持續(xù)降雨入滲對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性的影響

鐘佩文 張慧莉 田堪良 陳航 聶抗意

摘要：為探索黃土邊坡在持續(xù)降雨條件下的入滲規(guī)律及其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，采集陜北治溝造地工程中開(kāi)挖邊坡的土樣，在室內(nèi)模擬土體垂直方向一維降雨積水入滲過(guò)程，觀測(cè)分析土體含水率的變化和濕潤(rùn)鋒運(yùn)移特征，研究含水率變化對(duì)邊坡土體抗剪強(qiáng)度的影響。根據(jù)降雨積水入滲試驗(yàn)得到的不同時(shí)刻土體飽和區(qū)分布情況，結(jié)合飽和區(qū)土體重度、黏聚力、內(nèi)摩擦角的具體數(shù)值，采用FLAC3D巖土工程數(shù)值計(jì)算軟件分析了持續(xù)降雨條件下邊坡的安全穩(wěn)定性以及潛在滑動(dòng)面的變化情況。研究結(jié)果表明：在降雨積水入滲條件下，淺層土體中濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度較快，隨著深度增大，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度逐漸減緩；當(dāng)濕潤(rùn)鋒到達(dá)時(shí)，不同深度土體含水率均呈現(xiàn)先陡升再趨于平緩上升的變化規(guī)律，土體的飽和度可達(dá)到80%。降雨入滲使土體的抗剪強(qiáng)度顯著降低，隨著降雨歷時(shí)的增加，邊坡土體中的飽和區(qū)域增大，土體局部的剪切變形增大，進(jìn)而局部發(fā)生塑性變形逐步擴(kuò)展形成剪切帶，從而導(dǎo)致滑坡。因此，黃土邊坡應(yīng)設(shè)置排水措施，避免降雨入滲引發(fā)滑坡等自然災(zāi)害。

關(guān)鍵詞：黃土邊坡；降雨入滲；滲透規(guī)律；杭剪強(qiáng)度；邊坡穩(wěn)定

中圖分類(lèi)號(hào)：S157.1：P642.22 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi ：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.017

降雨入滲是誘發(fā)黃土邊坡失穩(wěn)的主要因素之一，邊坡失穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致滑坡等自然災(zāi)害的發(fā)生[1]。近年來(lái)，為了解決退耕還林造成的耕地減少及糧食安全問(wèn)題，延安市啟動(dòng)了治溝造地工程，在工程實(shí)施過(guò)程中，開(kāi)挖形成了大量裸露的黃土邊坡，這些邊坡遇到持續(xù)的強(qiáng)降雨天氣時(shí)發(fā)生降雨入滲過(guò)程，一方面造成土體容重增大，增大土體的下滑力；另一方面造成土體抗剪強(qiáng)度降低，進(jìn)而使坡體的穩(wěn)定性降低[2-8]。因此，研究持續(xù)暴雨條件下土體水分入滲及其對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性的影響顯得尤為重要。很多學(xué)者通過(guò)室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)對(duì)土壤水分入滲規(guī)律進(jìn)行了研究，一般將降雨入滲過(guò)程視為面源垂向一維入滲過(guò)程[9]。Touma等[10]通過(guò)模擬試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算分析了土壤水分入滲過(guò)程中壓縮氣體對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移規(guī)律的影響；黃濤等[11]通過(guò)模擬含軟弱夾層的均質(zhì)邊坡模型，應(yīng)用相似條件得到了均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性與地表水入滲量歷時(shí)關(guān)系曲線；孫冬梅等[12]根據(jù)室內(nèi)土柱試驗(yàn)，建立了基于多相流理論的水一氣二相流模型，研究了孔隙氣壓力的增大對(duì)入滲水流的阻礙作用；賈官偉等[13]通過(guò)大型模型試驗(yàn)研究了邊坡內(nèi)部水分場(chǎng)變化對(duì)滑坡的影響。筆者針對(duì)延安市治溝造地工程中持續(xù)強(qiáng)降雨造成的黃土開(kāi)挖裸露邊坡滑坡災(zāi)害情況[14]，采用室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究連續(xù)暴雨?duì)顟B(tài)下土體內(nèi)部水分入滲與含水率變化的規(guī)律以及含水率變化對(duì)邊坡土體抗剪強(qiáng)度的影響，采用FLAC3D巖土工程數(shù)值計(jì)算軟件，分析持續(xù)降雨條件下黃土裸露邊坡的穩(wěn)定性以及潛在滑動(dòng)面的變化情況，以期為陜北治溝造地工程中的黃土開(kāi)挖邊坡防護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用黃土土樣于2016年5月10日取自陜西省延安市萬(wàn)花山治溝造地工程開(kāi)挖的兩級(jí)邊坡，土樣的天然含水率和密度見(jiàn)表1。試驗(yàn)測(cè)得土體表層以下2m范圍內(nèi)土壤干密度和含水率變化不大，坡體上部、下部土壤的干密度平均值分別為1.35、1.53g/cm3，天然含水率在12.5%附近，屬于Q3黃土。試驗(yàn)土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表2。

1.2 試驗(yàn)方法

降雨入滲試驗(yàn)采用土柱表面的積水進(jìn)行入滲，試驗(yàn)裝置為高220cm的圓柱形有機(jī)玻璃長(zhǎng)管，橫截面內(nèi)徑14cm、外徑15cm，填土高度210cm?？紤]到圓管內(nèi)土樣的孔隙比控制和制樣的均勻程度，將長(zhǎng)管截成5段，每段有機(jī)玻璃長(zhǎng)管間緊密接觸并使用橡膠膜和鐵環(huán)箍緊，以防止裝置在試驗(yàn)過(guò)程中漏氣。為了便于觀測(cè)水分入滲過(guò)程中的濕潤(rùn)鋒，在有機(jī)玻璃表面貼上刻度尺。有機(jī)玻璃頂端與大氣連通，底端插入底座土層中，便于排水和透氣。試驗(yàn)采用馬氏瓶提供水源，并通過(guò)馬氏瓶控制土柱頂端表面保持2cm的積水深度。采用安裝在土柱不同深度的5支EC-5土壤水分傳感器測(cè)定土體含水率，每5min測(cè)一次，自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)。降雨入滲試驗(yàn)裝置如圖1所示。

降雨入滲試驗(yàn)共進(jìn)行2次，試驗(yàn)I模擬密度為1.35g/cm3的坡體上部土體的降雨入滲情況，試驗(yàn)Ⅱ模擬密度為1.53g/cm3的坡體下部土體的降雨入滲情況。制樣時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)采集的擾動(dòng)土粉碎，過(guò)2mm篩，配置的含水率為12.5%，然后密封靜置48h后制備試樣。制備試樣前，先在有機(jī)玻璃管內(nèi)表面涂抹凡士林防止邊壁滲漏。采用分層（每層高度為5cm）搗實(shí)的方法，搗實(shí)后刨毛處理，用質(zhì)量法和體積總量法控制土樣的干密度。試驗(yàn)Ⅰ累計(jì)歷時(shí)103h，試驗(yàn)Ⅱ累計(jì)歷時(shí)402h。試驗(yàn)中將地下水埋深視作無(wú)限深，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)觀測(cè)到邊坡土層土體均勻，無(wú)明顯層狀，無(wú)蟲(chóng)孔裂隙等發(fā)育，因此將水分入滲土體過(guò)程視為活塞式入滲[15]；另外，鑒于試驗(yàn)過(guò)程中土柱上方積水層厚度均勻，因此僅考慮濕潤(rùn)鋒的垂向運(yùn)動(dòng)[16]。

試驗(yàn)前對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)SAS軟件的REG模塊對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，擬合表達(dá)式為

y=0.982x-0.013（R2=0.956） （1）式中：x為傳感器輸出體積含水率；y為烘干法測(cè)得的土壤體積含水率。

為研究降雨入滲過(guò)程中土壤含水率變化對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，采用DSJ-3型電動(dòng)四聯(lián)等應(yīng)變直剪儀分別對(duì)干密度為1.35、1.53g/cm3 兩種原狀試樣進(jìn)行了不同含水率的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，試樣配置含水率分別為12%、14%、16%、18%、20%、23%、26%、29%。試驗(yàn)的剪切速率為0.80mm/min，分別測(cè)量50、100、200、300kPa4種垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 入滲過(guò)程中濕潤(rùn)鋒運(yùn)移規(guī)律

為研究垂向一維空間上濕潤(rùn)鋒運(yùn)移規(guī)律，根據(jù)傳感器安裝位置，將運(yùn)移區(qū)間分為5段，分析濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率，見(jiàn)表3。

飽和區(qū)、過(guò)渡區(qū)、傳導(dǎo)區(qū)和濕潤(rùn)區(qū)為水分入滲過(guò)程中含水率分布的4個(gè)典型分區(qū)。濕潤(rùn)鋒為濕潤(rùn)區(qū)的前緣，試驗(yàn)過(guò)程中濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率呈減小趨勢(shì)，這與土體中封閉氣泡的影響有關(guān)。隨著濕潤(rùn)鋒的推移，土柱中氣體不斷向下運(yùn)移，氣泡的體積隨之不斷壓縮，從而導(dǎo)致氣泡體積減小而氣壓增大。當(dāng)水流無(wú)法沖散氣泡或使氣泡溶解時(shí)，土體孔隙中的水分必然改變?cè)嫉倪\(yùn)移路徑繞過(guò)氣泡而流動(dòng)，從而延長(zhǎng)了水流路徑，增大了入滲時(shí)間，進(jìn)而導(dǎo)致土體非飽和滲透系數(shù)降低，宏觀上導(dǎo)致濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速率不斷降低。

試驗(yàn)Ⅰ中0～20cm區(qū)間段濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速為0.191cm/min，20～50cm區(qū)間段濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率大幅度降低至0.067cm/min，之后運(yùn)移速度降低較緩，試驗(yàn)Ⅱ中也出現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象。說(shuō)明土柱淺層水分入滲較快，到達(dá)一定深度之后，封閉氣泡無(wú)法再?gòu)谋韺油馏w逸出到空氣中，而是被濕潤(rùn)鋒推移至深層土體內(nèi)，從而引起運(yùn)移速度驟降。

相對(duì)于試驗(yàn)Ⅰ，試驗(yàn)Ⅱ干密度增大，孔隙比減小，土樣中孔隙的體積較小，滲透面積減小，從而使水流向下擴(kuò)散更加困難。試驗(yàn)Ⅱ的孔隙比相比試驗(yàn)Ⅰ減小23.0%，導(dǎo)致濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率減小72.6%，說(shuō)明土體孔隙比對(duì)水分入滲影響顯著。

2.2 同一深度土體含水率變化特征

不同深度土體含水率隨入滲時(shí)間推移的變化情況如圖2所示?？梢钥闯?，當(dāng)濕潤(rùn)鋒到達(dá)時(shí)，不同深度土體含水率均呈現(xiàn)先陡升再趨于平緩上升的變化。土體含水率變化過(guò)程可使用Logistic函數(shù)擬合，采用SAS軟件中內(nèi)置的NUN模塊擬合得到擬合公式。表4及圖3為試驗(yàn)Ⅰ的擬合結(jié)果。擬合優(yōu)度均在0.95以上，擬合效果良好。

2.3 不同深度土體飽和經(jīng)歷時(shí)間

不同深度土體含水率從開(kāi)始變化時(shí)刻到穩(wěn)定狀態(tài)所經(jīng)歷的時(shí)間見(jiàn)表5。天然狀態(tài)下土體在水分入滲過(guò)程中難以達(dá)到完全飽和狀態(tài)，試驗(yàn)Ⅰ不同深度土壤含水率穩(wěn)定時(shí)飽和度平均值為77.27%，試驗(yàn)Ⅱ?yàn)?2.39%。

試驗(yàn)結(jié)果表明，土體飽和所需時(shí)間隨土層深度增加而延長(zhǎng)，這是封閉氣泡向下擴(kuò)散的累積效應(yīng)造成的，深處土層中封閉的氣泡較多，減小了滲透面積，不容易達(dá)到飽和。相比之下，試驗(yàn)n中土體飽和經(jīng)歷時(shí)間更長(zhǎng)，原因是干密度大的土樣孔隙比小，土體中封閉的氣泡逸出路徑更狹窄，氣泡更難擴(kuò)散，滲透面積減小更多，更不容易達(dá)到飽和。

2.4 降雨入滲對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響

土體的含水率隨著降雨入滲不斷增加，通過(guò)測(cè)試不同含水率條件下黃土的抗剪強(qiáng)度，分析降雨入滲對(duì)土體強(qiáng)度的影響。不同含水率條件下兩種干密度黃土試樣的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。分別用二次曲線與直線的方程式擬合了黏聚力C與內(nèi)摩擦角φ隨含水率ω的關(guān)系，擬合優(yōu)度均在0.95以上，擬合結(jié)果分別見(jiàn)圖4及表7。

試驗(yàn)結(jié)果表明：土體的黏聚力C與內(nèi)摩擦角φ隨含水率的增大而減小，對(duì)于干密度為1.53g/cm3的土樣，當(dāng)含水率從12%增加到29%時(shí)，黏聚力從39.116kPa降低到5.672kPa，內(nèi)摩擦角從29.00降低到22.8°。原因是當(dāng)土體的含水率增加時(shí)，土顆粒之間的化學(xué)膠結(jié)物質(zhì)部分被溶解，同時(shí)土體的基質(zhì)吸力減小，土顆粒之間的黏結(jié)強(qiáng)度降低，因而黏聚力C減小。另外，隨著土體含水率增大，土顆粒表層的水膜增厚，甚至自由水增加，土體破壞時(shí)土顆粒之間的摩擦力減小，內(nèi)摩擦角φ減小。

3 降雨條件下邊坡穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算分析

在降雨入滲條件下，土體的抗剪強(qiáng)度明顯降低，直接影響著黃土邊坡的安全穩(wěn)定性，采用FLAC3D巖土工程數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)這種影響進(jìn)行定量分析。根據(jù)延安地區(qū)治溝造地工程實(shí)踐，建立兩級(jí)臺(tái)階的邊坡幾何模型，選取邊坡坡高8m，單級(jí)坡高4m，單級(jí)坡比1：0.5，兩級(jí)中間留有2m寬的平臺(tái)。為了簡(jiǎn)化模型，根據(jù)延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)中不同重現(xiàn)期最大7d暴雨量和特征值表等系列水文資料，認(rèn)為在連續(xù)暴雨?duì)顟B(tài)下，坡頂、坡底以及平臺(tái)將維持2cm的穩(wěn)定積水層，持續(xù)向下入滲。研究區(qū)坡體地下水位較深，降雨期間水分沒(méi)有入滲至地下水位處。根據(jù)上文積水入滲試驗(yàn)所得到的不同土體降雨入滲的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度，可以計(jì)算出不同時(shí)刻濕潤(rùn)鋒到達(dá)的位置，濕潤(rùn)鋒以上土體處于飽和狀態(tài)，飽和含水率為試驗(yàn)過(guò)程中傳感器測(cè)得的穩(wěn)定含水率。濕潤(rùn)鋒以下土體為天然狀態(tài)，含水率為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)。不同分區(qū)及不同含水率條件下土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表8，暴雨持續(xù)48h后的邊坡分區(qū)及飽和土體分區(qū)的模型示意圖見(jiàn)圖5。

采用FLAC3D巖土工程數(shù)值計(jì)算軟件按強(qiáng)度折減法計(jì)算不同降雨歷時(shí)條件下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，表9為不同降雨歷時(shí)的邊坡安全系數(shù)，圖6為剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D。

計(jì)算結(jié)果表明：隨著降雨歷時(shí)增加，雨水入滲深度增大，邊坡土體中的飽和區(qū)域增大，土體的強(qiáng)度降低，土體局部的剪切變形增大，由應(yīng)力集中引起的局部塑性變形逐步擴(kuò)展至整個(gè)剪切帶，從而導(dǎo)致滑坡；降雨72h時(shí)邊坡安全系數(shù)降至1.03，邊坡瀕臨破壞；降雨108h時(shí)的安全系數(shù)降至0.94，坡體將產(chǎn)生滑坡。因此，在工程實(shí)踐中，黃土邊坡應(yīng)設(shè)置排水措施，避免降雨入滲引起土體含水率增加而發(fā)生滑坡等自然災(zāi)害。

4 結(jié)論

（1）在持續(xù)降雨入滲條件下，黃土邊坡淺層土體中濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度較快，隨著深度的增加濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度逐漸減緩，原因是在降雨入滲過(guò)程中，隨著濕潤(rùn)鋒的推移，土體中的氣泡無(wú)法再?gòu)谋韺油馏w逸出到空氣中，越深的土層中封閉的氣泡越多，減小了土體的滲流面積，從而降低了土體的滲透系數(shù)，導(dǎo)致濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度逐漸減緩。土體的孔隙比對(duì)降雨入滲有顯著的影響，土體的密度越大，孔隙比越小，土體的滲透面積越小，滲透系數(shù)越小，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度也越小。

（2）在持續(xù)降雨入滲條件下，不同深度土體含水率均呈現(xiàn)先陡升再趨于平緩上升的變化，這種變化過(guò)程可用Logistic函數(shù)較好地進(jìn)行擬合，擬合優(yōu)度在0.95以上。天然狀態(tài)下土體在水分入滲過(guò)程中難以達(dá)到完全飽和狀態(tài)，飽和度僅可達(dá)到80%。

（3）土體的黏聚力C與內(nèi)摩擦角（P隨含水率的增大而減小，原因是含水率增加時(shí)，土顆粒之間的化學(xué)膠結(jié)物質(zhì)部分被溶解，同時(shí)土體的基質(zhì)吸力減小，土顆粒之間的黏結(jié)強(qiáng)度降低，因而黏聚力C減??；隨著土體含水率增大，土顆粒表層的水膜增厚，甚至自由水增加，土體破壞時(shí)土顆粒之間的摩擦力減小，因而內(nèi)摩擦角φ減小。

（4）隨著降雨歷時(shí)增加，雨水入滲深度增大，邊坡土體中的飽和區(qū)域增大，土體的強(qiáng)度降低，土體局部的剪切變形增大，由應(yīng)力集中引起的局部塑性變形逐步擴(kuò)展至整個(gè)剪切帶，從而導(dǎo)致滑坡。黃土邊坡應(yīng)設(shè)置排水措施，避免降雨入滲引發(fā)滑坡等自然災(zāi)害。

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