降雨一日曬循環下坡度對膨脹土邊坡滲流及侵蝕的影響研究

關鍵詞：邊坡工程；膨脹土；滲流特性；侵蝕規律；模型試驗

中圖分類號：U416. ↑⁺4 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.002

文章編號：1673-4874（2025）03-0005-04

0 引言

膨脹土是一種富含親水性礦物的特殊黏土，具有明顯的脹縮性和裂隙性，其極易因水分變化而發生脹縮，進而導致土體軟化和開裂[1-2]。大量研究表明，降雨－日曬循環是誘導膨脹土邊坡失穩的主要環境因素[3-7]。降雨一日曬循環誘發膨脹土邊坡失穩的機理較為復雜，包括降雨入滲導致土體基質吸力減小甚至喪失、降低潛在滑動面的抗滑能力及裂縫發育等。值得注意的是，坡度是影響降雨入滲行為和坡面侵蝕破壞重要參數。因此，研究降雨-日曬循環下坡度對降雨入滲規律的影響具有重要工程價值。

近年來，許多學者就膨脹土邊坡坡度對邊坡滲流及穩定性的影響開展了大量的模型試驗。徐光明等8針對雨水入滲下坡度對膨脹土邊坡穩定性的影響，開展了2組不同坡度的離心模型試驗，揭示了降雨條件下膨脹土開挖邊坡的破壞機理；董宏源等9通過模型試驗，分析不同坡度下膨脹土邊坡在降雨條件下的徑滲流規律，發現在一定范圍下提高坡度有利于控制坡體含水量的變化；謝燦榮等[1采用現場試驗及數值模擬的方法，研究降雨條件下坡度及坡長膨脹土邊坡徑滲流規律。上述模型試驗大多針對單降雨事件進行的，未考慮干濕循環對膨脹土土體性質變化的影響。大量研究表明降雨-日曬循環作用對膨脹土的裂隙性及水力特性有劣性影響[11-14]，且實際的膨脹土邊坡往往會經歷自然條件下的干濕循環，僅進行單降雨事件難以還原膨脹土邊坡的真實變化情況。

基于此，本研究開展 30^°，45^° 及 60^° 三種坡度下的模型試驗，分析5次降雨一日曬循環作用過程中不同坡度邊坡的土體含水率變化、坡表徑流量變化及坡表侵蝕形態變化規律，探討干濕循環作用下坡度對邊坡穩定性的影響，為雨熱同季的膨脹土地區邊坡安全防控提供參考。

1材料及方法

1.1 試驗材料

試驗所用膨脹土取自南寧市水牛研究所附近，距離地面約1m深，顏色呈較深的灰白色。根據《公路土工試驗規程》JTG3430一2020）測試了試驗膨脹土的基本物理性質，如表1所示，其中其自由膨脹率為 70.5% ，屬于中等膨脹土。

1.2 試驗裝置

模型試驗所用試驗裝置主要包括模型槽、降雨-蒸發系統、數據采集系統以及雨水收集器。模型槽包括可移動式模型架、模型箱，模型箱尺寸為 140cm×40cm× 20cm;降雨-蒸發系統包括霧化噴頭、水管、恒壓水泵、不銹鋼水箱、集水桶以及制熱燈泡，其中制熱燈泡為浴霸，集水桶為大容量水桶（如圖1所示）。

為更好地反映邊坡入滲情況，設置采集時間間隔為2h，設計水分傳感器的埋設位置在邊坡中部，距離坡表5 cm、10cm和15cm（測點編號 S₁，S₂ 和 S₃ ，如圖2所示。

大幅度增加，其中 30^° 邊坡的 S₁ 測點土體含水率增幅最大，達到 13.9%，45^° 邊坡的 S₁ 測點土體含水率增幅也有9.9% ，而 ^60° 邊坡的 S₁ 測點土體含水率增幅僅為 7.6% .幾乎為 30^° 邊坡相同位置監測點土體含水率變化幅值的50% 。由圖3（b）可知，在降雨-日曬循環的后三次循環中，三種邊坡在 S₂ 測點處同樣具有土體含水率變化幅度隨坡度增加而減小的規律。其中 30^° 邊坡的 S₂ 測點土體含水率變化幅度為 9.4%～13.2% ，而 45^° 邊坡和 ^60° 邊坡的 S₂ 測點土體含水率變化幅度僅有 5%～9% 。在前兩次循環過程中， 60^° 邊坡土體含水率幾乎無變化， 45^° 邊坡在第二次循環時傳感器才出現響應。由圖3（c可知，三種邊坡的 S₃ 測點土體含水率變化均存在一定的滯后性，即土體含水率在降雨后依然繼續增大，這種現象在^60° 邊坡和 45^° 邊坡尤為明顯。原因是邊坡深處裂隙不發育或數量極少，膨脹土邊坡與外界的水分交換主要發生在淺層，直至降雨一日曬循環后期，邊坡表層裂隙發育程度較高時水分才開始以較快速率入滲至 S₃ 測點處。

1.3 試驗方法

試驗設計了坡度為 30^° 、45°和 ^60° 的三種邊坡。試驗膨脹土經曬干、粉碎和過篩后，按照 19% 的土體含水率對試驗土加水調配，隨后置于培土箱中密封靜置 3～4d 然后按照 90% 的壓實度將試驗土分層填筑于模型箱，共分四層填筑，每層控制為5cm。

本試驗為對邊坡施加干濕循環的條件，使用降雨設備及照明供熱設備模擬降雨一日曬交替進行的情況，設計單次干濕循環的氣候歷程為：陰天 $$ 雨天 $$ 陰天 $$ 雨天 $$ 陰天 $$ 晴天，單次循環歷時48h。各階段天氣的歷時設計如表2所示，其中陰天為不對邊坡做特殊處理，雨天使用噴頭模擬降雨，根據南寧地區實際的降雨強度將試驗雨天的降雨強度定為 75mm/h ，晴天則使用浴霸升溫模擬太陽光照。

2 結果與分析

2.1邊坡土體含水率變化

如圖3所示為不同坡度的邊坡在相同測點處的土體含水率在降雨一白曬循環過程的變化曲線。由圖3（a）可知，三種邊坡距離坡表5cm的S測點處，土體在第一次循環中首次降雨時含水率便發生變化，但變化幅度不大，原因是膨脹土脹縮現象還未發生，坡體未形成降雨入滲路徑；在第一次循環中第二次降雨時土體含水率出現較

2.2邊坡徑流量和土體沖刷量變化

在相同降雨強度條件下， 30^° 、45°和 ^60° 邊坡實際受到降雨作用的投影長度分別為 1.039m.0.849m 和0.6m ，即在相同降雨強度作用下，邊坡受到降雨作用的投影面積為0.2078m、0.1698m和 0.12m² 。根據試驗降雨強度及每次循環的降雨時長，得到每次循環邊坡的降雨總量。由于蒸發階段在兩次降雨事件結束后忽略由蒸發所損失的降雨量，坡內降雨總量等于徑流量與入滲量之和。如表3所示為每次循環的降雨信息。

如圖4所示為三種邊坡在降雨一日曬循環過程中的徑流量變化曲線，如圖5所示為三種邊坡在降雨一日曬循環過程中的入滲量變化曲線。由圖4可知，三種邊坡徑流量整體變化呈現隨降雨-日曬循環次數增加而減少的趨勢，且徑流量變化速度隨坡度增大而減小。原因是隨著循環次數的增加，膨脹土不斷發生干縮濕脹而導致裂隙的發育，此時雨水沿裂縫滲入邊坡。由圖5可知，30^° 邊坡入滲量最大，其原因是較緩邊坡增加了雨水在邊坡上的停留時間，延長了雨水入滲的時間。

如圖6所示為邊坡土體沖刷量隨降雨一日曬循環次數增加的變化曲線。由圖6可知，三種邊坡土體的沖刷量變化趨勢基本一致。首次循環之后均有較大的土體沖刷量，后隨降雨一日曬循環次數增加而呈逐漸增加的趨勢，土體沖刷量隨坡度增加而減小。坡度減緩引起土體沖刷量增加的原因可歸結于坡表的裂隙發育情況， 30^° 邊坡和 45^° 邊坡在干濕循環過程中裂隙發育程度及中下部侵蝕現象較 ^60° 邊坡明顯，而 ^60° 邊坡在最后一次循環時土體沖刷量出現劇烈增長，這是因試驗誤差引起的，原因是邊坡左側部分區域出現局部坍塌。

2.3坡面侵蝕規律

如圖7所示展示了三種邊坡在五次循環過程中坡表形態的變化情況。由圖7（a）可知， 30^° 邊坡進行第一次循環后坡面產生少量短裂縫，坡面底部由于坡表徑流的作用而出現一定程度的侵蝕現象；第二次循環后，邊坡底部由于受到徑流的作用而出現較大面積的侵蝕，裂縫有貫通趨勢，邊坡中部出現少量 3～4cm 長的短裂縫，邊坡上部裂縫數量和長度有較明顯的增加，同時發現2條橫向裂縫形成貫通；三次循環后，邊坡中部出現明顯裂縫，此時整個坡面均受到不同程度的侵蝕；在第四次循環結束時，坡底出現明顯的淺型溝壑，原因是坡底土體吸水軟化后極易被沖刷；第五次循環時坡底出現明顯龜裂的現象，邊坡中上部裂縫形成貫通。

由圖7（b）可知，45邊坡在前兩次降雨-日曬循環結束后坡表形態變化不明顯，邊坡部分區域內填筑不牢固的土體受雨水沖刷而流失；第三次循環結束后，邊坡中上部出現少量短裂隙，坡底因雨水沖刷而產生局部弱侵蝕；第四次、第五次循環后坡表的變化主要體現在邊坡裂縫數量和長度的增加，以及坡底因坡表徑流引起的微弱的局部侵蝕。

由圖7（c可知， 60^° 邊坡前三次循環結束后坡表形態幾乎無變化，僅在邊坡中上部及左側出現少量裂縫；第四次循環后，邊坡中上部出現明顯的變化，此階段裂縫快速發育并貫通，并發生局部隆起；第五次循環結束后，邊坡左側局部發生坍塌，邊坡上部裂隙數量劇增且形成貫通。

3結語

（1）降雨一日曬循環作用下三種邊坡在相同測點的土體含水率呈現隨坡度增大而減小的趨勢，尤其在前三次干濕循環過程中， 45^° 和 ^60° 邊坡土體的含水率變化明顯低于 30^° 邊坡的相應值；邊坡土體的含水率變化具有一定的滯后性，降雨結束后邊坡深部土體的含水率仍在小范圍增加。

（2）邊坡徑流量受到降雨-日曬循環作用的影響隨坡度的增加而降低，但不同坡度徑流量的變化規律基本一致，呈現隨干濕循環次數增加而減小的規律，且邊坡的入滲量呈現隨干濕循環次數增加而逐漸增加的趨勢，三種邊坡的土體沖刷量變化趨勢基本一致。

（③隨降雨一日曬循環作用，邊坡坡面逐漸受到侵蝕，且坡度越低侵蝕現象越明顯。 30^° 邊坡受到侵蝕作用最明顯，并在干濕循環后期出現了局部失穩現象； 45^° 和^60° 邊坡坡面形態變化相對較小，但 ^60° 邊坡的裂縫發育侵蝕的速度較45°邊坡快。 ②

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