雨滴濺蝕下壓實黃土變形破壞規(guī)律研究

周春梅，王 宇，呂 雷，張靜波，邵 偉，趙夢霄

(1.武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430073；2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056；3.南京信息工程大學水文與水資源工程學院，江蘇 南京 210044)

黃土主要分布于我國西北及華北地區(qū)，以黃河中游發(fā)育最好。近年來，公路、鐵路工程不斷向該區(qū)域延伸和發(fā)展，由于工程建設的需要，出現(xiàn)大量裸露、無防護狀態(tài)的高填方邊坡。在反復降雨沖刷作用下，其坡面極易被侵蝕，坡體易造成局部破壞，使得整體穩(wěn)定性受到影響。由此黃土地區(qū)其黃土填料的合理評價與利用問題日益突出。已有研究表明，雖然單個雨滴的體積微不足道，但是它的沖擊力卻不可忽視。代明俠等[1]研究發(fā)現(xiàn)雨滴降落到地面的最大速度可以達到9 m/s，直徑為5 mm的雨滴落在濕土上，可使土粒濺起高度達75 cm，土粒的移動范圍可達到1.2～1.5 m。暴雨條件下雨滴持續(xù)擊打裸露地表，能使土體分散、破裂和濺起，從而破壞土體結構[2]。王興奎等[3]研究黃土丘陵溝壑區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙時發(fā)現(xiàn)雨滴濺蝕單獨作用下的含沙量可高達200 kg/m3。盧佳等[4]對山坡土體侵蝕特性的研究表明，雨水沖擊對土體侵蝕的貢獻為78.3%～95.2%。Kinnel[5]對非黏性沙土的雨滴擊濺試驗結果顯示，隨薄層水流深度的增加，泥沙剝蝕量逐漸減小。Gabet等[6]認為，坡面徑流的產(chǎn)生與濺蝕關系顯著，對侵蝕產(chǎn)沙有較大限制作用。鄭騰輝等[7]針對雨滴擊濺與薄層水流混合侵蝕過程輸沙機理的研究，認為單雨滴擊濺時，泥沙濺蝕量隨水層厚度的增加而減少，且雨滴直徑越大其擾動水層厚度越大。馬閆等[8]等通過研究壓實黃土的壓縮特性探明：高壓實度下的黃土具有結構性，且結構強度隨含水率的增大而減小。吳凱等[9]通過分析不同干密度下壓實黃土的微觀結構認為，隨著土體干密度的增大，其孔隙分布越趨于均勻，整體力學性質(zhì)越穩(wěn)定。尹武君等[10]等通過人工模擬單雨滴試驗發(fā)現(xiàn)土體密實度與土體濺蝕量呈負相關，雨滴直徑與土體濺蝕量呈正相關。

已有的研究成果大多集中在濺蝕量的變化上，土體的侵蝕破壞情況沒有進一步分析。本文通過人工模擬單雨滴濺蝕試驗，控制土體在不同壓實度、不同雨滴速率兩種條件下，觀測試件表面濺蝕坑深度隨濺蝕時間的變化趨勢，研究壓實黃土在濺蝕過程中的破壞規(guī)律，為黃土高填邊坡水毀病害的防治提供治理依據(jù)。

1 單雨滴濺蝕試驗室內(nèi)模擬

1.1 試樣材料

試驗土樣取自三門峽至淅川高速公路豫晉省界至靈寶段K4+800處，為地表以下8 m深處土樣，取土處地層巖性為上更新統(tǒng)(Q3)馬蘭黃土，灰黃色、黃色鈣質(zhì)粉土為主，有大孔隙，直立性較好，垂直節(jié)理發(fā)育，手搓之易成粉末。取代表性土樣，篩除試料中大于40 mm的顆粒，對已過篩的試料采用4分法分成6份，分別加入適量的水，悶料1 d后對填料進行重型擊實試驗，得到最大干密度，最優(yōu)含水率。其基本物理性質(zhì)如表1所示，顆粒級配曲線如圖1所示。

表1 土樣基本物理性質(zhì)

圖1 土體顆粒分布曲線Fig.1 Distribution curve of soil particle

1.2 試驗裝置設計

試驗采用自行設計的常水頭單雨滴模擬器(圖2)。主體管構采用PVC管(管徑Φ25)、注射器針管(模擬單粒雨滴)、激光測距儀、攝像機、透明玻璃罩、長1.5 m軟管、計時器等。

試驗原理：通過軟管向PVC管主體結構供水，使管中水位上升至溢水口，余水從溢水口排出。使得管中水位保持不變，并通過調(diào)水閥來調(diào)節(jié)水流速度，以之控制雨滴擊濺速率。濺蝕坑深度和面積的測試方法為：(1)先用激光測距儀測定測距儀離試件表面的高度H1，待某一濺蝕時間段完成后，蓋上止水套，旋鈕測距儀支架，使測距儀燈束對準濺蝕坑底部，測量測距儀距濺蝕坑底部的距離Hi，則該時刻濺蝕坑的深度ΔH=Hi-H1。然后放一片尺寸為10 mm×10 mm的方形薄片作為標尺物放置在土樣濺蝕坑旁，采用攝像機對土樣進行拍照。完成后通過Photoshop圖形處理軟件對方形薄片邊長進行3次測距取其平均值得到L1，再對濺蝕坑直徑進行3次測距取其平均值得到φ1，那么濺蝕坑的真實孔徑φ=φ1×10 mm/L1。

圖2 常水頭雨滴模擬器整體原理圖Fig.2 Schematic diagram of the raindrop simulator under the constant water head

1.3 試驗方案

影響雨滴濺蝕的因素是多方面的，大致可分為兩類[11]：一是地表因子，如土體類別、地表壓實度，二是動能因子，如雨滴直徑、雨滴落速等。本試驗中，動能因子選取雨滴滴落速率為試驗變量，地表因子選取壓實度為試驗變量。喬勇虎等[12]研究發(fā)現(xiàn)，就一定雨強來說，局部地區(qū)短陣型雨型(1 h左右)比大面積的普通雨型更易引起土壤侵蝕，即短陣型降雨的侵蝕力更大。效文娟等[13]通過分析豫西地區(qū)2006—2012年暴雨(24 h降雨量≥50 mm)的37個例子發(fā)現(xiàn)：豫西山區(qū)典型區(qū)域山洪災害臨界降雨量為97.3～108.5 mm/d。但在強降雨集中時間段內(nèi)，1～3 h降雨量均在閾值的3倍以上，6 h降雨量也在閾值的2～3倍間。基于此，本文以108.5 mm /d為24 h降雨量峰值，通過雨滴體積換算等，確定濺蝕速率為30滴/min較為接近，24 h降雨強度為105.6 mm。分別以120滴/min、60滴/min代表1 h和6 h的降雨峰值，以此考慮極端降雨條件下雨滴的濺蝕作用。

本次試驗選取雨滴速率和壓實度為主要影響因素，開展單雨滴濺蝕試驗，濺蝕過程控制在1 h，具體方案如下：

(1)為研究土體壓實度對土體濺蝕破壞程度的影響，試驗在已知最佳含水率下(表1)，用標準重型擊實儀分別制作了5種壓實度狀態(tài)的土樣，分別為80%，85%，90%，93%，96%。標準重型擊實儀試件規(guī)格，直徑15.2 cm，高12 cm，每種壓實度的土樣各3個。

(2)通過調(diào)節(jié)水閥，控制雨滴滴落速率。設計雨滴落速為30滴/min、60滴/min、120滴/min進行濺蝕試驗，分析不同濺蝕速率下試件破壞形態(tài)。

(3)將制作好的試件放置在支架上，取下雨滴口止水套，試滴1～2滴，左右移動支架使得雨滴正好落在試件中央。之后取下止水套，同時啟動秒表。試驗濺蝕過程中間隔時間按1 min，1 min，2 min，2 min，3 min，3 min，3 min，5 min，5 min，5 min，10 min，10 min，10 min(共60 min)進行濺蝕坑量測，通過攝像機實時拍攝濺蝕坑的變化，用激光測距儀測量濺蝕坑的深度。試驗方案如表2。

表2 雨滴濺蝕試驗方案

2 試驗現(xiàn)象

按試驗方案分別對5種壓實度進行濺蝕試驗，隨著濺蝕時間的增加，雨滴對于黃土路堤的破壞也愈加嚴重。

濺蝕過程大致可分為3個階段：(1)在試驗初期(0～25 min)，雨滴以較大動能直接擊打干燥試件表面，破壞土體結構，形成松散、細小土顆粒。擊濺過程中一部分雨水被試件吸收，一部分四處飛濺同時帶走松散微粒。雨滴的持續(xù)擊打，在濺蝕坑的邊側產(chǎn)生側壓力使其周圍的土粒剝落飛濺[14]，表現(xiàn)為濺蝕坑深度隨時間逐漸增大；(2)表層土體接近飽和(25～40 min)，表層土體吸水膨脹，由測量結果發(fā)現(xiàn)該階段濺蝕坑深度增速明顯放緩；(3)表層土體完全飽和階段(40～60 min)，濺蝕坑內(nèi)積聚薄水層，深度達到最大，并趨于穩(wěn)定。在雨滴的持續(xù)擊打下，四周土璧開始膨脹并微微隆起，伴隨著周圍土體的剝落并回流至底部，坑洞深度開始呈現(xiàn)下降趨勢。以壓實度93%為例，在速率x=60滴/min時其濺蝕破壞過程如圖3所示(圖中T為累積濺蝕時間)。

3 試驗結果分析

3.1 土體壓實度與濺蝕破壞程度的關系

由試驗測得數(shù)據(jù)繪制濺蝕坑深度隨時間變化的關系曲線如圖4所示。由圖4可知，在40 min左右濺蝕坑深度趨于穩(wěn)定，濺蝕坑深度接近最大值。而且隨著壓實度的增大其濺蝕坑深度曲線所能達到的最大深度明顯減小。

圖4 濺蝕速率x=60滴/min的深度-時間曲線Fig.4 Curve of depth and time at the rate of 60 drops per minute

已有研究人員[15～16]發(fā)現(xiàn)土體壓實度對雨滴濺蝕影響較大，表現(xiàn)為土體團粒性質(zhì)越好，團聚體穩(wěn)定性越高，對雨滴擊濺的抵抗力更強。圖5為不同含水量對應的c-s，φ-s關系曲線，由圖5可知，隨著壓實度的增加，黏聚力、內(nèi)摩擦角均隨之增加。反映出隨著壓實度的增大，土體對雨滴擊濺的抵抗力更強；在相同壓實度下，隨著含水率的增加黏聚力、內(nèi)摩擦角均隨之減小，表明持續(xù)擊濺作用下土體強度逐漸下降，土體耐濺蝕性變?nèi)酢?/p>

圖5 黏聚力和內(nèi)摩擦角隨壓實度的變化Fig.5 Variation of the cohesion and internal friction angle with compactness

3組雨滴速率下試件出現(xiàn)的最大孔深隨壓實度的變化規(guī)律如圖6所示，在相同濺蝕速率下，隨著壓實度的增加，最大孔深呈逐漸減小趨勢，如當雨滴速率x=60滴/min時，隨著壓實度的增大，最大孔深從20 mm減少至12 mm。故土體結構對本身耐濺蝕性影響顯著，適當?shù)卦黾油馏w的壓實度(≥90%)，保持原有結構盡量不被破壞，對提高土體耐濺蝕性效果顯著。

圖6 最大孔深-壓實度關系曲線Fig.6 Relationship of the maximum hole depth and compactness

3.2 擊濺速率與濺蝕破壞程度的關系

土體濺蝕破壞的程度與雨水入滲狀態(tài)密切相關，其入滲過程包括兩個階段：供水控制和土體入滲率控制。(1)在入滲初期(ti(t)，此時積水條件下的入滲率即為i(t)，如圖7中bc所示，超過入滲率的供水則形成積水，該階段由土體滲透能力控制，主要表現(xiàn)為有壓入滲。由此可知實際入滲過程為abc，而積水對入滲狀態(tài)影響較大，故應分情況考慮。

圖7 入滲率曲線與不同供水強度下的入滲過程Fig.7 Infiltration rate and infiltration process under different water supply intensity

3.2.1薄層積水對濺蝕深度的影響

當擊濺速率較大時，上層土體在短時間內(nèi)達到飽和，雨水無法完全下滲。以x=120滴/min為例，該工況下供水強度如圖7中R1所示，積水點會提前至t1(20 min)，此后濺蝕坑內(nèi)開始集聚薄水層，進入有壓入滲階段。

由圖8可知，該組試件在20 min左右濺蝕坑深度即開始呈下降趨，尹武君等[17]通過研究地表水層厚度對雨滴擊濺侵蝕的影響，發(fā)現(xiàn)隨著土體表面水層厚度的增加，土體濺蝕量呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢。其原因是：(1)水層厚度越深，雨滴用于波動的能量越多，即水層有保護表土減緩雨滴擊打的作用。當水層厚度與雨滴直徑之比值大于3時，雨滴擊濺土表層的能量將趨于零[18]。因此試件表面開始積水時，雨滴擊濺產(chǎn)生的動能被薄水層所耗散，其深度趨向穩(wěn)定。(2)在40 min以后坑內(nèi)薄水層在雨滴的持續(xù)擾動下含土量迅速增大，懸浮微粒在下滲過程中堵塞土體結構孔隙，土體飽和滲透性降低，最終在坑內(nèi)積水持續(xù)拍打下的側向壓力下，洞璧土體剝蝕滑落直至發(fā)生蹋孔，進而阻礙了濺蝕坑的深層發(fā)育，其深度顯著變淺。

圖8 濺蝕速率x=120滴/min的深度-時間曲線Fig.8 Curve of depth with time at the rate of 120 drops per minute

3.2.2無積水時濺蝕深度變化情況

當擊濺速率較小時，以x=30滴/min為例，該工況下供水強度如圖7中R2所示，積水點會延后至t2(大于1 h)，此時測得濺蝕坑深度變化如圖9所示。

圖9 濺蝕速率x=30滴/min的深度-時間曲線Fig.9 Curve of depth with time at the rate of 30 drops per minute

由圖9可知，當濺蝕速率x=30滴/min時，該組試件直至60 min仍未有明顯下降趨勢，濺蝕坑仍在進一步發(fā)育。其原因主要是：該工況下濺蝕速率較小，由于供水強度不足，表層土體在試驗時間(1 h)內(nèi)無法達到飽和，雨水在該階段始終處于無壓入滲狀態(tài)，坑內(nèi)基本無積水，導致雨滴持續(xù)掏蝕坑洞底部土體，使得深度隨時間逐漸增加。該過程可看作：雨滴擊濺成坑→雨水下滲→二次濺蝕，如此反復作用下，其深度逐漸增大，濺蝕坑得以進一步發(fā)育。

由圖10可知，在試驗結束時濺蝕坑深度并非隨著濺蝕速率的增加而變大。當濺蝕速率x=120滴/min時，濺蝕坑最終深度為3～12 mm，屬于土體表層破壞；而當x=30滴/min時其深度在12～20 mm，且仍有增長趨勢。該結果表明，裸露黃土坡面若無有效防雨水措施，在二次濺蝕作用下，濺蝕坑會逐漸向土體深部發(fā)育，足以破壞路基穩(wěn)定性。

圖10 試驗結束時孔深-速率關系曲線Fig.10 Curve of bore depth vs splash erosion rates at the end of test

4 結論

(1)單雨滴濺蝕作用下，濺蝕坑深度變化主要有三個階段：土體飽和前，坑洞深度隨時間線性增大；臨界飽和時，深度、孔徑趨于不變，此時達到最大深度；完全飽和后，表層土體膨脹且發(fā)生塌孔，濺蝕坑深度變淺。

(2)土體壓實度、含水率對本身耐濺蝕性影響很大。含水率與土體耐濺蝕性成負相關；壓實度與土體耐濺蝕性成正相關，適當提高土體壓實度，可顯著提高土顆粒間的黏聚力，增強土體耐濺蝕性。

(3)濺蝕坑內(nèi)積聚薄水層時，薄層水流阻礙了濺蝕坑的發(fā)育，土體發(fā)生淺層破壞；濺蝕坑內(nèi)無薄層水流時，濺蝕過程可看作：雨滴擊濺成坑→雨水下滲→二次濺蝕，如此反復作用，二次濺蝕可誘發(fā)土體深層破壞，對裸露坡面工程影響更大。