降雨對黃土裸坡坡面形態影響的室內模型試驗

武彩萍，駱亞生，陳 偉，李 丹

（西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌712100）

中國黃土和黃土狀土廣泛分布，總面積約為6．40×105m2［1］。黃土地區災害頻繁發生，危害嚴重，其中黃土高原普遍存在坡面侵蝕問題，主要發生在降雨集中的6—9月，輕則黃土坡面會遭受破壞，重則降雨入滲可能會導致黃土滑坡的發生［2］。坡地土壤侵蝕過程中土粒的運移不僅使土壤顆粒的流失、淤積水庫渠道、抬高河床、水土環境惡化，而且在水土流失的過程中同時會導致土壤養分的流失，降低土地生產力，使有限的耕地面臨嚴重退化［3］。黃土滑坡具有規模大、危害強、預測難等特點［4］。大型黃土滑坡會阻塞交通、堵截河流、摧毀良田林木，造成嚴重的社會經濟損失，甚至掩埋村莊城市、侵奪人民的生命［5］。例如，2011年10月17日陜西省西安市灞橋區發生由強降雨引發的山體滑坡，造成附近磚廠和某公司部分車間被埋，10人死亡22人失蹤，另有5人受傷。為進一步保障人民生命財產安全，開展降雨條件下黃土坡面形態變化和滑坡發生發展的理論和試驗研究有重要的意義。

關于黃土坡面形態的研究需作大量的理論分析，更依賴于試驗技術的發展，室內模型試驗應運而生。其中室內人工降雨模型試驗是一種有效的方法［6－7］，可以直接用來觀察整個降雨過程中坡面形態隨時間的變化和滑坡發生發展的過程。沈波等［8］系統地進行了壓實黃土路基邊坡的人工降雨入滲和沖蝕試驗，研究了黃土路基邊坡的相關性狀。謝妮等［9］對非飽和黃土邊坡在降雨入滲情況下的吸力、變形以及徑流量等進行了詳細的研究。林鴻州等［10］根據人工降雨邊坡物理試驗模型給出合適的雨量預警參數。賈官偉等［11］通過大型模型試驗研究了水位聚降條件下臨水邊坡的失穩原因及模式。

本文在前人研究的基礎上為分析降雨對黃土裸坡坡面形態的影響，建立了人工降雨條件下黃土坡面的室內模型，所用黃土取自陜西省楊凌區，并通過水分傳感器、示蹤點、數碼拍攝等監測觀察了強降雨過程中黃土坡面形態的變化，同時分析了降水入滲對黃土坡面崩滑的影響。

1 材料與方法

1．1 試驗黃土

試驗所用黃土取自陜西省楊凌區揉谷鄉，取土深度3．0～5．0m，屬Q3黃土。天然干密度1．52g／cm3，天然含水率18．2%，最大干密度1．70g／cm3，其物理性質如表1所示。原土料過1cm篩，含水率控制在天然含水率左右以供模型填土使用。

表1 試驗黃土的物理性質

1．2 試驗裝置

試驗裝置由模型槽和降雨裝置組成。模型槽三面為磚砌墻體，一面為有機玻璃，分別用槽鋼加固以保證結構的強度和穩定。采用的人工降雨裝置包括供水系統、過濾器、流量表、供水管、噴頭以及起支撐作用的金屬結構。

供水管主管外徑32mm，支管外徑20mm，主管沿長度方向布置，相距2m，其間每隔40cm設置1根支管，每根支管的40（30）cm，100cm，160（170）cm 處各裝1個霧狀噴頭，用兩通管和三通管連接，共33個噴頭以保證降雨均勻。

1．3 模型尺寸及監測設備

模型長4．6m，寬2m，坡度45°，最高處2．5m。傳感器埋在模型中間同一豎直平面內，模型尺寸和傳感器位置如圖1所示。

圖1 模型尺寸及傳感器位置示意圖

監測設備的選擇、埋設與研究的目的直接相關。本試驗所用監測工具為水分傳感器（埋在坡體內部動態監測不同位置的體積含水率）、數碼攝像機（設在距有機玻璃一側4m處用于觀測水分在坡體中下滲的位置線以及示蹤點情況）、數碼照相機（拍攝坡面形態變化過程并記錄各處裂縫等）。其中，水分監測系統有2套，每套5個通道，共10個傳感器，埋設位置的選定以分布在坡體各個部位及理論滑坡位置為原則。示蹤點埋設在圖1中每個格子中心點，隨土體一起移動以觀測坡體位移矢量。坡面不同位置插有小紅旗子以便在觀察坡面形態變化時作為位置參考。

1．4 模型建立

模型填土：在水泥墻一側標出每層填土和各個傳感器的位置，在有機玻璃上用記號筆做成20cm×20cm的網格；土料過1cm篩，含水率控制在天然含水率左右；分11層填土，第1層為50cm，其余每層20cm；在對應位置埋設該層傳感器和示蹤點；每層選擇4個不同位置用環刀取樣測量含水率和干密度；在坡面用棉線鋪成40cm×40cm的網格，并在網格正中間插上編有號碼的小旗子。土層填筑完成后，用塑料布遮蓋靜置一周使土體內部應力狀態均勻，顆粒之間膠結形成，同時防止水分散失。坡體內部含水率和干密度大致均勻，約為w＝13．9%，ρd＝1．2g／cm3。

1．5 試驗過程

從2012年5月19日上午9：56開始降雨試驗，共降雨7次，降雨情況及各項數據如表2所示。其中總降雨量7．246 7m3，有效降雨時間8h48min，歷時21h22min。至5月20日7：10模型發生滑坡，試驗結束。

降雨過程形成的表面徑流從正面圍堵一側流出后用25L水桶輪流接取測量。本試驗降雨強度設計為大雨至暴雨，因降雨噴頭的出水是由人為通過閥門控制，加之水源不穩定和讀數誤差，導致每次降雨強度不一致，但同一次降雨的雨強是均勻的。

表2 試驗過程降雨情況

2 結果與分析

2．1 降雨入滲及含水率變化

降雨過程中徑流量／入滲量隨時間的變化趨勢如圖2所示。

圖2 降雨過程中徑流量與入滲量的比值隨時間的變化

由圖2可知，徑流量與入滲量的比值隨時間的推移呈現先增長后減小最終穩定的趨勢。降雨條件下水分存在逐漸入滲和重新分布的過程，降雨初期坡體較干，水分少，開放孔隙較多，水分沿孔隙迅速滲入土體內部，使徑流量最少，第1次觀測徑流量為0。隨著降雨持續，土體含水量增大，孔隙被充滿，土體滲透性變差，水分來不及全部下滲而形成表面徑流。累計時間在0—23和839—904min內時徑流量／入滲量增長趨勢較大，這2個階段的雨強分別為58．5和73．8mm／h，較其他階段偏小。說明雨強和降水入滲存在一定的關系：降雨強度過大，對坡面沖蝕嚴重且降水不能及時入滲而使徑流量較大。降雨強度較小時降水不易流失而在坡面停留時間較長，降水入滲較多而徑流量較小。

圖3是降水入滲過程中不同累計時間點的濕潤峰位置，試驗結束時浸潤峰深度距坡頂約120cm，距坡面垂直距離約70cm。坡面的降水入滲速率在整個過程中小于坡頂的，原因是降水在坡面停留時間較短，迅速形成表面徑流流失。

圖3 降雨過程中坡體降水入滲情況

不同位置體積含水率隨時間的變化趨勢如圖4所示，對照水分傳感器位置分析可知，試驗初期靠近坡頂和坡面的位置含水率迅速增大，遠離坡頂和坡面的位置則需一段時間才開始增大或者一直不變，其中最下一層最靠近后緣的2個傳感器1—1和1—2輸出值一直恒定。水分增大到一定值后趨于平穩，標志著該位置土體含水率達到峰值，近似飽和。至第1 284min降雨停止，發生大規模坡面崩滑時土體內部最大體積含水率達到44%，此時土體含水率最大，幾近飽和。

圖4 土體內部不同位置體積含水率隨時間變化趨勢

降水入滲通過改變孔隙水壓力破壞土體的穩定性。干燥時土體具有很高的基質吸力，可以提高土體的抗剪強度，當大量雨水滲入時土體含水量增加，使基質吸力減小，基質吸力提供的額外抗剪強度減小，以致土坡發生滑動。另外，當坡頂出現拉裂縫后，雨水順著裂縫滲入，達到一定深度后因沒有可以繼續滲入的裂隙，已滲入的雨水會形成滯水，原本非飽和的土體逐漸飽和軟化，土體有效應力降低，從而導致強度降低。降水入滲使土壤顆粒間形成結合水膜并且不斷增大，土粒間原有的膠結作用削弱，凝聚強度降低，結構性被破壞進而導致整體性破壞。水膜的楔入又對土體顆粒之間的摩擦起到了潤滑作用，使土顆粒之間的相互移動更加容易。綜上所述，降雨入滲（外因）通過結構性變化（內因）起作用，最終使模擬的黃土邊坡發生崩滑。

2．2 位移及裂縫

裂縫的產生是模型最終發生滑坡的關鍵。圖5表示從左往右依次是坡頂、坡頂下方、坡面下方的裂縫。降水不斷入滲，使坡體淺層首先達到飽和并逐漸往下發展，水分的潤滑作用加速了土體抗剪強度的弱化，最終因抗剪強度小于剪切應力而發生變形，使得其后緣處于拉應力狀態而形成了貫通的裂縫，裂縫為降雨的進一步滲入提供了條件，同時，坡體的蠕動變形使得拉裂向下逐漸加深。坡面下方的降水入滲速率在整個過程中小于坡頂的，坡面下方的裂縫發展不如坡頂下方明顯，如圖5c所示，坡面下方只有一些平行的微小豎向裂縫。

圖5 不同位置的裂縫及示蹤點標記的位移

降水入滲過程使土粒產生向下滲透力的作用，增大了土體的下滑力，加之土體自身不斷的蠕變，坡體有逐漸發展增大的位移，由圖5b，5c記號筆標記可知坡頂下方位移豎直向下，自上而下位移逐漸減小，最大位移約10cm。坡面下方位移方向與水平的夾角略大于45°，最大值約15cm。降水入滲使黃土產生濕陷從而產生豎向位移。坡頂表層在降雨條件下達到暫態飽和，抗拉應力減小，受到拉應力后出現拉裂縫而向前運動或有向前運動的趨勢，進而產生水平方向的位移。

2．3 坡面形態變化

降雨及其產生的徑流是引起黃土高原土壤侵蝕的主要動力：雨滴具有一定的動能，直接打擊地表可使土粒飛濺和沿坡面遷移；破壞土體結構，分散土體成顆粒，造成坡面表層孔隙減少或阻塞，導致滲透性下降，利于地表徑流形成和流動；形成的表面徑流對坡面產生剪切剝蝕，當水流剪切力大于土壤臨界剪切力時土壤顆粒被剝蝕。雨滴擊濺使地表薄層徑流紊亂，導致了侵蝕力增強。

試驗過程中不同累計時間點的坡面形態如圖6坡面左側所示：坡面侵蝕經歷了由“片蝕—溝蝕—溝間坡面面蝕向深切和側蝕發展”的過程，坡面形態的變化由入滲、產流、產沙引發。

降雨初期，裸坡坡面受到雨滴擊濺，松散顆粒運移使得坡體孔隙減少或者阻塞，則會導致滲透性下降，從而表面形成較薄的徑流層，薄層徑流對坡面侵蝕作用有限，以對雨滴濺蝕產生的松散土粒的搬運輸移為主。降雨持續，入滲和產流趨于穩定，坡面形成淺短的細溝，局部發育形成沖蝕溝，此時溝蝕作用加強，侵蝕向深切和側蝕發展，沖蝕溝逐漸加深加寬，最終溝岸出現崩塌現象。坡面因受侵蝕呈整體下降趨勢。

圖6 滑坡的發生發展過程

2．4 坡面崩滑的發展

隨著降雨的持續，坡體不同位置產生一系列裂縫，最后一次降雨1h后坡腳出現淺層滑動現象，并逐漸發展出現滑塌，如圖6坡面右側所示。降水的入滲作用在于減弱土體的抗剪強度并加大其下滑力，當抗滑力小于下滑力，剪切應力大于抗剪強度，土體開始出現拉裂縫，加速降水進一步入滲。降水的持續入滲導致模型淺層土體逐漸飽和，而坡腳由于不斷有表面徑流經過其飽和程度較高，所以最先出現輕微流滑現象。已經滑塌的位置形成臨空面，土體具有自重下滑力，加之一直降雨及表面徑流持續經過發生流滑位置，小型流滑逐漸發展，最后演變為坡面崩滑。由于降雨過程滑塌自下而上發展，土體的坡面崩滑位置逐漸向上推移。

3 結 論

（1）降水入滲由快到慢，徑流量和入滲量的比值隨著時間的推移基本呈先增長再減小最后穩定的趨勢。坡頂的降水入滲速率始終大于坡面的。

（2）降雨過程中坡頂首先產生貫通的拉裂縫，降水進一步入滲后坡體內部產生局部微小豎向裂縫。坡體位移方向：坡頂下方豎直向下，最大位移約10cm，坡面下方位移方向與水平夾角略大于45°，最大值約15cm。

（3）隨著降雨持續，坡面侵蝕經歷了“片蝕—溝蝕—溝間坡面面蝕向深切和側蝕發展”的過程，形成了較大的沖蝕溝，最終溝岸發生崩塌。坡面因受侵蝕呈整體下降趨勢。

（4）降雨使得坡趾處土體飽和程度較高，小滑塌自下而上發展，坡面崩滑位置逐漸向上推移，最終發生較大坡面崩滑。

降雨是引起黃土坡面侵蝕和坡體滑坡的重要外在因素，應遵循“治坡先治水”的原則［12］，一方面可通過增加植被等防止降雨對坡面造成嚴重沖蝕；另一方面可采取截水溝、排水溝等排水措施控制過多降水入滲到坡體內部。

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