持續降雨入滲對黃土邊坡穩定性的影響

鐘佩文 張慧莉 田堪良 陳航 聶抗意

摘要：為探索黃土邊坡在持續降雨條件下的入滲規律及其對邊坡穩定性的影響，采集陜北治溝造地工程中開挖邊坡的土樣，在室內模擬土體垂直方向一維降雨積水入滲過程，觀測分析土體含水率的變化和濕潤鋒運移特征，研究含水率變化對邊坡土體抗剪強度的影響。根據降雨積水入滲試驗得到的不同時刻土體飽和區分布情況，結合飽和區土體重度、黏聚力、內摩擦角的具體數值，采用FLAC3D巖土工程數值計算軟件分析了持續降雨條件下邊坡的安全穩定性以及潛在滑動面的變化情況。研究結果表明：在降雨積水入滲條件下，淺層土體中濕潤鋒運移速度較快，隨著深度增大，濕潤鋒運移速度逐漸減緩；當濕潤鋒到達時，不同深度土體含水率均呈現先陡升再趨于平緩上升的變化規律，土體的飽和度可達到80%。降雨入滲使土體的抗剪強度顯著降低，隨著降雨歷時的增加，邊坡土體中的飽和區域增大，土體局部的剪切變形增大，進而局部發生塑性變形逐步擴展形成剪切帶，從而導致滑坡。因此，黃土邊坡應設置排水措施，避免降雨入滲引發滑坡等自然災害。

關鍵詞：黃土邊坡；降雨入滲；滲透規律；杭剪強度；邊坡穩定

中圖分類號：S157.1：P642.22 文獻標志碼：A doi ：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.017

降雨入滲是誘發黃土邊坡失穩的主要因素之一，邊坡失穩會導致滑坡等自然災害的發生[1]。近年來，為了解決退耕還林造成的耕地減少及糧食安全問題，延安市啟動了治溝造地工程，在工程實施過程中，開挖形成了大量裸露的黃土邊坡，這些邊坡遇到持續的強降雨天氣時發生降雨入滲過程，一方面造成土體容重增大，增大土體的下滑力；另一方面造成土體抗剪強度降低，進而使坡體的穩定性降低[2-8]。因此，研究持續暴雨條件下土體水分入滲及其對黃土邊坡穩定性的影響顯得尤為重要。很多學者通過室內模擬降雨試驗對土壤水分入滲規律進行了研究，一般將降雨入滲過程視為面源垂向一維入滲過程[9]。Touma等[10]通過模擬試驗和數值計算分析了土壤水分入滲過程中壓縮氣體對濕潤鋒運移規律的影響；黃濤等[11]通過模擬含軟弱夾層的均質邊坡模型，應用相似條件得到了均質邊坡穩定性與地表水入滲量歷時關系曲線；孫冬梅等[12]根據室內土柱試驗，建立了基于多相流理論的水一氣二相流模型，研究了孔隙氣壓力的增大對入滲水流的阻礙作用；賈官偉等[13]通過大型模型試驗研究了邊坡內部水分場變化對滑坡的影響。筆者針對延安市治溝造地工程中持續強降雨造成的黃土開挖裸露邊坡滑坡災害情況[14]，采用室內模型試驗，研究連續暴雨狀態下土體內部水分入滲與含水率變化的規律以及含水率變化對邊坡土體抗剪強度的影響，采用FLAC3D巖土工程數值計算軟件，分析持續降雨條件下黃土裸露邊坡的穩定性以及潛在滑動面的變化情況，以期為陜北治溝造地工程中的黃土開挖邊坡防護提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用黃土土樣于2016年5月10日取自陜西省延安市萬花山治溝造地工程開挖的兩級邊坡，土樣的天然含水率和密度見表1。試驗測得土體表層以下2m范圍內土壤干密度和含水率變化不大，坡體上部、下部土壤的干密度平均值分別為1.35、1.53g/cm3，天然含水率在12.5%附近，屬于Q3黃土。試驗土樣的物理性質指標見表2。

1.2 試驗方法

降雨入滲試驗采用土柱表面的積水進行入滲，試驗裝置為高220cm的圓柱形有機玻璃長管，橫截面內徑14cm、外徑15cm，填土高度210cm。考慮到圓管內土樣的孔隙比控制和制樣的均勻程度，將長管截成5段，每段有機玻璃長管間緊密接觸并使用橡膠膜和鐵環箍緊，以防止裝置在試驗過程中漏氣。為了便于觀測水分入滲過程中的濕潤鋒，在有機玻璃表面貼上刻度尺。有機玻璃頂端與大氣連通，底端插入底座土層中，便于排水和透氣。試驗采用馬氏瓶提供水源，并通過馬氏瓶控制土柱頂端表面保持2cm的積水深度。采用安裝在土柱不同深度的5支EC-5土壤水分傳感器測定土體含水率，每5min測一次，自動記錄數據。降雨入滲試驗裝置如圖1所示。

降雨入滲試驗共進行2次，試驗I模擬密度為1.35g/cm3的坡體上部土體的降雨入滲情況，試驗Ⅱ模擬密度為1.53g/cm3的坡體下部土體的降雨入滲情況。制樣時將現場采集的擾動土粉碎，過2mm篩，配置的含水率為12.5%，然后密封靜置48h后制備試樣。制備試樣前，先在有機玻璃管內表面涂抹凡士林防止邊壁滲漏。采用分層（每層高度為5cm）搗實的方法，搗實后刨毛處理，用質量法和體積總量法控制土樣的干密度。試驗Ⅰ累計歷時103h，試驗Ⅱ累計歷時402h。試驗中將地下水埋深視作無限深，現場試驗觀測到邊坡土層土體均勻，無明顯層狀，無蟲孔裂隙等發育，因此將水分入滲土體過程視為活塞式入滲[15]；另外，鑒于試驗過程中土柱上方積水層厚度均勻，因此僅考慮濕潤鋒的垂向運動[16]。

試驗前對傳感器進行標定，通過SAS軟件的REG模塊對標定數據進行線性擬合，擬合表達式為

y=0.982x-0.013（R2=0.956） （1）式中：x為傳感器輸出體積含水率；y為烘干法測得的土壤體積含水率。

為研究降雨入滲過程中土壤含水率變化對抗剪強度的影響，采用DSJ-3型電動四聯等應變直剪儀分別對干密度為1.35、1.53g/cm3 兩種原狀試樣進行了不同含水率的抗剪強度試驗，試樣配置含水率分別為12%、14%、16%、18%、20%、23%、26%、29%。試驗的剪切速率為0.80mm/min，分別測量50、100、200、300kPa4種垂直壓力下的抗剪強度。

2 試驗結果分析

2.1 入滲過程中濕潤鋒運移規律

為研究垂向一維空間上濕潤鋒運移規律，根據傳感器安裝位置，將運移區間分為5段，分析濕潤鋒運移速率，見表3。

飽和區、過渡區、傳導區和濕潤區為水分入滲過程中含水率分布的4個典型分區。濕潤鋒為濕潤區的前緣，試驗過程中濕潤鋒運移速率呈減小趨勢，這與土體中封閉氣泡的影響有關。隨著濕潤鋒的推移，土柱中氣體不斷向下運移，氣泡的體積隨之不斷壓縮，從而導致氣泡體積減小而氣壓增大。當水流無法沖散氣泡或使氣泡溶解時，土體孔隙中的水分必然改變原始的運移路徑繞過氣泡而流動，從而延長了水流路徑，增大了入滲時間，進而導致土體非飽和滲透系數降低，宏觀上導致濕潤鋒的運移速率不斷降低。

試驗Ⅰ中0～20cm區間段濕潤鋒運移速為0.191cm/min，20～50cm區間段濕潤鋒運移速率大幅度降低至0.067cm/min，之后運移速度降低較緩，試驗Ⅱ中也出現類似現象。說明土柱淺層水分入滲較快，到達一定深度之后，封閉氣泡無法再從表層土體逸出到空氣中，而是被濕潤鋒推移至深層土體內，從而引起運移速度驟降。

相對于試驗Ⅰ，試驗Ⅱ干密度增大，孔隙比減小，土樣中孔隙的體積較小，滲透面積減小，從而使水流向下擴散更加困難。試驗Ⅱ的孔隙比相比試驗Ⅰ減小23.0%，導致濕潤鋒運移速率減小72.6%，說明土體孔隙比對水分入滲影響顯著。

2.2 同一深度土體含水率變化特征

不同深度土體含水率隨入滲時間推移的變化情況如圖2所示。可以看出，當濕潤鋒到達時，不同深度土體含水率均呈現先陡升再趨于平緩上升的變化。土體含水率變化過程可使用Logistic函數擬合，采用SAS軟件中內置的NUN模塊擬合得到擬合公式。表4及圖3為試驗Ⅰ的擬合結果。擬合優度均在0.95以上，擬合效果良好。

2.3 不同深度土體飽和經歷時間

不同深度土體含水率從開始變化時刻到穩定狀態所經歷的時間見表5。天然狀態下土體在水分入滲過程中難以達到完全飽和狀態，試驗Ⅰ不同深度土壤含水率穩定時飽和度平均值為77.27%，試驗Ⅱ為82.39%。

試驗結果表明，土體飽和所需時間隨土層深度增加而延長，這是封閉氣泡向下擴散的累積效應造成的，深處土層中封閉的氣泡較多，減小了滲透面積，不容易達到飽和。相比之下，試驗n中土體飽和經歷時間更長，原因是干密度大的土樣孔隙比小，土體中封閉的氣泡逸出路徑更狹窄，氣泡更難擴散，滲透面積減小更多，更不容易達到飽和。

2.4 降雨入滲對土體抗剪強度的影響

土體的含水率隨著降雨入滲不斷增加，通過測試不同含水率條件下黃土的抗剪強度，分析降雨入滲對土體強度的影響。不同含水率條件下兩種干密度黃土試樣的抗剪強度試驗結果見表6。分別用二次曲線與直線的方程式擬合了黏聚力C與內摩擦角φ隨含水率ω的關系，擬合優度均在0.95以上，擬合結果分別見圖4及表7。

試驗結果表明：土體的黏聚力C與內摩擦角φ隨含水率的增大而減小，對于干密度為1.53g/cm3的土樣，當含水率從12%增加到29%時，黏聚力從39.116kPa降低到5.672kPa，內摩擦角從29.00降低到22.8°。原因是當土體的含水率增加時，土顆粒之間的化學膠結物質部分被溶解，同時土體的基質吸力減小，土顆粒之間的黏結強度降低，因而黏聚力C減小。另外，隨著土體含水率增大，土顆粒表層的水膜增厚，甚至自由水增加，土體破壞時土顆粒之間的摩擦力減小，內摩擦角φ減小。

3 降雨條件下邊坡穩定性數值計算分析

在降雨入滲條件下，土體的抗剪強度明顯降低，直接影響著黃土邊坡的安全穩定性，采用FLAC3D巖土工程數值計算軟件對這種影響進行定量分析。根據延安地區治溝造地工程實踐，建立兩級臺階的邊坡幾何模型，選取邊坡坡高8m，單級坡高4m，單級坡比1：0.5，兩級中間留有2m寬的平臺。為了簡化模型，根據延安地區實用水文手冊中不同重現期最大7d暴雨量和特征值表等系列水文資料，認為在連續暴雨狀態下，坡頂、坡底以及平臺將維持2cm的穩定積水層，持續向下入滲。研究區坡體地下水位較深，降雨期間水分沒有入滲至地下水位處。根據上文積水入滲試驗所得到的不同土體降雨入滲的濕潤鋒運移速度，可以計算出不同時刻濕潤鋒到達的位置，濕潤鋒以上土體處于飽和狀態，飽和含水率為試驗過程中傳感器測得的穩定含水率。濕潤鋒以下土體為天然狀態，含水率為現場試驗所測得的數據。不同分區及不同含水率條件下土體的物理力學性質指標見表8，暴雨持續48h后的邊坡分區及飽和土體分區的模型示意圖見圖5。

采用FLAC3D巖土工程數值計算軟件按強度折減法計算不同降雨歷時條件下的邊坡穩定安全系數，表9為不同降雨歷時的邊坡安全系數，圖6為剪應變增量云圖。

計算結果表明：隨著降雨歷時增加，雨水入滲深度增大，邊坡土體中的飽和區域增大，土體的強度降低，土體局部的剪切變形增大，由應力集中引起的局部塑性變形逐步擴展至整個剪切帶，從而導致滑坡；降雨72h時邊坡安全系數降至1.03，邊坡瀕臨破壞；降雨108h時的安全系數降至0.94，坡體將產生滑坡。因此，在工程實踐中，黃土邊坡應設置排水措施，避免降雨入滲引起土體含水率增加而發生滑坡等自然災害。

4 結論

（1）在持續降雨入滲條件下，黃土邊坡淺層土體中濕潤鋒運移速度較快，隨著深度的增加濕潤鋒運移速度逐漸減緩，原因是在降雨入滲過程中，隨著濕潤鋒的推移，土體中的氣泡無法再從表層土體逸出到空氣中，越深的土層中封閉的氣泡越多，減小了土體的滲流面積，從而降低了土體的滲透系數，導致濕潤鋒運移速度逐漸減緩。土體的孔隙比對降雨入滲有顯著的影響，土體的密度越大，孔隙比越小，土體的滲透面積越小，滲透系數越小，濕潤鋒運移速度也越小。

（2）在持續降雨入滲條件下，不同深度土體含水率均呈現先陡升再趨于平緩上升的變化，這種變化過程可用Logistic函數較好地進行擬合，擬合優度在0.95以上。天然狀態下土體在水分入滲過程中難以達到完全飽和狀態，飽和度僅可達到80%。

（3）土體的黏聚力C與內摩擦角（P隨含水率的增大而減小，原因是含水率增加時，土顆粒之間的化學膠結物質部分被溶解，同時土體的基質吸力減小，土顆粒之間的黏結強度降低，因而黏聚力C減小；隨著土體含水率增大，土顆粒表層的水膜增厚，甚至自由水增加，土體破壞時土顆粒之間的摩擦力減小，因而內摩擦角φ減小。

（4）隨著降雨歷時增加，雨水入滲深度增大，邊坡土體中的飽和區域增大，土體的強度降低，土體局部的剪切變形增大，由應力集中引起的局部塑性變形逐步擴展至整個剪切帶，從而導致滑坡。黃土邊坡應設置排水措施，避免降雨入滲引發滑坡等自然災害。

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