1 800 s时孔隙水压力分别依次增至0.43、0.55、0.36、0.42 kPa，后续下降之后保持平稳。其中K2、K4再次上升，是由于该点附近土体侵蚀破坏较为剧烈。T3组响应速度较其他组响应最快，除K1外其余传感器均快速达峰，K3最先出现突增骤减。间歇阶段出现降低趋势。汇流阶段受水流冲蚀作用，侵蚀破坏剧烈，出现较大波动现象，而后缓慢下降至稳定趋势。T4组直接进行汇水阶段，孔隙水压力与土体含水率变化一致，均出现起伏变化。

图 4(Fig. 4)

图 4 不同降雨条件下孔隙水压力变化曲线 Fig. 4 Variation curve of pore water pressure under different rainfall conditions

试验中沟床侵蚀过程为降雨—溅蚀、水流冲刷—细沟侵蚀—跌坑—下切及侧蚀—溯源侵蚀。如图 5所示，T1组沟床表层侵蚀微弱，降雨时形成短暂饱水区，间歇阶段外部干燥环境使表层土体失水不均匀收缩变形而形成裂隙^[19]，成为水流快速入渗的优势通道。T2与T1组现象相似，较T1裂缝发育面积更大。T3组降雨时间增加，润湿土体重力增大和抗剪强度下降导致土体受力不平衡加剧，致使土体结构变形，呈现湿陷、液化，局部滑流、陷穴。汇流阶段初期(图 6)，水流路径演变过程为面流—细沟—切沟，切沟中水流具有较大的流量及流速，其侵蚀力极强，作用于两侧土体不断滑塌破坏，一方面促使切沟拓宽；另一方面加快溯源侵蚀，该过程以水力侵蚀和重力侵蚀交互作用^[20]。

图 5(Fig. 5)

图 5 降雨结束后侵蚀现象 Fig. 5 Erosion after rainfall

图 6(Fig. 6)

t为汇流阶段开始后某一时间节点。 t is a time node after the beginning of the confluence stage. 图 6 沟床侵蚀发育过程 Fig. 6 Development process of gully bed erosion

水流对沟床的物理潜蚀和化学溶蚀作用也不可忽视^[21]。如图 6所示，T1、T2组均出现潜蚀通道，是降雨引起土体变形，加之水动力冲刷作用的结果。受水力侵蚀与重力侵蚀作用，T1组切沟两侧不断掏蚀，当沟壁土体不足以支撑重力，便出现沟壁滑塌和潜蚀通道塌陷等现象^[22]。T2组由重力引起滑塌现象较少，切沟宽度不如其他组，但切沟下切、溯源侵蚀速度较T1加快。T3组受降雨作用土体结构破坏，此时沟床受水流冲蚀下细沟快速扩大范围，并形成串珠状跌坑，水流拖拽力作用显著，切沟拓宽及溯源侵蚀速度明显加快。T4组床面薄层水流沿过流路径形成光滑致密层，厚约1 cm。在水流潜蚀作用下土体内部出现2条水流优势通道，并未出现潜蚀通道塌陷和切沟。由表 3可知，沟床切沟溯源侵蚀贯通时间为30 min < 20 min < 10 min，随降雨时间增加，土体含水率增大，此时土体更易被水流剥脱、搬运，侵蚀过程中水力侵蚀作用显著。

表 3(Tab. 3)

表 3 试验现象实测记录 Tab. 3 Records of experimental phenomena 试验编号 No. of test 切沟 Gullies 出现—贯通时间 Occurrence-through time/s 切沟宽度 Gully width/cm 潜蚀通道 Subsurface-erosion channels T1 2 约About 1 500 8.7~10 2 T2 2 约About 960 6~9.2 2 T3 1 约About 720 14~17.2 0 T4 0 无No data 无No data 2

表 3 试验现象实测记录 Tab. 3 Records of experimental phenomena

由于黄土水敏性，遇水后易发生崩解、湿陷、流变、液化等现象^[23]。汇流前各组含水率均值(图 7)为T3＞T2＞T1，试验发现饱和土体处最先发生破坏，如T3组土体含水率稳定在41%~50%，该组H3、H4附近出现的陷穴、滑流，这些不良现象都会加剧沟床侵蚀破坏。已有研究表明，土体在饱和与非饱和状态下均可发生破坏^[24]，T3组汇流前土体已饱和湿陷，此时土体结构被破坏，抗剪强度减弱，水力侵蚀能力大大增强。而T1、T2组土体是水流侵蚀发育过程中到饱和状态，水流直接作用土体及其小范围，使该处土体含水率快速增加达到饱和，引起孔隙水压力突增，造成土体结构破坏及强度降低，侵蚀过程局部饱和土体反复出现由重力侵蚀引发的滑塌—堵塞—溃决现象。

图 7(Fig. 7)

图 7 汇流阶段前体积含水率 Fig. 7 Volumetric water content before confluence stage

由于土—水间耦合作用沟床侵蚀特征存在明显差异。土体抗剪强度研究中其核心问题是土体含水状态与应力变化造成的渗流、变形和破坏问题^[25]。基于非饱和土抗剪强度理论分析^[26]，以试验中响应最为显著T3组沟床中部监测点(H2、K2，H3、K3)数据为例(图 8)，结果表明，沟床侵蚀过程中孔隙水压力受含水率影响明显，与含水率变化规律呈现明显的一致性。随降雨持续，雨水入渗，孔隙水压力增大趋势越明显，王俊光等^[27]亦得出此结论。水流沿裂缝进入土体，较小的水流也能产生超孔隙水压力现象，促进土体侵蚀破坏^[28]，孔隙水压力骤增伴随着土体结构破坏、滑塌。

图 8(Fig. 8)

图 8 沟床侵蚀过程中体积含水率与孔隙水压力 Fig. 8 Response changes of volumetric water content and pore water pressure during gully erosion process

沟床侵蚀受土体强度与水流冲蚀影响，已有研究发现土体含水率与黏聚力对数和内摩擦力均呈线性关系，含水率对抗剪强度影响很大^[29]。前期降雨入渗过程中，土体含水率逐渐增大，摩擦强度、黏聚力降低，颗粒间孔隙水压力增大。此时土体稳定性、抗剪强度明显减弱，并发生变形、破坏。如图 6所示现象，持续水流冲刷过程中，土体含水率继续增加，随水流持续掏、刷作用，沟床侵蚀态势加剧，切沟侵蚀、演变速率加快，不断出现滑塌。不同前期降雨时长引起土体含水率增加与沟床侵蚀特性密切相关，侵蚀率是土体侵蚀特性的重要指标，其剪切应力函数为^[30]

式中：D_r为土壤侵蚀率，g/(m²·s)；K_r为土壤可蚀性参数，g/(m²·s·Pa)；τ为水流剪切应力，Pa；τ_c为临界水流剪切力，Pa。

由上式可以判断，当τ≤τ_c，土体颗粒不被侵蚀，反之则发生侵蚀。即土颗粒的临界启动切应力越大，越不易被侵蚀。土颗粒的临界起动切应力表达式为^[31]

式中：g为重力加速度，g=9.8 m/s²；d为中值粒径，m；ρ_s为土粒密度，kg/m³；ρ_w为水密度，kg/m³；φ为土颗粒内摩擦角，(°)。

当前期降雨时间增加，引起土体含水量增加时，临界起动切应力降低后，土体更易被侵蚀。土体内含水量处于较高情况下，侵蚀速率相较低含水率时加快，与沟床侵蚀发育速度相对应(表 3)。可见，前期降雨引起含水率增加对沟床整体稳定性减弱、水流侵蚀程度具有非常积极地作用。本研究仅从降雨时长角度，关注含水率变化对堆填黄土沟床侵蚀过程的影响。鉴于土壤侵蚀影响因素众多，如雨强、流量、沟床坡度、沟床物质组成的空间异质性等因素，还需进一步深化工程扰动堆积体侵蚀过程与机理研究。

1) 沟床侵蚀过程主要表现为降雨阶段—溅蚀、水流冲刷阶段—细沟侵蚀—跌坑—下切及侧蚀—溯源侵蚀。水流冲刷侵蚀过程中以水力侵蚀和重力侵蚀交互作用为主，随土体含水率增大，黄土易湿陷、液化，水力侵蚀作用逐渐增强。

2) 孔隙水压力受含水率影响明显，两者变化规律呈现明显的一致性。含水率和孔隙水压力往往在土体失稳及侵蚀破坏前后出现明显波动，是导致土体结构破坏及侵蚀滑塌的关键因素。

3) 随前期降雨引起土体含水率增加，土体抗剪强度下降，水流冲刷沟床易侵蚀破坏，沟床侵蚀速率增大，溯源侵蚀演化速度加快。