黃土邊坡降雨入滲規律及其對邊坡穩定性的影響

李國榮，陳文婷，李進芳，朱海麗，胡夏嵩,2

(1.青海大學 地質工程系，青海 西寧 810016； 2.中國科學院 青海鹽湖研究所，青海 西寧 810008)

降雨是影響邊坡穩定性的最主要和最普遍的環境因素，也是淺層滑坡的觸發因素之一[1-3]。大量研究表明滑坡、泥石流等地質災害主要發生在降雨期間或降雨后[4-7]，降雨入滲會導致邊坡表層土體含水量急劇增加[8]，而持續降雨能使土質邊坡淺層土體迅速飽和形成暫態飽和區，導致土體抗剪強度不斷降低[9]，因此土質邊坡穩定性與降雨強度、降雨歷時、土體滲透系數密切相關[10-11]。受干旱半干旱氣候影響，青藏高原東部黃土區的黃土邊坡基本屬于非飽和土邊坡，由于地質環境脆弱、植被稀疏，因此在雨季經常發生滑坡、泥石流等地質災害[12-13]。本研究以青藏高原東部黃土區的土質邊坡為研究對象，分析天然降雨入滲規律及其對邊坡穩定性的影響，以期為研究黃土邊坡失穩機理及其防治措施提供參考。

1 試驗區概況

試驗區設在位于青海省西寧市城北區二十里鋪的顧家嶺溝，地處黃土高原和青藏高原的過渡地帶，屬高原半干旱大陸性氣候區[14]，年均氣溫7.6 ℃，年降水量380 mm，年蒸發量1 363.6 mm[15]；降水主要集中在6—9月，且以暴雨和陣雨居多，具有歷時短、強度大、降雨集中等特點[16]，最大年降水量541.2 mm，最小年降水量196.4mm，最大日降水量62.2 mm，最大小時降水量30.1 mm，一次性連續最大降水量60.4 mm；地質條件復雜，下游分布有部分農田及居民住宅，雨季發生的滑坡、泥石流等會給試驗區及其周邊群眾的生命財產安全造成嚴重威脅。

在試驗區選取一處天然黃土邊坡進行試驗。該黃土邊坡位于海拔2 290 m的陰坡，坡面面積約30 m×15 m，坡度45°。降雨前，黃土的密度為1.58 g/m3，孔隙度54.82%，質量含水量13.50%，pH值8.13，黃土顆粒粒徑<0.05 mm的占64.96%、<0.01 mm的占21.88%、<0.002 mm的占5.74%。

2 試驗條件和方法

試驗在天然降雨條件下進行。根據實際降雨條件(降雨強度由當地氣象部門測定)和降雨強度等級劃分標準，經過多次雨天采樣和室內試驗，選取較為典型的3次降雨進行試驗分析，降雨強度和歷時分別為12.50 mm/h、4 h，4.28 mm/h、7 h、0.88 mm/h、16 h。3次降雨分屬大雨、中雨和小雨等級，因此試驗條件具有代表性。采用野外取樣和室內試驗相結合的方法，研究降雨歷時和降雨強度對黃土邊坡土體含水量的影響，進而分析降雨過程中黃土邊坡雨水入滲規律及其對邊坡穩定性的影響。為了避免試驗期間雨水入滲的相互影響，在進行邊坡開挖等破壞性試驗時，不在同一取樣點進行重復試驗。

2.1 試驗設置

(1)在降雨強度12.50 mm/h、歷時4 h的降雨條件下，從降雨開始到結束后60 min，每隔10 min對距坡面垂直距離30 cm的土層進行取樣，測定其含水量，以分析降雨歷時對黃土邊坡土壤含水量的影響。

(2)在降雨強度、降雨歷時分別為 4.28 mm/h、7 h，0.88 mm/h、16 h的降雨條件下，在降雨開始后的30—180 min，每隔30 min對距坡面垂直距離30 cm的土層進行取樣，測定其含水量，并與降雨強度12.50 mm/h、歷時4 h相同條件下的土壤含水量進行對比，以分析降雨強度對黃土邊坡土壤含水量的影響。

(3)在黃土邊坡上從坡頂至坡腳橫向均勻取W1—W5共5段坡面，每段坡面間的垂直距離大于100 cm。在降雨強度12.50 mm/h、歷時4 h的降雨條件下，在降雨開始后的30—300 min內每隔30 min在每段坡面上取樣1次；根據雨水入滲情況增加取樣個數，即降雨開始后30 min時取表層土樣，60 min時取表層和10 cm深土樣，90 min時取表層、10 cm和20 cm深土樣，依次按時、按深度取樣直至降雨結束后60 min(降雨在240 min時結束，取樣至300 min)，同一段坡面取樣點之間的坡面距離設定在80 cm以上，以免兩次取樣之間相互影響。考慮到雨天取樣對黃土邊坡的人為破壞，現場取樣時在坡面搭建木梯，確保不同深度取樣同時進行。取樣后及時將樣品帶回實驗室進行試驗，測定其土壤含水量，以分析降雨過程中黃土邊坡雨水入滲規律；測定土樣的黏聚力、內摩擦角等，取其平均值作為降雨中和結束后淺層坡體的物理力學指標。根據上述指標，采用FLAC2D軟件模擬計算邊坡安全系數，并分析安全系數隨含水量的變化，與降雨前和降雨結束后60 min邊坡的應力分布和安全系數進行對比，以分析降雨入滲對黃土邊坡穩定性的影響。

2.2 試驗方法

試驗中土壤含水量測定采用烘干法，取樣工具為鋁盒；土體力學性質試驗采用直剪試驗(ZJ型應變控制直剪儀)和固結試驗(WG-1B型單杠桿固結儀)[17]，取樣工具為環刀(Ф61.8 mm×20 mm)和原狀取土鉆(Ф61.8 mm×80 mm)，分別測定土體的黏聚力、內摩擦角和重度、變形模量。

3 結果與分析

3.1 土壤含水量與降雨入滲時間

天然黃土結構疏松、孔隙度較大、雨水入滲較快，在達到飽和之前，土壤含水量及雨水入滲深度隨降雨歷時的增加而增大[18]。測定了降雨強度12.50 mm/h、歷時4 h降雨條件下黃土邊坡上距表面垂直深度30 cm處土層的土壤含水量，見圖1。降雨前土壤含水量為12.74%，降雨開始后土壤含水量不斷增加；當降雨進行到240 min(降雨停止)時，土壤含水量達到最高，為27.91%，邊坡表層土壤趨于飽和并出現產流；降雨停止后，隨著降雨量的入滲、蒸發及徑流流失，土壤含水量逐漸減小。

圖1 黃土邊坡土壤含水量隨入滲時間變化曲線

3.2 土壤含水量與降雨強度

測定了不同降雨強度條件下黃土邊坡上距坡面垂直深度30 cm處的土壤含水量，見圖2。3次典型降雨中降雨強度12.50 mm/h、歷時4 h的土壤含水量增加幅度最大，降雨強度0.88 mm/h、歷時16 h的增加幅度最小；當降雨強度小于黃土入滲強度時，由于黃土結構松散、孔隙度大，降雨會全部滲入土體中，導致土體含水量明顯增加；隨著降雨強度的增加，邊坡土體中雨水入滲量增大，降雨入滲深度也不斷增加。

圖2 不同降雨強度下土壤含水量隨降雨歷時變化曲線

3.3 黃土邊坡降雨入滲規律及對邊坡穩定性的影響

將每次取土樣測得的含水量取平均值作為淺層土壤含水量，繪制黃土邊坡不同位置土壤含水量隨降雨入滲的變化曲線(圖3)。由圖3可知，隨降雨入滲時間的增加，黃土邊坡淺層土壤含水量由坡頂至坡腳均呈增加趨勢，且越接近坡腳土壤含水量增加幅度越大。分析其原因，降雨過程中黃土邊坡在坡頂和坡腳處的雨水入滲量并不相同，坡頂土壤含水量的增加量主要來源于雨水的直接入滲，而在實際降雨過程中，當降雨量較大時降落的雨水只有一部分入滲到坡體中，其余會產生徑流和蒸發掉，這其中產生徑流的雨水在沿坡面流動時會出現入滲現象，且越接近坡腳徑流量越大，入滲量也越大，從而導致坡腳雨水入滲量較坡頂大。分析黃土邊坡不同部位土壤含水量變化規律及降雨過程中坡面產流現象可以看出，在坡度較大、雨量充足的情況下，黃土邊坡坡腳附近土壤含水量易于飽和，這也是降雨過程中黃土邊坡在坡腳處容易發生破壞和變形的原因之一。

圖3 黃土邊坡不同位置土壤含水量隨入滲時間變化曲線

結合土壤含水量試驗、固結試驗和直剪試驗[17]，對降雨前后黃土邊坡土體黏聚力和內摩擦角等指標進行測定，結果表明在低飽和度情況下天然結構黃土的黏聚力對含水量的變化極為敏感，當含水量從12.74%增加到27.91%時黏聚力從23.47 kPa降低到9.93 kPa。采用FLAC2D軟件對降雨前后黃土邊坡坡頂至坡腳處剪應力分布特征進行數值模擬，結果顯示坡體剪應力數值發生明顯變化，其中坡頂處的剪應力值在降雨前后分別為10.79、12.55 kPa，坡腳處分別為37.73、54.97 kPa，一方面坡面相同位置剪應力值降雨后大于降雨前，另一方面在坡腳處出現應力集中現象，尤其是降雨后更加明顯。這一結果說明，天然結構的黃土邊坡坡腳應力增加值不僅與土體自身的重力有關，而且與降雨入滲規律密切相關，降雨入滲量越大，邊坡穩定性越差，這也是黃土質邊坡在降雨條件下易發生變形破壞的原因之一。采用FLAC2D軟件對降雨前后黃土邊坡穩定性安全系數進行模擬計算，結果見圖4。由圖4知，降雨過程中隨著降雨入滲時間的增加，邊坡土體平均含水量從12.74%增加到27.91%，同時邊坡安全系數從1.67降低到1.31；降雨結束后，隨著雨水的不斷蒸發和擴散，土壤含水量逐漸減小，安全系數又有所增加；降雨入滲降低了土體的抗剪強度，是黃土質邊坡在降雨條件下易發生變形破壞的另一個重要原因。

4 結 語

(1)天然黃土結構疏松、孔隙度較大、雨水入滲較快，在達到飽和之前，土體含水量的變化與降雨歷時、降雨強度密切相關，土體含水量及雨水入滲深度隨降雨歷時和降雨強度的增加而增大。

圖4 黃土邊坡安全系數與含水量的關系

(2)降雨過程中黃土邊坡坡頂和坡腳處雨水入滲量略有不同，越接近坡腳，雨水入滲量越大；坡腳處雨水入滲的增量主要來自于坡面的徑流入滲量，在雨量充足的情況下，坡腳附近土壤含水量易達到飽和，容易發生變形和破壞。

(3)在典型降雨條件下，黃土邊坡含水量從12.74%增加到27.91%，土壤黏聚力從23.47 kPa降低到9.93 kPa，邊坡坡頂和坡腳處的剪應力值分別增大了1.76和17.24 kPa，邊坡安全系數從1.67降低到1.31。試驗結果表明坡腳處應力集中現象不僅與土體自身的重力有關，而且與降雨入滲密切相關，因此黃土邊坡安全防護要采取措施避免邊坡周圍徑流和坡面雨水入滲。

[參考文獻]

[1] 李寧,許建聰,欽亞洲.降雨誘發淺層滑坡穩定性的計算模型研究[J].巖土力學,2012,33(5):1485-1490.

[2] 劉鵬,高振海,劉瓊.雨水入滲誘發滑坡災害的機制分析[J].土工基礎,2010,24(3):33-35.

[3] 朱偉,陳學東,鐘小春.降雨入滲規律的實測與分析[J].巖土力學,2006,27(11):1873-1879.

[4] 魏月娟,韓云山.降雨對黃土邊坡穩定性影響的分析[J].河南建材,2010(3):154-155.

[5] 梁冰,王永波,趙穎,等.降雨入滲和再分布對邊坡土體水分運移的數值模擬研究[J].系統仿真學報,2009,21(1):43-49.

[6] 張明,胡瑞林,譚儒蛟,等.降雨型滑坡研究的發展現狀與展望[J].工程勘察,2009,37(3):11-16.

[7] 李萍,張毅,房明.土質高邊坡的降雨滲流場數值模擬分析[J].建筑科學,2009,25(1):28-31.

[8] 武海霞.降雨強度對土體水再分布的影響[J].人民長江,2010,41(9):98-100.

[9] 李鳳琴.降雨過程中土質淺層滑體體積含水量變化研究[J].勘察科學技術,2012(2):15-18.

[10] 王福恒,李家春,田偉平.黃土邊坡降雨入滲規律試驗[J].長安大學學報:自然科學版,2009,29(4):20-24.

[11] 李毅，邵明安.人工草地覆蓋條件下降雨入滲影響因素的試驗研究[J].農業工程學報,2007,23(3):18-23.

[12] 朱麗娟,王鐵行,胡炘.降雨對非飽和黃土邊坡含水量變化規律分析[J].地下空間與工程學報,2009,5(1):95-99.

[13] 李國榮,胡夏嵩,毛小青,等.青藏高原東北部黃土區灌木植物根系護坡效應的數值模擬[J].巖石力學與工程學報,2010,29(9):1877-1884.

[14] 朱海麗,胡夏嵩,毛小青,等.護坡植物根系力學特性與其解剖結構關系[J].農業工程學報,2009,25(5):40-46.

[15] 王穎華,張鑫.西寧市降水量特征及變化趨勢分析[J].水土保持研究,2011,18(5):156-160.

[16] 李傳生,張樹恒,于漂羅.西寧市北山寺滑坡成因分析[J].青海國土經略,2006(1):30-32.

[17] 袁聚云,徐超,趙春風,等.土工試驗與原位測試[M].上海:同濟大學出版社,2004:67-86.

[18] 張少宏,康順祥,李永紅.降雨對黃土邊坡穩定性的影響[J].水土保持通報,2005,25(5):42-44.