不同坡比條件下生態(tài)袋防護(hù)邊坡降雨入滲試驗研究

蔣希雁 陳宇宏* 張 喆 許夢然 王萬梅 阮夢柯 李 寶

(1.河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院,河北 張家口 075031;2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗室,河北 張家口 075031;3.河北省寒冷地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施工程技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 張家口 075031;4.中國冶金地質(zhì)總局第一地質(zhì)勘查院，河北 廊坊 065000)

0 引 言

近年來我國公路鐵路發(fā)展迅速，截止2019年底全國公路累計總里程501.25萬公里，鐵路累計總里程達(dá)到14.6萬公里.但隨著公路鐵路交通的迅速發(fā)展，許多工程開挖基坑與邊坡會造成邊坡巖層裸露、原有植被保護(hù)層破壞、水土流失等問題[1]，深挖邊坡帶來的滑坡災(zāi)害成為不可忽視的危害人民生命財產(chǎn)安全的重要因素.在邊坡防護(hù)技術(shù)方面，原有的砌體防護(hù)與混凝土防護(hù)逐漸出現(xiàn)弊端，生態(tài)護(hù)坡技術(shù)逐漸替代了砌體與混凝土防護(hù)技術(shù).生態(tài)護(hù)坡技術(shù)自上世紀(jì)40年代被投入使用[2]以來，出現(xiàn)了許多技術(shù)種類：鋪設(shè)草皮以及生態(tài)袋、客土與液壓噴播、植被混凝土綠化等，其中生態(tài)袋護(hù)坡技術(shù)以其工期較短，施工簡易以及自身優(yōu)良的透水保土特性被大量工程運(yùn)用在滑坡防護(hù)中.國內(nèi)外學(xué)者對生態(tài)袋防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究：張紅[3]對植生袋適用條件進(jìn)行總結(jié)，結(jié)果認(rèn)為生態(tài)袋防護(hù)適用于坡度1：1.5-1:2.0的黃土與粉土邊坡；葉彩娟[4]研究青藏鐵路安多車站的生態(tài)袋防護(hù)技術(shù)，得到適用于青藏地區(qū)特有的生態(tài)袋植被；葉金鵬[5]通過試驗對寧東羊場的生態(tài)修復(fù)效果進(jìn)行評價，將包含生態(tài)袋在內(nèi)的6種恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行對照，發(fā)現(xiàn)相同降雨條件下生態(tài)袋產(chǎn)生坡面徑流較裸坡減81.86%，說明生態(tài)袋護(hù)坡技術(shù)更好；梁兆興[6]利用雷達(dá)新技術(shù)探測已有的生態(tài)袋護(hù)坡工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)值模擬，說明生態(tài)袋護(hù)坡的穩(wěn)定性較強(qiáng).

在邊坡破壞原因方面，降雨是造成邊坡失穩(wěn)破壞的主要因素.降雨使得邊坡土體中的含水率增大，加上土體自身容重增大，土體的基質(zhì)吸力減小，從而土體自身結(jié)構(gòu)抗剪能力減小易形成滑坡災(zāi)害[7]，故研究降雨期間邊坡的入滲情況尤為重要.現(xiàn)階段學(xué)者針對降雨期間影響邊坡入滲因素的研究主要分為兩類：一是不同坡比對邊坡入滲的影響：李燦等[8]研究植被混凝土邊坡降雨沖刷量與降雨強(qiáng)度以及坡比的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)坡比越大帶來泥沙侵蝕量越多，達(dá)到最大峰值時坡比為53°；汪聰[9]通過對不同坡比邊坡進(jìn)行相同時間的沖刷試驗，發(fā)現(xiàn)生態(tài)土工布更適宜坡度較緩邊坡防護(hù)而短管防護(hù)在不同坡比的防護(hù)作用都是最好的；林維康[10]進(jìn)行不同坡比下凍土邊坡的降雨入滲模型試驗，結(jié)論認(rèn)為坡比越大，凍土邊坡更難以入滲并且溫度與土壓力上升速率更慢，達(dá)到的溫度與土壓力閾值更低.二是降雨過程中邊坡的不同位置的水分性質(zhì)變化研究：王丙龍[11]對邊坡進(jìn)行加筋加固，研究加筋邊坡在降雨條件下浸潤峰與侵蝕情況，發(fā)現(xiàn)加筋效果越強(qiáng)，邊坡受沖刷影響越小，并且整個邊坡的破壞均是從坡腳開始；張真[12]對陜西地區(qū)黃土邊坡進(jìn)行現(xiàn)場試驗，發(fā)現(xiàn)同一坡比不同降雨強(qiáng)度下坡頂入滲最深，其次是坡腳，最后是坡中；曾昌祿[13]進(jìn)行黃土邊坡模型試驗，得到邊坡坡腳入滲深度最大，坡頂次之，坡中最小的結(jié)論.縱觀上述邊坡防護(hù)的研究成果，研究不同坡比對邊坡降雨入滲的影響與邊坡各位置的水分性質(zhì)變化是分析邊坡降雨入滲的主要因素，而目前對于生態(tài)袋防護(hù)的邊坡降雨入滲分析較少，進(jìn)行不同坡比生態(tài)袋防護(hù)下邊坡降雨入滲模型試驗有利于分析生態(tài)袋防護(hù)邊坡的作用.故本文以張家口市某高8m粉質(zhì)黏土土質(zhì)邊坡為原型，根據(jù)相似原理設(shè)計一種邊坡模型試驗，模擬特大暴雨條件下不同坡比的生態(tài)袋防護(hù)降雨入滲，分析不同坡比對生態(tài)袋防護(hù)的邊坡有何具體影響并且記錄生態(tài)袋防護(hù)下邊坡的各位置入滲情況，為相似地區(qū)的邊坡防護(hù)設(shè)計提供依據(jù).

1 降雨入滲模型試驗

1.1 試驗土樣

本試驗堆積邊坡與生態(tài)袋填充材料的土取自張家口市某邊坡，依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-2019)[14]進(jìn)行土工試驗，邊坡用土基本物理性質(zhì)如表1.生態(tài)袋填充土料基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表2所示.

表1 邊坡用土基本物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 生態(tài)袋填充土料基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗相似比例尺

本試驗以張家口某邊坡工程為原型，原型邊坡高8m，寬4m.考慮原始邊坡尺寸與試驗場地限制，本次試驗的幾何相似比設(shè)定在Cl=10；同時在設(shè)計滲透模型試驗嚴(yán)格滿足滲透系數(shù)相似比Ck=0.65，次要滿足干密度相似比Cp=1.02，降雨強(qiáng)度相似比Cr=0.37[15].最終模型與原型的各項物理指標(biāo)如下表3所示：

表3 原型與模型的物理性質(zhì)指標(biāo)

1.3 試驗裝置介紹與準(zhǔn)備工作

(1)裝置介紹

本試驗設(shè)備有邊坡模型箱、降雨裝置和傳感器監(jiān)測裝置三個部分組成.模型試驗原理圖如圖1所示.

圖1 模型試驗示意圖

邊坡模型箱使用有機(jī)玻璃材質(zhì)制成，整體尺寸為長1.5m，寬0.4m，高1.1m.兩側(cè)分別預(yù)留傳感器孔洞，共在邊坡正背雙側(cè)面的不同位置放置6個土壤水分計，6個孔隙水壓力計和一個土壤水勢儀.具體布置位置如圖2-5所示，其中Pn為孔隙水壓力計，Wn為土壤水分儀.每組試驗的每個傳感器相對于模型底部的位置都固定不變，測定范圍也全都相同.

圖2 模型箱A側(cè)面測點(diǎn)布置圖

圖3 模型箱B側(cè)面測點(diǎn)布置圖

圖4 模型箱俯視測點(diǎn)布置圖

降雨裝置如圖5所示，主要由蓄水箱、降雨器、流量計組成.蓄水箱與降雨器由一根不銹鋼水管連為一體，并且在水管末端連接上流量計一枚，可以測量降雨過程中的總雨量與降雨速率.

圖5 降雨器示意圖

傳感器檢測裝置有三種儀器組成：孔隙水壓計，土壤水分計，土壤水勢儀(圖6-8).

孔隙水壓計與土壤水分計按照相應(yīng)預(yù)留孔位在試驗開始時放入邊坡模型內(nèi)，用于測量一定時間內(nèi)邊坡模型各位置的相應(yīng)數(shù)據(jù)；土壤水勢儀始終至于坡內(nèi)固定位置，用于判斷邊坡土體最終是否呈現(xiàn)飽和狀態(tài).

圖6 孔隙水壓力計 圖7 土壤水分儀 圖8 土壤水勢儀

(2)準(zhǔn)備工作

本次試驗的準(zhǔn)備工作主要分為兩項：邊坡的堆積與試驗使用降雨強(qiáng)度的率定.

邊坡的堆積依據(jù)設(shè)定好的尺寸相似比、干密度相似比來控制堆積時土料的性質(zhì),按照10%質(zhì)量含水率，1.43g/cm3的土壤干密度，80%的邊坡壓實(shí)度進(jìn)行邊坡堆積(圖9).堆積的方法使用逐層累壓(圖10)，分層堆積.

圖9 堆積完成的邊坡 圖10 逐層累壓填充邊坡

在對本次試驗降雨強(qiáng)度的率定之前應(yīng)確定本次試驗需求的降雨強(qiáng)度范圍.參考張家口地區(qū)近10年一遇降雨強(qiáng)度最大值數(shù)，并依據(jù)現(xiàn)場情況與先前的降雨強(qiáng)度范圍，率定得到的降雨強(qiáng)度為140.4mm/12h并進(jìn)行降雨均勻度計算[16].最終得到本次降雨均勻度在86%，超過了模擬降雨標(biāo)準(zhǔn)要求的85%，因此認(rèn)為試驗所用的降雨器降雨達(dá)到均勻[16].

1.4 試驗方案

本次試驗基于2種不同坡比(42°、59°)的無平臺邊坡，進(jìn)行特大暴雨條件下的帶生態(tài)袋防護(hù)的邊坡模型降雨入滲試驗，其中降雨強(qiáng)度為140.4mm/12h.事先將降雨器進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試至降雨穩(wěn)定開始試驗并計時(圖11).試驗期間每隔15-20min對邊坡的三個位置(坡面、坡頂、坡底)的不同傳感器進(jìn)行讀數(shù)，主要目的是記錄降雨期間邊坡各個位置的體積含水率與孔隙水壓力的變化趨勢.最終觀察坡中的土壤水勢儀的讀數(shù)，在邊坡內(nèi)基質(zhì)吸力逐漸下降，下降至一定數(shù)值不再變化時確定邊坡主體部分已經(jīng)完全飽和，并且邊坡頂部出現(xiàn)明顯裂縫視為邊坡即將破壞時試驗結(jié)束，終止計時(圖12)試驗概況如表4所示.

表4 試驗簡要概況

圖11 模型試驗初始狀態(tài) 圖12 模型試驗最終狀態(tài)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 相同坡比不同位置的降雨入滲分析

圖13，圖14分別為坡比42°，59°的邊坡三種位置的體積含水率時程變化點(diǎn)線圖.如圖所示：代表坡面的W3和W4測點(diǎn)、代表坡底的W5和W6測點(diǎn)、代表坡頂?shù)腤1和W2測點(diǎn)的體積含水率增長速率逐漸降低，這說明特大暴雨條件下，邊坡各位置的入滲速度是坡面最快，坡底次之，坡頂最慢.在42°與59°邊坡中W1至W6所有測點(diǎn)的體積含水率增長速率都是先快后慢，并且存在明顯的斜率突變點(diǎn)，這說明邊坡的降雨入滲隨著土體體積含水率逐漸提高，入滲速率會變慢，而生態(tài)袋在本次試驗中起到了暫緩強(qiáng)降雨初期降雨入滲速度的作用.

圖13 42°邊坡體積含水率變化

圖14 59°邊坡體積含水率變化

2.2 不同坡比對體積含水率的影響分析

圖15至圖17分別為不同坡比的相同位置的體積含水率時程變化圖。如下圖所示：42°邊坡W1位置含水率達(dá)到峰值時間比59°邊坡W4位置含水率縮短約4h，這說明在相同降雨入滲與生態(tài)袋防護(hù)條件下，以坡體中相同位置達(dá)到飽和的時間為界，42°坡比的邊坡比59°坡比的邊坡飽和速度快32%以上.

不同坡比的同一測點(diǎn)位置W5與W6的含水率突變速率與峰值差值最大，42°邊坡W6測點(diǎn)含水率峰值為29.5%，W5測點(diǎn)含水率峰值是30.1%，而59°邊坡W6測點(diǎn)含水率峰值是32.2%，W5測點(diǎn)含水率峰值是32.0%.參考文獻(xiàn)[17]定義含水率峰值相對變化率公式對峰值變化計算：

nθ=(θa-θb)/θb*100%

(1)

其中θa是42°邊坡測點(diǎn)的體積含水率，θb是59°邊坡測點(diǎn)的體積含水率.

計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，42°邊坡較59°邊坡W5測點(diǎn)的增大變化率為6.3%，W6測點(diǎn)的增大變化率為9.1%.這說明坡比較緩的邊坡坡底降雨入滲速率更大，坡比越緩坡底越容易受到雨水侵蝕，這是由于坡底角度變化會使坡底與坡面豎直向的投影降雨面積變大，最終影響到坡底的入滲.

不同坡比相同測點(diǎn)位置的含水率斜率突變點(diǎn)出現(xiàn)時間不一致：坡面W3,W4測點(diǎn)在42°邊坡降雨中，出現(xiàn)斜率突變點(diǎn)的時間分別為2.1h、0.9h，而59°邊坡降雨中，出現(xiàn)斜率突變點(diǎn)的時間分別為3.2h、5.1h；坡底W5、W6測點(diǎn)在42°邊坡降雨中，出現(xiàn)斜率突變點(diǎn)的時間分別為2.6h、1.8h,而59°邊坡降雨中，出現(xiàn)斜率突變點(diǎn)的時間分別為7.2h、5.2h;坡頂W1、W2測點(diǎn)在42°邊坡降雨中，出現(xiàn)斜率突變點(diǎn)的時間分別為1.8h、2.3h,而59°邊坡降雨中，出現(xiàn)斜率突變點(diǎn)的時間分別為3.7h、3.8h.定義斜率突變點(diǎn)出現(xiàn)時間變化率公式對出現(xiàn)時間變化計算：

nt=|ta-tb|/tb*100%

(2)

其中ta是42°邊坡中出現(xiàn)斜率突變點(diǎn)的時間，tb是59°邊坡中出現(xiàn)斜率突變點(diǎn)的時間.

計算結(jié)果表明42°邊坡較59°邊坡出現(xiàn)斜率突變點(diǎn)的時間快34.5%-82.3%不等.這說明生態(tài)袋對邊坡強(qiáng)降雨的防護(hù)在坡度較緩的邊坡作用更好，能防止坡度較緩邊坡在強(qiáng)降雨條件下，坡面坡底等易入滲飽和區(qū)域過快飽和.

圖15 不同坡比坡頂體積含水率變化

圖16 不同坡比坡面體積含水率變化

圖17 不同坡比坡底體積含水率變化

2.3 不同坡比對孔隙水壓力的影響分析

圖18 不同坡比坡頂孔隙水壓力變化

圖18-20是不同坡比相同測點(diǎn)位置的孔隙水壓力變化圖.就變化速率來看，不同坡比坡面孔隙水壓力上升速率大致相同，而不同坡比坡底與坡頂變化速率存在一定差異，坡底的水壓變化速率差最大，這說明坡底是降雨滑坡中較為薄弱的部位.從各位置的孔隙水壓力峰值來看，雖然42°邊坡孔隙水壓力上升速率更快但是峰值更低，在坡頂與坡底位置的峰值差在2.3KPa-9.4KPa.結(jié)合試驗自身情況來看，42°邊坡達(dá)到峰值時，坡面、坡底、坡頂?shù)拇蟛糠譁y點(diǎn)已經(jīng)完全飽和并破壞無法繼續(xù)讀數(shù).這也說明強(qiáng)降雨入滲侵蝕對坡比較緩的邊坡的破壞程度更快.

圖19 不同坡比坡面孔隙水壓力變化

圖20 不同坡比坡底孔隙水壓力變化

3 結(jié) 論

(1)在強(qiáng)降雨狀態(tài)下，邊坡的各個位置按照入滲速度排序是：坡面最快、坡底次之、坡頂最慢.生態(tài)袋在強(qiáng)降雨條件下能夠有效的起到防護(hù)作用，邊坡各位置體積含水率的增長速率在降雨中后期都會受到不同程度的遏制.

(2)不同坡比邊坡達(dá)到坡體內(nèi)完全飽和的時間不同，42°坡比的邊坡比59°坡比的邊坡飽和速度快32%以上.

(3)不同坡比的相同位置的體積含水率峰值與孔隙水壓力峰值都存在差異.代表坡底的W5與W6的含水率突變速率與峰值差值在邊坡三個位置最大，而坡底的孔隙水壓力峰值差異達(dá)到最大9.4KPa.這說明在強(qiáng)降雨條件下，坡比較緩的邊坡的坡底更易受到雨水侵蝕，是需要進(jìn)行滑坡防護(hù)的重點(diǎn).

(4)在生態(tài)袋防護(hù)作用下，邊坡各測點(diǎn)位置會出現(xiàn)體積含水率增長斜率突變點(diǎn).并且不同坡比出現(xiàn)時間不同，42°邊坡較59°邊坡出現(xiàn)斜率突變點(diǎn)的時間快34.5%-82.3%不等.這說明生態(tài)袋防護(hù)在坡度較緩邊坡的作用更大.