極端降雨作用下陜北梯田邊坡穩(wěn)定性分析

溫永福, 高 鵬, 穆興民, 趙廣舉, 孫文義

(1.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;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100;3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

梯田邊坡在黃原區(qū)普遍存在，其主要作用包括以下2個(gè)方面[1]:一是能夠有效地防止水土流失，創(chuàng)造良好的水、土生態(tài)環(huán)境，為耕作難以進(jìn)入地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了條件;二是降低了常規(guī)斜坡高梯度的危險(xiǎn)，維護(hù)邊坡穩(wěn)定性。由于在降雨條件下田埂具有持水作用，這必然涉及到入滲問(wèn)題，梯田改變了原有地面形狀，從而使地表入滲與斜坡不同。眾多事實(shí)表明，入滲是影響邊坡穩(wěn)定性，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的最主要和最普遍的環(huán)境因素，是淺層滑坡最關(guān)鍵的觸發(fā)因素[2-3]。非飽和土質(zhì)邊坡在天然狀態(tài)下常常具有較高的穩(wěn)定性，但入滲導(dǎo)致基質(zhì)吸力減少，邊坡穩(wěn)定性會(huì)大大降低。例如2013年延安地區(qū)發(fā)生的極端暴雨導(dǎo)致大面積梯田邊坡塌滑破壞給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重?fù)p失[4]。

入滲是指降雨通過(guò)地表向下運(yùn)動(dòng)，補(bǔ)給土體水、地下水，是水分在土體中的一個(gè)動(dòng)態(tài)分布過(guò)程[5]。入滲觸發(fā)滑坡主要包括以下幾個(gè)因素：雨水入滲產(chǎn)生暫態(tài)飽和區(qū)，土體重度增加，下滑力增加；濕潤(rùn)區(qū)土體的基質(zhì)吸力降低；雨水對(duì)巖土體的軟化作用，巖土體粘聚力和內(nèi)摩擦角降低。目前對(duì)上述幾個(gè)方面的一般性斜坡穩(wěn)定性研究較多[6-10]，盡管許多學(xué)者對(duì)梯田邊坡進(jìn)行實(shí)地調(diào)查和研究，但對(duì)梯田邊坡入滲穩(wěn)定性研究還相對(duì)較少。一些研究者開(kāi)展了有益的探索，例如，張杰等[11]利用Green-Ampt模型研究了基于農(nóng)作物灌溉入滲梯田邊坡穩(wěn)定性分析，討論了梯田潛在滑裂面位置。楊娟等[12]以陜南土坎梯田田坎為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)，探究了田坎產(chǎn)生破壞的形式及其產(chǎn)生這種破壞的原因。王延貴等[13]采用土力學(xué)中的條分法分析了土體崩塌的原意及崩塌類(lèi)型。

本文以陜北紙坊溝流域水平梯田邊坡為例，采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法，研究極端降雨條件下梯田邊坡的入滲、變形、崩塌，探討極端降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，同時(shí)利用國(guó)際通用的二維巖土力學(xué)有限差分計(jì)算軟件分析梯田邊坡安全系數(shù)隨降雨時(shí)間的變化，為梯田邊坡崩塌失穩(wěn)防災(zāi)減災(zāi)、監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)提供可靠的理論依據(jù)和豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及試驗(yàn)土體性質(zhì)

紙坊溝流域位于陜西省安塞縣境內(nèi)，是杏子河的一級(jí)支流，屬于黃土丘陵溝壑區(qū)，地理位置為109°14′12″—109°16′25″E，36°46′25″—36°43′11″N。流域總面積為8.273 8 km2。紙坊溝流域地處暖溫帶半干早森林草原地帶，年平均氣溫8.8℃，年平均降水量546.1 mm，降雨主要集中于7—9月，其降水量占全年降水量的61%。本文選取安塞縣紙坊溝小流域梯田作為研究對(duì)象，陜北安塞梯田屬于旱地土埂梯田，土體類(lèi)型為黃綿土[14]，田坎高度1～3 m，邊坡坡度在60°～70°，田面主要種植果樹(shù)、玉米、雜糧等，梯田埂坎植被覆蓋率低，損害嚴(yán)重。鑒于此，本試驗(yàn)?zāi)M梯田高度1.2 m，邊坡坡度65°，無(wú)田埂保護(hù)。試驗(yàn)用土取自陜西安塞縣紙坊溝，取土深度為6～8 m，屬于Q4黃綿土。試驗(yàn)用土的基本參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用土的基本參數(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)裝置及填土方式

試驗(yàn)填筑的邊坡部分高度為1.2 m，坡度為65°。與模型配套的有人工降雨系統(tǒng)，多物理量測(cè)試系統(tǒng)：水分傳感器、示蹤點(diǎn)、數(shù)碼相機(jī)。模型尺寸見(jiàn)圖1。本次試驗(yàn)采用分層擊實(shí)填筑的方法：把試驗(yàn)前配制好的土均勻地每隔10 cm厚度分層，共分17層。分層填筑完成后通過(guò)人工削坡得到65°邊坡和模型所需幾何尺寸。在每層填土的分界面處，在中間0.5 m的截面上埋設(shè)了13個(gè)RR-7120水分傳感器，并在靠近有機(jī)玻璃的側(cè)面上埋設(shè)了36個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)[15]。測(cè)試儀器布置見(jiàn)圖2。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在陜西省水利部水土保持研究所人工模擬降雨大廳測(cè)噴Ⅱ區(qū)進(jìn)行。按坡體運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況，共分5次降雨，每次降雨歷時(shí)1 h，降雨間隔為1 h左右，降雨強(qiáng)度為150 mm/h，總降雨量達(dá)750 mm，模擬延安極端降雨條件[16]。記錄產(chǎn)流時(shí)間，試驗(yàn)每1 min在出口處收集1次徑流樣。用數(shù)碼相機(jī)每10 min記錄坡面形態(tài)，在坡面形態(tài)變化劇烈的時(shí)間段可加大照相機(jī)拍攝頻率。含水率以及位移傳感器記錄整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程各數(shù)據(jù)的變化。

1.4 數(shù)值模型建立

采用有限元軟件ANSYS的前處理，導(dǎo)入巖土工程模擬計(jì)算軟件Geostudio中[17]，模型共2 352個(gè)單元，4 441個(gè)節(jié)點(diǎn)，將計(jì)算模型底面和左側(cè)固定，頂面和右側(cè)自由。GeoStudio軟件允許在飽和非飽和多孔連續(xù)介質(zhì)中進(jìn)行流體流動(dòng)的瞬時(shí)模擬。流動(dòng)計(jì)算可以脫離GeoStudio中的力學(xué)計(jì)算獨(dú)立進(jìn)行，也可以與其他力學(xué)模型進(jìn)行耦合計(jì)算，以控制流固耦合作用的影響。其滿足達(dá)西定律土體內(nèi)非恒定滲流，其偏微分方程形式如下：

(1)

式中：h為總水頭；kx和ky為x和y方向的滲透系數(shù)；w為源匯項(xiàng)；mw為比水容量；ρw為水的密度；g為重力加速度；t為時(shí)間。

圖1 模型試驗(yàn)裝置示意圖

注:不同英文字母表示土體層數(shù)；數(shù)字表示土體列數(shù)；○表示土壤含水率傳感器；Δ表示位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖2試驗(yàn)傳感器布置圖

田面表面及斜坡處取流量邊界或定水頭邊界。分析降水時(shí),程序自動(dòng)判斷降水強(qiáng)度與土體滲透系數(shù)的關(guān)系。若降水強(qiáng)度小于表面土層滲透系數(shù)，則按流量邊界處理,大小為降水強(qiáng)度；若降水強(qiáng)度大于表層土體滲透系數(shù)，一部分雨水沿坡面流走,會(huì)在坡面形成一層薄水膜，此時(shí)可按定水頭邊界處理，由于水膜很薄，因此計(jì)算中取水頭值等于地表高程；模型左側(cè)、地下水位以下為定水頭邊界條件，地下水位以上按零流量邊界處理；模型底面為不透水邊界。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨入滲規(guī)律

圖3中的曲線為每次平均降雨(入滲)量及入滲百分率與降雨次數(shù)的關(guān)系。由圖3可以看出，在第一次降雨中，平均入滲率在80%左右，隨后降雨，入滲率由于地表徑流的增加而逐漸減小，到第3次降雨，入滲率下降到49.3%，之后維持在25%左右，有75%的降雨變成了地表徑流，并且對(duì)梯田邊坡造成了水土流失和雨水沖蝕，形成了細(xì)溝。雨水從梯田邊坡滲入坡體是一個(gè)非飽和到飽和的滲流過(guò)程，其入滲速率隨時(shí)間的變化不僅與非飽和土的初始濕度、基質(zhì)吸力有關(guān)，還與梯田邊坡土體的物理特性和結(jié)構(gòu)性有關(guān)。通常在入滲的開(kāi)始階段，入滲能力大于降雨強(qiáng)度，入滲速率較大，是無(wú)壓入滲。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，土體開(kāi)始飽和，土體含水率梯度減小，基質(zhì)吸力下降，入滲能力減小，當(dāng)降雨強(qiáng)度大于土體入滲能力時(shí)，則產(chǎn)生坡面徑流。最后，隨著降雨的進(jìn)行，入滲率逐漸減小直至趨于常數(shù)而達(dá)到穩(wěn)定入滲階段。

圖3每次平均降雨(入滲)量及降雨入滲百分率

2.2 梯田邊坡含水率變化

根據(jù)含水率傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可了解整個(gè)過(guò)程梯田邊坡含水率的變化情況。圖4A表明：坡體不同深度上各土層含水率隨降雨歷時(shí)及雨后歷時(shí)變化有所不同。降雨開(kāi)始0.5 h內(nèi)，坡體A，B，C三層含水率增加速度達(dá)到0.83%/h，變化比較明顯，D，E，F(xiàn)三層土體含水率變化很小，這是由于雨水入滲由淺部向深部進(jìn)行。隨著降雨時(shí)間增長(zhǎng)，雨水不斷入滲，整個(gè)坡體含水率不斷增大，上層土體含水率增加速率約為2%～2.83%/h，大于之前的0.83%/h，這是由于土體含水率的不斷增加，基質(zhì)吸力減小，滲透系數(shù)不斷增大的結(jié)果。對(duì)于D，E，F(xiàn)下三層土體，曲線有一個(gè)明顯的折點(diǎn)，含水率在4：00左右突然增大，說(shuō)明土體內(nèi)發(fā)生了劇烈活動(dòng)，土體內(nèi)部出現(xiàn)深裂縫，土體開(kāi)始失穩(wěn)，滑動(dòng)面正在形成。由此可知：含水率變化對(duì)土體破壞有很大的影響。首先，含水率的增加導(dǎo)致了土體的孔隙水壓力升高，有效應(yīng)力降低，從而導(dǎo)致了土體抗剪強(qiáng)度降低；其次，含水率增加，增大了水分的滲透力，從而導(dǎo)致梯田邊坡穩(wěn)定性降低，降雨入滲導(dǎo)致含水率變化的這雙重效應(yīng)可能為降雨誘發(fā)梯田邊坡失穩(wěn)的重要原因。并且從圖4B看出坡頂含水量率上升速度最快，變化幅度最大，在11月11日13：00左右由于梯田邊坡垮塌使其暴露于空氣中，其含水率迅速降為0，其次是坡腳，坡中變化最小，幅度也最小。

2.3 位移監(jiān)測(cè)及潛在滑動(dòng)面形狀

典型測(cè)點(diǎn)測(cè)得：靠近坡頂?shù)臏y(cè)點(diǎn)(A1，A2，A3，A4)位移為1.5～3 cm，方向與水平呈40°～50°，靠近坡面的測(cè)點(diǎn)(B5，C6，D6)位移為8.5～17.5 cm，方向?yàn)榕c水平呈60°～70°?？拷履_的測(cè)點(diǎn)(E7，F(xiàn)7)位移為4～6.5 cm，方向與水平呈80°～85°。埋置在最深處的測(cè)點(diǎn)(B1，C1，D1，D2，E1，E2，E3，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5)位移幾乎為零。這說(shuō)明：土體滑坡時(shí)，既有水平運(yùn)動(dòng)，又有豎向運(yùn)動(dòng)。由位移為零的示蹤點(diǎn)可以確定出大概潛在滑動(dòng)面的深度。如由位移為零的C1點(diǎn)和E3測(cè)點(diǎn)，可得到潛在滑動(dòng)面的深度為0.56 m和0.94 m左右，將各位移為零的示蹤點(diǎn)得到的潛在滑面深度同滑坡后緣錯(cuò)開(kāi)裂隙結(jié)合起來(lái)，即可確定潛在滑面的位置。潛在滑動(dòng)面的形狀見(jiàn)圖5。

圖4含水率隨時(shí)間的變化關(guān)系

圖6為3個(gè)特征監(jiān)測(cè)點(diǎn)(A5，C6，F(xiàn)7)位移及累計(jì)降雨量的關(guān)系曲線，從圖中可以看出隨著累計(jì)降雨量的增加土體位移逐漸加大，以坡中處的位移最大，坡腳次之，坡頂最小。在11日14：00左右坡體崩塌，位移陡增，滑坡結(jié)束后，位移增加緩慢，在12日8：00位移基本不變。坡中、坡腳、坡頂位移分別為15.5，6，3.2 cm。

圖5潛在滑動(dòng)面形狀

2.4 梯田邊坡安全系數(shù)以及孔隙水壓力變化

通過(guò)數(shù)值模擬梯田邊坡安全系數(shù)(Ks)與降雨時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖7，隨著降雨時(shí)間的持續(xù)Ks逐漸減小，在14:30左右Ks急劇下降且小于1，梯田邊坡失穩(wěn)，降雨結(jié)束后Ks緩慢增大逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。與試驗(yàn)一致。

通過(guò)Excel軟件對(duì)同一時(shí)間的梯田邊坡安全系數(shù)(Ks)與A，B，C三層土體含水率均值(W)擬合發(fā)現(xiàn)兩者存在很好的相關(guān)性(Ks=-0.0188W+1.6029，R2=0.9228)，由此可知含水率是影響梯田邊坡安全系數(shù)的重要因子，安全系數(shù)隨含水率的增大而減小。降雨5 h后梯田邊坡頂、坡中以及坡腳孔隙水壓力依次為0.5，1.5，3.5 kPa(圖8)。這與試驗(yàn)過(guò)程中該處水分傳感器變化相一致，由此可知土壤含水率是影響其孔隙水壓力的重要因素。

圖6特征點(diǎn)位移及累計(jì)降雨量

圖7梯田邊坡安全系數(shù)隨降雨時(shí)間變化

圖8降雨5h后孔隙水壓力分布

3 結(jié)論及建議

(1) 在實(shí)施降雨的前2 h，平均入滲百分率為65.58%，之后，入滲率由于地表徑流的增加而隨時(shí)間逐漸減少。一段時(shí)間(8 h)之后，入滲率降到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值(26.14%)。降雨入滲率的降低是由于邊坡土體吸水飽和使原來(lái)張開(kāi)的裂隙閉合的結(jié)果。

(2) 在強(qiáng)降雨作用下，邊坡土體吸水飽和，土體內(nèi)孔隙部分閉合，滲透性降低，排水不暢，在滑動(dòng)面附近形成暫態(tài)的滯水層。滯水層的存在對(duì)梯田邊坡的穩(wěn)定極為不利。首先，滯水層的形成導(dǎo)致了土體中孔隙水壓力的增加，有效應(yīng)力降低，從而導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度的降低；其次，滯水層的形成使得原來(lái)非飽和土體充分吸水軟化，也導(dǎo)致了土體抗剪強(qiáng)度的降低。降雨入滲的這一雙重效應(yīng)可能是降雨誘發(fā)梯田邊坡失穩(wěn)的主要原因之一。

(3) 在降雨作用下，水分向下滲流，但土體內(nèi)部各點(diǎn)的含水率變化是不一樣的，含水率變化較大的區(qū)域，其土體運(yùn)動(dòng)也是最劇烈的，說(shuō)明了含水率變化對(duì)土體穩(wěn)定有很大的影響。首先，含水率使土體有效應(yīng)力降低，從而導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低；其次，含水率增加，導(dǎo)致水分向坡外的滲透力增加，從而使梯田邊坡穩(wěn)定性降低。

(4) 隨著降雨時(shí)間的持續(xù)孔隙水壓力逐漸增大、Ks逐漸減小，在降雨5 h后坡頂、坡中以及坡腳孔隙水壓力依次達(dá)到0.5，1.5和3.5 kPa，Ks急劇下降且Ks<1，梯田邊坡失穩(wěn)。同樣在降雨5 h后梯田邊坡土體內(nèi)部含水率出現(xiàn)陡增的現(xiàn)象，由此說(shuō)明含水率是影響梯田邊坡孔隙水壓力以及安全系數(shù)的重要因素，含水率與安全系數(shù)呈負(fù)相關(guān)。

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