降雨強度對非飽和土降雨入滲的影響

董 成，趙國良，王軼霞

(1. 河北水利電力學院基礎(chǔ)部，河北 滄州 061001; 2. 河北省巖土工程安全與變形控制重點實驗室（河北水利電力學院），河北 滄州 061001; 3. 河北水利電力學院后勤處，河北 滄州 061001)

0 引 言

雨季期，公路、鐵路邊坡屢屢出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，與之直接相關(guān)的就是地表土[1-3]。地表土多為非飽和土，其力學行為受降雨影響顯著，與土工結(jié)構(gòu)物或構(gòu)筑物緊密聯(lián)系的往往也是這類土。掌握在降雨條件下非飽和土水分遷移及入滲規(guī)律是研究高邊坡穩(wěn)定性及高填方路基水分遷移特性的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[4-6]。因此，深入了解非飽和土水分遷移和入滲特性及規(guī)律，對實際工程及應(yīng)用有重要意義。

國外學者Shimada等[7]通過大型人工降雨試驗，研究發(fā)現(xiàn)降雨入滲引起基質(zhì)吸力的降低是導致土坡山失穩(wěn)的重要誘因。李兆平[8]結(jié)合試驗實測土水特征曲線，探究土體基質(zhì)吸力與體積含水率之間的內(nèi)在聯(lián)系，現(xiàn)場浸水試驗以及人工降雨模型試驗是研究降雨條件下土體水分遷移特性及入滲規(guī)律的主要研究手段，國內(nèi)外學者均作了大量工作。Lee等[9]通過對某邊坡氣候及降雨量的長期觀測，經(jīng)統(tǒng)計分析后得出邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵參數(shù)為降雨強度與飽和滲透率的比值。周家文等[10]通過試驗方法研究了邊坡土體有效應(yīng)力、安全系數(shù)及位移失穩(wěn)與降雨水分遷移的關(guān)系。Tu等[11]依托某高速公路項目，采用水分傳感器及孔隙水壓力計對一處高邊坡進行長期現(xiàn)場監(jiān)測，分析得出邊坡的濕潤峰逐漸下移，且與降雨量存在密切關(guān)系。張常亮等[12]和李萍等[13-14]開展針對黃土的人工降雨試驗，研究黃土在自然降雨條件下的水分遷移及入滲特性和規(guī)律。

上述研究，未考慮不同降雨強度對非飽和土體降雨入滲規(guī)律的影響?；诖?，本文自行研制了能實現(xiàn)不同降雨強度下土體水分遷移及入滲特性的測試裝置，將水分傳感器嵌入，作為測量體積含水率的測試器件引入到設(shè)備中。通過模擬不同降雨強度，從細觀上研究非飽和土樣不同壓實度下的水分遷移入滲變化規(guī)律，以期提供降雨條件下高邊坡變形內(nèi)在原因及高填方地基水分遷移入滲的特性。

1 模型試驗介紹

1.1 試驗裝置

本文采用自行研制試驗裝置，其主要組成部分：盛放土柱試樣的有機玻璃筒，其幾何尺寸：內(nèi)徑30 cm，高80 cm，壁厚1 cm。測量體積含水率的水分傳感器，試驗采用的水分傳感器為北京海富達科技有限公司生產(chǎn)的TDR-3型（見圖1），其技術(shù)參數(shù)如下：輸出電壓0～2.5 V，工作電壓5 V，測量精度±2%，分辨率 0.1，工作環(huán)境溫度-30°～70°，測量范圍 0～80%。

圖1 GZ04/TDR-3 水分傳感器

1.2 試驗材料

本次試驗采用隴西黃土取至某一高速公路填方工程。取樣的深度在3.5～6.5 m。土樣的物理參數(shù)如下：天然含水率12.2%，土粒比重2.7，最優(yōu)含水率 16.6%，最大干密度 1.79，液限 27.7%，塑限21.6%，塑性指數(shù)6.1。為了控制影響因素，本次試驗設(shè)計土柱壓實度和降雨強度作為試驗變量，其中壓實度k共有六組，分別為k=0.75（對應(yīng)干密度1.34 g/cm3），k=0.80（對應(yīng)干密度 1.43 g/cm3），k=0.84（ 1.51 g/cm3） ，k=0.87（ 1.55 g/cm3） ，k=0.90（1.59 g/cm3），k=0.92（1.62 g/cm3），試樣的高度為70 cm，截面直徑30 cm。

1.3 試驗方案

本次室內(nèi)模型試驗共模擬3種降雨強度，分別為小雨，大雨和暴雨。為了控制其他變量因子，每種降雨強度的持時均設(shè)定為24 h。結(jié)合降雨強度的分類標準[15]（小雨標準日降雨量范圍為0～10.0 mm，大雨為 25～49.9 mm，暴雨為 50～99.9 mm），試驗中模擬的小雨降雨總量定為500 mL，經(jīng)簡單推算可得日降雨量為7.1 mm；大雨降雨總量定為1 500 mL，日降雨量為35.4 ml；暴雨降雨總量定為2 500 mL，日降雨量為63.7 mL。

本文試驗環(huán)境溫度控制25 ℃，土柱試驗頂部透水，在重力作用下水分可自由下滲，底部設(shè)有排水口，聚集于底部的水分可通過排水口排出。重點介紹一下不同降雨強度的試驗方法。在實施降雨前，需在土柱試樣頂部鋪設(shè)一張濾紙（直徑300 mm），再將輕質(zhì)的多孔圓形鋼板墊在濾紙上，保證濾紙與土柱表面貼合緊密。試驗中模擬不同降雨強度，通過日降雨量來換算，水位下降的高度是通過馬氏瓶來控制，馬氏瓶的幾何尺寸為高1 000 mm，內(nèi)徑108 mm，以此來精確控制每組工況的總降雨量。試驗土樣達到設(shè)計壓實度后，開始降雨試驗，從小雨開始在土柱頂面緩慢噴淋，當連續(xù)12 h試樣每層水分傳感器實測的體積含水率的變化幅度不超過0.1%，則可以認為水分入滲遷移達到基本穩(wěn)態(tài)，再進行下一階段的大雨工況，最后進行暴雨工況。模擬降雨時遵循緩慢噴淋并逐級補給水量的原則。對于每組工況，模擬降雨時間均設(shè)定為24 h，完成后將裝有土柱試樣的有機玻璃筒封閉嚴實，防止土樣水分蒸發(fā)，影響試驗結(jié)果。另外，為了便于分析，將安置于有機筒內(nèi)的土柱從上而下劃分為7層，試驗剖面圖如圖2所示。

圖2 試驗測點剖面圖

2 試驗結(jié)果分析

2.1 水分遷移穩(wěn)定持時

圖3為不同壓實度重塑非飽和土試樣在降雨條件下水分遷移達到基本穩(wěn)定所持時的柱狀圖。從圖中可以看出，試樣壓實度越大，從降雨開始到水分遷移達到穩(wěn)態(tài)后所需持續(xù)時間也越長，如試樣壓實度為0.85和0.75，水分遷移達到基本穩(wěn)定后所需的持時相差為20 h，約1倍；而試樣壓實度為0.92與0.75，其持時相差140 h，約1.6倍。當土樣壓實度增加到一定水平后，降雨條件下水分遷移過程就相當緩慢了。這是由于壓實度增大，土孔隙比大幅減小，水分遷移所需的孔隙通道被壓緊或阻塞，從而導致在降雨下，水分在土樣中入滲困難，水分入滲所需持時也大幅增加。

圖3 試樣水分遷移持時與壓實度的關(guān)系柱狀圖

2.2 水分遷移受降雨強度的影響

圖4和圖5表示不同壓實度下（k=0.75和k=0.87）土柱試樣不同深度處體積含水率與降雨強度及時間的關(guān)系曲線。首先從土柱各層水分遷移的情況來看，土柱第一層的體積含水率在降雨作用下變化幅度最劇烈，水分入滲速率也最為迅速。土柱從上到下，其體積含水率變動劇烈程度依次遞減。且在降雨條件下，下部土層的體積含水率變化較上部土層有滯后現(xiàn)象。一定降雨強度下，隨著各階段降雨時間的推進，土柱各個深度處水分遷移均達到基本平衡狀態(tài)。

圖4 壓實度為0.75時土柱體積含水率隨時間的變化曲線圖

圖5 壓實度為0.87時土試樣體積含水率隨時間的變化曲線圖

從土柱體積含水率隨降雨時間（一定降雨強度下）的變化規(guī)律來看，上層土不同深度的體積含水率在小雨、大雨及暴雨條件下基本表現(xiàn)為先瞬時攀升而后逐漸降低至穩(wěn)定狀態(tài)。而下層土體積含水率在空間和時間上均表現(xiàn)有所差別，在小雨階段，由于降雨量小，各層土體積含水率水平保持不變；在大雨階段，下層土淺層的體積含水率先迅速增大而后趨穩(wěn)，深部土層則基本未發(fā)生變化或變化很小；在暴雨階段，下層淺層土體積含水率呈先急速陡升而后逐漸趨于穩(wěn)定，而深層土則出現(xiàn)滯后性，出現(xiàn)迅速增大而后趨穩(wěn)的規(guī)律，且第7層（最底層）水分遷移穩(wěn)定后體積含水率最大。這反映降雨下水分從上至下的遷移入滲特性。

從不同壓實度來看，對于土柱上層土，不同降雨條件下，同一深度處的水分遷移幅度及速率，低壓實度比高壓實度大；對于土柱下層土，小雨和大雨條件下，水分遷移變化規(guī)律相似，但在暴雨階段，高壓實度的水分遷移出現(xiàn)迅速增加而后直接穩(wěn)定下來，而低壓實度除了第6、7層，其余則水分遷移則出現(xiàn)迅速增大而逐漸降低并趨于穩(wěn)定?？梢?，土體壓實度越大，降雨條件下水分在土柱中入滲遷移越困難。

從最大遷移入滲深度來看，在小雨及大雨階段，由于總降雨量不大，水分無法入滲至最底層（第7層），而當暴雨階段，總降雨量充足，各深度土層體積含水率均迅速且大幅度增大，后逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。另外，暴雨情況下，在滲透儀底部排水口明顯有水分滲出，這意味著此時水分遷移入滲已超過0.67 m。

圖6更加清晰顯示土柱試樣在不同降雨條件下水分遷移最大深度率和水分遷移持時隨土樣壓實度變化情況。從圖中看出，從小雨、大雨及暴雨的順序下，水分遷移進入穩(wěn)定狀態(tài)后的最大深度逐漸增大，其中暴雨階段，水分遷移入滲最大深度大于0.67 m，由于受限于滲透儀的高度，本次試驗無法獲取確定的值。從壓實度影響來看，土柱壓實度越大，水分遷移入滲最大深度則逐漸減小，但減小幅度不大；而隨著土柱壓實度的增大，引起的水分遷移到達穩(wěn)態(tài)所需的持時明顯增大，近似呈拋物線型增長趨勢。

圖6 土試樣水分遷移最大深度和水分遷移持時隨土樣壓實度變化曲線圖

2.3 水分入滲空間分布規(guī)律

為了與降雨試驗前土柱體積含水率進行對比，在土柱完成擊實后，降雨試驗開始前，對土柱初始含水率進行測定，結(jié)果如圖7所示。從圖中可見，當土柱壓實度相同時，初始體積含水率隨深度變化幅度較小。隨著土柱壓實度的增大，初始體積含水率逐漸增加。

圖7 土柱試樣初始狀態(tài)的體積含水率隨深度的變化曲線圖

不同降雨強度條件下，重塑土樣水分遷移及入滲特性有所差異，為了研究降雨強度對重塑土水分遷移特性的影響，選取四種試驗穩(wěn)定狀態(tài)（初始狀態(tài)、小雨穩(wěn)定后、大雨穩(wěn)定后及暴雨穩(wěn)定后）進行對比分析。圖8顯示了不同降雨強度下重塑土試樣體積含水率隨深度的變化曲線。從圖中可以看出：當降雨量為小雨時，降雨量水平較低（僅為7 mm），對于不同壓實度的土樣在水分遷移狀態(tài)趨穩(wěn)后，體積含水率在淺表土層中有所增大，隨著深度的增加體積含水率與初始狀態(tài)重合，說明在雨量較小時，土樣水分最大遷移深度均較淺，最大遷移深度范圍0.21～0.36mm（對應(yīng)壓實度范圍 0.75～0.92）。在最大遷移深度之下的土層體積含水率隨深度基本保持恒定。

圖8 不同降雨條件下土樣體積含水率隨深度的變化曲線

當降雨量為大雨時，降雨量水平較高（為35 mm），不同壓實度土樣在水分遷移狀態(tài)達到基本穩(wěn)定時，由于水分較充足，土樣體積含水率隨深度呈先增大后減小的趨勢，在深度約0.3 m處達到最大，而相對于試驗初始狀態(tài)，各深度處的體積含水率都有不同程度的增加。

當降雨量為暴雨時，降雨量水平很高（為64 mm），不同壓實度土樣在水分遷移狀態(tài)趨穩(wěn)后，由于水分十分充足，其水分遷移最大深度超過0.67 m，土樣體積含水率隨深度的增加而增大，在土樣底部達到最大，水分不斷向試樣深部不斷遷移，從而造成水分在試樣底部積聚，體積含水率最大。

3 結(jié)束語

本文通過自行研制試驗設(shè)備，采用體積含水率表征水分遷移的變化過程及規(guī)律，探究了不同降雨量對不同壓實度的非飽和土降雨入滲及水分遷移特性的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1）試樣降雨條件下，土柱從上到下，其體積含水率波動劇烈程度依次遞減。且下部的體積含水率變化較上部有滯后。一定降雨強度下，隨降雨時間的推進，各深度水分遷移均達到基本平衡狀態(tài)。

2）上層土不同深度的體積含水率在小雨、大雨及暴雨條件下基本表現(xiàn)為先瞬時攀升而后逐漸降低至穩(wěn)定狀態(tài)。而下層土體積含水率在空間和時間上均表現(xiàn)有所差別。

3）小雨時，水分遷移狀態(tài)趨穩(wěn)后，體積含水率在淺表土層中有所增大，其隨深度的增大與初始狀態(tài)重合；大雨時，土樣體積含水率隨深度呈先增后減的趨勢，在深度約0.3 m處達到最大；暴雨時，其水分遷移最大深度超過0.67 m。

4）土柱壓實度越大，水分遷移入滲最大深度則逐漸減小，但減小幅度不大；而隨著土柱壓實度的增大，引起的水分遷移到達穩(wěn)態(tài)所需的持時明顯增大，近似呈拋物線型增長趨勢。