土壤侵蚀：流体和颗粒物的故事

  无论多么坚硬的材料都会随着时间的推移发生侵蚀。水和风可侵蚀其运动路径上所有自然或人造的障碍物体。本文围绕堤岸和水坝在地表径流和渗流作用下抗蚀性变化特征，探讨土壤侵蚀问题，进而提出不同侵蚀机制及其防控原则。本文的讨论基于侵蚀现象、室内与原位实验以及数值模拟。

1.土壤，空气和水的持久竞争

  水和风塑造了地貌景观。在大尺度上，水通过降水的形式到达地表，可破坏土壤结构，并形成径流冲刷土壤、运移泥沙，造成水土流失。随后，径流汇成激流和河流，切割地表、搬运沉积泥沙，形成山谷景观；暴风雨造成海浪的反复冲击，不断改变海岸线。狂风可移动沙丘，且扬起的沙尘有时会在几千公里外沉积。例如，撒哈拉沙漠的沙尘能够跨越大西洋。

  小尺度上，土壤侵蚀涉及到流体（空气或水）和颗粒，土壤可以被看作为由颗粒组成的物质，颗粒之间存在着或多或少的相互作用（超链接：物质如何形变-流体和固体）。流体会对颗粒施加机械应力，强度足够大时能够破坏土壤结构，并输移分散的土壤。

  堤岸和水坝使得人类能够越来越有效地控制水对环境的影响。通常人们以为它们是混凝土结构，但实际上大多由填充物即压实的土建造的。这些设施不仅保护我们免受洪水和暴风雨的侵袭，同时也能保障水源（饮用水或灌溉用水）和能源。如同所有的人类建筑一样，堤岸和水坝并非坚不可摧，也会遭受侵蚀。本文从堤坝侵蚀的特定视角提出土壤侵蚀的问题（图1）。本文并非详尽无遗，未涉及土壤荒漠化或农业用地侵蚀等问题[1]。不过文章提出的土壤侵蚀机制不只限于堤坝，同时也适用于其他侵蚀研究及防治策略。

2.堤坝侵蚀的不同方式

  在堤坝设施结构层面，水流作用下的侵蚀主要分为两种类型。如果水流侵蚀了设施的可见部分，称为外部侵蚀。反之，如果水流侵蚀了设施的不可见部分或基础，则称为内部侵蚀[2]。应当注意的是“外部”和“内部”这两个词是指设施结构本身而非材料，在下文中会继续讨论。在材料层面，侵蚀会发生在材料的表面或直接发生于其内部，取决于不同情况。

  据全球统计，内部和外部侵蚀分别造成了约50%和45%的溃坝[3]。然而，侵蚀发生的条件、演化速度，以及其对设施结构脆化的影响，仍需深入研究与探讨。尽管已有研究表明，大坝在短期溢流过程中不会溃坝，但在水库溢流失控的情况下，是无法通过大坝抗蚀性计算来判断溃坝情况的。

  关于内部侵蚀，过去15年开展的研究工作提出了四种机制，并得到学界广泛认可[4]，即逆向侵蚀（regressive erosion），管涌侵蚀（conduit erosion），接触侵蚀（contact erosion）和潜蚀（suffusion）。

• 逆向侵蚀是指在渗流出口附近的物质或土壤被运移的过程，由垂直于土壤/水界面的渗流涌出所诱发，表现为“沙沸”（图2）。如果水流湍急，近地表的土壤颗粒会被冲走，且悬浊液可从土体中喷涌而出。随着流速减缓，颗粒重新沉积，形成类似微型火山锥形的小丘。若此过程持续发生，沉积的颗粒物将来自越来越远的区域，随着时间的推移，就会形成从下游到上游的侵蚀通道。

• 管涌侵蚀（或集中流侵蚀）是指原有侵蚀通道的扩张[5]，如坑洞、裂隙、未压实管线或根腐烂后遗留的通道。流经通道的水在其边壁产生剪切力，如果强度足够大，可以将物质从通道壁分离并搬运，并使通道的直径逐渐增大，使越来越强的水流通过，该现象会持续至遇到抗蚀性更强的物质或通道发生坍塌（图3）。
• 接触侵蚀发生在细颗粒与粗颗粒土壤之间的界面处，水流运动包含平行于界面流动、从细颗粒流向粗颗粒土壤两种情形。当水流强度足够大时，如果土壤细颗粒小到能够挤入土壤的粗颗粒之间，细颗粒就会被侵蚀。如果不同大小的土壤颗粒层水平排列，接触侵蚀通常会导致沉降（图4）。

• 潜蚀是对土壤中最小颗粒组分的选择性侵蚀。在颗粒物质中（参见《沙子：流体还是固体？》），并非所有的颗粒都以相同的方式承受着施加的机械应力。只有仅约20%的颗粒传递主要的机械应力，其他颗粒受力较小，容易随渗流发生运移。如果粒度组成（即粒径分布）满足最小土壤颗粒可在最大土壤颗粒之间流动的条件，部分土壤将会在渗流的作用下发生侵蚀。潜蚀作用下，土壤将会变得更多孔，直到最终崩塌，或者加剧水流动而促进其他侵蚀机制的形成。潜蚀机制很难在现实中被证实，因为潜蚀的痕迹在结构破坏前几乎无法被观察到，在破坏后也会消失殆尽。尽管如此，这一现象却可以在实验室中观测到。

  上述几类发生在土壤表面以下的内部侵蚀，其机制已比较清楚，而外部侵蚀的情况并非如此，因为其类型更加多样，流体紊动性更强。迄今为止，还没有公认的外部侵蚀分类标准。但是溢流（overflow），岸线侵蚀（shoreline erosion），局部冲刷（local scouring）和浪蚀（wave erosion）都可以作为示例（图5）。关于外部侵蚀的分类较为初步，将根据后续研究结果持续完善。

• 溢流是指水位超过堤坝顶部溢出而形成的水流。水流施加的剪切力可以拖拽并输运颗粒。这种侵蚀机制最令人担忧，因为可能会导致溃坝。
• 岸带侵蚀主要发生在受水流影响的河堤，或通常意义上的河岸。在这种情况下，水流与堤岸平行，局部的流体/颗粒物的相互作用类似于溢流（水在地表的流动），但堤岸侵蚀中的剪切力强度不是特别大。另一方面，从长远来看，这些剪切力持续时间长，可减弱河堤或河岸的作用。
• 局部冲刷是指水流喷射到地面导致的侵蚀，例如刚性结构表面的溢流。这类集中水流垂直冲击地表，对地面造成局部冲刷。一旦这个过程开始，水涮窝中水的涡流作用有助于加强这种侵蚀行为。
• 浪蚀是指由浪涌（surge）或漫顶（overtopping）两种形式引起的波浪侵蚀。浪涌是波浪反复冲击障碍物的行为，就像海浪冲刷沙滩一样。堤坝可以防止波浪在水面传播并使其中断。这种浪涌产生的能量有时会破坏障碍物的结构，使颗粒物处于悬浮状态。漫顶是指当波浪大到足以到达障碍物的顶点后，水流顺着障碍物向下游流动。在海边风暴期间，漫顶产生的风浪既壮观又危险。当水流回落时，可能带走一些物质。虽然漫顶产生的能量比浪涌低，但因为位于堤坝的下游土壤缺少保护，可造成土壤侵蚀。

3.土壤可蚀性特征

  土壤可蚀性是指当水力的强度大于土壤的机械阻力时所表现出来的属性。可蚀性包括两个方面，一方面是指侵蚀发生条件，另一方面是指侵蚀开始后的动力学。

  在固体与流体的界面可辨识的情况下，若流体沿着该界面平行流动，侵蚀可以被表征为材料尺度上的表面侵蚀。此时流体的强度由流体在该界面施加的剪切力来表征。土壤对水流的抗蚀性由材料的粘聚力和密度决定。这使得我们能通过对比水动力和抗蚀性来明确侵蚀发生条件。侵蚀的动力学一方面来自土壤力学特性的空间异质性，另一方面来自界面流体应力的时空变化，后者源自紊流。

  上述情形（图6）涉及到具有明确的固体域和流体域的两相几何结构，不仅能描述一些外部侵蚀机制，也可以描述四种内部侵蚀机制之一的管涌侵蚀，（管道边壁作为侵蚀表面）；在更小的范围上也可以看作是平行流情景下的接触侵蚀。另一方面，涉及到其他内部侵蚀机制（逆向侵蚀、垂直于界面的接触侵蚀、潜蚀）的水流状况，其需要在考虑土壤颗粒平衡性的情况下进行深入分析。

  目前一些实验室的测试可以表征材料的可蚀性，包括侵蚀发生（流体强度）和侵蚀动力学（侵蚀速率）两个方面。这些测试包括HET测试（Hole Erosion Test）[8]（图7），适用于管涌侵蚀的研究，JET测试（Jet Erosion Test）[9]和EFA测试（Erosion Function Apparatus）[10]，适用于外部侵蚀的研究，或适用于内部潜蚀研究的潜蚀渗透仪（suffusion permeameter）。对前三种测试的解释基于表面侵蚀模型（还存在其他模型[11]），该模型基于两个参数：一个是侵蚀系数（表征侵蚀动力学），另一个是临界流体应力（表征侵蚀发生）。但对潜蚀测试的解释仍缺乏建立完善的理论框架，目前仅是以研究为目的。

  随着数值计算工具的发展，特别是离散元素方法[12]（DEM，discrete element method）与流体流动解析方法（fluid flow resolution method）相结合的兴起，可以直接在微观尺度（即构成材料的颗粒尺度）上解决土壤侵蚀问题（图8）。在该尺度下，我们不再真正讨论侵蚀，而是土颗粒的剥离，运移和沉积/堵塞。目前有大量研究，将这种局部视角与工程师在结构尺度上的全局视角联系起来。这种小尺度的研究结果有助于厘清更大尺度上观察到的侵蚀规律。

4.控制内部和外部侵蚀的措施

  明确各种内部侵蚀机制有助于制定土壤侵蚀的控制策略。这需要制定一系列“良好行为”准则。对于堤坝而言，这些准则（也称为推荐规范）由国家和国际组织的专家编写。这些组织包括法国堤坝与水库委员会（CFBR[15]）和国际大型堤坝委员会（ICOLD[16]）。

  反馈信息告诉我们预防比修复要容易得多，因为一旦产生侵蚀，就很难在溃坝之前阻止。例如，1976年美国提顿大坝[17]的标志性垮塌，尽管全力试图修复，但在发现第一个渗漏点仅几个小时后，溃坝就发生了。

  首先，选择用于建造堤坝的材料必须适应所承受的水力应力。尽管如此，在危机情况下产生的水力应力过大，则实施专门针对削减水力应力的保护措施（阅读：土壤加固：已成为必不可少的技术）。以下是一些措施（当然这个列表并非详尽）：

• 低渗透性粘土材料能够限制渗入土壤的水流强度，减少内部侵蚀发生的可能性（阅读：黏土：一种神奇的自然纳米材料）。
• 不同材料满足接触渗透标准和每一种材料满足自身的渗透标准，可降低接触侵蚀或潜蚀的风险。如果不能满足这些渗透标准，则可以使用土工布将相应的两种土层进行隔离。
• 植被覆盖和控制穴居动物可控制管涌侵蚀。
• 土壤的内在抗蚀力可通过化学过程（石灰处理的土壤，膨润土和水泥浆混合等）和生物化学过程（土壤生物钙化）得到提升，这些过程会增加土壤颗粒之间的粘聚力。
• 草地覆盖（或矮植被）能减小地表径流施加在土壤表面的剪切力（边界层厚度增加[17]），延缓了侵蚀的发生。植被也可缓解大雨或水浪通过时溅蚀对土壤的破坏。
• 乱石堤对堤坝起到外壳的作用，在海浪到达细颗粒土壤之前使其能量消散。
• 在受逆向侵蚀的堤坝下游设置反调节水库，能够减小上下游的水位差，从而减缓渗流的强度。这就是危机情形下，在“沙沸”周围放置沙袋的原因。

5.堤坝保护技术的前景如何？

  目前水流引起的土壤侵蚀分类体系，在内部侵蚀（逆向侵蚀管涌侵蚀，接触侵蚀和潜蚀）已经建立，但外部侵蚀机制的分类仍在探讨中，本文提出的四种侵蚀机制应仅被作为思考的前期基础。

  许多施工技术被用来尽可能地控制水对易侵蚀土壤的作用。这些技术是基于目前的科学知识，但这些知识还没有完全成熟。理解侵蚀物理过程的仍然是一个广泛开放的问题，也是一个备受关注的研究领域。

  至于引言中提及的地貌侵蚀，这是更广泛一系列现象的结果，具有长期可见的后果。文中提及的侵蚀机制显然也参与了这些自然景观的塑造，但我们还可以加上滑坡，各种化学变化，冻融循环，沉积物运移，冰川移动，风力传输，植被影响等因素。

6.要记住的信息

• 在流体（水或空气）的作用下，土壤（天然的或人造的）既可以在与流体接触的界面上发生侵蚀，也可以经过水渗透作用在内部发生侵蚀。
• 所有的土质结构都是可渗透且容易受到侵蚀。良好的设计和措施可以使这种现象得以控制，并能够在出现问题的时候及时采取措施。
• 无论是从了解不同侵蚀机制的物理学角度，还是从表征土壤抗蚀特性和不同侵蚀机制的发展速度角度，甚至是从原位侵蚀调查、测量和监测的技术角度而言，土壤侵蚀仍然是一个备受关注的研究方向。
• 本研究是基于实验室水平（材料尺度）、现场实验（现场工作规模）和数字模拟（数字实验）开展的。

 

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参考资料和说明

封面照片（布莱克曼大坝，塔斯马尼亚，2005。照片来源：水星新闻图片社，金·艾泽勒（Kim Eiszele））

[1] Van Oost, K. et al. 2007. The impact of agricultural soil erosion on the global carbon cycle. Science, 318, (5850), 626-629.

[2]  有时也被称为hydraulic fox。

[3] Foster, M. et al. 2000. The statistics of embankment dam failures and accidents. Canadian Geotechnical Journal, 37, 1000-1024.

[4] Bonelli, S. (2012). Erosion of geomaterials. Hoboken: John Wiley & Sons

[5] 这种类型的侵蚀只出现在粘性材料中，因为这种材料允许通道的存在而不会塌陷。

[6] Hanson, G. et al. 2010. Internal erosion and impact of erosion resistance. Collaborative management of integrated watersheds. Proc. of 30th annual USSD conference, 773-784.

[7] Beguin, R. (2011). Multi-scale study of contact erosion in earthen hydraulic structures. PhD thesis. University of Grenoble.

[8] Benahmed, N. and Bonelli, S. (2012). Investigating concentrated leak erosion behaviour of cohesive soils by performing hole erosion tests. European Journal of Environmental and Civil Engineering, 16(1), 43-58.

[9] Hanson G. J. and Cook K. R. (2004). Apparatus, Test Procedures and Analytical Methods to Measure Soil

Erodibility In Situ. Engineering in Agriculture, ASAE, 20(4), 455-462.

[10] Briaud, J. L. et al. (2001). Erosion function apparatus for scour rate predictions. Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering, 127(2), 105-113.

[11] Knapen, A. et al. 2007. Resistance of soils to concentrated flow erosion: A review. Earth-Science Reviews, 80(1-2), 75-109.

[12] https://en.wikipedia.org/wiki/Discrete_element_method

[13] Wautier, A. (2018). Micro-inertial analysis of mechanical instabilities in granular media, application to internal erosion. PhD thesis. Aix-Marseille University.

[14] Benseghier, Z. (2019). Numerical study of the erosion of a cohesive granular material by fluid flow. PhD thesis. Aix-Marseille University.

[15] https://www.barrages-cfbr.eu/

[16] https://www.icold-cigb.org/

[17] https://fr.wikipedia.org/wiki/Barrage_Teton

[18] 如图 2 所示，流体速度从零到最大所占区域面积的大小。