高寒陰濕區(qū)邊坡淺層土體溫濕響應(yīng)規(guī)律研究

孫巍鋒，常 洲，蘭恒星，晏長(zhǎng)根，楊萬(wàn)里，徐 偉

（1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院, 陜西 西安 710054；2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院, 陜西 西安 710064；3.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所/資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101；4.甘肅路橋公路投資有限公司, 甘肅 蘭州 730030；5.甘肅公航旅定臨高速公路管理有限公司, 甘肅 定西 744300）

隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)工程建設(shè)逐漸向地形地貌復(fù)雜的山區(qū)沿伸，不可避免的出現(xiàn)了大量高陡邊坡[1-2]。天然狀態(tài)下，邊坡淺層土體大多處于非飽和狀態(tài)，在氣溫、日照、降雨、蒸發(fā)等因素持續(xù)作用下，邊坡應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)發(fā)生改變，從而影響到邊坡淺層土體穩(wěn)定狀態(tài)[2-3]，廣泛的土體侵蝕及剝落病害已逐漸成為威脅山區(qū)公路及鐵路正常運(yùn)營(yíng)的巨大隱患[4-5]。因此，研究土體中的水-熱耦合關(guān)系對(duì)我國(guó)中西部地區(qū)邊坡穩(wěn)定性具有重要意義。

近年來(lái)，關(guān)于水-熱效應(yīng)對(duì)土體性質(zhì)的影響在國(guó)內(nèi)外受到了廣泛關(guān)注[6-8]，相關(guān)學(xué)者針對(duì)土體溫度場(chǎng)與水分場(chǎng)變化進(jìn)行了一系列室內(nèi)外試驗(yàn)與理論分析。馬稚桐等[9]基于長(zhǎng)期原位監(jiān)測(cè)，研究了風(fēng)沙灘地區(qū)水熱遷移規(guī)律，認(rèn)為土中水分運(yùn)動(dòng)受到水頭梯度和溫度梯度的共同影響；Taylor 等[10]、楊梅學(xué)等[11]、趙逸舟等[12]通過(guò)高山地區(qū)的原位觀測(cè)，對(duì)凍土地區(qū)土體水分遷移規(guī)律進(jìn)行了深入分析，并對(duì)比了凍結(jié)期與融化期土體水分運(yùn)移特征；馬劍等[13]、李靜等[14]、車(chē)宗璽等[15]以祁連山云杉林為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以探討青海云杉林土體水熱的變化特征及土體水熱間的相互作用機(jī)制，認(rèn)為土體溫度與海拔之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，而土體平均濕度與海拔高度關(guān)系可用二項(xiàng)式表示。隨著科技水平的提高，高新技術(shù)也逐漸成為研究土體溫濕互作效應(yīng)的有利助手，Jodry 等[16]根據(jù)嵌入式電極裝置的二維直流電阻率成像監(jiān)測(cè)方法，對(duì)不同季節(jié)河堤溫濕度變化規(guī)律進(jìn)行分析，驗(yàn)證了采用永久電極對(duì)溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)的可行性。Lacava 等[17]、Wagner 等[18]利用衛(wèi)星技術(shù)對(duì)土體溫濕度進(jìn)行評(píng)估，并通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行對(duì)比從而驗(yàn)證了衛(wèi)星傳感器的可靠性。此外，陳棠茵等[19]、李彥龍等[20]、蔡國(guó)慶等[21]及王鐵行等[22-23]對(duì)溫度影響下的土體水熱遷移進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)與理論分析，為進(jìn)一步正確認(rèn)識(shí)非飽和土中水-熱耦合效應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。

上述研究雖然對(duì)土體水-熱過(guò)程有了一定的認(rèn)識(shí)，但鮮有關(guān)于原位邊坡土體溫濕度長(zhǎng)時(shí)間序列的水-熱研究工作的相關(guān)報(bào)道，反映出對(duì)原位邊坡溫濕度變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)仍然存在不足。高寒陰濕區(qū)廣泛分布于我國(guó)甘肅中西部地區(qū)，具有海拔高、氣候陰冷、晝夜溫差大、降水豐富且集中等特點(diǎn)，在陰濕區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)由于水文地質(zhì)情況惡劣，在冷熱交替與干濕循環(huán)作用下，邊坡表面頻繁出現(xiàn)剝落、侵蝕病害，不僅破壞了坡面生態(tài)美觀，也嚴(yán)重威脅著山區(qū)道路的安全運(yùn)營(yíng)。可見(jiàn)，以高寒陰濕地區(qū)工程邊坡為研究對(duì)象，開(kāi)展長(zhǎng)期的土體水熱研究工作具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

鑒于此，以甘肅雙城至達(dá)里加高速公路（雙達(dá)高速）沿線的土-巖二元結(jié)構(gòu)邊坡為研究對(duì)象，通過(guò)無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)獲取了2年多的邊坡淺層土體溫濕度變化數(shù)據(jù)，揭示了甘肅高寒陰濕區(qū)邊坡淺層土體長(zhǎng)期溫濕度遷移規(guī)律，并分析了邊坡淺層土體溫濕度的相互響應(yīng)效應(yīng)。研究結(jié)果有利于了解我國(guó)高寒陰濕地區(qū)邊坡土體的水文響應(yīng)規(guī)律與水-熱相互作用關(guān)系，加深對(duì)坡面侵蝕和淺層失穩(wěn)機(jī)制的認(rèn)識(shí)，并為合理的坡面生態(tài)修復(fù)和邊坡淺層防護(hù)提供切實(shí)試驗(yàn)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

臨夏雙達(dá)高速穿越溫帶半濕潤(rùn)區(qū)與高寒陰濕區(qū)過(guò)渡帶，海拔2 060～2 950 m，年平均氣溫6.6 °C，最低氣溫-12.5 °C，最高氣溫28.3 °C，年平均降雨量為630.6 mm，相對(duì)濕度68.2%，年蒸發(fā)量約540 mm，全年57%的降雨集中在7—9月份，為冬春干燥、夏秋濕潤(rùn)、全年氣候陰冷的典型高寒陰濕地區(qū)。

研究區(qū)穿越侵蝕堆積河谷地貌與侵蝕洪積殘梁地貌，形成了多處高陡的土-巖二元邊坡，邊坡上覆土層厚度范圍為2～4 m，根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430—2020）對(duì)土體基本物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示：土體比重2.72，平均密度1.84 g/cm3，液限29.8%，塑限18.7%，塑性指數(shù)11.1，平均滲透系數(shù)1.2×10-5cm/s。采用Bettersize 2000 激光粒度分布儀對(duì)土樣顆粒級(jí)配進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖1 所示，土體所屬類(lèi)別為低液限粉土。受陰濕區(qū)氣候影響，上覆土體濕度主要受大氣降雨影響，邊坡開(kāi)挖過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)地下水與裂隙水。

2 監(jiān)測(cè)方案

選取研究區(qū)某二元邊坡坡頂?shù)? 級(jí)邊坡斷面，布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)日降雨量與溫濕度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，邊坡溫濕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（圖2）主體由現(xiàn)場(chǎng)硬件和在線軟件組成，包括參數(shù)感應(yīng)層、采集傳輸層、供電層、防護(hù)層與數(shù)據(jù)管理層。溫濕度和大氣降雨監(jiān)測(cè)采用溫濕度計(jì)（型號(hào)YTDY0100）與翻斗式雨量計(jì)（精度0.2 mm），監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)采集傳輸模塊以GPRS 形式遠(yuǎn)程傳輸至在線軟件（云平臺(tái)和APP），并可進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查看、下載和處理。

圖2 邊坡土體溫濕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成圖Fig.2 Soil temperature and humidity monitoring system

圖3 為監(jiān)測(cè)邊坡剖面結(jié)構(gòu)形式與溫濕度計(jì)布置情況，由坡面垂直向內(nèi)0.2，0.5，1.25，2 m 深度處埋置溫濕度計(jì)，共布置溫濕度計(jì)3 排（1、2、3 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)），分別位于坡頂、坡中、坡底，同排溫濕度計(jì)橫向間隔0.15 m，其中溫度、濕度分別用T（temperature）、H（humidity）表示，在邊坡坡頂布置雨量計(jì)用以監(jiān)測(cè)大氣降雨，溫濕度計(jì)每小時(shí)采集1 次數(shù)據(jù)，雨量計(jì)當(dāng)有降雨發(fā)生時(shí)會(huì)自動(dòng)記錄降雨量，所有監(jiān)測(cè)傳感器接入現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程傳輸模塊進(jìn)行自動(dòng)采集與遠(yuǎn)程傳輸。溫濕度監(jiān)測(cè)起止時(shí)間為2017年11月27日—2020年5月26日，其中土體濕度監(jiān)測(cè)點(diǎn)H1-1 因設(shè)備故障造成部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)丟失，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集正常。

圖3 邊坡監(jiān)測(cè)斷面示意圖Fig.3 Slope monitoring section

3 結(jié)果

3.1 邊坡表層土體溫濕度變化

3.1.1 年溫濕度變化

監(jiān)測(cè)期間邊坡表層土體溫濕度隨時(shí)間變化曲線如圖4 所示，邊坡剖面各測(cè)點(diǎn)溫濕度最大值、最小值與平均溫濕度以及標(biāo)準(zhǔn)差值見(jiàn)表1。邊坡土體溫濕度變化大體呈現(xiàn)簡(jiǎn)諧式周期性變化，邊坡溫濕度最大值、最小值均位于邊坡0.2 m 深度處，溫度最大值、最小值分別為23.5 °C（2019年8月17日）與-3.1 °C（2018年2月11日），其中在每年1月末至2月下旬，0.2 m深度處土體會(huì)出現(xiàn)零下溫度，土體內(nèi)部水分凍結(jié)，土體濕度顯著下降；濕度最小值為坡中0.2 m 深度處的18.06%（2018年2月11日），年內(nèi)6—9月為研究區(qū)降雨集中期，邊坡土體含水率迅速增大，土體體積含水率最大值為坡頂0.2 m 深度處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的39.5%（2018年9月1日）。

圖4 土體溫濕度歷時(shí)曲線Fig.4 Soil temperature and humidity duration curve

表1 監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)邊坡溫濕度情況Table 1 Slope temperature and humidity conditions during the monitoring period

邊坡土體溫濕度變化幅度隨埋深增大逐漸減小，以2 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例，在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，T2-1 至T2-4 各點(diǎn)深度處土體全年變化范圍分別為-3.1～23.1 °C、0.5～18 °C、2.5～14.7 °C、4～12.5 °C，溫度變化幅度分別為26.2，17.5，12.2，8.5 °C，各點(diǎn)溫度下界隨埋深增大而逐漸增大，而溫度上界隨埋深增大而逐漸減小。H2-1至H2-4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)土體變化范圍分別為18.06%～39.5%、23.69%～37.44%、25.69%～30.81%、34.12%～39.06%，變化幅度分別為21.44%、13.75%、5.12%、4.94%。

3.1.2 月溫濕度變化

圖5 為2019年內(nèi)2 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)各深度土體月平均溫度變化曲線，邊坡土體月溫度均值呈現(xiàn)出簡(jiǎn)諧波型周期變化，2—8月為淺層土體溫度上升期，溫度上升速率較快，0.2，0.5 m 深度處土體月平均溫度最大值均出現(xiàn)在8月，分別為16.4，15.7 °C；年內(nèi)8月至次年1月為溫度下降期，月平均溫度最小值分別為0.6，1.3 °C。對(duì)于較深部土體，年內(nèi)3—9月為溫度上升期，1.25，2 m 深度處土體月平均溫度最大值位于9月，分別為13.5，12.7 °C；9月至次年3月為溫度下降期，月平均溫度最小值分別為2.8，4.1 °C。對(duì)比不同深度土層月平均溫度變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，每年3月與9月土體月平均溫度曲線出現(xiàn)“紐結(jié)”現(xiàn)象，3月上旬至9月中旬，各測(cè)點(diǎn)溫度表現(xiàn)為T(mén)2-1>T2-2>T2-3>T2-4，而在9月下旬至次年3月上旬，各測(cè)點(diǎn)溫度表現(xiàn)為T(mén)2-4>T2-3>T2-2>T2-1。

圖5 邊坡月平均土體溫度曲線Fig.5 Monthly average soil temperature curve of slope

圖6 為2019年2 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同深度月平均濕度變化曲線，自5月開(kāi)始，研究區(qū)降雨量逐漸增加，而10月之后，降雨量逐漸降低，在5月與10月濕度曲線同樣出現(xiàn)了“紐結(jié)”現(xiàn)象，表現(xiàn)為5—10月之間0～0.5 m深度處土體含水率超越1.25 m 深度處土體含水率；而各土層土體月平均濕度均小于2 m 深度處土體平均濕度，在2 m 深度處并未出現(xiàn)類(lèi)似“紐結(jié)”現(xiàn)象。

圖6 邊坡月平均土體濕度曲線Fig.6 Monthly average soil moisture curve of slope

3.1.3 淺層土體溫濕度變化規(guī)律

基于邊坡淺層土體實(shí)測(cè)溫濕度響應(yīng)規(guī)律，構(gòu)建傅里葉級(jí)數(shù)模型，利用月平均溫濕度值來(lái)表述陰濕區(qū)邊坡淺層土體溫濕度變化規(guī)律，計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。

式中：H—土體濕度/%；

T—土體溫度/°C；

Ha—各深度土體年平均濕度/%；

Ta—各深度土體年平均溫度/°C；

t—月份；

t0—最高體積含水率月份；

n—變幅序號(hào)，取1，2，3，···；

An、Bn—傅里葉級(jí)數(shù)變幅系數(shù)，可分別由式（2）（3）計(jì)算；

P—土體溫濕度變化周期，取12 。

根據(jù)傅里葉模型，對(duì)邊坡不同深度處（0.2，0.5，1.25，2 m）土體溫濕度月均值進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果分別見(jiàn)圖5、圖6，當(dāng)n為3 時(shí)，模型擬合結(jié)果已趨于良好。

3.2 降雨對(duì)邊坡濕度的影響

3.2.1 干濕季邊坡濕度動(dòng)態(tài)特征

研究區(qū)2019年1—5月氣候干燥，降雨量134.6 mm，日平均氣溫3.95 °C，最大降雨日為5月6日（降雨量16.33 mm/d），其余日期降雨量均低于10 mm/d；6—10月降雨量為407.6 mm，日平均氣溫14.94 °C。圖7（a）（b）分別為2019年5月6日與6月27日（降雨量16.31 mm/d）降雨前后不同深度土層濕度變化圖，由此對(duì)比分析干濕季降雨作用下土體濕度的動(dòng)態(tài)變化特征。

圖7 單次降雨作用下不同深度土體含水率變化曲線Fig.7 Soil moisture content curves at different depths

由圖7（a）（b）可知，干濕季不同降雨工況下，邊坡淺層土體（0～0.2 m）濕度的響應(yīng)規(guī)律基本一致，而變化幅度不同，春季降雨時(shí)，0.2 m 深度處土體含水率迅速升高，降雨結(jié)束后含水率由26.2%上升至31%，上升幅度為17.8%，降雨結(jié)束后1 d，含水率下降至28.5%，降雨結(jié)束4 d 后含水率下降至26.3%，已基本恢復(fù)至降雨之前水平。

夏季降雨時(shí)，土體含水率由30.1%上升至33.4%，上升幅度為10.9%，降雨結(jié)束4 d 后含水率下降至31.2%，仍高于降雨之前水平。對(duì)于較深層土體（0.5～2 m），春季降雨期間土體濕度基本無(wú)明顯變化，而夏季降雨時(shí)引發(fā)土體濕度產(chǎn)生小幅變動(dòng)，0.5 m 深度處降雨結(jié)束后土體含水率由29.6%上升至31.6%，上升幅度為6.7%，降雨結(jié)束4 d 后土體含水率下降至30.2%；1.25 m深度處降雨結(jié)束后土體含水率由28.5%上升至28.8%，而降雨結(jié)束后1 d，土體含水率變?yōu)?9.0%。

3.2.2 集中降雨下邊坡濕度動(dòng)態(tài)特征

2019年6月15 日—11月1日集中降雨期間2 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)0.2，0.5 m 深度處土體溫濕度變化曲線見(jiàn)圖8（a）（b），紅色柱狀圖表示當(dāng)日上午8 時(shí)至下午11 時(shí)日間經(jīng)歷降雨補(bǔ)給土體含水率增大，為“增濕日”；綠色柱狀圖表示日間經(jīng)歷日照升溫土體含水率降低，為“干燥日”。同時(shí)，監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)日含水率最大值、最小值以及含水率3日均值（MA 3），5日均值（MA 5）和10日均值（MA 10）也被記錄在內(nèi)，圖8（c）為6月15日—11月1日日降雨量值。

圖8 連續(xù)降雨期間邊坡含水率變化曲線Fig.8 Slope moisture content curve during continuous rainfall

如圖8（a）所示，在夏季集中降雨下，不同深度土體濕度響應(yīng)規(guī)律不同，邊坡以下0.2 m 深度處土體含水率對(duì)降雨較為敏感，自6月15日降雨事件后，受持續(xù)性降雨補(bǔ)給，土體濕度穩(wěn)步上升，至6月27日含水率達(dá)33.3%，之后含水率在31%～35%之間波動(dòng)變化。8月1日過(guò)后，降雨量顯著減少，土體濕度迅速下降，至8月19日達(dá)到最低點(diǎn)為27.3%，與6月15日初始降雨時(shí)土體濕度基本一致。8月20日過(guò)后，在降雨補(bǔ)給下，土體含水率又呈現(xiàn)波動(dòng)回升態(tài)勢(shì)，并表現(xiàn)出最大含水率高于第一次持續(xù)降雨下最大含水率現(xiàn)象。9月20日過(guò)后，集中降雨期基本結(jié)束，0.2 m 深度處土體含水率快速下降至雨季之前水平。

如圖8（b）所示，0.5 m 深度處土體含水率變化較為平緩，較0.2 m 深度處土體含水率變化存在一定的滯后性，同時(shí)變化幅度相對(duì)較小，在整個(gè)降雨期間土體濕度保持在相對(duì)穩(wěn)定水平，含水率基本穩(wěn)定在28.6%～34.2%。

3.3 邊坡水-熱互作效應(yīng)

2019年度內(nèi)各深度土體溫濕度時(shí)程曲線變化規(guī)律基本一致（圖9），同一時(shí)間內(nèi)邊坡內(nèi)部土體溫度、濕度之間存在著良好相互作用關(guān)系。采用式（4）對(duì)邊坡土體溫濕度進(jìn)行z-score 標(biāo)準(zhǔn)化處理，并進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，同一深度處土體水-熱相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖9 不同深度土體溫濕度時(shí)程曲線Fig.9 Variation curves of soil temperature and humidity

圖10 邊坡不同深度土體水-熱相關(guān)性分析Fig.10 Correlation of soil water-heat at different depths

如圖10 所示，土體水分變化與溫度變化有著顯著的相關(guān)性，不同深度處土體溫濕度相關(guān)性高低次序?yàn)? m>1.25 m>0.5 m>0.2 m；在1.25 m 深度以下，土體溫濕度相關(guān)性明顯提高，同時(shí)，在1.25，2 m 深度處，年內(nèi)3—9月溫濕度相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)出明顯的“循環(huán)圈”效應(yīng)。

將不同深度處溫濕度相關(guān)關(guān)系列于表2，從邊坡淺層土體觀測(cè)點(diǎn)溫濕度Pearson 相關(guān)性分析結(jié)果可以看出：坡面內(nèi)不同深度處土體溫度或濕度之間、同一深度處土體溫度與濕度之間、不同深度處的土體溫度與濕度之間均呈現(xiàn)出極顯著相關(guān)性。

表2 邊坡土體水-熱Pearson 相關(guān)性分析結(jié)果Table 2 Pearson correlation analysis results of water-heat of slope soil

式中：xi—土體溫/濕度標(biāo)準(zhǔn)化值；

Xi—土體溫/濕度原數(shù)據(jù)值；

s—溫/濕度標(biāo)準(zhǔn)差。

4 分析

4.1 邊坡表層土體溫濕度分析

邊坡淺層土體對(duì)大氣溫濕度響應(yīng)較為敏感，隨土體埋深增加，溫濕度變化幅度逐漸減小，而響應(yīng)時(shí)間逐漸增大，其他學(xué)者的研究成果也驗(yàn)證了這一發(fā)現(xiàn)[12，24]。這一特性主要受土體導(dǎo)熱性影響，大氣熱量向土體深部傳遞時(shí)伴隨著能量衰減，深部土體較淺層土體溫度變化存在一定的滯后性，導(dǎo)致邊坡土體溫度隨土體埋深變化趨勢(shì)基本相同，但平均溫度與溫度變化幅度隨土體埋深增加逐漸減小。不同埋深土體溫度變化曲線可采用傅里葉函數(shù)進(jìn)行表征，函數(shù)擬合結(jié)果表明土體溫度變化滯后時(shí)間與土體埋深變化近似呈正比，邊坡2 m 深度處較0.2 m 深度處土體溫度變化滯后約30 d。

同時(shí)，受深度土體溫度變化滯后性與變化幅度影響，每年3月與9月不同深度土體月平均溫度曲線表現(xiàn)出“紐結(jié)”現(xiàn)象，研究區(qū)大氣溫度以暖熱為主，邊坡溫度特征呈現(xiàn)出“表熱而內(nèi)涼”的特點(diǎn)，而每年9月下旬至次年3月上旬，大氣溫度以冷寒為主，邊坡呈現(xiàn)出“表寒而內(nèi)溫”的特點(diǎn)。

4.2 降雨對(duì)邊坡濕度的影響分析

受降雨、氣溫、蒸發(fā)量影響，不同季節(jié)土體滲透系數(shù)存在差異，導(dǎo)致各土層濕度對(duì)降雨響應(yīng)規(guī)律不同。春季表層土體初始含水率較低，如 圖7（a）所示，土體較干燥，基質(zhì)吸力較大，土體持水能力較強(qiáng)，降雨期間雨水主要儲(chǔ)存在0.5 m 以上土層中，通過(guò)水分蒸發(fā)與植物升騰作用而消散，并不引起深部土層濕度變化；而夏季邊坡表層土體初始含水率較高，如圖7（b）所示，且土層前期不斷經(jīng)歷降雨蒸發(fā)引發(fā)的干濕循環(huán)效應(yīng)，使得土顆粒間形成了優(yōu)勢(shì)滲流通道，降雨期間雨水入滲到較深部土體所需時(shí)間變短，造成較深層土體含水率升高，這也是相同降雨強(qiáng)度下夏季0.2 m 深度處土層含水率變化幅度低于春季的原因。

在夏季持續(xù)降雨過(guò)程中，土體含水率上升趨勢(shì)逐漸形成，上升過(guò)程中體積含水率所形成的高點(diǎn)與低點(diǎn)對(duì)日照蒸發(fā)作用起到抑制作用，使得土體含水率上升、下降過(guò)程具有持續(xù)性，較難出現(xiàn)較大差值的跳躍性變化。此特點(diǎn)在8月20日—9月20日降雨期間表現(xiàn)最為明顯，如圖8（a）所示，在8月20日降雨作用下，土體含水率開(kāi)始回升，并于29日達(dá)到高點(diǎn)34%，后續(xù)降雨量雖然減少，且夏季邊坡外部較高的溫度給土體水分蒸發(fā)提供了條件，但受土體濕度日均線的抑制作用，土體濕度下降幅度較小，9月8日的土體含水率低點(diǎn)（30.1%）仍高于8月20日（27.3%）；由于前期持續(xù)性降雨-蒸發(fā)引起的干濕脹縮作用，土體結(jié)構(gòu)松散，網(wǎng)狀裂隙密布，裂隙范圍土體的滲透性顯著提高，當(dāng)土體再次受到降雨補(bǔ)給后，土體含水率得以迅速上升，且此時(shí)較深部土層易受到淺層土體雨水下滲補(bǔ)給。這也是邊坡淺層滑坡多發(fā)生在多次降雨后的某一降雨事件的原因。

4.3 邊坡水-熱互作效應(yīng)分析

隨土體埋深增大，邊坡土體溫濕度相關(guān)性逐漸增強(qiáng)，其主要原因?yàn)橥馏w溫度變化是影響邊坡內(nèi)部熱量平衡與水分遷移的重要因素[7]。一方面，當(dāng)土體埋深較大時(shí)，土中水分并未與大氣直接接觸而導(dǎo)致溫度影響下的直接蒸發(fā)；另一方面，由于降水對(duì)2 m 深度處土體含水率影響緩慢，土體含水率變化幅度較小，使得水分的遷移主要受土體溫度梯度影響，導(dǎo)致埋深較大土體溫濕度呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系。

在夏季，土壤溫度逐漸增高，而此時(shí)為陰濕區(qū)連續(xù)降雨期間，土壤初始含水率較高，當(dāng)溫度升高時(shí)，土壤含水率存在陡降態(tài)勢(shì)，這主要受較高溫度影響使土體內(nèi)水分迅速蒸發(fā)。淺層土體溫濕度變化雖波動(dòng)較為強(qiáng)烈，但總體變化趨勢(shì)基本一致，仍表現(xiàn)出較高的相關(guān)性。根據(jù)全年土體溫濕度相關(guān)性分析（圖10）可知，年內(nèi)3—9月溫濕度相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)出明顯的“循環(huán)圈”效應(yīng)，這可能由不同時(shí)期溫濕度相互影響程度不同所導(dǎo)致。

我國(guó)高寒陰濕區(qū)水文氣候條件惡劣，開(kāi)展邊坡土體溫濕度長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)對(duì)該地區(qū)邊坡工程的合理生態(tài)防護(hù)與監(jiān)控具有重要意義。本文通過(guò)開(kāi)展路塹邊坡土體水分與溫度的相互響應(yīng)機(jī)制研究，為更進(jìn)一步揭示邊坡的土體水分與氣候因子耦合、坡面侵蝕與淺層失穩(wěn)機(jī)制奠定了一定基礎(chǔ)。在今后工作中，仍需應(yīng)用較先進(jìn)的現(xiàn)代技術(shù)手段不斷加強(qiáng)邊坡土體水-熱相互響應(yīng)效應(yīng)以及相互作用機(jī)理方面的研究。

5 結(jié)論

（1）邊坡土體溫濕度隨季節(jié)呈簡(jiǎn)諧式周期性變化，淺層土體變化幅度較大，深層土體變化幅度相對(duì)較小，且深層土體溫度變化存在一定滯后性，2 m 深度處較0.2 m 深度處土體溫度變化滯后時(shí)間約為30 d。

（2）受深部溫度變化幅度與滯后性影響，土體月平均溫度曲線在3月與9月出現(xiàn)“紐結(jié)”現(xiàn)象，使得春夏季邊坡土體溫度特征表現(xiàn)為表熱而內(nèi)涼，而秋冬季表現(xiàn)為表寒而內(nèi)溫；采用傅里葉級(jí)數(shù)可較好表征不同深度處溫濕度響應(yīng)規(guī)律。

（3）土體滲透特性具有明顯的季節(jié)性特點(diǎn)，春季降雨期間雨水入滲深度僅為50 cm，而在夏季連續(xù)降雨作用下，土顆粒間易形成滲流通道，雨水可入滲至更深部土體，土體含水率呈現(xiàn)出先升高后緩慢降低的趨勢(shì)。

（4）Pearson 相關(guān)性分析結(jié)果表明土體水分遷移與溫度變化相關(guān)性顯著，深部土體水分變化的主要影響因素是溫度梯度引導(dǎo)下的水分遷移，而淺層土體受多種因素影響導(dǎo)致水分變化機(jī)理較復(fù)雜，但仍具有較高的相關(guān)性。