孟慶生 黃啟舒 蘭素戀

摘要：研究花崗巖殘積土邊坡降雨入滲的規(guī)律，可指導(dǎo)花崗巖殘積土邊坡的防護設(shè)計。文章針對花崗巖殘積土邊坡雨水入滲規(guī)律，研究裸坡與加防護邊坡雨水入滲的變化規(guī)律。試驗采用兩種工況進行模擬降雨入滲試驗。結(jié)果表明：（1）雨水在入滲花崗巖殘積土邊坡時，入滲的路線大致呈“平拋物線”型，其坡內(nèi)土體的含水率大致呈斜向的“L”型;（2）加客土噴播防護邊坡坡體內(nèi)相同含水率的連線與邊坡面距離比裸坡含水率連線與邊坡面距離平均靠前了6 cm，采用客土噴播防護可以有效地減少雨水入滲。

關(guān)鍵詞：邊坡;花崗巖殘積土;含水率;降雨入滲

The study on rainfall infiltration law of granite residual soil slope can guide the protection design of granite residual soil slope.Regarding the rainwater infiltration law of granite residual soil slope，this article studies the variation law of rainwater infiltration at bare slope and protective slope.The test uses two working conditions to simulate the rainfall infiltration test.The results show that：（1） When the rainwater is infiltrated into the granite residual soil slope，the infiltration route is roughly “flat parabola” type，and the water content of soil body in the slope is roughly in the oblique “L” direction;（2）The distance between the connection line and the slope surface with the same water content in protective slope with spraying borrowed soil is 6 cm higher than the distance between the connecting line of bare slope water content and the slope surface，thus the protection of borrowed soil spraying can effectively reduce the infiltration of rainwater.

Slope;Granite residual soil;Water content;Rainfall infiltration

0 引言

隨著我國高速公路的快速發(fā)展，越來越多的邊坡出現(xiàn)在高速公路的兩側(cè)。對于邊坡來說“十水九害”，因此國內(nèi)外學(xué)者對于降雨沖刷和降雨入滲進行了研究[1-14]。其中杜婷婷、李志清等[1]以黃土邊坡為研究對象，采用自主研制的降雨裝置進行降雨試驗，通過試驗研究不同的參數(shù)對邊坡防護效果的影響。劉澤、李友云[2]通過建立全風(fēng)化花崗巖數(shù)值模型，對比邊坡在降雨和沖刷條件下的狀態(tài)，得出坡面沖刷安全系數(shù)的影響趨勢。樓平、程鵬等[5]首先通過試驗的方法研究了斜坡體滲透性變化特征，再通過數(shù)值模擬方法研究典型土坡的降雨入滲過程。潘俊義、候大勇等[6]通過開展野外人工模擬降雨試驗，測試不同降雨強度條件下降雨入滲過程和邊坡應(yīng)力變化特征。

本文以某工程的花崗巖殘積土邊坡為項目依托，并取回現(xiàn)場的花崗巖殘積土進行室內(nèi)試驗?zāi)M，研究在降雨條件下花崗巖殘積土在有防護條件下和無防護條件下的入滲規(guī)律，并為設(shè)計防護提供依據(jù)。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

本文試驗用土取自某工程的花崗巖殘積土邊坡，土樣取回后，試驗根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTGE40-2007）對其基本物理性質(zhì)進行測定，結(jié)果如表1所示。

室內(nèi)研究的花崗巖殘積土邊坡，是模擬高速公路的實際邊坡，采用在最優(yōu)含水率19.5%下進行壓實，已達到自然邊坡的壓實度。經(jīng)過風(fēng)干后的土樣含水率大約為ω=5.6%，為了保證壓實度，需要將土樣配制到最優(yōu)含水率。

試樣土樣制備過程：

（1）計算做試驗?zāi)Ｐ退柰翗拥馁|(zhì)量，記為m0，考慮到拌合損失記乘以系數(shù)1.1后記為m1;

（2）測定所取初始土樣的原始含水率ωo;

（3）根據(jù)最佳含水率（ωop=19.5%），計算增加的水量m2;

（4）采用霧狀噴頭配制土，控制m1的土對應(yīng)m2的水量;

（5）配制完成后將土樣放入塑料桶中，密封保存72 h，使土樣水分均勻;

（6）進行邊坡制作。

1.2 試驗儀器

儀器采用自行設(shè)計的邊坡模擬裝置，進行邊坡降雨模擬試驗。其包括有邊坡模擬裝置、邊坡固定裝置、人工降雨裝置等。其中邊坡模擬裝置為透明的有機高分子板，具體尺寸為（長×寬×高）：90 cm×20 cm×50 cm。將所用的邊坡模擬裝置架好后進行錘制邊坡，放入降雨裝置下面進行降雨入滲試驗，如圖1～2所示。

1.3 試驗方案

本文主要研究工況1（無防護的花崗巖殘積土邊坡）和工況2（加客土噴播防護的花崗巖殘積土邊坡）在降雨條件下的雨水入滲規(guī)律。因此試驗設(shè)計降雨量為2.0 mm/（min·m2），分別對工況1和工況2進行邊坡降雨入滲試驗，降雨時間為2 h，如圖3所示。試驗完成后按照圖4取土樣進行含水率測量。

2 降雨入滲試驗結(jié)果

本試驗是根據(jù)工況1（花崗巖殘積土裸坡）、工況2（加客土噴播防護的花崗巖殘積土邊坡）在降雨條件下的邊坡入滲情況，按上述試驗方案制作模型邊坡，坡體經(jīng)過壓實后，進行降雨量為2.0 mm/（min·m2）的降雨入滲室內(nèi)試驗。在試驗過程中觀察邊坡坡面的變化情況，當坡面出現(xiàn)較大的變化時記錄坡面情況。

2 h后試驗結(jié)束，工況1邊坡表面殘積土流失嚴重，花崗巖殘積土模型在接近坡腳處出現(xiàn)沖溝，部分土體滑塌，部分沖溝中還存有積水（見圖5）。然后將坡體挖開按圖4邊坡取土點進行取土，采用烘干法測量含水率。將含水率按照邊坡取土測量含水率，并以2%含水率為界限畫出邊坡含水率的分布圖，并在邊坡上按含水率進行連線（見圖6）。

而工況2邊坡表面客土噴播層在坡腳處局部有被雨滴濺蝕的小坑槽，坡體保存完好，無沖溝和垮滑塌現(xiàn)象（見圖5）。工況2的邊坡含水率分布如圖7所示。

3 降雨入滲試驗結(jié)果分析

工況1坡面出現(xiàn)沖溝和部分土體滑塌，主要是因為邊坡沒有防護，雨水與花崗巖殘積土坡面直接接觸，然后下落的雨滴受重力的作用由重力勢能轉(zhuǎn)換為動能，最后作用在坡面上，對坡體表面的殘積土形成了沖擊。坡體的土顆粒在受到外力的作用下，發(fā)生了移動，而隨著降雨的持續(xù)，坡面上的水流對已經(jīng)松動的土顆粒提供了一個沿著坡面向下的推力，當推力足夠大時便使土顆粒隨著水流一起運動。如此反復(fù)，使坡面上出現(xiàn)沖溝和坑槽。由圖6可知，在降雨入滲邊坡的過程中，坡體表面先達到飽和然后再由飽和區(qū)域向坡體內(nèi)進行水分遷移。在雨水入滲坡體的過程中，雨水被土體不斷吸收，從而使外界的雨水對坡體的影響越來越小。而在這一過程中，受重力的影響，雨水浸入邊坡不再是一條平行線，其路線應(yīng)大致呈“平拋物線”狀。雨水在邊坡坡面有沖溝和坑槽的時候，雨水會匯集到此處，因此在此位置的同一水平面上的土體更容易與雨水接觸，所以此水平面的含水率偏高。

對比圖6和圖7可以看出，邊坡內(nèi)相同含水率的土體，工況2的位置要比工況1的位置平均靠前6 cm左右，且其形成的傾斜的“L”形狀不是特別明顯。主要原因是：工況2坡面由于采用了客土噴播的防護，且因為模型上的客土噴播采用的是黏土，其抗沖刷能力要大于花崗巖殘積土，所以其表面在降雨作用下雨水未能形成明顯的沖溝，從而對邊坡進行了良好的保護。坡面在沒有沖溝時，雨水在坡面上迅速流走，使坡體上的雨水較小;而雨水要先將坡上客土噴播層浸濕至飽和，才能作用于防護層下面的殘積土邊坡。因此防護層下的殘積土邊坡不與雨水直接接觸，大部分的雨水被排走，坡體受到雨水的入滲影響也相對較小，同時相同含水量的土體位置也相應(yīng)更靠近坡面。

4 結(jié)語

本文通過模擬花崗巖邊坡降雨試驗研究，得到如下結(jié)論：

（1）雨水在入滲花崗巖殘積土邊坡的過程中，入滲的路線大致呈“平拋物線”型，其坡內(nèi)土體的含水率大致呈斜向的“L”型。

（2）加客土噴播防護邊坡坡體內(nèi)相同含水率的連線與邊坡面距離比裸坡含水率連線與邊坡面距離平均靠前了6 cm。這說明在坡面設(shè)置客土噴播層，可以有效地減少雨水對坡體的沖刷和雨水的入滲。

參考文獻：

[1]杜婷婷，李志清，王曉明，等.黃土邊坡降雨沖刷模型試驗研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2018，26（3）：732-740.

[2]劉 澤，李友云.全風(fēng)化花崗巖邊坡坡面降雨沖刷數(shù)值模擬分析[J].湖南交通科技，2018，44（2）：58-63.

[3]馮秋燕.黃土建筑邊坡徑流沖刷關(guān)鍵部位及防護技術(shù)研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2018.

[4]向 昊，余青霖，于云鵬.降雨條件下黏土邊坡沖刷水毀試驗研究[J].山西建筑，2018，44（2）：80-81.

[5]樓 平，程 鵬，金國亮，等.非飽和土邊坡降雨入滲特征及其對斜坡穩(wěn)定性的影響[J].人民珠江，2019，40（2）：45-50，69.

[6]潘俊義，侯大勇，李榮建，等.不同雨強下黃土邊坡降雨入滲測試與分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2018，26（5）：1170-1177.

[7]吳 謙，王常明，李同錄，等.黃土邊坡降雨沖刷試驗及顆粒流模擬[J].長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，37（6）：1-8.

[8]李 凱，傅鶴林，黃 震，等.椰纖維網(wǎng)邊坡防護降雨沖刷試驗研究[J].公路與汽運，2017（4）：120-123.

[9]安友理.鐵路路基邊坡降雨沖刷行為與規(guī)律的研究[J].建材與裝飾，2017（18）：267-268.

[10]李 芬，吳福寶，武江濤.砂性土邊坡沖刷量計算及試驗研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），2016，40（2）：289-292.

[11]陳開圣.紅黏土邊坡降雨沖刷試驗研究[J].公路工程，2015，40（5）：18-22.

[12]王 鮮，倪萬魁，劉海松，等.黃土邊坡坡面降雨沖刷破壞機制模擬試驗[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2015，26（3）：41-45.

[13]黃曉虎，王常明，宋朋燃，等.黃土邊坡降雨侵蝕特征的物理模擬試驗研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2015，23（4）：725-729.

[14]王 鮮.人工填挖土質(zhì)邊坡沖刷試驗研究[D].西安：長安大學(xué)，2015.