ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 7, с. 872-876
= ЭРОЗИЯ ПОЧВ
УДК 631.4
ВЛИЯНИЕ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ НА РАЗМЫВ МОДЕЛЬНЫХ
ОБРАЗЦОВ ПОЧВЫ*
© 2015 г. Г. А. Ларионов, О. Г. Бушуева, Н. Г. Добровольская, З. П. Кирюхина,
С. Ф. Краснов, Л. Ф. Литвин
Географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
e-mail: larionov425@mail.ru Поступила в редакцию 05.02.2014 г.
Статья посвящена теоретическому анализу и экспериментальному исследованию соотношения донной и боковой эрозии в мелководных склоновых потоках. Результаты анализа, проведенного по соотношению срывающих частицу почвы сил и удерживающих ее в покое, показали, что при близкой к пороговой величине скорости потока размыв боковой стенки русла многократно превышает донный размыв. С увеличением скорости потока различия в темпах размыва дна и боковых стенок ручейка сглаживаются. Скорость бокового размыва сильно зависит от угла наклона бортика ручейков. Экспериментальные исследования влияния угла наклона поверхности образца к горизонту полностью подтвердили теоретические выводы. Следует иметь в виду, что в естественных условиях боковой размыв, конечно, ограничивается и законами гидравлики. С расширением русла при прочих равных условиях за счет бокового размыва ширина потока растет и, соответственно, его скорость уменьшается до значений ниже пороговой величины, в результате чего размыв русла прекращается.
Ключевые слова: донная эрозия, боковая эрозия, срыв частиц почвы с наклонной поверхности почвенного образца.
DOI: 10.7868/S0032180X15070072
ВВЕДЕНИЕ
В экспериментальных исследованиях по водной эрозии испытуемый образец почвы, как правило, располагают на дне гидравлического лотка. Полученные таким образом результаты дают представление о глубинной эрозии. Однако в наиболее распространенном типе эрозии — ру-чейковой эрозии, происходит не только врезание русла ручейков, но и расширение его за счет так называемой боковой эрозии — размыва их бортов. Физическому моделированию боковой эрозии практически не уделялось внимания. Настоящая работа посвящена боковому размыву, но в специфических условиях косого удара струи о стенку ручья. При подходе оси потока к борту ручья под острым углом имеет место гидромониторный эффект, на который впервые указал Маккавеев [7]. Благодаря этому, темп размыва почвы на вогнутых берегах ручьев усиливается пропорционально кубу синуса угла подхода оси струи к берегу [1]. Но и при отсутствии изгибов в руслах ручьев есть
* Работа выполнена при поддержке Программы президента для поддержки ведущих научных школ, проект НШ-1010.2014.
основания полагать, что размыв бортов может протекать быстрее, чем ложа ручья, так как при захвате частицы со дна потоку приходится преодолевать силу ее веса, а на боковой стенке вес частицы напротив способствует ее отрыву. Необходимость учета этого момента стала совершенно очевидным после выяснения механизма разрушения связей между частицами почвы в процессе эрозии. Как было установлено ранее, гидратация почвы приводит к появлению сил отталкивания ориентационного характера между частицами почвы, и соответственно к нарушению связей между ними, и поток лишь захватывает частицы, совершая работу только по подъему частиц и приданию им поступательного движения [3].
Целью работы является теоретический анализ бокового размыва и экспериментальное исследование смыва модельных образцов почвы, поверхность которых расположена под различными углами наклона к горизонту.
Рассмотрим подход Лелявского [6], предложенный для оценки размыва речных берегов. Согласно этому подходу, размыв отлогого берега на
прямолинейном участке является линейной функцией касательного напряжения
т = pgHI, (1)
где т — касательное напряжение, р — плотность воды, g — ускорение силы тяжести, H — глубина, I — уклон. Из этого следует, что борта ложа потока должны быть вертикальными и даже нависающими, но, поскольку борта рек обычно сложены несвязными или слабосвязными песками, они осыпаются, образуя борт крутизной равной углу внутреннего трения водонасыщенного грунта. При этом скорость размыва дна русла должна опережать скорость размыва бортов. Как видно, в подходе Лелявского [6] не принимается во внимание, что при захвате частиц на дне потоку приходится преодолевать силу тяжести, в то время как при захвате частицы с борта сила тяжести или ее составляющая, в случае не вертикальности борта, способствуют процессу захвата частицы потоком воды.
Мирцхулава также уделил внимание проблеме боковой эрозии, но в масштабе макрорусел. Детально не анализируя процесс боковой эрозии, он полагал, что площадь поперечного сечения стабилизировавшегося русла потока следует определять по морфологическим зависимостям с "учетом физико-технических показателей сопротивления грунтов", слагающих русло водотока [8].
Рассмотрим иной подход к влиянию силы тяжести частиц на размыв боковой стенки русла потока. Запишем силы (F), действующие в потоке на частицу, в следующем виде:
F = Pwkf v2d2 - cosa (рp - р^) \igd3, (2)
где pw — плотность воды, kf — обобщенный коэффициент лобового давления и подъемной силы, v — скорость потока, d — диаметр частицы почвы, a — угол наклона поверхности образца к горизонту, рр — плотность почвенной частицы, ц — коэффициент трения скольжения, g — ускорение силы тяжести. Разделив обе части уравнения 2 на первый член правой его части, получим следующее безразмерное соотношение
F = i _ cosa(рp -pw) ygd
pwkf v2d2 Pwk¡fV2
в левой части которого числитель есть величина постоянная при любом положении поверхности образцов относительно горизонта, если скорость потока и размер частиц почвы не изменяются. Как следует из гидрофизической модели эрозии [2, 5], смыв пропорционален кубу скорости потока, но так как в данном случае нас интересует смыв при одной и той же скорости, то соотношение сил даст нам представление о влиянии положения поверхности образца на интенсивность его размыва.
Таблица 1. Зависимость скоростей размыва от скорости потока и ориентации грунта относительно горизонта (расчет по зависимости (3))
Угол наклона в градусах Скорость размыва при скорости потока, м/с
0.525 0.96 2.00
0 1.00 1.00 1.00
45 868 1.13 1.02
90 2944 1.44 1.08
135 5020 1.75 1.13
180 5881 1.88 1.15
Численный анализ уравнения (3) (табл. 1) показывает, что чем больше скорость потока, тем меньше влияние положения поверхности образца на его смыв. С уменьшением скорости течения воды различия в темпах размыва образцов почвы с разными углами наклона поверхности к горизонту будут увеличиваться. Очевидно, что по сравнению с размывом ложа потока они будут максимальными при скоростях потока, близких к пороговым значениям, при которых размыва дна потока не происходит, а на боковых стенках сила тяжести способствует отрыву частиц почвы.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА
Размыв модельных образцов почвы проводили в трубе прямоугольного сечения с внутренними размерами 19.5 х 29.9 мм и длиной Ь = 1020 мм, изготовленной из плексигласа толщиной 12 мм. На концах труба соединяется с короткими стальными патрубками через переходники, один конец которых имеет прямоугольное сечение по размеру трубы, другой — круглое сечение для соединения с патрубком диаметром 20 мм. Один патрубок соединяется эластичным напорным шлангом через вентиль с насосом, другой — через вентиль и шланг с резервуаром для воды, из которого вода через тканевый фильтр возвращается к насосу. На одной из широких сторон трубы на расстоянии 650 мм от ее начала сделан проем размером 20 х х 20 мм для кассеты с почвой длиной 70 мм (рис. 1). Для более полного охвата кассеты проем продолжается и за пределами стенки трубы. Он выполнен из плексигласа прямоугольной формы в виде квадратной толстостенной трубки. В средней ее части имеется отверстие с резьбой для закрепительного винта, при помощи которого кассета с образцом фиксируется в проеме трубы. По углам в стенки трубки вмонтированы четыре шпильки, на которые надевается квадратная пластинка с квадратным же отверстием под кассету. Она предназначена для поджатия нескольких слоев компрессионных резиновых прокладок,
874
ЛАРИОНОВ и др.
Рис. 1. Схема гидравлической трубы.
служащих для устранения течи воды через щели между кассетой и внутренними поверхностями стенок квадратной трубки. На ней также крепится устройство для выдавливания почвы из кассеты по мере ее размыва.
Материалом для исследования послужил тяжелосуглинистый чернозем из Воловского р-на Тульской обл. Для изготовления модельных образцов использовали фракции 1—2 мм, полученные при рассеве сухой почвы на стандартном наборе сит. Навески почвы помещали в металлические бюксы и смачивали водой, в количестве, обеспечивающем 24%-ную влажность почвы за 12—16 часов до начала эксперимента.
Непосредственно перед экспериментом замоченную навеску высыпали из бюкса на лист пергамина и перемешивали, а затем небольшими порциями переносили почву в кассету, в нижнюю часть которой предварительно вставляли вкладыш, передающий давление от подающего винта образцу почвы. Вкладыш со стороны, обращенной к почве, покрывали пергамином, чтобы наблюдателю легче было отметить момент окончания опыта. Каждую порцию почвы разравнивали по сечению кассеты и уплотняли металлическим пестиком, достаточно плотно входящим в кассету. Перед укладкой последней порции почвы кассету помещали в камеру винтового пресса, ставили на нее надставку и уже в нее высыпали, разравнивали и уплотняли пестиком остаток почвы. Затем в надставку вставляли другой вкладыш, по высоте точно равный надставке, и вращали винт пресса до отказа. В результате этого поверхность образца и края кассеты оказывались в одной плоскости.
Подготовленный таким образом образец помещали в проем трубы вместе с кассетой так, чтобы поверхность образца находилась в одной плоско-
сти с внутренней стенкой трубы. Затем фиксировали кассету зажимным винтом, надевали на нее три уплотнительных резиновых прокладки и, надев на нее квадратную пластину с проемом для кассеты, закручивали гайки для обеспечения герметичности соединения кассеты с трубой. До начала опыта, пользуясь вентилем на выходе из насоса настраива
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.