不同降雨強(qiáng)度下寧夏六盤山陰濕地區(qū)粉質(zhì)黏土-泥巖公路邊坡降雨入滲規(guī)律

景 升 王 芳 張繼周

（1、寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021 2、寧夏公路勘察設(shè)計(jì)院，寧夏 銀川 750001）

1 概述

寧夏六盤山地屬黃土高原，夏季雨多且集中，全年熱短寒長(zhǎng)，謂之六盤山陰濕環(huán)境區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年寧夏滑坡占地質(zhì)災(zāi)害比重最大為32%；固原（含研究區(qū)）隱患點(diǎn)978個(gè)，占比52.7%。區(qū)域內(nèi)尤其粉質(zhì)黏土-泥巖邊坡天然時(shí)近極限平衡態(tài)，降雨入滲易蠕動(dòng)滑塌，是重點(diǎn)防治滑坡類型。因此，降雨入滲規(guī)律是研究坡體穩(wěn)定的關(guān)鍵一環(huán)。

目前，降雨入滲基于兩方面，一是對(duì)入滲模型的研究改進(jìn)。MallaRi[1]對(duì)比分析HoRton、GReen-Ampt適用性；Wang[2]基于GReen-Ampt模型引入質(zhì)量守恒定律；Yao[3]提出SGA模型評(píng)估降雨入滲；童龍?jiān)芠4]基于GReen-Ampt模型推導(dǎo)適用于三峽庫(kù)區(qū)邊坡降雨入滲模型等，均拓展模型適用性。二是采用降雨模擬監(jiān)測(cè)。A.G.Li[5]觀測(cè)雨前后香港某殘積土邊坡，李維朝[6]監(jiān)測(cè)深圳某填土滑坡，王智磊[7]監(jiān)測(cè)浙江官家村滑坡，詹良通[8]監(jiān)測(cè)棗陽某非飽和膨脹土邊坡，Tu等[9]針對(duì)黃土高原某路塹邊坡，丁勇[10]監(jiān)測(cè)山西中南某黃土邊坡，劉海松[11]觀測(cè)關(guān)中地區(qū)某路塹邊坡，各邊坡降雨入滲規(guī)律共性相似，但也因地制宜，有所差異。

為解釋寧夏六盤山陰濕地區(qū)粉質(zhì)黏土-泥巖公路邊坡降雨入滲規(guī)律，本文通過資料分析，基于HydRus1-D軟件研究降雨入滲規(guī)律。

2 滑坡邊坡特征分析

由表1知，各滑坡破壞共性特征強(qiáng)：上粉質(zhì)黏土多3-6米，下泥巖多6-12米；巖性界面傾角與坡角近一致，多10°-25°；滑面多處粉質(zhì)黏土、泥巖接觸帶。勘察顯示：各滑坡地下水位多近巖性接觸帶，且近坡腳處多水頭出露。

表1 區(qū)域幾處典型滑坡特征表

3 降雨入滲數(shù)值模擬

3.1 參數(shù)選取與模型建立

參數(shù)取值基于涇源縣涇河源鎮(zhèn)澇池村某粉質(zhì)黏土-泥巖公路邊坡試樣；上粉質(zhì)黏土褐灰色，可塑軟塑狀，土質(zhì)較不均；下泥巖泥質(zhì)層狀，透水性差。材質(zhì)參數(shù)：粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)Ks=6.00 E-07m/s，泥巖滲透系數(shù)Ks=9.30 E-10m/s。

由前節(jié)分析，建立模型（圖1）：上粉質(zhì)黏土6米，下泥巖6米，坡體及巖性面傾角20°，地下水位6m。模型水力參數(shù)模型取VG-Mualem模型；邊界條件取大氣邊界可產(chǎn)生徑流。

圖1 初始計(jì)算模型

3.2 結(jié)果分析

基于降雨資料，取歷史五天典型降雨資料（表2）為降雨入滲條件（表2），降雨時(shí)間最大為10天，即240小時(shí)進(jìn)行分析。

表2 降雨強(qiáng)度取值

由圖2可知，各降雨強(qiáng)度R下坡表體積含水量隨時(shí)間延長(zhǎng)而增大；以粉質(zhì)黏土Ks為界（降雨強(qiáng)度2.54 e-003m/h約為粉質(zhì)黏土Ks為2.16 e-003m/h，下同），當(dāng)R大于Ks時(shí)，坡表含水量短時(shí)快速飽和；當(dāng)R小于Ks時(shí)，坡表含水量隨降雨強(qiáng)度R增大接近飽和，大雨強(qiáng)時(shí)快速飽和，較小雨強(qiáng)時(shí)甚至難以飽和。對(duì)降雨強(qiáng)度R大于、小于Ks情況分類討論如下：

圖2 降雨強(qiáng)度與坡體表層土體含水量關(guān)系圖

R大于Ks時(shí)，由圖3（a）可知，各降雨強(qiáng)度R對(duì)應(yīng)積水點(diǎn)t-j前，坡表含水量短時(shí)快速升至9成飽和含水量，后減速趨近飽和；之后保持飽和含水量不變。由圖3(b)可知，坡表入滲率變化由積水點(diǎn)t-j、二類臨界點(diǎn)t-2b劃分三段，即：前段呈常函數(shù)；中段呈非線性遞減函數(shù)；后段近似常函數(shù)i-t=2mm/h，各對(duì)應(yīng)三階段入滲過程，即非飽和無壓入滲、積水入滲過渡、飽和積水入滲段，與文獻(xiàn)規(guī)律吻合[12]。

圖3 R大于Ks時(shí)坡表入滲特征

R小于Ks時(shí)，由圖4可知，各雨強(qiáng)下坡表含水量隨時(shí)間非線性快速增大，并逐漸趨穩(wěn)。以含水量趨于粉質(zhì)黏土θ-fs為一類臨界點(diǎn)t-1b，坡表含水量變化分兩段，前段呈冪函數(shù)快速增長(zhǎng)；后段保持穩(wěn)定含水量近似線性變化；各對(duì)應(yīng)兩階段入滲過程，即無壓入滲過渡，穩(wěn)定無壓入滲段，與文獻(xiàn)規(guī)律吻合[12]。

圖4 小于Ks時(shí)坡體表層土體積含水量-降雨持時(shí)關(guān)系圖

由圖5可知，鋒面深度隨時(shí)間增加而增加；當(dāng)R大于Ks時(shí)，鋒面深度Zf受降雨強(qiáng)度R影響極??；當(dāng)R小于Ks時(shí)，鋒面深度Zf與降雨強(qiáng)度R呈正相關(guān)增減。對(duì)降雨強(qiáng)度R大于、小于Ks情況分類討論如下：R大于Ks時(shí)，由圖3-6（a）可知，鋒面深度Zf變化由積水點(diǎn)t-j、二類臨界點(diǎn)t-2b控制，隨降雨強(qiáng)度R增大，達(dá)控制點(diǎn)深度所需時(shí)間越短；由圖6（b）所示，多雨強(qiáng)鋒面深度變化由積水點(diǎn)t-j、二類臨界點(diǎn)2b連線劃分三段，依次呈冪函數(shù)快速增長(zhǎng)、三次函數(shù)減速增長(zhǎng)、線性勻速增長(zhǎng)段。由圖6（c）可知，積水點(diǎn)t-j連線呈冪函數(shù)變化；二類臨界點(diǎn)t-2b連線則近似常函數(shù)（穩(wěn)定1.6 米附近）。如圖7所示，積水點(diǎn)t-j、二類臨界點(diǎn)t-2b對(duì)應(yīng)時(shí)間隨降雨強(qiáng)度R分別呈冪函數(shù)、二次多項(xiàng)式函數(shù)變化。

圖5 降雨強(qiáng)度與濕潤(rùn)峰入滲深度關(guān)系圖

圖6 R大于Ks時(shí)濕潤(rùn)峰入滲深度-降雨持時(shí)關(guān)系圖

圖7 R大于Ks時(shí)臨界點(diǎn)時(shí)間-降雨強(qiáng)度關(guān)系圖

R小于Ks時(shí)，鋒面深度Zf變化由一類臨界點(diǎn)t-1b控制；多雨強(qiáng)鋒面深度變化由一類臨界點(diǎn)t-1b連線劃分兩段，依次呈三次函數(shù)增長(zhǎng)、線性勻速增長(zhǎng)段，一類臨界點(diǎn)t-1b連線呈線性函數(shù)。由圖8可知，一類臨界點(diǎn)t-1b對(duì)應(yīng)時(shí)間隨降雨強(qiáng)度呈冪函數(shù)變化。

圖8 R小于Ks時(shí)濕潤(rùn)峰入滲深度-降雨持時(shí)關(guān)系圖

4 結(jié)論

本文基于HydRus1-D模擬分析不同降雨強(qiáng)度下寧夏六盤山陰濕地區(qū)粉質(zhì)黏土-泥巖公路邊坡降雨入滲影響規(guī)律，結(jié)論如下：

4.1 坡體表層土體積含水量變化規(guī)律：以粉質(zhì)黏土Ks為界，當(dāng)降雨強(qiáng)度R小于Ks時(shí)，含水量變化由臨界點(diǎn)t-1b分冪函數(shù)快速增長(zhǎng)，常函數(shù)趨于穩(wěn)定兩段，對(duì)應(yīng)無壓入滲過渡、穩(wěn)定無壓入滲降雨過程；當(dāng)降雨強(qiáng)度R大于Ks時(shí)，降雨過程由積水點(diǎn)t-j和二類臨界點(diǎn)t-2b分非飽和無壓入滲、積水入滲過渡、飽和積水入滲三段。降雨強(qiáng)度越大，降雨達(dá)臨界點(diǎn)處時(shí)間更短。

4.2 濕潤(rùn)峰入滲深度變化規(guī)律：以粉質(zhì)黏土Ks為界，當(dāng)降雨強(qiáng)度R小于Ks時(shí)，入滲深度隨時(shí)間變化由臨界點(diǎn)t-1b分三次函數(shù)、線性兩段；一類臨界點(diǎn)t-1b對(duì)應(yīng)深度隨時(shí)間呈線性函數(shù)，對(duì)應(yīng)時(shí)間隨降雨強(qiáng)度呈冪函數(shù)。反之，當(dāng)降雨強(qiáng)度R大于Ks時(shí)，入滲深度隨時(shí)間變化由積水點(diǎn)t-j和二類臨界點(diǎn)t-2b分冪函數(shù)、三次函數(shù)、線性三段。積水點(diǎn)t-j、二類臨界點(diǎn)t-2b對(duì)應(yīng)深度隨時(shí)間各呈冪函數(shù)、近似常函數(shù)，穩(wěn)定在1.6 m處；對(duì)應(yīng)時(shí)間隨降雨強(qiáng)度各呈冪函數(shù)、二次多項(xiàng)式函數(shù)。據(jù)上述關(guān)系模型，據(jù)“插值法”可對(duì)各雨強(qiáng)不同時(shí)間入滲深度計(jì)算預(yù)測(cè)。