降雨對黃土裸坡坡面形態(tài)影響的室內(nèi)模型試驗

武彩萍，駱亞生，陳 偉，李 丹

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌712100）

中國黃土和黃土狀土廣泛分布，總面積約為6．40×105m2［1］。黃土地區(qū)災(zāi)害頻繁發(fā)生，危害嚴重，其中黃土高原普遍存在坡面侵蝕問題，主要發(fā)生在降雨集中的6—9月，輕則黃土坡面會遭受破壞，重則降雨入滲可能會導(dǎo)致黃土滑坡的發(fā)生［2］。坡地土壤侵蝕過程中土粒的運移不僅使土壤顆粒的流失、淤積水庫渠道、抬高河床、水土環(huán)境惡化，而且在水土流失的過程中同時會導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的流失，降低土地生產(chǎn)力，使有限的耕地面臨嚴重退化［3］。黃土滑坡具有規(guī)模大、危害強、預(yù)測難等特點［4］。大型黃土滑坡會阻塞交通、堵截河流、摧毀良田林木，造成嚴重的社會經(jīng)濟損失，甚至掩埋村莊城市、侵奪人民的生命［5］。例如，2011年10月17日陜西省西安市灞橋區(qū)發(fā)生由強降雨引發(fā)的山體滑坡，造成附近磚廠和某公司部分車間被埋，10人死亡22人失蹤，另有5人受傷。為進一步保障人民生命財產(chǎn)安全，開展降雨條件下黃土坡面形態(tài)變化和滑坡發(fā)生發(fā)展的理論和試驗研究有重要的意義。

關(guān)于黃土坡面形態(tài)的研究需作大量的理論分析，更依賴于試驗技術(shù)的發(fā)展，室內(nèi)模型試驗應(yīng)運而生。其中室內(nèi)人工降雨模型試驗是一種有效的方法［6－7］，可以直接用來觀察整個降雨過程中坡面形態(tài)隨時間的變化和滑坡發(fā)生發(fā)展的過程。沈波等［8］系統(tǒng)地進行了壓實黃土路基邊坡的人工降雨入滲和沖蝕試驗，研究了黃土路基邊坡的相關(guān)性狀。謝妮等［9］對非飽和黃土邊坡在降雨入滲情況下的吸力、變形以及徑流量等進行了詳細的研究。林鴻州等［10］根據(jù)人工降雨邊坡物理試驗?zāi)Ｐ徒o出合適的雨量預(yù)警參數(shù)。賈官偉等［11］通過大型模型試驗研究了水位聚降條件下臨水邊坡的失穩(wěn)原因及模式。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上為分析降雨對黃土裸坡坡面形態(tài)的影響，建立了人工降雨條件下黃土坡面的室內(nèi)模型，所用黃土取自陜西省楊凌區(qū)，并通過水分傳感器、示蹤點、數(shù)碼拍攝等監(jiān)測觀察了強降雨過程中黃土坡面形態(tài)的變化，同時分析了降水入滲對黃土坡面崩滑的影響。

1 材料與方法

1．1 試驗黃土

試驗所用黃土取自陜西省楊凌區(qū)揉谷鄉(xiāng)，取土深度3．0～5．0m，屬Q(mào)3黃土。天然干密度1．52g／cm3，天然含水率18．2%，最大干密度1．70g／cm3，其物理性質(zhì)如表1所示。原土料過1cm篩，含水率控制在天然含水率左右以供模型填土使用。

表1 試驗黃土的物理性質(zhì)

1．2 試驗裝置

試驗裝置由模型槽和降雨裝置組成。模型槽三面為磚砌墻體，一面為有機玻璃，分別用槽鋼加固以保證結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定。采用的人工降雨裝置包括供水系統(tǒng)、過濾器、流量表、供水管、噴頭以及起支撐作用的金屬結(jié)構(gòu)。

供水管主管外徑32mm，支管外徑20mm，主管沿長度方向布置，相距2m，其間每隔40cm設(shè)置1根支管，每根支管的40（30）cm，100cm，160（170）cm 處各裝1個霧狀噴頭，用兩通管和三通管連接，共33個噴頭以保證降雨均勻。

1．3 模型尺寸及監(jiān)測設(shè)備

模型長4．6m，寬2m，坡度45°，最高處2．5m。傳感器埋在模型中間同一豎直平面內(nèi)，模型尺寸和傳感器位置如圖1所示。

圖1 模型尺寸及傳感器位置示意圖

監(jiān)測設(shè)備的選擇、埋設(shè)與研究的目的直接相關(guān)。本試驗所用監(jiān)測工具為水分傳感器（埋在坡體內(nèi)部動態(tài)監(jiān)測不同位置的體積含水率）、數(shù)碼攝像機（設(shè)在距有機玻璃一側(cè)4m處用于觀測水分在坡體中下滲的位置線以及示蹤點情況）、數(shù)碼照相機（拍攝坡面形態(tài)變化過程并記錄各處裂縫等）。其中，水分監(jiān)測系統(tǒng)有2套，每套5個通道，共10個傳感器，埋設(shè)位置的選定以分布在坡體各個部位及理論滑坡位置為原則。示蹤點埋設(shè)在圖1中每個格子中心點，隨土體一起移動以觀測坡體位移矢量。坡面不同位置插有小紅旗子以便在觀察坡面形態(tài)變化時作為位置參考。

1．4 模型建立

模型填土：在水泥墻一側(cè)標出每層填土和各個傳感器的位置，在有機玻璃上用記號筆做成20cm×20cm的網(wǎng)格；土料過1cm篩，含水率控制在天然含水率左右；分11層填土，第1層為50cm，其余每層20cm；在對應(yīng)位置埋設(shè)該層傳感器和示蹤點；每層選擇4個不同位置用環(huán)刀取樣測量含水率和干密度；在坡面用棉線鋪成40cm×40cm的網(wǎng)格，并在網(wǎng)格正中間插上編有號碼的小旗子。土層填筑完成后，用塑料布遮蓋靜置一周使土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)均勻，顆粒之間膠結(jié)形成，同時防止水分散失。坡體內(nèi)部含水率和干密度大致均勻，約為w＝13．9%，ρd＝1．2g／cm3。

1．5 試驗過程

從2012年5月19日上午9：56開始降雨試驗，共降雨7次，降雨情況及各項數(shù)據(jù)如表2所示。其中總降雨量7．246 7m3，有效降雨時間8h48min，歷時21h22min。至5月20日7：10模型發(fā)生滑坡，試驗結(jié)束。

降雨過程形成的表面徑流從正面圍堵一側(cè)流出后用25L水桶輪流接取測量。本試驗降雨強度設(shè)計為大雨至暴雨，因降雨噴頭的出水是由人為通過閥門控制，加之水源不穩(wěn)定和讀數(shù)誤差，導(dǎo)致每次降雨強度不一致，但同一次降雨的雨強是均勻的。

表2 試驗過程降雨情況

2 結(jié)果與分析

2．1 降雨入滲及含水率變化

降雨過程中徑流量／入滲量隨時間的變化趨勢如圖2所示。

圖2 降雨過程中徑流量與入滲量的比值隨時間的變化

由圖2可知，徑流量與入滲量的比值隨時間的推移呈現(xiàn)先增長后減小最終穩(wěn)定的趨勢。降雨條件下水分存在逐漸入滲和重新分布的過程，降雨初期坡體較干，水分少，開放孔隙較多，水分沿孔隙迅速滲入土體內(nèi)部，使徑流量最少，第1次觀測徑流量為0。隨著降雨持續(xù)，土體含水量增大，孔隙被充滿，土體滲透性變差，水分來不及全部下滲而形成表面徑流。累計時間在0—23和839—904min內(nèi)時徑流量／入滲量增長趨勢較大，這2個階段的雨強分別為58．5和73．8mm／h，較其他階段偏小。說明雨強和降水入滲存在一定的關(guān)系：降雨強度過大，對坡面沖蝕嚴重且降水不能及時入滲而使徑流量較大。降雨強度較小時降水不易流失而在坡面停留時間較長，降水入滲較多而徑流量較小。

圖3是降水入滲過程中不同累計時間點的濕潤峰位置，試驗結(jié)束時浸潤峰深度距坡頂約120cm，距坡面垂直距離約70cm。坡面的降水入滲速率在整個過程中小于坡頂?shù)模蚴墙邓谄旅嫱Ａ魰r間較短，迅速形成表面徑流流失。

圖3 降雨過程中坡體降水入滲情況

不同位置體積含水率隨時間的變化趨勢如圖4所示，對照水分傳感器位置分析可知，試驗初期靠近坡頂和坡面的位置含水率迅速增大，遠離坡頂和坡面的位置則需一段時間才開始增大或者一直不變，其中最下一層最靠近后緣的2個傳感器1—1和1—2輸出值一直恒定。水分增大到一定值后趨于平穩(wěn)，標志著該位置土體含水率達到峰值，近似飽和。至第1 284min降雨停止，發(fā)生大規(guī)模坡面崩滑時土體內(nèi)部最大體積含水率達到44%，此時土體含水率最大，幾近飽和。

圖4 土體內(nèi)部不同位置體積含水率隨時間變化趨勢

降水入滲通過改變孔隙水壓力破壞土體的穩(wěn)定性。干燥時土體具有很高的基質(zhì)吸力，可以提高土體的抗剪強度，當大量雨水滲入時土體含水量增加，使基質(zhì)吸力減小，基質(zhì)吸力提供的額外抗剪強度減小，以致土坡發(fā)生滑動。另外，當坡頂出現(xiàn)拉裂縫后，雨水順著裂縫滲入，達到一定深度后因沒有可以繼續(xù)滲入的裂隙，已滲入的雨水會形成滯水，原本非飽和的土體逐漸飽和軟化，土體有效應(yīng)力降低，從而導(dǎo)致強度降低。降水入滲使土壤顆粒間形成結(jié)合水膜并且不斷增大，土粒間原有的膠結(jié)作用削弱，凝聚強度降低，結(jié)構(gòu)性被破壞進而導(dǎo)致整體性破壞。水膜的楔入又對土體顆粒之間的摩擦起到了潤滑作用，使土顆粒之間的相互移動更加容易。綜上所述，降雨入滲（外因）通過結(jié)構(gòu)性變化（內(nèi)因）起作用，最終使模擬的黃土邊坡發(fā)生崩滑。

2．2 位移及裂縫

裂縫的產(chǎn)生是模型最終發(fā)生滑坡的關(guān)鍵。圖5表示從左往右依次是坡頂、坡頂下方、坡面下方的裂縫。降水不斷入滲，使坡體淺層首先達到飽和并逐漸往下發(fā)展，水分的潤滑作用加速了土體抗剪強度的弱化，最終因抗剪強度小于剪切應(yīng)力而發(fā)生變形，使得其后緣處于拉應(yīng)力狀態(tài)而形成了貫通的裂縫，裂縫為降雨的進一步滲入提供了條件，同時，坡體的蠕動變形使得拉裂向下逐漸加深。坡面下方的降水入滲速率在整個過程中小于坡頂?shù)?，坡面下方的裂縫發(fā)展不如坡頂下方明顯，如圖5c所示，坡面下方只有一些平行的微小豎向裂縫。

圖5 不同位置的裂縫及示蹤點標記的位移

降水入滲過程使土粒產(chǎn)生向下滲透力的作用，增大了土體的下滑力，加之土體自身不斷的蠕變，坡體有逐漸發(fā)展增大的位移，由圖5b，5c記號筆標記可知坡頂下方位移豎直向下，自上而下位移逐漸減小，最大位移約10cm。坡面下方位移方向與水平的夾角略大于45°，最大值約15cm。降水入滲使黃土產(chǎn)生濕陷從而產(chǎn)生豎向位移。坡頂表層在降雨條件下達到暫態(tài)飽和，抗拉應(yīng)力減小，受到拉應(yīng)力后出現(xiàn)拉裂縫而向前運動或有向前運動的趨勢，進而產(chǎn)生水平方向的位移。

2．3 坡面形態(tài)變化

降雨及其產(chǎn)生的徑流是引起黃土高原土壤侵蝕的主要動力：雨滴具有一定的動能，直接打擊地表可使土粒飛濺和沿坡面遷移；破壞土體結(jié)構(gòu)，分散土體成顆粒，造成坡面表層孔隙減少或阻塞，導(dǎo)致滲透性下降，利于地表徑流形成和流動；形成的表面徑流對坡面產(chǎn)生剪切剝蝕，當水流剪切力大于土壤臨界剪切力時土壤顆粒被剝蝕。雨滴擊濺使地表薄層徑流紊亂，導(dǎo)致了侵蝕力增強。

試驗過程中不同累計時間點的坡面形態(tài)如圖6坡面左側(cè)所示：坡面侵蝕經(jīng)歷了由“片蝕—溝蝕—溝間坡面面蝕向深切和側(cè)蝕發(fā)展”的過程，坡面形態(tài)的變化由入滲、產(chǎn)流、產(chǎn)沙引發(fā)。

降雨初期，裸坡坡面受到雨滴擊濺，松散顆粒運移使得坡體孔隙減少或者阻塞，則會導(dǎo)致滲透性下降，從而表面形成較薄的徑流層，薄層徑流對坡面侵蝕作用有限，以對雨滴濺蝕產(chǎn)生的松散土粒的搬運輸移為主。降雨持續(xù)，入滲和產(chǎn)流趨于穩(wěn)定，坡面形成淺短的細溝，局部發(fā)育形成沖蝕溝，此時溝蝕作用加強，侵蝕向深切和側(cè)蝕發(fā)展，沖蝕溝逐漸加深加寬，最終溝岸出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象。坡面因受侵蝕呈整體下降趨勢。

圖6 滑坡的發(fā)生發(fā)展過程

2．4 坡面崩滑的發(fā)展

隨著降雨的持續(xù)，坡體不同位置產(chǎn)生一系列裂縫，最后一次降雨1h后坡腳出現(xiàn)淺層滑動現(xiàn)象，并逐漸發(fā)展出現(xiàn)滑塌，如圖6坡面右側(cè)所示。降水的入滲作用在于減弱土體的抗剪強度并加大其下滑力，當抗滑力小于下滑力，剪切應(yīng)力大于抗剪強度，土體開始出現(xiàn)拉裂縫，加速降水進一步入滲。降水的持續(xù)入滲導(dǎo)致模型淺層土體逐漸飽和，而坡腳由于不斷有表面徑流經(jīng)過其飽和程度較高，所以最先出現(xiàn)輕微流滑現(xiàn)象。已經(jīng)滑塌的位置形成臨空面，土體具有自重下滑力，加之一直降雨及表面徑流持續(xù)經(jīng)過發(fā)生流滑位置，小型流滑逐漸發(fā)展，最后演變?yōu)槠旅姹阑?。由于降雨過程滑塌自下而上發(fā)展，土體的坡面崩滑位置逐漸向上推移。

3 結(jié) 論

（1）降水入滲由快到慢，徑流量和入滲量的比值隨著時間的推移基本呈先增長再減小最后穩(wěn)定的趨勢。坡頂?shù)慕邓霛B速率始終大于坡面的。

（2）降雨過程中坡頂首先產(chǎn)生貫通的拉裂縫，降水進一步入滲后坡體內(nèi)部產(chǎn)生局部微小豎向裂縫。坡體位移方向：坡頂下方豎直向下，最大位移約10cm，坡面下方位移方向與水平夾角略大于45°，最大值約15cm。

（3）隨著降雨持續(xù)，坡面侵蝕經(jīng)歷了“片蝕—溝蝕—溝間坡面面蝕向深切和側(cè)蝕發(fā)展”的過程，形成了較大的沖蝕溝，最終溝岸發(fā)生崩塌。坡面因受侵蝕呈整體下降趨勢。

（4）降雨使得坡趾處土體飽和程度較高，小滑塌自下而上發(fā)展，坡面崩滑位置逐漸向上推移，最終發(fā)生較大坡面崩滑。

降雨是引起黃土坡面侵蝕和坡體滑坡的重要外在因素，應(yīng)遵循“治坡先治水”的原則［12］，一方面可通過增加植被等防止降雨對坡面造成嚴重沖蝕；另一方面可采取截水溝、排水溝等排水措施控制過多降水入滲到坡體內(nèi)部。

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