黃土邊坡降雨入滲規(guī)律及其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

李國(guó)榮，陳文婷，李進(jìn)芳，朱海麗，胡夏嵩,2

(1.青海大學(xué) 地質(zhì)工程系，青海 西寧 810016； 2.中國(guó)科學(xué)院 青海鹽湖研究所，青海 西寧 810008)

降雨是影響邊坡穩(wěn)定性的最主要和最普遍的環(huán)境因素，也是淺層滑坡的觸發(fā)因素之一[1-3]。大量研究表明滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生在降雨期間或降雨后[4-7]，降雨入滲會(huì)導(dǎo)致邊坡表層土體含水量急劇增加[8]，而持續(xù)降雨能使土質(zhì)邊坡淺層土體迅速飽和形成暫態(tài)飽和區(qū)，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度不斷降低[9]，因此土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性與降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、土體滲透系數(shù)密切相關(guān)[10-11]。受干旱半干旱氣候影響，青藏高原東部黃土區(qū)的黃土邊坡基本屬于非飽和土邊坡，由于地質(zhì)環(huán)境脆弱、植被稀疏，因此在雨季經(jīng)常發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[12-13]。本研究以青藏高原東部黃土區(qū)的土質(zhì)邊坡為研究對(duì)象，分析天然降雨入滲規(guī)律及其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，以期為研究黃土邊坡失穩(wěn)機(jī)理及其防治措施提供參考。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)設(shè)在位于青海省西寧市城北區(qū)二十里鋪的顧家?guī)X溝，地處黃土高原和青藏高原的過(guò)渡地帶，屬高原半干旱大陸性氣候區(qū)[14]，年均氣溫7.6 ℃，年降水量380 mm，年蒸發(fā)量1 363.6 mm[15]；降水主要集中在6—9月，且以暴雨和陣雨居多，具有歷時(shí)短、強(qiáng)度大、降雨集中等特點(diǎn)[16]，最大年降水量541.2 mm，最小年降水量196.4mm，最大日降水量62.2 mm，最大小時(shí)降水量30.1 mm，一次性連續(xù)最大降水量60.4 mm；地質(zhì)條件復(fù)雜，下游分布有部分農(nóng)田及居民住宅，雨季發(fā)生的滑坡、泥石流等會(huì)給試驗(yàn)區(qū)及其周邊群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。

在試驗(yàn)區(qū)選取一處天然黃土邊坡進(jìn)行試驗(yàn)。該黃土邊坡位于海拔2 290 m的陰坡，坡面面積約30 m×15 m，坡度45°。降雨前，黃土的密度為1.58 g/m3，孔隙度54.82%，質(zhì)量含水量13.50%，pH值8.13，黃土顆粒粒徑<0.05 mm的占64.96%、<0.01 mm的占21.88%、<0.002 mm的占5.74%。

2 試驗(yàn)條件和方法

試驗(yàn)在天然降雨條件下進(jìn)行。根據(jù)實(shí)際降雨條件(降雨強(qiáng)度由當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)測(cè)定)和降雨強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)多次雨天采樣和室內(nèi)試驗(yàn)，選取較為典型的3次降雨進(jìn)行試驗(yàn)分析，降雨強(qiáng)度和歷時(shí)分別為12.50 mm/h、4 h，4.28 mm/h、7 h、0.88 mm/h、16 h。3次降雨分屬大雨、中雨和小雨等級(jí)，因此試驗(yàn)條件具有代表性。采用野外取樣和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究降雨歷時(shí)和降雨強(qiáng)度對(duì)黃土邊坡土體含水量的影響，進(jìn)而分析降雨過(guò)程中黃土邊坡雨水入滲規(guī)律及其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。為了避免試驗(yàn)期間雨水入滲的相互影響，在進(jìn)行邊坡開(kāi)挖等破壞性試驗(yàn)時(shí)，不在同一取樣點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)設(shè)置

(1)在降雨強(qiáng)度12.50 mm/h、歷時(shí)4 h的降雨條件下，從降雨開(kāi)始到結(jié)束后60 min，每隔10 min對(duì)距坡面垂直距離30 cm的土層進(jìn)行取樣，測(cè)定其含水量，以分析降雨歷時(shí)對(duì)黃土邊坡土壤含水量的影響。

(2)在降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)分別為 4.28 mm/h、7 h，0.88 mm/h、16 h的降雨條件下，在降雨開(kāi)始后的30—180 min，每隔30 min對(duì)距坡面垂直距離30 cm的土層進(jìn)行取樣，測(cè)定其含水量，并與降雨強(qiáng)度12.50 mm/h、歷時(shí)4 h相同條件下的土壤含水量進(jìn)行對(duì)比，以分析降雨強(qiáng)度對(duì)黃土邊坡土壤含水量的影響。

(3)在黃土邊坡上從坡頂至坡腳橫向均勻取W1—W5共5段坡面，每段坡面間的垂直距離大于100 cm。在降雨強(qiáng)度12.50 mm/h、歷時(shí)4 h的降雨條件下，在降雨開(kāi)始后的30—300 min內(nèi)每隔30 min在每段坡面上取樣1次；根據(jù)雨水入滲情況增加取樣個(gè)數(shù)，即降雨開(kāi)始后30 min時(shí)取表層土樣，60 min時(shí)取表層和10 cm深土樣，90 min時(shí)取表層、10 cm和20 cm深土樣，依次按時(shí)、按深度取樣直至降雨結(jié)束后60 min(降雨在240 min時(shí)結(jié)束，取樣至300 min)，同一段坡面取樣點(diǎn)之間的坡面距離設(shè)定在80 cm以上，以免兩次取樣之間相互影響。考慮到雨天取樣對(duì)黃土邊坡的人為破壞，現(xiàn)場(chǎng)取樣時(shí)在坡面搭建木梯，確保不同深度取樣同時(shí)進(jìn)行。取樣后及時(shí)將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定其土壤含水量，以分析降雨過(guò)程中黃土邊坡雨水入滲規(guī)律；測(cè)定土樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角等，取其平均值作為降雨中和結(jié)束后淺層坡體的物理力學(xué)指標(biāo)。根據(jù)上述指標(biāo)，采用FLAC2D軟件模擬計(jì)算邊坡安全系數(shù)，并分析安全系數(shù)隨含水量的變化，與降雨前和降雨結(jié)束后60 min邊坡的應(yīng)力分布和安全系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以分析降雨入滲對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性的影響。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中土壤含水量測(cè)定采用烘干法，取樣工具為鋁盒；土體力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)采用直剪試驗(yàn)(ZJ型應(yīng)變控制直剪儀)和固結(jié)試驗(yàn)(WG-1B型單杠桿固結(jié)儀)[17]，取樣工具為環(huán)刀(Ф61.8 mm×20 mm)和原狀取土鉆(Ф61.8 mm×80 mm)，分別測(cè)定土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角和重度、變形模量。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤含水量與降雨入滲時(shí)間

天然黃土結(jié)構(gòu)疏松、孔隙度較大、雨水入滲較快，在達(dá)到飽和之前，土壤含水量及雨水入滲深度隨降雨歷時(shí)的增加而增大[18]。測(cè)定了降雨強(qiáng)度12.50 mm/h、歷時(shí)4 h降雨條件下黃土邊坡上距表面垂直深度30 cm處土層的土壤含水量，見(jiàn)圖1。降雨前土壤含水量為12.74%，降雨開(kāi)始后土壤含水量不斷增加；當(dāng)降雨進(jìn)行到240 min(降雨停止)時(shí)，土壤含水量達(dá)到最高，為27.91%，邊坡表層土壤趨于飽和并出現(xiàn)產(chǎn)流；降雨停止后，隨著降雨量的入滲、蒸發(fā)及徑流流失，土壤含水量逐漸減小。

圖1 黃土邊坡土壤含水量隨入滲時(shí)間變化曲線

3.2 土壤含水量與降雨強(qiáng)度

測(cè)定了不同降雨強(qiáng)度條件下黃土邊坡上距坡面垂直深度30 cm處的土壤含水量，見(jiàn)圖2。3次典型降雨中降雨強(qiáng)度12.50 mm/h、歷時(shí)4 h的土壤含水量增加幅度最大，降雨強(qiáng)度0.88 mm/h、歷時(shí)16 h的增加幅度最??；當(dāng)降雨強(qiáng)度小于黃土入滲強(qiáng)度時(shí)，由于黃土結(jié)構(gòu)松散、孔隙度大，降雨會(huì)全部滲入土體中，導(dǎo)致土體含水量明顯增加；隨著降雨強(qiáng)度的增加，邊坡土體中雨水入滲量增大，降雨入滲深度也不斷增加。

圖2 不同降雨強(qiáng)度下土壤含水量隨降雨歷時(shí)變化曲線

3.3 黃土邊坡降雨入滲規(guī)律及對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

將每次取土樣測(cè)得的含水量取平均值作為淺層土壤含水量，繪制黃土邊坡不同位置土壤含水量隨降雨入滲的變化曲線(圖3)。由圖3可知，隨降雨入滲時(shí)間的增加，黃土邊坡淺層土壤含水量由坡頂至坡腳均呈增加趨勢(shì)，且越接近坡腳土壤含水量增加幅度越大。分析其原因，降雨過(guò)程中黃土邊坡在坡頂和坡腳處的雨水入滲量并不相同，坡頂土壤含水量的增加量主要來(lái)源于雨水的直接入滲，而在實(shí)際降雨過(guò)程中，當(dāng)降雨量較大時(shí)降落的雨水只有一部分入滲到坡體中，其余會(huì)產(chǎn)生徑流和蒸發(fā)掉，這其中產(chǎn)生徑流的雨水在沿坡面流動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)入滲現(xiàn)象，且越接近坡腳徑流量越大，入滲量也越大，從而導(dǎo)致坡腳雨水入滲量較坡頂大。分析黃土邊坡不同部位土壤含水量變化規(guī)律及降雨過(guò)程中坡面產(chǎn)流現(xiàn)象可以看出，在坡度較大、雨量充足的情況下，黃土邊坡坡腳附近土壤含水量易于飽和，這也是降雨過(guò)程中黃土邊坡在坡腳處容易發(fā)生破壞和變形的原因之一。

圖3 黃土邊坡不同位置土壤含水量隨入滲時(shí)間變化曲線

結(jié)合土壤含水量試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)[17]，對(duì)降雨前后黃土邊坡土體黏聚力和內(nèi)摩擦角等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明在低飽和度情況下天然結(jié)構(gòu)黃土的黏聚力對(duì)含水量的變化極為敏感，當(dāng)含水量從12.74%增加到27.91%時(shí)黏聚力從23.47 kPa降低到9.93 kPa。采用FLAC2D軟件對(duì)降雨前后黃土邊坡坡頂至坡腳處剪應(yīng)力分布特征進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示坡體剪應(yīng)力數(shù)值發(fā)生明顯變化，其中坡頂處的剪應(yīng)力值在降雨前后分別為10.79、12.55 kPa，坡腳處分別為37.73、54.97 kPa，一方面坡面相同位置剪應(yīng)力值降雨后大于降雨前，另一方面在坡腳處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，尤其是降雨后更加明顯。這一結(jié)果說(shuō)明，天然結(jié)構(gòu)的黃土邊坡坡腳應(yīng)力增加值不僅與土體自身的重力有關(guān)，而且與降雨入滲規(guī)律密切相關(guān)，降雨入滲量越大，邊坡穩(wěn)定性越差，這也是黃土質(zhì)邊坡在降雨條件下易發(fā)生變形破壞的原因之一。采用FLAC2D軟件對(duì)降雨前后黃土邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4知，降雨過(guò)程中隨著降雨入滲時(shí)間的增加，邊坡土體平均含水量從12.74%增加到27.91%，同時(shí)邊坡安全系數(shù)從1.67降低到1.31；降雨結(jié)束后，隨著雨水的不斷蒸發(fā)和擴(kuò)散，土壤含水量逐漸減小，安全系數(shù)又有所增加；降雨入滲降低了土體的抗剪強(qiáng)度，是黃土質(zhì)邊坡在降雨條件下易發(fā)生變形破壞的另一個(gè)重要原因。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)天然黃土結(jié)構(gòu)疏松、孔隙度較大、雨水入滲較快，在達(dá)到飽和之前，土體含水量的變化與降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度密切相關(guān)，土體含水量及雨水入滲深度隨降雨歷時(shí)和降雨強(qiáng)度的增加而增大。

圖4 黃土邊坡安全系數(shù)與含水量的關(guān)系

(2)降雨過(guò)程中黃土邊坡坡頂和坡腳處雨水入滲量略有不同，越接近坡腳，雨水入滲量越大；坡腳處雨水入滲的增量主要來(lái)自于坡面的徑流入滲量，在雨量充足的情況下，坡腳附近土壤含水量易達(dá)到飽和，容易發(fā)生變形和破壞。

(3)在典型降雨條件下，黃土邊坡含水量從12.74%增加到27.91%，土壤黏聚力從23.47 kPa降低到9.93 kPa，邊坡坡頂和坡腳處的剪應(yīng)力值分別增大了1.76和17.24 kPa，邊坡安全系數(shù)從1.67降低到1.31。試驗(yàn)結(jié)果表明坡腳處應(yīng)力集中現(xiàn)象不僅與土體自身的重力有關(guān)，而且與降雨入滲密切相關(guān)，因此黃土邊坡安全防護(hù)要采取措施避免邊坡周圍徑流和坡面雨水入滲。

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