基于不同降雨強(qiáng)度的黃土邊坡降雨入滲特性研究

關(guān)曉迪,姚夷凡

(西安理工大學(xué)巖土工程研究所，陜西 西安 710048)

降雨誘發(fā)滑坡是中國黃土地區(qū)的主要地質(zhì)災(zāi)害之一[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國已發(fā)生的滑坡災(zāi)害中，由大氣降雨直接或間接誘發(fā)的占比90%[2]。然而通常情況下，山體滑坡等自然災(zāi)害均伴隨著顯著的突發(fā)性和無預(yù)兆性，目前這類災(zāi)害還未形成較完善的預(yù)警、預(yù)報(bào)機(jī)制[3]。因此，對邊坡的降雨入滲特性進(jìn)行深入研究具有重要的理論和工程實(shí)踐意義。

在降雨對邊坡滲流規(guī)律及穩(wěn)定性的影響方面，大量學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[4]。在現(xiàn)場邊坡降雨試驗(yàn)研究方面，胡明鑒等[5]進(jìn)行了人工降雨作用的滑坡和泥石流現(xiàn)場試驗(yàn)，模擬了暴雨降雨條件引起的坡面沖刷和垮塌現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)泥石流的過程，初步探索了蔣家溝暴雨-滑坡-泥石流的共生關(guān)系。周中等[6]選取某土石混合體邊坡，進(jìn)行現(xiàn)場降雨試驗(yàn)并同步監(jiān)測，研究了由降雨入滲引起堆積層邊坡失穩(wěn)的機(jī)理以及邊坡本身形態(tài)隨降雨時(shí)間變化的特征。張本卓[7]開展了不同降雨強(qiáng)度的尾礦壩邊坡現(xiàn)場降雨試驗(yàn)，研究了無植被、有植被以及不同雨強(qiáng)對降雨入滲的影響，得到了雨強(qiáng)、植被、尾礦壩表層滲透系數(shù)均對其穩(wěn)定性有重要影響的結(jié)論。徐騰輝[8]通過對貴州某機(jī)場的邊坡變形監(jiān)測，歸納總結(jié)了高填方邊坡變形破壞的影響因素，闡述了其變形破壞機(jī)理和破壞模式。

在室內(nèi)邊坡降雨試驗(yàn)研究方面，Geng等[9]通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M了不同降雨強(qiáng)度和坡度梯度對紫壤山坡產(chǎn)沙量的影響，闡明了不同坡度下降雨強(qiáng)度和坡度對總產(chǎn)沙量的貢獻(xiàn)率不同，低降雨強(qiáng)度時(shí)坡度起主導(dǎo)作用，高降雨強(qiáng)度時(shí)降雨強(qiáng)度起主導(dǎo)作用。詹良通等[10]通過對不同雨強(qiáng)下非飽和粉土邊坡的失穩(wěn)過程進(jìn)行模擬，闡明了降雨引發(fā)粉土邊坡的發(fā)生破壞的過程為局部失穩(wěn)-向上擴(kuò)展-整體淺層滑動(dòng)，得到了雨強(qiáng)同降雨時(shí)間的關(guān)系曲線。蘇燕等[11]結(jié)合福建山區(qū)典型降雨型滑坡，建立了室內(nèi)降雨滑坡模型，研究了降雨強(qiáng)度對降雨型滑坡的影響機(jī)理。覃小華等[12]模擬了雨水在層狀基巖邊坡的入滲過程，推導(dǎo)了邊坡不同入滲階段和濕潤鋒的計(jì)算公式，歸納了基巖型層狀邊坡安全系數(shù)的計(jì)算公式。王剛等[13]進(jìn)行了降雨型滑坡室內(nèi)試驗(yàn)，研究了降雨方式和坡體節(jié)理對邊坡變形破壞過程的作用，歸納了表層滑坡的誘發(fā)機(jī)理和破壞模式。

在邊坡降雨數(shù)值模擬研究方面，武麗[14]通過SEEP有限元模塊對不同雨強(qiáng)下邊坡入滲進(jìn)行模擬，分析了雨強(qiáng)、歷時(shí)、邊坡初始孔隙水壓力以及土樣滲透規(guī)律等對邊坡滲流場的影響。銀曉鵬[15]對降雨型邊坡的Saturated/Unsaturated的非穩(wěn)定滲流問題進(jìn)行分析，歸納了影響邊坡土體孔隙水壓力的外在因素，總結(jié)了坡比和雨強(qiáng)對邊坡穩(wěn)定性的影響。丁勇[16]量測了不同雨強(qiáng)下坡體的含水量和浸水深度，測定了邊坡不同位置的土壓力、孔隙水壓力和基質(zhì)吸力，分析了降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響。施炳軍[17]模擬了降雨作用下邊坡滲流場及穩(wěn)定性問題，研究了降雨和地震共同影響下邊坡的破壞機(jī)理。蔣水華等[18]以無限長邊坡為例，考慮土體飽和滲透系數(shù)及抗剪強(qiáng)度參數(shù)空間變異性的影響，發(fā)展了邊坡土體含水率分布和濕潤鋒深度的修正Green-Ampt入滲模型，探討了土體多參數(shù)空間變異性與降雨入滲相互作用下的邊坡失穩(wěn)機(jī)理。

上述模型試驗(yàn)研究成果有益地推進(jìn)了邊坡降雨入滲的研究，但針對不同雨強(qiáng)條件下均質(zhì)黃土邊坡的降雨入滲規(guī)律還缺乏系統(tǒng)研究。因此，本文選取甘肅慶陽地區(qū)某均質(zhì)黃土邊坡，根據(jù)相似比尺原理，建立了室內(nèi)縮尺模型邊坡，開展了不同雨強(qiáng)下邊坡降雨入滲試驗(yàn)，對比分析了不同雨強(qiáng)下邊坡的入滲特征及坡面沖刷規(guī)律。

1 室內(nèi)模型邊坡降雨入滲試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨票?/h3>

1.1.1邊坡相似比

本文以甘肅慶陽某均質(zhì)黃土邊坡為參照原型，縮尺后進(jìn)行模型試驗(yàn)，原型邊坡的幾何特征：坡高4 m，寬2.5 m，坡頂平臺(tái)長5 m，坡度45°。在盡可能準(zhǔn)確、便利地觀測模型試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的前提下，考慮到室內(nèi)場地的限制，將試驗(yàn)幾何相似比設(shè)定為原型∶模型=4∶1，即Cl= 4，則模型邊坡坡高=1 m?；谙嗨圃碛?jì)算出，當(dāng)密度相似比Cρ=1，重力加速度Cg=1時(shí)，幾何相似比Cl=n，滲透系數(shù)相似比Ck=n1/2，綜合各方面因素考慮，將相似比尺設(shè)定為n=4，則Ck=2，但在研究過程中發(fā)現(xiàn)同時(shí)嚴(yán)格滿足Cρ=1、Ck=2較難實(shí)現(xiàn)，由于降雨入滲的控制因素是土的滲透系數(shù)，因此模型土樣選取時(shí)應(yīng)以滿足Ck=2為首要目標(biāo)。因此，本文參考原型邊坡的黃土干密度ρd=1.55 g/cm3，飽和滲透系數(shù)k=2.1×10-6cm/s，根據(jù)黃土滲透系數(shù)隨干密度的變化關(guān)系，經(jīng)過室內(nèi)物性試驗(yàn)研究，得出了當(dāng)該類土干密度ρd=1.63 g/cm3時(shí)，土樣飽和滲透系數(shù)位于k=1.0×10-6～1.1×10-6cm/s，此時(shí)2種干密度不同的土近似滿足Cρ=1，嚴(yán)格滿足Ck=2，滿足了相似原理的相似條件。因此這里只需在1g重力場中進(jìn)行縮尺試驗(yàn)，將原型邊坡的黃土干密度控制為ρd=1.63 g/cm3來填筑模型邊坡，即可解決材料相似問題。表1為原型土和模型土的物性指標(biāo)對比情況。

表1 原型土和模型土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)對比

1.1.2降雨相似比

當(dāng)幾何相似比設(shè)定為Cl= 4時(shí)，可以明確降雨歷時(shí)和降雨強(qiáng)度的相似比均可表示為原型∶模型=2∶1，由于降雨量=降雨強(qiáng)度×降雨歷時(shí)，因此原型與模型的降雨量相似比為4∶1。本文選取小雨、中雨、大雨、暴雨4種降雨強(qiáng)度研究邊坡降雨入滲規(guī)律，可以明確模型試驗(yàn)中不同降雨強(qiáng)度的日降雨量，見表2。

表2 原型與模型日降雨量對照 單位：mm

1.2 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)設(shè)備由室內(nèi)邊坡模型箱測試裝置、人工降雨裝置、試驗(yàn)監(jiān)測系統(tǒng)組成。人工降雨系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)水箱、自吸式水泵、控水閥、流量表、一體式實(shí)心錐形噴頭、PPR降雨管路組成見圖1；監(jiān)測系統(tǒng)由體積含水率監(jiān)測系統(tǒng)和邊坡形態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)兩部分組成，采用的記錄采集儀器分別為水分傳感器和數(shù)碼攝像機(jī)。通過室內(nèi)模擬降雨，測試邊坡體積含水率及邊坡形態(tài)變化情況。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.3 試驗(yàn)方案

本文選取坡比1∶1的邊坡進(jìn)行4種不同降雨強(qiáng)度(小雨、中雨、大雨、暴雨，持續(xù)24 h降雨)的降雨入滲試驗(yàn)，以期對邊坡降雨入滲獲得規(guī)律性的認(rèn)識(shí)，其中不同降雨強(qiáng)度條件下邊坡降雨試驗(yàn)的水分傳感器埋設(shè)見圖2。

a)小雨

d)暴雨

2 模型試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 體積含水率分析

圖3為中雨條件下邊坡各測點(diǎn)體積含水率變化曲線。由圖可知：試驗(yàn)開始后曲線整體呈上升趨勢，曲線陡緩不一，對應(yīng)的含水率上升幅度和速率各有差異；距坡面同一深度處W8>W9>W11>W10，表明坡頂平臺(tái)入滲速率最快、邊坡中部最慢；且含水率峰值W9max>W8max>W10max，表明坡腳入滲最深、邊坡中部入滲最淺，這是由于隨著降雨的持續(xù)入滲，坡體土層逐漸飽和，基質(zhì)吸力減小，降雨入滲變慢，越來越多的雨水以徑流的形式在邊坡表面流失，在坡腳處匯集；降雨結(jié)束后，W8、W9、W10、W11均有不同程度的下降，這是蒸發(fā)水分散失的作用形成的，而埋設(shè)位置較深的W2、W4、W6、W7未出現(xiàn)，說明越深的位置蒸發(fā)作用越不顯著；降雨過程中，W7處含水率突變點(diǎn)和峰值點(diǎn)的反應(yīng)時(shí)間均明顯滯后于W8，說明雨水在黃土體中的運(yùn)移是由上到下逐漸進(jìn)行的。

圖3 中雨條件下邊坡各測點(diǎn)體積含水率時(shí)程曲線

圖4為不同降雨強(qiáng)度下邊坡各測點(diǎn)體積含水率時(shí)程曲線。由圖可知：在4種雨強(qiáng)下，W1、W2、W3、W6在整個(gè)試驗(yàn)過程中含水率無明顯變化，說明降雨沒有入滲到相應(yīng)位置，即坡面入滲深度小于75 cm，坡中和坡腳小于20 cm；隨著降雨強(qiáng)度的增加，W8和W9的含水率曲線均表現(xiàn)出由緩到陡的趨勢，反映了降雨入滲速率隨降雨強(qiáng)度的增大而增大；同時(shí)在小雨雨強(qiáng)下W8max=24%，W9max=24.5%，在中雨雨強(qiáng)下W8max=25%，W9max=26%，在大雨雨強(qiáng)下W8max=26.3%，W9max=27%，在暴雨雨強(qiáng)下W8max=27%，W9max=28%，說明含水率峰值隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大，且降雨入滲深度隨雨強(qiáng)的增大而增大。

a)小雨

d)暴雨

2.2 濕潤鋒分析

圖5為中雨降雨結(jié)束后邊坡濕潤鋒。由圖可知：在邊坡不同位置處降雨入滲深度有所差異，坡頂平臺(tái)濕潤鋒高度在18～23 cm，邊坡中部濕潤鋒高度在15～18 cm，坡腳處濕潤鋒高度在20～25 cm，說明在邊坡不同位置處降雨入滲深度不同，坡腳處最深、坡頂平臺(tái)次之、坡面中部最淺。

圖5 中雨條件下邊坡濕潤鋒

圖6為在小雨、中雨、大雨和暴雨雨強(qiáng)作用結(jié)束后邊坡濕潤鋒。由圖可知：對同一個(gè)邊坡持續(xù)降雨24 h后，不同降雨強(qiáng)度的入滲情況不同；在小雨雨強(qiáng)下，濕潤鋒高度在10～15 cm；在中雨雨強(qiáng)下，濕潤鋒高度在15～25 cm；在大雨雨強(qiáng)下，濕潤鋒高度在18～35 cm；在暴雨雨強(qiáng)下，濕潤鋒高度在20～40 cm，表明隨著降雨強(qiáng)度的增大，降雨入滲深度逐漸加深，但這種加深并不與降雨量的增加成比例。

a)小雨

2.3 沖刷規(guī)律分析

圖7為不同降雨強(qiáng)度下邊坡表面的沖刷現(xiàn)象。由圖可知：隨著降雨的持續(xù)，坡面出現(xiàn)了不同程度的沖蝕破壞，沖蝕作用隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大；在小雨雨強(qiáng)下雨水充分入滲，坡面無明顯徑流，亦無沖刷現(xiàn)象；在中雨雨強(qiáng)下坡頂出現(xiàn)局部積水，坡面逐漸形成徑流并出現(xiàn)局部土體剝落；在大雨雨強(qiáng)下坡頂和坡面徑流明顯，坡肩右側(cè)開始出現(xiàn)小部分土體剝落，隨著降雨的持續(xù)逐漸擴(kuò)展成溝槽，在沖刷作用下，溝槽變深變寬并沿坡面向下延伸；在暴雨雨強(qiáng)下，坡頂和坡面的徑流連結(jié)成整體徑流，坡頂出現(xiàn)部分淺沖溝，坡面沖蝕程度進(jìn)一步加大，坡肩右側(cè)產(chǎn)生多條沖溝，強(qiáng)烈的沖刷作用使得沖溝兩側(cè)土體迅速塌落，沖溝變深變寬并形成流泥，坡面破壞嚴(yán)重；且在不同降雨強(qiáng)度下，模型邊坡各部位的形態(tài)變化不同：在小雨雨強(qiáng)下，雨水入滲充分，邊坡各部位均未發(fā)生變化；在中雨雨強(qiáng)下，坡頂出現(xiàn)局部積水，坡面產(chǎn)生局部徑流現(xiàn)象，坡肩小部分土體剝落；在大雨雨強(qiáng)下，雨水入滲極不充分，坡頂和坡面徑流明顯，坡肩多處土體剝落并形成沖溝；在暴雨雨強(qiáng)下，坡頂和坡面徑流連結(jié)為整體，邊坡破壞明顯，坡頂產(chǎn)生部分淺沖溝，坡面沖溝發(fā)育充分，土體大面積剝落并產(chǎn)生流泥。

a)小雨

3 邊坡降雨入滲數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模型及參數(shù)

本文選用飽和/非飽和滲流本構(gòu)，針對計(jì)算模型中非飽和土材料的定義，主要采用非飽和土的滲透特性和SWCC曲線。在非飽和土滲流分析中，基于Geo-Studio有限元軟件估計(jì)的滲透系數(shù)與吸力的關(guān)系曲線，見圖8。

圖8 材料滲透系數(shù)與吸力的關(guān)系曲線

Van Genuchten通過對土水特征曲線的研究，得到非飽和土體積含水率和基質(zhì)吸力的冪函數(shù)形式的表達(dá)式為：

(1)

式中θw——計(jì)算時(shí)段土體體積含水量；θs——飽和含水量；θr——?dú)堄嗪浚籥——進(jìn)氣值函數(shù)的土性參數(shù)；s——壓力水頭；n、m——擬合參數(shù)。

Van Genuchten模型中的4個(gè)參數(shù)：θs、θr、a和m對土-水特征曲線的位置、斜率、線型有著較大的影響，其中θs和θr與土本身的性質(zhì)及類型有關(guān)，m決定土-水特征曲線的斜率，a影響SWCC的位置。本次數(shù)值模擬中，選取a=20 kPa，n=2，則m=0.5，此時(shí)黃土邊坡的土-水特征曲線見圖9。

圖9 坡體土-水特征曲線

基于采用Geo-studio軟件建立相應(yīng)的數(shù)值模型，來分析邊坡降雨入滲規(guī)律，其中數(shù)值模型的邊界條件見圖10。設(shè)置降雨條件為邊界條件，以降雨強(qiáng)度的方式作用于邊坡上表面，日降雨量分別為1.24E-007 m/s(小雨)、8.1E-008 m/s(中雨)、1.24E-007 m/s(大雨)和1.88E-007 m/s(暴雨)，降雨時(shí)長為24 h。設(shè)置模型底面為零壓力線。

圖10 數(shù)值模型的邊界條件

3.2 模擬結(jié)果分析

圖11為在中雨雨強(qiáng)下邊坡不同時(shí)刻(6、12、24 h)的體積含水率云圖。由圖可知：體積含水率變化最顯著的區(qū)域分布在沿坡體表面向下10～25 cm附近，總體上在坡腳、邊坡平臺(tái)、坡中3個(gè)位置的含水率是依次遞減的，說明坡腳處降雨入滲程度最快、坡中最慢；且坡頂平臺(tái)處等勢線最密集，坡腳處較坡中稍密集，說明坡頂平臺(tái)的降雨入滲速率最快，坡腳處稍慢，這與模型試驗(yàn)中在邊坡不同位置的降雨入滲規(guī)律是一致的；從圖中3個(gè)時(shí)刻標(biāo)記的體積含水率數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)：坡頂平臺(tái)處含水率分別為12.2%、13.5%、15.0%，坡腳處含水率分別為13.4%、13.5%、15.5%，坡中處含水率分別為12.2%、13.0%、14.5%，說明隨著降雨歷時(shí)的增長，相同位置土體含水率逐漸增大，降雨入滲是逐漸進(jìn)行的過程。

a)降雨6 h時(shí)刻

中雨雨強(qiáng)下數(shù)值模型各測點(diǎn)體積含水率時(shí)程曲線見圖12，WSn表示數(shù)值模擬中相應(yīng)位置處含水率，圖13為中雨雨強(qiáng)下模型試驗(yàn)中邊坡各測點(diǎn)體積含水率時(shí)程曲線。由圖可知：在降雨開始后，埋深均為5 cm的測點(diǎn)WS8、WS11、WS10和WS9含水率增大，降雨24 h含水率達(dá)到最大值，之后在蒸發(fā)作用下含水率有減小趨勢；降雨結(jié)束后的3 h內(nèi)，坡腳埋深5 cm處WS9含水率仍保持上升趨勢，這是坡體內(nèi)部水在重力作用下逐漸向下運(yùn)移的結(jié)果，這與模型試驗(yàn)得出的結(jié)論一致；降雨過程中，WS8含水率最先發(fā)生變化且曲線最陡，說明坡頂平臺(tái)的降雨入滲速度最快；且埋深12 cm的WS7在降雨開始5 h后增大，WS6在降雨7 h增大，WS2在降雨開始8 h后逐漸變化，反映了坡頂平臺(tái)的入滲速率大于坡面，這與模型試驗(yàn)的入滲速率規(guī)律一致；坡腳處埋深30 cm處WS1在降雨開始后逐漸增大，說明坡腳處的入滲深度達(dá)到了30 cm，而WS4含水率的變化說明坡頂平臺(tái)的入滲深度達(dá)到了20 cm，這與模型試驗(yàn)時(shí)，浸潤線的分布情況大致相同。

圖12 數(shù)值計(jì)算中坡比1∶1的邊坡體積含水率隨時(shí)間的變化

圖13 模型試驗(yàn)中邊坡體積含水率隨時(shí)間的變化

圖14為在小雨、中雨、大雨、暴雨4種雨強(qiáng)下降雨6 h時(shí)的邊坡體積含水率云圖。由圖可知：在4種雨強(qiáng)下坡頂平臺(tái)處土體的含水率分別為11.8%、12.6%、13.0%和14.0%，坡中處土體的含水率分別為12.2%、12.4%、13.0%和13.5%，坡腳處土體的含水率分別為13.0%、13.6%、14.0%和14.5%，可以發(fā)現(xiàn)隨著降雨強(qiáng)度的增大，相同位置邊坡土體含水率也隨之增大，但不同雨強(qiáng)間增幅略有差異，含水率的增長與雨強(qiáng)之間沒有絕對的線型關(guān)系，這與室內(nèi)模型試驗(yàn)得出的不同雨強(qiáng)對邊坡降雨入滲規(guī)律影響的結(jié)論一致。

a)小雨

在分析不同降雨強(qiáng)度對降雨入滲的影響時(shí)，選擇邊坡中部10 cm深度位置處WS10的數(shù)據(jù)變化進(jìn)行分析，不同降雨強(qiáng)度下WS10的含水率時(shí)程曲線見圖15，圖16是模型試驗(yàn)中不同降雨強(qiáng)度下W10隨時(shí)間變化的曲線。由圖可知：降雨強(qiáng)度越大，曲線越陡，邊坡含水率變化響應(yīng)時(shí)間越短，降雨結(jié)束后的含水率越大，說明隨著降雨強(qiáng)度的增大，降雨入滲速率和入滲深度都在變大，這與模型試驗(yàn)得出的結(jié)論一致。

圖15 不同降雨強(qiáng)度下體積含水率隨時(shí)間的變化

圖16 模型試驗(yàn)中不同降雨強(qiáng)度下體積含水率隨時(shí)間的變化

4 結(jié)論

本文以甘肅慶陽某自然黃土邊坡為參照原型，根據(jù)相似原理，在室內(nèi)建立了滿足相似前提條件的模型邊坡，進(jìn)行了不同雨強(qiáng)下的邊坡降雨入滲試驗(yàn)，同時(shí)利用有限元軟件Geo-Studio中的SEEP/W模塊建模進(jìn)行仿真計(jì)算，得到了不同降雨強(qiáng)度條件下降雨入滲規(guī)律和沖刷規(guī)律，主要結(jié)論如下。

a)24 h持續(xù)模擬小雨條件下，邊坡降雨入滲深度在10～15 cm；24 h持續(xù)模擬中雨條件下，入滲深度在15～25 cm；24 h持續(xù)模擬大雨條件下，入滲深度在18～35 cm；24 h持續(xù)模擬暴雨條件下，入滲深度在20～40 cm。

b)同一工況中，降雨10～12 h時(shí)，降雨入滲速率顯著增大，隨著降雨的持續(xù)，土體逐漸飽和，降雨入滲速率逐漸減慢，降雨結(jié)束時(shí)刻減小為0，之后在蒸發(fā)作用下呈微妙的負(fù)增長趨勢。

c)在邊坡不同位置處降雨入滲速率不同，表現(xiàn)為坡頂入滲速率最快、坡腳較快、邊坡中部最慢；在邊坡不同位置處降雨入滲深度亦不同，表現(xiàn)為坡腳入滲深度最大、坡頂較大、邊坡中部最小。

建議：研究可為西北地區(qū)自然黃土邊坡防護(hù)和降雨型滑坡治理提出建設(shè)性意見，可以明確的是，邊坡坡腳和坡頂平臺(tái)是降雨活動(dòng)中最脆弱的部分，需要做特別覆蓋措施或引流措施。