強降雨作用下生態袋護坡入滲規律模型試驗研究

蔣希雁，陳宇宏，許夢然，張 喆，王萬梅

（1.河北建筑工程學院，河北 張家口 075031；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室，河北 張家口 075031；3.河北省寒冷地區交通基礎設施工程技術創新中心，河北 張家口 075031；4.張家口市巖土工程技術創新中心，河北 張家口 075031）

0 引 言

降雨作用是誘發山體和道路邊坡發生滑坡的主要因素之一，其誘發作用機理是使得邊坡土體中的含水率增大，土體自身容重增大，土體的基質吸力減小，從而土體自身結構抗剪能力減小。2021年7月河南受到強降雨災害影響，僅鄭州一地降雨強度達到6小時382.4 mm，伴隨而來是山洪滑坡災害的到來，截至2021年8月該強降雨災害引發的滑坡災害已致傷亡人數為302 人，直接經濟損失655 億元。異常的強降雨天氣誘發的山體滑坡災害導致人民群眾生命財產安全受到損失，研究強降雨下邊坡防護技術刻不容緩。

降雨類型分類可依據降雨強度劃分，按照國家氣象局［1］規定可劃分為：小雨，中雨，大雨，暴雨，大暴雨和特大暴雨，其中大雨（12 小時30 mm）之上就為強降雨天氣。針對強降雨作用下的邊坡入滲規律模型試驗，國內外學者已經進行了大量研究：趙曉彥，肖典對強降雨作用下的巖質邊坡進行主動加固模型試驗，發現強降雨條件下主動網結構可與預應力錨索協同受力，形成二次張拉效果［2］；潘昌樹設計不同雨強的強降雨條件下加筋路堤邊坡的模型試驗，發現邊坡的不同位置的破壞發展情況各有不同并且整個試驗中孔隙水壓與土壓力變化分為不同階段，得到降雨強度對邊坡的孔隙水壓，土壓力，浸潤峰發展成正相關關系，而邊坡坡度則與之相反［3］；王維早自主研發離心場降雨模擬設備研究強降雨對淺層堆積層的沿基覆界面滑動的原理，強降雨過程中孔隙水向基覆界面聚集，雨停后，基覆界面的孔隙水消散［4］。唐軍使用TLJ-500土工離心機對攀枝花機場一期滑坡進行模擬實驗，發現攀枝花機場滑坡是以強降雨為誘因，內部巖土體在后緣基巖裂隙水長期入滲的情況下發生的蠕滑式破壞［5］。

縱觀上述研究不難發現強降雨對邊坡的破壞方式主要是瞬時的孔隙水壓增大導致土體自身結構不穩發生蠕滑式滑動，如何預防或延緩強降雨對邊坡產生的不利影響便成為現今亟需解決的重要問題。CHEN Jie［6］進行不同植被加護花崗巖邊坡的模型試驗，發現大部分植被可以提高邊坡整體滲透系數抑制坡面徑流的產生，但對邊坡整體穩定性的提高并不明顯；崔建新［7］使用傘形錨加固堆積型邊坡，發現錨固體系在土體受強降雨侵蝕發生滑動趨勢后，錨固體會反向作用于邊坡土體，向邊坡施加被動土壓力，使得土體孔隙量變小從而減小了土體內孔隙水壓的增大。馬東華［8］進行灌木植被加護邊坡的模型試驗，得到植被邊坡較裸土邊坡的土水特征曲線的進氣值更大，土體孔隙分布更均勻，不易發生大量孔隙水壓的聚集。總結上述文獻研究可以發現，現階段對強降雨侵蝕邊坡的處理方法大致分為：以植物為主的生態治理和直接使用錨固或者磚混加固整體機構的加固治理。兩者各有相應的優缺點，植物生態加護可以使邊坡土體持水性更強，使得邊坡能在強降雨天氣中不易發生坡面徑流，但是邊坡內土體的孔隙水壓會持續增大，不利于邊坡的整體穩定。錨固體系可以向土體施加被動土壓力減小孔隙率從而使得邊坡整體穩定，但是低孔隙率的邊坡持水性差，并不能在長時間強降雨中保持穩定，容易發生大體積量的滑坡破壞。因此同時兼顧持水性能與降低孔隙率的護坡技術更適合強降雨條件下的邊坡。

生態袋護坡技術利用植物根系分布多穩固土體的特點不僅完美的保留了植物護坡持水性強的優勢，還借助袋裝土沿邊坡坡面向上分布的支擋結構為邊坡整體提供了一部分被動土壓力，從而達到減小邊坡孔隙率的效果。針對生態袋的相應研究也有許多：張紅［9］對植生袋適用條件進行總結，結果認為生態袋防護適用于坡度1∶1.5～1∶2.0 的黃土與粉土邊坡；葉彩娟［10］研究青藏鐵路安多車站的生態袋防護技術，得到適用于青藏地區特有的生態袋植被；葉金鵬［11］通過試驗對寧東羊場的生態修復效果進行評價，將包含生態袋在內的6種恢復技術進行對照，發現相同降雨條件下生態袋產生坡面徑流較裸坡減81.86%，說明生態袋護坡技術更好；梁兆興［12］利用雷達新技術探測已有的生態袋護坡工程基礎數據并進行數值模擬，說明生態袋護坡的穩定性較強。雖然學者們對生態袋護坡技術進行了降雨邊坡現象研究，得到生態袋有利于邊坡穩定的結論，但是實際影響邊坡穩定性的水文性質因素的研究還較為缺乏。生態袋支護下邊坡的入滲規律的研究也需要相應系統性試驗去驗證，故本文以張家口市某高10 m 土質邊坡為原型，根據相似原理設計共4種工況的邊坡模型試驗，模擬特大暴雨條件下不同坡比的生態袋防護降雨入滲，記錄生態袋防護下邊坡的各位置水文性質變化，分析不同條件的強降雨作用下生態袋護坡的入滲規律，為強降雨地區的邊坡防護設計提供參考。

1 降雨入滲模型試驗

1.1 試驗土樣物理性質指標與生態袋基本參數

本試驗堆積邊坡與生態袋填充材料的土取自張家口市某邊坡，依據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019）［13］進行土工試驗，邊坡用土基本物理性質如表1。生態袋填充土料基本物理性質指標如表2所示。生態袋使用材料性質如表3所示。

表1 邊坡用土基本物理性質指標Tab.1 Basic physical properties of slope soil

表2 生態袋填充土料基本物理性質指標Tab.2 Basic physical property index of ecological bag filled soil

表3 生態袋基本性能參數Tab.3 Basic performance parameters of ecological bag

1.2 試驗相似準則

本試驗以張家口某邊坡工程為原型，原型邊坡高10 m，寬4 m。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定在λl=10；同時在設計滲透模型試驗嚴格滿足滲透系數相似比λk=0.65，次要滿足干密度相似比λρ=1.02。由于本次降雨模型試驗不同于通常力學邊坡模型試驗，不僅需要考慮模型與原型的土樣物理性質，更重要的是降雨強度要滿足雨水入滲徑流的相似性。現階段對降雨強度相似性的討論較少，主要研究方法有參考流體的幾何相似，運動相似，動力相似來進行降雨強度的相似定量［14］。結合本次試驗選擇入滲徑流中的流體主導力為降雨相似的準則，確定降雨強度相似比λp=0.37。

最終模型與原型的各項物理指標見表4。

表4 模型試驗相似關系Tab.4 Model test similarity relationship

1.3 試驗設備

本試驗設備有邊坡模型箱、降雨裝置和傳感器監測裝置3個部分組成。模型試驗原理圖如圖1所示。

圖1 模型試驗箱示意圖（單位：mm）Fig.1 Schematic diagram of model test chamber

邊坡模型箱使用有機玻璃材質制成，整體尺寸為長1.5 m，寬0.4 m，高1.1 m。兩側分別預留傳感器孔洞，共在邊坡正背雙側面的不同位置放置德國Heraeus 公司ZKYC-8FF 土壤水分計、北京恒瑞科技公司GE Druck PDCR8 孔隙水壓力計、美國Steven 公司TensioMark 土壤水勢儀。具體布置位置與俯視圖如圖2、3 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 模型箱測點布置圖（單位：mm）Fig.2 Model box measuring point layout

圖3 模型箱俯視測點布置圖（單位：mm）Fig.3 Model box overlooking measuring point layout

1.4 試驗準備工作與方案

本次試驗的準備工作主要分為三項：生態袋有植被培育，邊坡的堆積與試驗使用降雨強度的率定。使用長37 cm，寬35 cm 聚丙烯（PP）生態袋裝土進行80%填充度裝填，并進行兩個月時間培育，效果如圖4。邊坡的堆積依據設定好的尺寸相似比、干密度相似比來控制堆積時土料的性質，按照10%質量含水率1.43 g/cm3的土壤干密度，80%的邊坡壓實度進行邊坡堆積。降雨率定按照相應參考文獻率定降雨強度并進行降雨均勻度計算［15］，得到的降雨強度為12 小時140.4 mm、本次降雨均勻度在86%，超過了模擬降雨標準要求的85%，因此認為試驗所用的降雨器降雨達到均勻［15］。

圖4 培育完成的生態袋Fig.4 Cultivating completed ecological bags

本次試驗基于2種不同坡比（1∶1.1）與（1∶0.6）的邊坡，進行特大暴雨條件下的不同植物生長條件（是否有植被）的生態袋支護邊坡模型降雨入滲試驗，具體工況介紹如表5。試驗的目的是對比觀察坡比以及生態袋植物自身對強降雨條件下邊坡的水文性質的影響。

表5 試驗工況介紹Tab.5 Introduction to test conditions

試驗開始前將降雨器進行調試，調試至降雨穩定開始試驗并計時。試驗期間每10～20 min對邊坡的3個位置（坡面、坡頂、坡底）的不同傳感器進行讀數，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，在邊坡內基質吸力逐漸下降，下降至一定數值不再變化并且坡體產生的裂紋不再擴展時確定邊坡主體部分已經達到穩定極限，此時試驗結束，終止計時。試驗效果展示如圖5～7。

圖5 試驗初始坡面狀態Fig.5 Test initial slope state

圖6 試驗中坡面狀態Fig.6 State of slope in test

圖7 試驗結束坡面狀況Fig.7 Condition of slope at end of test

2 試驗結果與分析

2.1 邊坡不同深度位置含水量變化規律

為了分析在強降雨條件下不同條件的邊坡坡體內不同深度位置的含水量變化，做出不同坡比（1∶1.1∶1∶0.6）在有植被生態袋與無植被生態袋支護下的坡底，坡頂，坡面位置處的含水量與降雨量關系圖如圖8～11，并且詳細列出各工況不同位置處含水量響應時間如表6。

表6 各工況不同位置含水量響應時間Tab.6 Water content response time at different locations under vari?ous working conditions

由圖8～11 可知，所有工況的都存在一些共同點：降雨開始前各位置深度的含水量穩定在8%～14%的區間；在降雨過程中，邊坡不同位置處的含水量均出現一個突變點，在這之前的含水量提升較快而隨后含水量的增長又變得緩慢，直至降雨結束含水量穩定在一個區間。降雨結束后，邊坡的坡底，坡頂，坡面位置的含水量分布在29.7%～37.4%之間。

圖8 坡比1∶1.1無植被生態袋支護邊坡的體積含水量與降雨量的關系曲線Fig.8 The relationship of water content in slope ratio 1∶0.6 used bags with no vegetation

圖9 坡比1∶0.6無植被生態袋支護邊坡的體積含水量與降雨量的關系曲線Fig.9 The relationship of water content in slope ratio 1∶1.1 used bags with no vegetation

圖10 坡比1∶1.1有植被生態袋支護邊坡的體積含水量與降雨量的關系曲線Fig.10 The relationship of water content in slope ratio 1∶0.6 used bags with vegetation

圖11 坡比1∶0.6有植被生態袋支護邊坡的體積含水量與降雨量的關系曲線Fig.11 The relationship of water content in slope ratio 1∶1.1 used bags with vegetation

以生態袋的植被生長情況做比較依據發現：無植被生態袋工況的坡底含水量變化響應在降雨前期較為密集，并且含水量峰值較低。坡頂與坡面的含水量響應時間也更長，但含水量峰值較高。由此可見無植被生態袋邊坡入滲順序從先到后可以歸納為：坡面，坡頂，坡底。與之相對應的是有植被生態袋工況的響應情況：邊坡含水量響應時間較無植被生態袋工況均有縮短，并且不同位置的響應時間相近。這就說明有植被生態袋工況不同位置入滲速率大都相近，并且整體速率快于同條件下的無植被生態袋工況。

以坡比為比較依據，比較不同坡比含水量與降雨量響應關系，可以發現坡比較低（1∶1.1）的邊坡與坡比較高（1∶0.6）的邊坡相比之下，響應入滲時間更短，并且含水量的峰值較低，可能的原因是坡比較小邊坡的受降雨面積更大從而導致入滲速率變快。

2.2 邊坡模型含水量增長速率分析

如圖12、13為不同坡比（1∶1.1；1∶0.6）在有植被生態袋與無植被生態袋支護下的含水量增長速率隨時間的變化圖。圖像整體情況表現為各位置含水量增長率呈先增長再下降的趨勢，其中增長率為0.04～0.05 的為整體數據的突變閾值區間。根據圖12、13 可以列出各個工況不同位置的突變開始時間與峰值如表7。

圖12 坡比1∶1.1與1∶0.6無植被生態袋支護邊坡含水量變化Fig.12 Slope ratio 1∶1.1 and 1∶0.6 slope water content changes used bags with no vegetation

圖13 坡比1∶1.1與1∶0.6有植被生態袋支護邊坡含水量變化Fig.13 Slope ratio 1∶1.1 and 1∶0.6 slope water content changes used bags with vegetation

表7 各工況含水量突變開始時間與峰值Tab.7 The onset time and peak value of abrupt change of water content in each working condition

以生態袋的植被生長情況做比較依據發現：所有工況的坡面位置含水量最先開始突變，無植被生態袋工況的坡頂與坡底在坡面發生突變后較久時間才開始突變，而有植被生態袋工況三個位置的突變開始時間都比無植被生態袋邊坡提前許多且相對集中。無植被生態袋工況所有位置的突變開始時間較有植被生態袋工況要慢，但突變峰值無植被生態袋更高。

上述現象表明，有植被生態袋工況的體積含水量突變速率更高。分析原因可能是：本試驗中使用的植被種類是高羊茅，被高羊茅覆蓋的生態袋表面主根莖直徑覆蓋面積廣并且分布均勻，雨水在降雨的過程中由原先無植被生態袋邊坡的沿坡面產生徑流流動變成沿著根莖-土交界面流動，優先流動的根莖-土流動入滲能力更強，含水量突變速率也比無植被生態袋邊坡更快。同時參考Green-Ampt 模型理論［16］發現由于有植被生態袋邊坡入滲速度變快，邊坡形成暫態飽和區需要的時間變長，在持續的強降雨狀態下雨水的入滲速度不會持續變快，而是在形成暫態飽和區之后隨坡面徑流離開，這就是有植被生態袋邊坡的突變峰值較小的原因。

2.3 孔隙水壓力變化規律

如圖14～17繪制了不同坡比（1∶1.1；1∶0.6）在有植被生態袋與無植被生態袋支護下的邊坡整體不同時間段孔隙水壓空間分布圖。從整體增長規律看，所有工況的孔隙水壓力增長都是隨著降雨由外到里逐漸增加，并且除坡比1∶1.1 有植被生態袋支護的邊坡以外所有其他工況的坡面處孔隙水壓最先達到最大值。

圖14 坡比1∶1.1無植被生態袋支護邊坡孔隙水壓變化Fig.14 Change of pore pressure of 1∶1.1 slope supported by ecological bag used no vegetation

圖15 坡比1∶0.6無植被生態袋支護邊坡孔隙水壓變化Fig.15 Change of pore pressure of 1∶0.6 slope supported by ecological bag used no vegetation

圖16 坡比1∶1.1有植被生態袋支護邊坡孔隙水壓變化Fig.16 Change of pore pressure of 1∶1.1 slope supported by ecological bag used vegetation

以生態袋的植被生長情況做比較依據比較發現：有植被生態袋工況坡面的孔隙水壓力增長速率較于無植被生態袋邊坡更慢，其紅色等值線包裹部分就對應了上一章提出的暫態飽和區，有植被生態袋工況入滲速率太快，暫態飽和區形成的遲，會影響后續的降雨入滲。

觀察不同坡比工況下有植被生態袋與無植被生態袋邊坡的孔隙水壓力分布發現：坡比角度較小的工況（1∶1.1）在有植被生態袋的保護下孔隙水壓力的延緩速度有明顯改善，但是坡比角度較大的工況（1∶0.6）在有植被生態袋的保護下，孔隙水壓力的延緩速率不如坡比較小的工況，并未產生足夠的延緩孔壓增長效果。分析原因可能是，由于坡比增大而增大的因重力影響的坡面徑流效果比植物根系作用下垂直入滲坡面的效果要更強。

圖17 坡比1∶0.6有植被生態袋支護邊坡孔隙水壓變化Fig.17 Change of pore pressure of 1∶0.6 slope supported by ecological bag used vegetation

3 討 論

3.1 生態袋支檔工程中最佳坡度取值范圍

由上文2.3 研究可知，在不同坡比的生態袋支護邊坡中，坡比低的邊坡（1∶1.1）較坡比高的邊坡（1∶0.6）延緩孔隙水壓上升速率的效果更好，即坡比越低生態袋支護的效果越好。但是這種效果不會一直因坡比越小而越好，必定有一個坡比范圍是最適用于相似條件下的生態袋支護邊坡。因此可以結合實際工程與本次試驗結論來確定一個最佳坡度取值范圍。

參考工程位于河北省張家口市懷來縣東八里鄉北部礦山區域，由于歷史原因在開采礦山期間并未落實礦山地質治理，從而形成大量高陡開采面、渣坡、渣堆、殘山，產生了地質災害隱患。在近十年來受到強降雨侵蝕形成滑坡斷層破壞地點達到15 處，破壞次數達到20 余次，其中大部分破壞地點受到多次破壞，亟需邊坡修復處理。工程概況圖如圖18。

圖18 治理區地貌圖Fig.18 Geomorphic map of the administrative area

從工程實際考慮，邊坡的坡度變化會影響邊坡支護方案的效果，因此對于不同坡度區域采用不同的支護方法。坡度≤30°區域：位于采面坡腳位置，多為廢棄渣石堆放形成的渣坡，在渣坡坡面覆土，間隔種植紫穗槐、從生金葉榆綠化；坡度30°～50°區域：掛網噴播生態袋綠化；坡度≥50°區域：錨桿加固生態袋綠化；該工程經過7年的生態袋防護治理，效果很明顯。

支護效果對比如圖19、20。

圖19 治理前的土質邊坡Fig.19 Soil slope before treatment

圖20 治理后經過降雨侵蝕邊坡Fig.20 After treatment，rainfall erodes the slope

結合工程實例中不同坡度使用的不同支護方法與本次試驗所得結論，發現在坡度30°～40°之中的邊坡支護中使用生態袋支護能達到較好的效果，在坡度≥50°時使用錨桿加生態袋支護能達到穩定支護的要求。

3.2 生態袋支護下邊坡的預警方法

3.2.1 基于體積含水率與飽和度的預警方法

參考文獻［17］中進行的滑坡預警試驗，設定一種以含水率為數據基礎的預警方法：在邊坡土體發生滑坡、斷裂等失穩性破壞時，記錄坡體各位置含水率值以及對應飽和度，作為邊坡失穩的預警安全值。結合本次生態袋支護邊坡試驗，以最終試驗結束時數據為參考，列出不同條件下生態袋護坡在強降雨下的預警數值（見表8）。

表8 基于體積含水率與飽和度的預警數值 %Tab.8 Warning values based on volumetric water content and saturation

由上述預警數值可以發現，邊坡最終各處體積含水率和對應飽和度都穩定在一定數值范圍。對類似工程提出以下建議：①在生態袋支護設置初期，植物生長情況較少，對邊坡不同位置監測含水率與相應飽和度，認為出現一處監測值達到含水率31%，飽和度60%即判定為達到安全警戒值，需進行安全防護措施；②在生態袋支護設置后期，植物生長狀況良好，對邊坡不同位置監測含水率與相應飽和度，認為出現一處監測值達到含水率37%，飽和度70%即判定為達到安全警戒值，需進行安全防護措施。

3.2.2 基于降雨入滲量與破壞時間的預警方法

通過記錄不同條件下邊坡的破壞時間及其對應的降雨入滲量來確定一種降雨下邊坡的預警方法。在實際工程可以通過雨強與降雨歷時的換算來起到預警作用。以下列出本次試驗的不同工況的降雨入滲量與破壞時間為相似實際工程做經驗預警（見表9）。

表9 基于降雨入滲量與破壞時間的預警數值Tab.9 Warning value based on rainfall infiltration and damage time

4 總 結

在兩種坡度下的強降雨邊坡模型試驗中，分別設置有植被生態袋支護與無植被生態袋支護邊坡進行試驗。初步得到生態袋護坡在強降雨條件下邊坡的入滲規律：

（1）無植被生態袋工況不同位置的入滲速率排布為：坡面＞坡頂＞坡底。有植被生態袋工況不同位置入滲速率大都相近，并且整體速率快于同條件下的無植被生態袋工況。

（2）有植被生態袋工況因根莖-土交界面流動的效果的體積含水量突變速率更高，從而使得暫態飽和區生成范圍變大，生成時間變長。同時因暫態飽和區的效果強降雨中孔隙水壓的提升速度會大幅減慢，但在高坡比生態袋支護工況中，有植被生態袋的減慢孔隙水壓提升的效果并不明顯。在實際工程應用當中應當考慮在合適坡比的邊坡中使用生態袋支護。

（3）結合當地實際工程經驗與本次試驗的結果，可以確定一個適用生態袋支護的邊坡坡比范圍：30°～40°。另外提出適用于與本次試驗類似條件下的生態袋支護邊坡工程預警方法，分別使用體積含水率、飽和度與降雨入滲量、破壞時間來為相似實際工程提供預警。