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    不同雨強(qiáng)和坡比條件下黃土邊坡降雨入滲研究

    2022-02-10 06:24:08關(guān)曉迪李榮建張世斌孫萍姚夷凡
    人民黃河 2022年1期

    關(guān)曉迪 李榮建 張世斌 孫萍 姚夷凡

    摘 要:降雨誘發(fā)滑坡是我國黃土地區(qū)的主要地質(zhì)災(zāi)害之一,為了給黃土邊坡防護(hù)設(shè)計提供參考,采用室內(nèi)邊坡降雨模型箱,開展了2種降雨強(qiáng)度(中雨7.00mm/d、大雨10.75mm/d)和2種坡比(1∶0.5、1∶1)條件下的模型邊坡降雨試驗,實測邊坡土體含水率、基質(zhì)吸力及邊坡形態(tài)變化情況,比較了不同降雨強(qiáng)度和坡比條件下降雨入滲的差異。結(jié)果表明:黃土邊坡降雨入滲深度坡腳最大、坡頂次之、坡中最小,降雨入滲速率坡頂最高、坡腳次之、坡中最低,雨水的入滲能力隨著入滲深度增加而減弱;降雨結(jié)束后邊坡濕潤鋒深度坡腳最大、坡頂次之、坡中最小,即降雨入滲深度坡腳最大、坡頂次之、坡中最小,降雨強(qiáng)度越大邊坡濕潤鋒深度越大,坡比越大邊坡坡中降雨入滲深度越小;不同降雨強(qiáng)度和坡比條件下,邊坡不同位置處基質(zhì)吸力穩(wěn)定值坡中最大、坡頂次之、坡腳最小,降雨強(qiáng)度越大基質(zhì)吸力穩(wěn)定值越小、相應(yīng)的含水率越低、降雨入滲速率越高,坡比越小邊坡坡中降雨入滲速率越高、入滲深度越大;降雨初期坡面未產(chǎn)生徑流,隨著降雨歷時的延長,表土逐漸飽和、坡面產(chǎn)生徑流現(xiàn)象,降雨強(qiáng)度和坡比越大邊坡表層土體剝落越嚴(yán)重、坡面徑流深越大。

    關(guān)鍵詞:黃土邊坡;降雨強(qiáng)度;坡比;降雨入滲;土體含水率;濕潤鋒;基質(zhì)吸力

    中圖分類號:S157.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A doi:10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.022

    引用格式:關(guān)曉迪,李榮建,張世斌,等.不同雨強(qiáng)和坡比條件下黃土邊坡降雨入滲研究[J].人民黃河,2022,44(1):106-111.

    StudyonRainfallInfiltrationofLoessSlopesBasedonDifferentRainfallIntensitiesandSlopeRatios

    GUANXiaodi1,LIRongjian1,ZHANGShibin1,SUNPing2,YAOYifan1

    (1.InstituteofGeotechnicalEngineering,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an710048,China;2.InstituteofGeomechanics,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100081,China)

    Abstract:Rainfall inducedlandslideisoneofthemaingeologicaldisastersinloessareaofChina.Inordertoprovidereferenceforthepro tectiondesignofloessslope,indoorsloperainfalltestswerecarriedoutunderthetwokindsofrainfallintensities(moderaterainat7.00mm/dandheavyrainat10.75mm/d)andthetwokindsofsloperatios(1∶0.5and1∶1)byusinganindoorsloperainfallmodelbox.The moisturecontentofslopesoil,matricsuctionandslopemorphologyweremeasured.Thechangesofsoilmoisturecontent,matrixsuctionand slopemorphologyweremonitored,andthedifferencesofrainfallinfiltrationlawswerecomparedunderdifferentrainintensitiesandsloperati os.Theresultsshowthattherainfallinfiltrationdepthofloessslopeisthelargestatthefootofslope,thesecondatthetopofslopeandthe smallestinslope,andtherainfallinfiltrationrateisthefastestatthetopofslope,thesecondatthefootofslopeandtheslowestinslope,andtherainwaterinfiltrationcapacitydecreaseswiththeincreaseoftheinfiltrationdepth.Aftertheendofrainfall,theslopewiththemaxi mumwetfrontdepthisatthefootoftheslope,followedbythetopoftheslopeandthesmallestintheslope.Namely,thedepthofrainfallin filtrationisthelargestatthefootoftheslope,followedbythetopoftheslope,andthesmallestintheslope.Thegreatertherainfallintensity is,thegreatertheslopewettingfrontdepthis.Andthegreaterthesloperatiois,thelowertherainfallinfiltrationdepthis.Underthediffer entrainfallintensitiesandsloperatios,thematrixsuctionstabilityvalueofslopeatdifferentpositionsisthelargest,followedbythetopof slopeandthefootofslope.Thelargertherainfallintensityis,thesmallerthematrixsuctionstabilityvalueis,thelowerthecorresponding watercontentis,andthefastertherainfallinfiltrationrateis.Thesmallerthesloperatiois,thefastertherainfallinfiltrationrateisandthe greatertheinfiltrationdepthis.Intheinitialstageofrainfall,thereisnorunoffontheslope.Withtheextensionofrainfallduration,thetop soilgraduallyissaturatedandtheslopesurfaceproducesrunoff.Thegreatertherainfallintensityandsloperatiois,themoreseriousthe slopesurfacesoilexfoliationis,andthemoresignificantthesloperunoffis.

    Keywords:loessslope;rainfallintensity;sloperatio;rainfallinfiltration;soilmoisturecontent;wettingfront;matrixsuction

    降雨誘發(fā)滑坡是我國黃土地區(qū)的主要地質(zhì)災(zāi)害之一,其危害嚴(yán)重,甚至造成重大的群死群傷災(zāi)難[1]。關(guān)于降雨與邊坡滲流特性及穩(wěn)定性的關(guān)系,有關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究[2-6]。在現(xiàn)場試驗研究方面,胡明鑒等[7]開展了大型人工降雨滑坡泥石流試驗和小型模型試驗,研究了蔣家溝流域特殊環(huán)境下暴雨、滑坡、泥石流的共生關(guān)系;潘俊義等[8]開展了不同雨強(qiáng)下的野外人工模擬降雨試驗,分析了降雨入滲過程和邊坡應(yīng)力變化特征;王磊等[9]通過設(shè)置隔離邊界并開展人工模擬降雨現(xiàn)場試驗,分析了坡頂裂縫及坡體破壞過程的力學(xué)機(jī)制、水分入滲以及隔離邊界對邊坡開裂的影響。現(xiàn)場試驗研究推進(jìn)了黃土邊坡降雨入滲規(guī)律的研究,然而現(xiàn)場試驗成本高、操作困難且結(jié)果常常難以令

    人滿意[10]。在模型試驗研究方面,李煥強(qiáng)等[11]開展了粉砂邊坡人工降雨模型試驗,測定坡體內(nèi)不同位置處含水率和應(yīng)變,研究了降雨入滲作用下邊坡性狀的變化規(guī)律;陳偉[12]進(jìn)行了黃土邊坡室內(nèi)人工降雨模型試驗,分析了降雨入滲作用下邊坡失穩(wěn)滑動過程及破壞機(jī)理;王剛等[13]進(jìn)行了降雨型滑坡室內(nèi)模型試驗,研究了不同降雨方式和坡體節(jié)理對黃土邊坡變形破壞的影響,歸納了黃土滑坡誘發(fā)機(jī)理、破壞模式及變形規(guī)律。模型試驗不僅具有較好的直觀性,而且可以考慮多種因素對降雨入滲規(guī)律的影響[14]。綜觀已有研究成果發(fā)現(xiàn),在針對不同降雨強(qiáng)度和坡比條件下均質(zhì)黃土邊坡降雨入滲規(guī)律方面還缺乏系統(tǒng)的研究。因此,筆者采用甘肅慶陽地區(qū)均質(zhì)黃土,開展了不同降雨強(qiáng)度和坡比條件下的室內(nèi)邊坡降雨模型試驗,比較了不同降雨強(qiáng)度和坡比條件下降雨入滲的差異等,以期為黃土邊坡防護(hù)設(shè)計提供參考。

    1 模型邊坡降雨入滲試驗

    1.1 試驗?zāi)P拖嗨票?/p>

    以甘肅慶陽地區(qū)某高4m的均質(zhì)黃土邊坡為原型進(jìn)行試驗?zāi)P驮O(shè)計。為降低制樣難度,模型與原型的相似比取值如下:干密度,1∶1;容重,1∶1;幾何尺寸,1∶4;降雨及相關(guān)物理量(降雨量、降雨歷時、降雨強(qiáng)度、滲透系數(shù)、滲流速度),1∶2。原型與模型黃土物性指標(biāo):干密度分別為1.55、1.63g/cm3,相對體積質(zhì)量均為2.72,初始含水率均為8.00%,滲透系數(shù)分別為2.1′10-6、1.0′10-6cm/s。

    1.2 試驗裝置

    通過模型箱的側(cè)向非均勻加載系統(tǒng)較真實地模擬現(xiàn)實情況下邊坡變形特征———上部位移大、下部位移小[15]。人工降雨系統(tǒng)主要包括儲水桶、潛水泵、霧化噴頭、PPR降雨管路等(如圖1所示),通過同時模擬降雨和側(cè)向非均勻加載工況,測試邊坡體積含水率、基質(zhì)吸力及邊坡形態(tài)變化情況。

    1.3 試驗方案

    采用2種坡比(1∶1、1∶0.5)的邊坡模型,進(jìn)行中雨、大雨(持續(xù)降雨24h)的模擬降雨試驗,中雨雨強(qiáng)為7.00mm/d,大雨雨強(qiáng)為10.75mm/d。在不同降雨強(qiáng)度下,邊坡水分傳感器(測點(diǎn)編號為W1~W11,其中W5因故未測到數(shù)據(jù))與張力計管(編號為S1~S3)布置如圖2、圖3所示。

    2 試驗結(jié)果分析

    2.1 不同降雨強(qiáng)度和坡比對邊坡體積含水率的影響

    不同降雨強(qiáng)度下2種邊坡的體積含水率時程曲線見圖4、圖5,可以看出:整個降雨過程中測點(diǎn)W3的含水率均無明顯變化,說明雨水未入滲到相應(yīng)位置,即坡面入滲深度小于75cm;降雨歷時為6~18h時,距坡面5cm的測點(diǎn)W8、W9、W11、W10的含水率增長速率依次提高,說明降雨入滲速率坡頂最高、坡腳次之、坡中最低;W9、W8、W10含水率峰值依次增大,說明入滲深度坡腳最大、坡頂次之、坡中最??;降雨結(jié)束后,測點(diǎn)W8、W9、W11、W10含水率均有不同程度的下降,這是蒸發(fā)造成表層土體水分散失的結(jié)果,而測點(diǎn)W2、W4、W6、W7含水率未出現(xiàn)下降趨勢,說明深度越大蒸發(fā)作用越不顯著;坡頂不同深度處測點(diǎn)W4、W7、W8含水率突變時間依次縮短、含水率的增長速率依次提高,說明隨著深度的增大雨水入滲能力減弱。

    坡比為1∶1的邊坡,在中雨、大雨條件下含水率峰值測點(diǎn)W8分別為25.0%、27.0%,W9分別為26.8%、27.5%,W10分別為24.5%、26.3%;中雨條件下入滲深度坡頂為25~75cm、坡中為15~75cm、坡腳為15~30cm,大雨條件下入滲深度坡頂為28~75cm、坡中為18~75cm、坡腳為18~30cm。坡比為1∶0.5的邊坡,在中雨、大雨條件下含水率峰值測點(diǎn)W8分別為25.1%、28.0%,W9分別為29.1%、31.0%,W10分別為25.9%、26.2%;中雨條件下入滲深度坡頂為13~75cm、坡中為10~75cm、坡腳為10~30cm,大雨條件下入滲深度坡頂為20~75cm、坡中為11~75cm、坡腳為11~30cm。對比上述試驗結(jié)果表明:隨著降雨強(qiáng)度增大,測點(diǎn)W8、W9、W10含水率增長速率和峰值均增大,含水率峰值增幅測點(diǎn)W8為2%~2.9%、測點(diǎn)W9為 0.7%~1.9%、測點(diǎn)W10為0.3%~1.8%,說明降雨強(qiáng)度越大降雨入滲速率越高、入滲深度越大;隨著坡比增大,測點(diǎn)W10含水率的增長速率降低且峰值減小0.1%,測點(diǎn)W9含水率的增長速率提高且峰值增加2.3%~3.5%,說明坡比越大,坡腳處降雨入滲速率越高、入滲深度越大,坡中降雨入滲速率越低、入滲深度越小。

    2.2 不同降雨強(qiáng)度和坡比對濕潤鋒的影響

    坡比為1∶1的邊坡,在中雨條件下濕潤鋒深度坡頂為18~23cm、坡中為15~18cm、坡腳為20~25cm,大雨條件下濕潤鋒深度坡頂為24~30cm、坡中為20~25cm、坡腳為26~28cm;坡比為1∶0.5的邊坡,在中雨條件下濕潤鋒深度坡頂為17~22cm、坡中為8~13cm、坡腳為18~20cm,大雨條件下濕潤鋒深度坡頂為26~31cm、坡中為10~15cm、坡腳為27~30cm。中雨、大雨條件下的濕潤鋒深度分別為15~25cm、10~31cm,大雨濕潤鋒深度與中雨相比坡頂增加6~9cm、坡中增加2~7cm、坡腳增加3~6cm,說明降雨強(qiáng)度越大降雨入滲深度越大;隨著坡比增大,邊坡坡中濕潤鋒深度減小3~10cm,說明坡比越大坡中降雨入滲深度越小。

    2.3 不同降雨強(qiáng)度和坡比對基質(zhì)吸力的影響

    不同降雨強(qiáng)度下2種邊坡不同位置處基質(zhì)吸力時程曲線見圖6、圖7。開始降雨3h內(nèi),邊坡土體基質(zhì)吸力變化不明顯;3~10h,邊坡同一位置處土體基質(zhì)吸力的減小速率提高;12~16h,隨著坡比的增大,邊坡坡中基質(zhì)吸力的減小速率降低。在降雨后18h左右,土體基質(zhì)吸力降至最小并趨于穩(wěn)定,坡比為1∶1的邊坡坡頂、坡中和坡腳基質(zhì)吸力穩(wěn)定值在中雨條件下分別為25.3、26.0、21.0kPa,在大雨條件下分別為23.0、25.4、19.3kPa;坡比為1∶0.5的邊坡坡頂、坡中和坡腳基質(zhì)吸力穩(wěn)定值在中雨條件下分別為23.3、27.8、20.4kPa,在大雨條件下分別為22.0、26.9、18.6kPa。大雨條件下基質(zhì)吸力穩(wěn)定值與中雨條件下相比,坡頂減小1.3~2.3kPa,坡中減小0.6~0.9kPa,坡腳減小1.7~1.8kPa,說明降雨強(qiáng)度越大基質(zhì)吸力穩(wěn)定值越小,相應(yīng)的含水率越低、入滲速率越高,坡比越小則邊坡坡中降雨入滲速率越高、入滲深度越大。

    2.4 不同降雨強(qiáng)度和坡比對邊坡沖刷的影響

    降雨試驗過程中對坡面沖刷情況進(jìn)行觀察可知:降雨初期坡面未產(chǎn)生徑流現(xiàn)象,原因是降雨強(qiáng)度小于雨水的入滲速率;坡比為1∶1的邊坡,在中雨條件下降雨18h左右時,坡頂開始產(chǎn)生局部積水,坡面局部土體剝落并出現(xiàn)徑流現(xiàn)象,采用產(chǎn)流公式(式(1))計算的坡面徑流深約為1.68mm,而在大雨條件下雨水入滲極不充分,降雨至15h左右時坡頂和坡面開始出現(xiàn)明顯的徑流現(xiàn)象,坡面徑流深約為3.89mm,坡肩土體剝落嚴(yán)重并形成一條20mm寬、延伸至坡長1/4處的沖溝;坡比為1∶0.5的邊坡,在中雨條件下降雨16h左右時,坡面局部產(chǎn)生徑流,徑流深約為2.26mm,坡肩和坡中土體剝落程度不同,而在大雨條件下降雨 12h左右時坡面徑流現(xiàn)象明顯,徑流深約為4.97mm,坡肩沖溝較發(fā)育,坡面泥土呈片狀流向坡腳。隨著降雨的繼續(xù),沖溝呈深切和側(cè)蝕趨勢,說明降雨強(qiáng)度和坡比越大,邊坡沖刷現(xiàn)象越明顯。

    3 邊坡滲流分析

    基于Geo-studio軟件建立的數(shù)值模型進(jìn)行邊坡滲流分析,其上邊界條件為降雨(降雨時長為24h),底面為零壓力線。

    中雨條件下坡比為1∶1的邊坡體積含水率分布情況見圖8。降雨初始和6、12、24h時邊坡坡頂?shù)暮史謩e為11.4%、12.2%、21.0%、26.0%,坡腳的含水率分別為12.6%、13.4%、24.0%、28.0%,坡中的含水率分別為12.0%、12.2%、17.0%、22.0%,說明隨著降雨歷時延長,相同位置土體含水率逐漸增大,其中坡腳含水率增幅最大、坡頂次之、坡中最小,坡腳降雨入滲深度最大、坡腳次之、坡中最小。

    圖9為中雨條件下數(shù)值計算的坡比為1∶1的邊坡體積含水率時程曲線。降雨過程中埋深同為5cm的點(diǎn)WS8、WS9、WS11、WS10(與模型試驗測點(diǎn)W8、W9、W11、W10對應(yīng),其他點(diǎn)與此類似)含水率的增長速率和峰值依次遞減,點(diǎn)WS8含水率突變時間最早,以初始時刻含水率為參照,降雨24h時點(diǎn)WS8含水率增長14.6%、點(diǎn)WS9增長13.5%、點(diǎn)WS11增長11.4%、點(diǎn)WS10增長9.7%,說明降雨入滲速率坡頂最高、坡腳次之、坡中最低;埋深12cm的點(diǎn)WS7、WS6分別在降雨5h和7h時含水率明顯提高,點(diǎn)WS2在降雨8h后含水率才逐漸出現(xiàn)變化,說明降雨入滲速率坡頂大于坡中;持續(xù)降雨24h時含水率達(dá)到峰值,隨后在蒸發(fā)作用下含水率呈現(xiàn)降低趨勢。

    圖10為大雨情況下坡比為1∶1的邊坡降雨6h時的含水率分布情況。由圖8(b)和圖10可以看出:在中雨、大雨條件下,坡頂土體含水率分別為12.2%、13.0%,坡中含水率分別為12.2%、13.0%,坡腳含水率分別為13.4%、14.0%,大雨情況下與中雨相比坡頂含水率提高0.8個百分點(diǎn)、坡中提高0.8個百分點(diǎn)、坡腳提高0.6個百分點(diǎn),表明降雨強(qiáng)度越大入滲速率越高、入滲深度越大。

    圖11為大雨條件下坡比為1∶0.5的邊坡降雨6h的含水率分布情況。由圖10、圖11可知:坡比1∶1和坡比1∶0.5的邊坡坡中含水率分別為13.0%、12.5%,坡腳含水率分別為14.0%、14.5%,表明坡比越大坡中降雨入滲速率和入滲深度越小,而坡腳入滲速率和入滲深度越大。

    綜上所述,采用Geo-studio軟件建立數(shù)值模型進(jìn)行滲流分析的結(jié)果與模型試驗結(jié)果基本一致。

    4 結(jié) 論

    (1)在降雨過程中邊坡入滲速率坡頂最高、坡腳次之、坡中最低,降雨入滲深度坡腳最大、坡頂次之、坡中最小,隨著入滲深度的增大雨水入滲能力減弱;降雨結(jié)束后,表層土體在蒸發(fā)作用下含水率呈微小的負(fù)增長趨勢,而較深處蒸發(fā)作用不明顯;隨著降雨強(qiáng)度增大,同一位置處含水率增長速率和峰值均增大,降雨入滲速率提高、入滲深度加大;隨著坡比增大,坡中含水率的增長速率和峰值均減小,坡腳含水率的增長速率和峰值均增大,坡比越大坡腳處降雨入滲速率越高、入滲深度越大,而坡中降雨入滲速率越低、入滲深度越小。

    (2)降雨結(jié)束后坡腳、坡頂、坡中濕潤鋒深度依次減小,即降雨入滲深度坡腳最大、坡頂次之、坡中最??;降雨強(qiáng)度越大,邊坡濕潤鋒深度越大即降雨入滲深度越深;隨著坡比增大坡中濕潤鋒深度減小,即坡比越大坡中降雨入滲深度越小。

    (3)不同降雨強(qiáng)度和坡比條件下,邊坡不同位置處基質(zhì)吸力穩(wěn)定值坡中最大、坡頂次之、坡腳最小,表明坡腳土體含水率最高;隨著降雨強(qiáng)度的增大,坡頂、坡中、坡腳基質(zhì)吸力穩(wěn)定值均減小,即降雨強(qiáng)度越大基質(zhì)吸力穩(wěn)定值越小,相應(yīng)的含水率越低、降雨入滲速率越高;隨著坡比增大,坡中基質(zhì)吸力穩(wěn)定值增大,即坡比越小坡中降雨入滲速率越高、入滲深度越大。

    (4)降雨初期坡面未產(chǎn)生徑流,隨著降雨的繼續(xù),表土逐漸飽和、坡面產(chǎn)生徑流現(xiàn)象,降雨強(qiáng)度和坡比越大,邊坡表層土體剝落越嚴(yán)重、坡面徑流深越大,坡肩沖蝕溝越發(fā)育,坡腳處堆積淤泥層越厚。

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    【責(zé)任編輯 張智民】

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