極端降雨作用下陜北梯田邊坡穩定性分析

溫永福, 高 鵬, 穆興民, 趙廣舉, 孫文義

(1.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院, 陜西 楊凌 712100;2.西北農林科技大學 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100;3.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

梯田邊坡在黃原區普遍存在，其主要作用包括以下2個方面[1]:一是能夠有效地防止水土流失，創造良好的水、土生態環境，為耕作難以進入地區的農業發展提供了條件;二是降低了常規斜坡高梯度的危險，維護邊坡穩定性。由于在降雨條件下田埂具有持水作用，這必然涉及到入滲問題，梯田改變了原有地面形狀，從而使地表入滲與斜坡不同。眾多事實表明，入滲是影響邊坡穩定性，導致邊坡失穩的最主要和最普遍的環境因素，是淺層滑坡最關鍵的觸發因素[2-3]。非飽和土質邊坡在天然狀態下常常具有較高的穩定性，但入滲導致基質吸力減少，邊坡穩定性會大大降低。例如2013年延安地區發生的極端暴雨導致大面積梯田邊坡塌滑破壞給農業生產造成了嚴重損失[4]。

入滲是指降雨通過地表向下運動，補給土體水、地下水，是水分在土體中的一個動態分布過程[5]。入滲觸發滑坡主要包括以下幾個因素：雨水入滲產生暫態飽和區，土體重度增加，下滑力增加；濕潤區土體的基質吸力降低；雨水對巖土體的軟化作用，巖土體粘聚力和內摩擦角降低。目前對上述幾個方面的一般性斜坡穩定性研究較多[6-10]，盡管許多學者對梯田邊坡進行實地調查和研究，但對梯田邊坡入滲穩定性研究還相對較少。一些研究者開展了有益的探索，例如，張杰等[11]利用Green-Ampt模型研究了基于農作物灌溉入滲梯田邊坡穩定性分析，討論了梯田潛在滑裂面位置。楊娟等[12]以陜南土坎梯田田坎為研究對象，通過室內常規三軸剪切試驗，探究了田坎產生破壞的形式及其產生這種破壞的原因。王延貴等[13]采用土力學中的條分法分析了土體崩塌的原意及崩塌類型。

本文以陜北紙坊溝流域水平梯田邊坡為例，采用室內試驗的方法，研究極端降雨條件下梯田邊坡的入滲、變形、崩塌，探討極端降雨對邊坡穩定性的影響，同時利用國際通用的二維巖土力學有限差分計算軟件分析梯田邊坡安全系數隨降雨時間的變化，為梯田邊坡崩塌失穩防災減災、監測和預報提供可靠的理論依據和豐富的試驗數據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況及試驗土體性質

紙坊溝流域位于陜西省安塞縣境內，是杏子河的一級支流，屬于黃土丘陵溝壑區，地理位置為109°14′12″—109°16′25″E，36°46′25″—36°43′11″N。流域總面積為8.273 8 km2。紙坊溝流域地處暖溫帶半干早森林草原地帶，年平均氣溫8.8℃，年平均降水量546.1 mm，降雨主要集中于7—9月，其降水量占全年降水量的61%。本文選取安塞縣紙坊溝小流域梯田作為研究對象，陜北安塞梯田屬于旱地土埂梯田，土體類型為黃綿土[14]，田坎高度1～3 m，邊坡坡度在60°～70°，田面主要種植果樹、玉米、雜糧等，梯田埂坎植被覆蓋率低，損害嚴重。鑒于此，本試驗模擬梯田高度1.2 m，邊坡坡度65°，無田埂保護。試驗用土取自陜西安塞縣紙坊溝，取土深度為6～8 m，屬于Q4黃綿土。試驗用土的基本參數指標見表1。

表1 試驗用土的基本參數指標

1.2 試驗裝置及填土方式

試驗填筑的邊坡部分高度為1.2 m，坡度為65°。與模型配套的有人工降雨系統，多物理量測試系統：水分傳感器、示蹤點、數碼相機。模型尺寸見圖1。本次試驗采用分層擊實填筑的方法：把試驗前配制好的土均勻地每隔10 cm厚度分層，共分17層。分層填筑完成后通過人工削坡得到65°邊坡和模型所需幾何尺寸。在每層填土的分界面處，在中間0.5 m的截面上埋設了13個RR-7120水分傳感器，并在靠近有機玻璃的側面上埋設了36個位移監測點[15]。測試儀器布置見圖2。

1.3 試驗方法

試驗在陜西省水利部水土保持研究所人工模擬降雨大廳測噴Ⅱ區進行。按坡體運動的實際情況，共分5次降雨，每次降雨歷時1 h，降雨間隔為1 h左右，降雨強度為150 mm/h，總降雨量達750 mm，模擬延安極端降雨條件[16]。記錄產流時間，試驗每1 min在出口處收集1次徑流樣。用數碼相機每10 min記錄坡面形態，在坡面形態變化劇烈的時間段可加大照相機拍攝頻率。含水率以及位移傳感器記錄整個試驗過程各數據的變化。

1.4 數值模型建立

采用有限元軟件ANSYS的前處理，導入巖土工程模擬計算軟件Geostudio中[17]，模型共2 352個單元，4 441個節點，將計算模型底面和左側固定，頂面和右側自由。GeoStudio軟件允許在飽和非飽和多孔連續介質中進行流體流動的瞬時模擬。流動計算可以脫離GeoStudio中的力學計算獨立進行，也可以與其他力學模型進行耦合計算，以控制流固耦合作用的影響。其滿足達西定律土體內非恒定滲流，其偏微分方程形式如下：

(1)

式中：h為總水頭；kx和ky為x和y方向的滲透系數；w為源匯項；mw為比水容量；ρw為水的密度；g為重力加速度；t為時間。

圖1 模型試驗裝置示意圖

注:不同英文字母表示土體層數；數字表示土體列數；○表示土壤含水率傳感器；Δ表示位移監測點。

圖2試驗傳感器布置圖

田面表面及斜坡處取流量邊界或定水頭邊界。分析降水時,程序自動判斷降水強度與土體滲透系數的關系。若降水強度小于表面土層滲透系數，則按流量邊界處理,大小為降水強度；若降水強度大于表層土體滲透系數，一部分雨水沿坡面流走,會在坡面形成一層薄水膜，此時可按定水頭邊界處理，由于水膜很薄，因此計算中取水頭值等于地表高程；模型左側、地下水位以下為定水頭邊界條件，地下水位以上按零流量邊界處理；模型底面為不透水邊界。

2 結果與分析

2.1 降雨入滲規律

圖3中的曲線為每次平均降雨(入滲)量及入滲百分率與降雨次數的關系。由圖3可以看出，在第一次降雨中，平均入滲率在80%左右，隨后降雨，入滲率由于地表徑流的增加而逐漸減小，到第3次降雨，入滲率下降到49.3%，之后維持在25%左右，有75%的降雨變成了地表徑流，并且對梯田邊坡造成了水土流失和雨水沖蝕，形成了細溝。雨水從梯田邊坡滲入坡體是一個非飽和到飽和的滲流過程，其入滲速率隨時間的變化不僅與非飽和土的初始濕度、基質吸力有關，還與梯田邊坡土體的物理特性和結構性有關。通常在入滲的開始階段，入滲能力大于降雨強度，入滲速率較大，是無壓入滲。經過一段時間后，土體開始飽和，土體含水率梯度減小，基質吸力下降，入滲能力減小，當降雨強度大于土體入滲能力時，則產生坡面徑流。最后，隨著降雨的進行，入滲率逐漸減小直至趨于常數而達到穩定入滲階段。

圖3每次平均降雨(入滲)量及降雨入滲百分率

2.2 梯田邊坡含水率變化

根據含水率傳感器監測數據，可了解整個過程梯田邊坡含水率的變化情況。圖4A表明：坡體不同深度上各土層含水率隨降雨歷時及雨后歷時變化有所不同。降雨開始0.5 h內，坡體A，B，C三層含水率增加速度達到0.83%/h，變化比較明顯，D，E，F三層土體含水率變化很小，這是由于雨水入滲由淺部向深部進行。隨著降雨時間增長，雨水不斷入滲，整個坡體含水率不斷增大，上層土體含水率增加速率約為2%～2.83%/h，大于之前的0.83%/h，這是由于土體含水率的不斷增加，基質吸力減小，滲透系數不斷增大的結果。對于D，E，F下三層土體，曲線有一個明顯的折點，含水率在4：00左右突然增大，說明土體內發生了劇烈活動，土體內部出現深裂縫，土體開始失穩，滑動面正在形成。由此可知：含水率變化對土體破壞有很大的影響。首先，含水率的增加導致了土體的孔隙水壓力升高，有效應力降低，從而導致了土體抗剪強度降低；其次，含水率增加，增大了水分的滲透力，從而導致梯田邊坡穩定性降低，降雨入滲導致含水率變化的這雙重效應可能為降雨誘發梯田邊坡失穩的重要原因。并且從圖4B看出坡頂含水量率上升速度最快，變化幅度最大，在11月11日13：00左右由于梯田邊坡垮塌使其暴露于空氣中，其含水率迅速降為0，其次是坡腳，坡中變化最小，幅度也最小。

2.3 位移監測及潛在滑動面形狀

典型測點測得：靠近坡頂的測點(A1，A2，A3，A4)位移為1.5～3 cm，方向與水平呈40°～50°，靠近坡面的測點(B5，C6，D6)位移為8.5～17.5 cm，方向為與水平呈60°～70°。靠近坡腳的測點(E7，F7)位移為4～6.5 cm，方向與水平呈80°～85°。埋置在最深處的測點(B1，C1，D1，D2，E1，E2，E3，F1，F2，F3，F4，F5)位移幾乎為零。這說明：土體滑坡時，既有水平運動，又有豎向運動。由位移為零的示蹤點可以確定出大概潛在滑動面的深度。如由位移為零的C1點和E3測點，可得到潛在滑動面的深度為0.56 m和0.94 m左右，將各位移為零的示蹤點得到的潛在滑面深度同滑坡后緣錯開裂隙結合起來，即可確定潛在滑面的位置。潛在滑動面的形狀見圖5。

圖4含水率隨時間的變化關系

圖6為3個特征監測點(A5，C6，F7)位移及累計降雨量的關系曲線，從圖中可以看出隨著累計降雨量的增加土體位移逐漸加大，以坡中處的位移最大，坡腳次之，坡頂最小。在11日14：00左右坡體崩塌，位移陡增，滑坡結束后，位移增加緩慢，在12日8：00位移基本不變。坡中、坡腳、坡頂位移分別為15.5，6，3.2 cm。

圖5潛在滑動面形狀

2.4 梯田邊坡安全系數以及孔隙水壓力變化

通過數值模擬梯田邊坡安全系數(Ks)與降雨時間的關系見圖7，隨著降雨時間的持續Ks逐漸減小，在14:30左右Ks急劇下降且小于1，梯田邊坡失穩，降雨結束后Ks緩慢增大逐漸達到穩定狀態。與試驗一致。

通過Excel軟件對同一時間的梯田邊坡安全系數(Ks)與A，B，C三層土體含水率均值(W)擬合發現兩者存在很好的相關性(Ks=-0.0188W+1.6029，R2=0.9228)，由此可知含水率是影響梯田邊坡安全系數的重要因子，安全系數隨含水率的增大而減小。降雨5 h后梯田邊坡頂、坡中以及坡腳孔隙水壓力依次為0.5，1.5，3.5 kPa(圖8)。這與試驗過程中該處水分傳感器變化相一致，由此可知土壤含水率是影響其孔隙水壓力的重要因素。

圖6特征點位移及累計降雨量

圖7梯田邊坡安全系數隨降雨時間變化

圖8降雨5h后孔隙水壓力分布

3 結論及建議

(1) 在實施降雨的前2 h，平均入滲百分率為65.58%，之后，入滲率由于地表徑流的增加而隨時間逐漸減少。一段時間(8 h)之后，入滲率降到一個相對穩定值(26.14%)。降雨入滲率的降低是由于邊坡土體吸水飽和使原來張開的裂隙閉合的結果。

(2) 在強降雨作用下，邊坡土體吸水飽和，土體內孔隙部分閉合，滲透性降低，排水不暢，在滑動面附近形成暫態的滯水層。滯水層的存在對梯田邊坡的穩定極為不利。首先，滯水層的形成導致了土體中孔隙水壓力的增加，有效應力降低，從而導致土體抗剪強度的降低；其次，滯水層的形成使得原來非飽和土體充分吸水軟化，也導致了土體抗剪強度的降低。降雨入滲的這一雙重效應可能是降雨誘發梯田邊坡失穩的主要原因之一。

(3) 在降雨作用下，水分向下滲流，但土體內部各點的含水率變化是不一樣的，含水率變化較大的區域，其土體運動也是最劇烈的，說明了含水率變化對土體穩定有很大的影響。首先，含水率使土體有效應力降低，從而導致土體抗剪強度降低；其次，含水率增加，導致水分向坡外的滲透力增加，從而使梯田邊坡穩定性降低。

(4) 隨著降雨時間的持續孔隙水壓力逐漸增大、Ks逐漸減小，在降雨5 h后坡頂、坡中以及坡腳孔隙水壓力依次達到0.5，1.5和3.5 kPa，Ks急劇下降且Ks<1，梯田邊坡失穩。同樣在降雨5 h后梯田邊坡土體內部含水率出現陡增的現象，由此說明含水率是影響梯田邊坡孔隙水壓力以及安全系數的重要因素，含水率與安全系數呈負相關。

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