模擬降雨條件下寒旱地區(qū)邊坡土體位移及土壓力特征

竇增寧，趙玉嬌，劉昌義，胡夏嵩,2，徐志聞，盧海靜

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

近年來國內(nèi)外學(xué)者大量研究結(jié)果表明，降水條件下雨水對(duì)邊坡的穩(wěn)定性具有顯著性影響，而由雨水引起的邊坡變形可通過邊坡位移和土體壓力值反映[1～7]。詹良通等[4]通過開展模擬降雨試驗(yàn)，采用振弦式土壓力盒對(duì)湖北棗陽大崗坡處的非飽和膨脹土邊坡進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明：第一次降雨開始后土壓力值呈先增加后趨于穩(wěn)定變化規(guī)律，第二次降雨后土壓力值則呈降低的變化趨勢(shì)。劉文慶等[5]采用多點(diǎn)位移計(jì)對(duì)安徽湯屯高速公路Ⅱ-7位置處高度為42 m的高邊坡進(jìn)行了安全監(jiān)測(cè)，并指出7月份位移變化速率呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其原因主要是受到連續(xù)暴雨作用的影響。張昌軍等[6]通過對(duì)位于秦嶺北麓山前大斷裂帶附近一坡高5 m、坡度40°的黃土邊坡進(jìn)行了兩種不同雨強(qiáng)下(274 mm/d、302 mm/d)的人工降雨試驗(yàn)，采用位移計(jì)監(jiān)測(cè)坡體淺層及內(nèi)部變形特征，結(jié)果表明當(dāng)降雨強(qiáng)度超過274 mm/d時(shí)，坡體淺層位移呈增大趨勢(shì)并易發(fā)生失穩(wěn)。雷航等[7]采用單點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)了畢節(jié)至威寧高速公路云貴高原烏蒙山脈北段一坡高為42 m的邊坡，其結(jié)果表明受降雨影響邊坡產(chǎn)生局部滑塌，最大下錯(cuò)深度達(dá)3 m。

由上述研究結(jié)果可知，諸多學(xué)者對(duì)于在降雨條件下邊坡的位移量和土壓力特征開展了較為深入的研究，其研究對(duì)象多以未種植植物的素土邊坡為主；對(duì)于生長了植物的邊坡在模擬自然降雨條件下，主要是對(duì)坡面形成徑流[8]、泥沙流失[8]、含沙量[3]等相關(guān)內(nèi)容的試驗(yàn)分析。而通過分析裸坡和種植植物邊坡的淺層土體位移量、土壓力值及其變化規(guī)律，探討降水條件下植物對(duì)于提高邊坡淺層土體穩(wěn)定性作用等方面的研究，尚有待于進(jìn)一步加強(qiáng)。

針對(duì)上述實(shí)際情況，本項(xiàng)研究選取位于青藏高原東北部的西寧盆地作為研究區(qū)，在模擬降水條件下，通過在邊坡淺層土體中布設(shè)壓力盒、位移計(jì)的方法，對(duì)種植植物的邊坡和未種植植物的裸坡的淺層土體的位移量和土壓力值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，定量評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)植物根系增強(qiáng)邊坡淺層土體穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)，其研究成果可為寒旱環(huán)境下邊坡坡面水土流失、淺層滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的有效防治，提供理論參考依據(jù)和實(shí)際指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于青海西寧城北青海大學(xué)校內(nèi)自建試驗(yàn)區(qū)。區(qū)內(nèi)發(fā)育厚層狀黃土層，夏季平均降水量為110.6 ～ 479.1 mm，平均蒸發(fā)量為1 350 ～ 3 000 mm，平均日照為634.5 h/a，平均氣溫為13.0 ℃[9,10]。試驗(yàn)區(qū)邊坡為陰坡，坡度30°，其土體以粉土為主，屬于人工堆積邊坡。

2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

通過調(diào)查試驗(yàn)區(qū)周邊地區(qū)已有的灌木種類，得出檸條錦雞兒分布范圍和數(shù)量相對(duì)較為廣泛，具有較好的代表性，故選取生長期為2 a的檸條錦雞兒(CaraganaKorshinskiiKom)邊坡與裸坡作為研究對(duì)象。兩種類型邊坡的劃分方案見圖1。區(qū)內(nèi)檸條錦雞兒種植方法采用穴播法種植，即株距為5 cm，行距為5 cm，穴深為3～5 cm，每穴種植3～5粒，在降雨試驗(yàn)前首先清除邊坡中的雜草，僅保留供試種，其中檸條錦雞兒生長量指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，植物生長情況見圖2。

圖1 試驗(yàn)區(qū)2種類型邊坡劃分方案示意圖Fig.1 Sketch map of the division of 2 types of slopes in the testing area

邊坡類型平均株高/cm平均分枝數(shù)平均地徑/mm冠幅/cm2樣品數(shù)檸條錦雞兒28 73 73 47 0×8 030 0

圖2 試驗(yàn)區(qū)種植檸條錦雞兒生長情況Fig.2 Growth condition of C. korshinskii in the testing area

2.2 試驗(yàn)裝置原理與設(shè)計(jì)及方法

2.2.1試驗(yàn)裝置原理與設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采取課題組自行設(shè)計(jì)和加工的野外模擬降雨試驗(yàn)裝置(圖3)。該試驗(yàn)裝置主要由進(jìn)水表、儲(chǔ)集水箱兩部分組成。首先通過進(jìn)水表對(duì)進(jìn)水量進(jìn)行有效控制和調(diào)整，從而達(dá)到控制單位時(shí)間降雨量的目的；再通過儲(chǔ)集水箱作為模擬自然降雨容器，在其底部位置開孔徑為1 mm的小孔使水均勻降入試驗(yàn)區(qū)塊。

采用KTR3-50型位移計(jì)監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)邊坡變形情況，采用微型土壓力盒監(jiān)測(cè)邊坡淺層土壓力值。位移計(jì)與壓力盒的布設(shè)位置見圖4。圖4(a)顯示在檸條錦雞兒邊坡、裸坡相同位置處按水平、垂直方向布置位移計(jì)，并采用自坡底起依次記為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)點(diǎn)位；圖4(b)中點(diǎn)Ⅰ為坡頂與坡中部中間點(diǎn)位置處，點(diǎn)Ⅱ?yàn)槠轮胁颗c坡腳中間點(diǎn)位置處。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)氣候特征，以及青海東部地區(qū)每小時(shí)最大降雨強(qiáng)度[10～11]作為依據(jù)，確定本次試驗(yàn)的模擬降雨強(qiáng)度為34.4 mm/h，降雨歷時(shí)為1 h。

圖3 模擬降雨試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及組成示意圖Fig.3 Structure design and constitution map of the rainfall simulation device

圖4 邊坡位移計(jì)及土壓力盒布設(shè)位置示意圖Fig.4 Diagram for the location of displacement and earth pressure meters fixed in the slopes

2.2.2試驗(yàn)方法

原位模擬降雨試驗(yàn)前后，分別對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)兩種類型邊坡的a層(坡面以下0～20 cm深度位置處)，b層(坡面以下20～40 cm深度位置處)進(jìn)行開挖，分別采集這兩處的土體含水率、土體密度試樣。在原位模擬降雨試驗(yàn)過程中，分別監(jiān)測(cè)兩種類型邊坡淺層土體的位移量和土壓力值。

2.2.3計(jì)算淺層土壓力、位移量

采用萬用表測(cè)量位移計(jì)電壓值，根據(jù)式(1)計(jì)算相應(yīng)的邊坡淺層土體位移值。

S=1.111 11×a

(1)

式中：S——土體位移/mm；

a——試驗(yàn)測(cè)量電壓值/V。

采用萬用表測(cè)量土壓力盒電壓值(表2)，根據(jù)相對(duì)應(yīng)壓力盒的回歸方程，計(jì)算得到相應(yīng)的土壓力值。

表2 試驗(yàn)區(qū)邊坡淺層土壓力傳感器標(biāo)定系數(shù)Table 2 Calibration coefficients of earth pressure meters on the slope shallow layers in the testing area

注：以1號(hào)土壓力盒為例，當(dāng)1號(hào)土壓力盒的壓力值為0 kPa時(shí)，其測(cè)定的電壓值為0.164 V。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨試驗(yàn)前后邊坡淺層土體含水率及密度變化

降雨入滲一方面使土體飽和度增大，邊坡上覆土體自重應(yīng)力增加，另一方面降雨入滲引起土層含水率增大，從而降低坡體穩(wěn)定性[12]。試驗(yàn)區(qū)裸坡與檸條錦雞兒邊坡模擬降雨試驗(yàn)前后邊坡土體含水率、密度試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表可知，降雨試驗(yàn)前坡面地表以下a層檸條錦雞兒邊坡土體平均含水率較裸坡略高，而在b層檸條錦雞兒邊坡土體含水率與裸坡無顯著變化。試驗(yàn)后在a層檸條錦雞兒邊坡土體平均含水率較裸坡略小，而在b層檸條錦雞兒邊坡土體平均含水率較裸坡呈降低趨勢(shì)。檸條錦雞兒邊坡a層、b層土體平均含水率增加幅度依次為38.54%、13.28%，裸坡則在a層、b層依次為70.57%、26.91%。

降雨試驗(yàn)結(jié)束后，即開挖相應(yīng)邊坡測(cè)得邊坡不同深度位置處的密度，即分別得到檸條錦雞兒邊坡、裸坡各點(diǎn)位置處土體密度。檸條錦雞兒邊坡a層、b層土體平均密度增加幅度依次為8.53%、1.30%；裸坡a層、b層則依次為6.95%、2.59%。

表3 試驗(yàn)區(qū)裸坡與檸條錦雞兒邊坡模擬降雨試驗(yàn)前后土體密度與含水率試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Testing results of soil density and moisture content of the bare slope and the slope planted with C. Korshinskii before and after rainfall simulation test in the testing area

3.2 降雨試驗(yàn)前后邊坡淺層土壓力值特征

由降雨引起的土壓力變化是評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，降雨入滲導(dǎo)致坡體強(qiáng)度減小，且當(dāng)土壓力增大至一定程度時(shí)坡體發(fā)生變形破壞[13]。試驗(yàn)區(qū)裸坡與檸條錦雞兒邊坡模擬降雨前后，邊坡淺層土體土壓力值結(jié)果見表4。由表可計(jì)算得出降雨前后裸坡與檸條錦雞兒邊坡淺層平均土壓力分別增加0.125 kPa，0.129 kPa，由此反映出降雨前后區(qū)內(nèi)檸條錦雞兒邊坡淺層平均土壓力值變化量大于裸坡。

表4 試驗(yàn)區(qū)裸坡與檸條錦雞兒邊坡模擬降雨前后土體土壓力計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of earth pressures of the bare slope and slope planted with C. Korshinskii before and after rainfall simulation in the testing area

本項(xiàng)研究表明，降雨入滲使區(qū)內(nèi)兩種類型邊坡淺層土體容重相對(duì)增加，引起土壓力值亦相應(yīng)增大。類似的研究結(jié)果還表現(xiàn)在：武彩萍等[14]采用MFF系列多點(diǎn)薄膜壓力測(cè)試系統(tǒng)，以降雨強(qiáng)度58.5 ～ 138.3 mm/h，降雨歷時(shí)600 min，對(duì)坡度為45°的人工堆積邊坡進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)，結(jié)果表明：在降雨后邊坡土壓力值顯著增大，即在降雨歷時(shí)550 min時(shí)土壓力值增加5 kPa。陳璽文[15]采用土壓力傳感器，以降雨強(qiáng)度1.6 mm/min，降雨歷時(shí)300 min對(duì)坡度為22°的人工堆積邊坡進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)，結(jié)果表明：在降雨過程中土壓力值呈緩慢增大趨勢(shì)，即邊坡降雨前后土壓力值變化量分別在坡頂處增加5 kPa，坡中處增加2 kPa，坡底處增加10 kPa。

此外，區(qū)內(nèi)檸條錦雞兒邊坡淺層土壓力值變化量相對(duì)大于裸坡，其主要原因在于其根系的吸水作用，以及檸條錦雞兒自重因素所致。諸多研究結(jié)果表明，植物根系的存在一方面對(duì)邊坡表層起到有效防治坡面水土流失作用[16]，另一方面，植物根系能夠有效增強(qiáng)坡面土體黏聚力，使得邊坡表層土體承受上覆土體自重的能力相對(duì)增強(qiáng)，因此在一定程度上緩解了因邊坡淺層土壓力增加引起的邊坡淺層土體的變形[13]。

3.3 模擬降雨試驗(yàn)前后邊坡淺層土體位移量特征

降雨引起的邊坡位移，主要由于邊坡非飽和區(qū)含水量增加，基質(zhì)吸力下降，而基質(zhì)吸力的降低又使得邊坡非飽和區(qū)產(chǎn)生應(yīng)變，其結(jié)果使得邊坡產(chǎn)生與降雨有關(guān)的位移[17]。試驗(yàn)區(qū)兩種邊坡在模擬降雨前后淺層土體位移量見表5。由表可知，降雨后裸坡淺層土體水平方向平均位移量為0.196 cm，垂直方向?yàn)?.158 cm；檸條錦雞兒邊坡淺層土體水平方向平均位移量為0.031 cm，垂直方向?yàn)?.027 cm。裸坡在降雨后其水平和垂直方向位移量顯著大于檸條錦雞兒邊坡。由圖5可知，兩種類型邊坡在5個(gè)測(cè)量位置處(圖4)水平和垂直方向位移量自坡頂至坡底均呈減小趨勢(shì)，且裸坡在水平和垂直方向上其位移變化趨勢(shì)均大于檸條錦雞兒邊坡。由上述分析結(jié)果可知，降雨入滲至邊坡淺層位置后，非飽和土的基質(zhì)吸力降低，在重力作用下土體產(chǎn)生水平滑移和豎向沉降變形，表現(xiàn)為相對(duì)位移的增大；另一個(gè)方面，檸條錦雞兒邊坡由于其根系的加筋和錨固作用，一定程度上提高了邊坡淺層的穩(wěn)定性。

圖5 試驗(yàn)區(qū)裸坡和檸條錦雞兒邊坡坡面位移量Fig.5 Distribution features of displacement values of the bare slope and slope vegetated with C. Korshinskii in the testing area

由以上研究結(jié)果可知，降雨對(duì)于邊坡淺層土體穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在，降雨入滲使得邊坡土體自重增加，且在自重影響下發(fā)生水平和垂直方向上的位移變化，具體表現(xiàn)為自坡頂處至坡底位置呈依次減小的趨勢(shì)。相應(yīng)地，與本項(xiàng)研究相類似的研究結(jié)果還表現(xiàn)在：陳偉[18]采用示蹤法以降雨強(qiáng)度0.97～2.30 mm/min，降雨歷時(shí)60 min，對(duì)45°人工堆積邊坡進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，其結(jié)果為自坡頂至坡底位移變化量呈依次減小趨勢(shì)。陳璽文[15]采用位移傳感器以降雨強(qiáng)度1.2 mm/h，降雨歷時(shí)300 min，對(duì)坡度為31°人工堆積邊坡進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)，結(jié)果表明坡頂位置處土體水平位移最大為25.73 mm，而在坡中和坡底位置處水平位移均為0.14 mm。

4 結(jié)論

(1)試驗(yàn)區(qū)檸條錦雞兒邊坡與裸坡，在模擬降雨試驗(yàn)過程中，部分降水入滲至坡面以下的b層深度，反映出在降雨過程中，植物邊坡中植物莖葉部分有效地發(fā)揮了降雨截流作用。

(2)檸條錦雞兒邊坡和裸坡淺層土壓力值，在模擬降雨試驗(yàn)條件下表現(xiàn)出相同的特征，即土體平均土壓力值分別增加0.129 kPa、0.125 kPa，而兩者之間的增加量差異主要變現(xiàn)在植物根系的吸水作用以及植物自重所致。

(3)模擬降雨試驗(yàn)前后，檸條錦雞兒邊坡與裸坡坡面的位移量表現(xiàn)為：自坡頂至坡底水平、垂直方向的位移量均呈減小趨勢(shì)；同時(shí)，檸條錦雞兒邊坡坡面水平、垂直方向的位移量均顯著低于裸坡，表現(xiàn)出檸條錦雞兒根系具有顯著防治邊坡淺層土體位移和變形的作用。

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