周 成，王一冰，王 涵，譚昌明

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610065；2.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610041)

滑坡災(zāi)害成因復(fù)雜，各種自然因素和人為因素都可能會(huì)誘發(fā)滑坡，其中，降雨是導(dǎo)致土質(zhì)邊坡滑動(dòng)破壞的一個(gè)主要因素。降雨條件下雨水的入滲會(huì)增大坡土的重度，坡體內(nèi)水位的抬升會(huì)增大飽和區(qū)的孔隙水壓力，降低非飽和區(qū)的基質(zhì)吸力，降低坡土的抗剪強(qiáng)度。在2016年全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計(jì)中，滑坡災(zāi)害就占了76.24%[1]，因此，深入研究降雨條件下土坡滑動(dòng)破壞規(guī)律對(duì)我國(guó)防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

近年來，國(guó)內(nèi)外一系列學(xué)者開展了針對(duì)降雨條件下土坡失穩(wěn)破壞等方面的研究，并取得了一系列成果。文獻(xiàn)[2-9]分別利用數(shù)值方法及數(shù)值模擬軟件、模型試驗(yàn)等手段對(duì)降雨邊坡的水土特性、變形破壞規(guī)律等進(jìn)行了研究。而在降雨條件下，含礫土坡中礫石含量的不同會(huì)對(duì)坡土的水土特性產(chǎn)生重要影響，例如，Hlavikov等[10]研究發(fā)現(xiàn)礫石會(huì)降低邊坡的持水能力并且會(huì)加速動(dòng)水循環(huán)；任敏[11]提出土體飽和導(dǎo)水率隨礫石含量增加先減小后增大。降雨條件下，受含礫量影響，坡土內(nèi)部應(yīng)力分布、土體強(qiáng)度、水土特征等性質(zhì)急劇改變，使得土坡表現(xiàn)出不同的變形破壞特征。還有學(xué)者試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，降雨期間土體飽和度的梯度變化是影響含礫石土降雨入滲深度的重要原因[12]，邊坡坡度及礫石含量是影響含礫土坡入滲及產(chǎn)沙的重要因素[13]，礫石土斜坡的土體強(qiáng)度和斜坡穩(wěn)定性隨著土體含水量的增加均存在明顯的臨界特征[14]，礫石土坡的坡面侵蝕變化具有明顯的階段性特征[15]。

另一方面，長(zhǎng)時(shí)間降雨易造成降雨區(qū)下游水位上升，導(dǎo)致坡腳在水的浸泡作用下崩解破壞，進(jìn)一步威脅邊坡穩(wěn)定性。針對(duì)坡腳浸泡引起的邊坡變形失穩(wěn)問題，顏宇森等[16]針對(duì)含碎石土滑坡進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)和邊坡穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)坡腳浸水軟化是該滑坡發(fā)生的主要誘因；賈官偉等[17]開展的大型模型試驗(yàn)表明水位驟降是導(dǎo)致坡體失穩(wěn)的主要因素；楊春寶等[18]利用離心模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水位上升過程中浸泡作用會(huì)導(dǎo)致粉土邊坡濕陷變形，在降水位過程中則會(huì)進(jìn)一步發(fā)生邊坡的多重淺層滑動(dòng)破壞。

為進(jìn)一步揭示不同含礫量的土坡在坡面降雨和坡腳浸泡作用下的水土特性和變形破壞規(guī)律，本文開展了不同含礫量土坡在降雨和坡腳浸泡條件下的模型試驗(yàn)。利用體積含水率和吸力傳感器測(cè)試了含礫量分別為10%,20%和40%的含礫坡土的水土特性，觀測(cè)了邊坡的濕潤(rùn)鋒的發(fā)展過程，利用PIV技術(shù)研究了降雨條件下邊坡的位移變形過程，通過控制坡腳水位及后續(xù)加載，研究了坡腳浸泡作用下土坡的沉降變形規(guī)律。

1 坡面降雨和坡腳浸泡模型試驗(yàn)

1.1 坡面降雨模型試驗(yàn)裝置及傳感器設(shè)置

降雨模型試驗(yàn)裝置由框架式模型槽、降雨系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分組成，試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置見圖1。模型槽的長(zhǎng)、寬、高分別為200，50和50 cm，模型槽由方鋼骨架和透明鋼化玻璃壁組成，槽底鋪設(shè)硬木板模擬穩(wěn)定坡體，下部設(shè)由千斤頂固定的硬木擋板以模擬坡腳擋墻，并設(shè)置上下兩排排水孔以防止坡腳水位太高[19]。試驗(yàn)分3組進(jìn)行，坡土含礫量分別為10%，20%和40%，每組采用固定坡比(1∶1)和降雨強(qiáng)度(100 mm/h)。

圖1 模型試驗(yàn)裝置及傳感器埋設(shè)示意(單位：cm)Fig.1 Schematic diagram of model test equipment and sensor set up (unit:cm)

降雨系統(tǒng)采用噴頭式降雨系統(tǒng)，由噴頭、供水管線和流量計(jì)3部分組成。試驗(yàn)過程中通過旋轉(zhuǎn)噴頭大小來達(dá)到霧化降雨的效果，模型邊坡有效降雨面積約1 m2。流量計(jì)采用LZS-15型浮子流量計(jì)，可為試驗(yàn)邊坡監(jiān)測(cè)0～100 mm/h的降雨強(qiáng)度。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由吸力傳感器、體積含水率傳感器和位移測(cè)量系統(tǒng)3部分組成。吸力傳感器采用高精度數(shù)字信號(hào)張力計(jì)，傳感器量程100 kPa，精度1 Pa。體積含水率傳感器采用EC5小型土壤水分傳感器，具有精度高、防水能力強(qiáng)和對(duì)周圍土體擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。在邊坡中軸線的縱斷面上共設(shè)置6個(gè)傳感器埋設(shè)點(diǎn)，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)坡腳、坡中、坡頂3個(gè)斷面的水土特征變化，各個(gè)測(cè)點(diǎn)①～⑥傳感器埋設(shè)見圖1。每個(gè)埋設(shè)點(diǎn)各放置1個(gè)含水率傳感器和1個(gè)吸力傳感器，兩種傳感器之間留出5 cm的水平距離。

試驗(yàn)過程中采用相機(jī)進(jìn)行全程定時(shí)拍照，利用粒子圖像測(cè)速技術(shù)(Particle Image Velocimetry，簡(jiǎn)稱PIV技術(shù))處理位移照片，獲取降雨過程中的邊坡位移數(shù)據(jù)。PIV技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)來獲取邊坡某些特征平面上位移數(shù)據(jù)的一種新型位移量測(cè)技術(shù)，通過對(duì)模型槽側(cè)壁上的控制點(diǎn)(本次試驗(yàn)共選取40個(gè)高質(zhì)量控制點(diǎn))進(jìn)行標(biāo)定以確定控制點(diǎn)的精確坐標(biāo)，針對(duì)試驗(yàn)照片中的土體分析區(qū)域進(jìn)行單元網(wǎng)格的像素位移分析，將土體單元網(wǎng)格的像素位移信息通過已標(biāo)定控制點(diǎn)的精確坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為土體實(shí)際位移信息，生成邊坡土體的變形矢量圖。

1.2 坡腳浸泡模型試驗(yàn)裝置及傳感器設(shè)置

坡腳浸泡模型試驗(yàn)裝置由框架式模型箱、水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分組成。模型箱由方鋼骨架、透明鋼化玻璃槽身和角鋼支撐組成。模型箱尺寸為300 cm×100 cm×70 cm，模型裝置如圖2所示。試驗(yàn)邊坡分為3段，每段長(zhǎng)90 cm，含礫量分別為10%，20%和40%，坡比均為1∶1。邊坡模型高度為50 cm，坡腳水位上升過程分為4級(jí)，每級(jí)上升10 cm，最高水位控制為40 cm(見圖2和3)。

圖2 坡腳浸泡模型裝置縱斷面(單位:cm)Fig.2 Longitudinal profile of slope toe immersion model test equipment (unit:cm)

圖3 傳感器埋設(shè)位置橫剖面(單位:cm)Fig.3 Transverse profile of sensor burying position (unit:cm)

水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)由供水管線、消能室、水位平衡及出水端組成。供水管線提供試驗(yàn)用水；消能室設(shè)置在模型箱封閉端以緩沖水流，避免水位上升過程中出現(xiàn)波動(dòng)干擾；水位平衡及出水端由平衡管、調(diào)節(jié)支架及閥門組成，通過調(diào)節(jié)平衡管末端高度及閥門開關(guān)來控制模型箱內(nèi)部水位，利用連通器原理在特定階段保持水位恒定[19]。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由吸力傳感器和體積含水率傳感器組成。在每個(gè)坡段的中軸線的橫斷面上平行于坡面布置3組傳感器，其中各個(gè)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)位置如圖3所示，自坡頂向下垂直距離每隔10 cm、距坡面的水平距離為15 cm處，布置一組含水率傳感器和吸力傳感器，兩種傳感器之間留出5 cm的水平距離。

水位到達(dá)指定高度之后，觀測(cè)邊坡變形及各監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感器的數(shù)據(jù)，待邊坡變形穩(wěn)定且傳感器數(shù)據(jù)不再變化后上升到下一級(jí)水位。待水位上升至40 cm且邊坡各項(xiàng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后開始降低水位，降低水位過程不再分級(jí)控制，通過水位平衡管以恒定流速排水，直至水位降至10 cm。上述步驟稱為一個(gè)浸泡循環(huán)過程。待第一次循環(huán)結(jié)束且邊坡各項(xiàng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后開始下一次循環(huán)，并在各個(gè)坡段的坡頂均勻施加25 kPa的荷載，直至模型邊坡發(fā)生破壞或者變形基本穩(wěn)定。

1.3 模型試驗(yàn)的坡土性質(zhì)

采用不同配比的細(xì)粒土、砂、礫石制備模型試驗(yàn)用土。測(cè)得細(xì)粒土的比重為2.661，天然含水率為19.24%，最優(yōu)含水率為20.59%，最大干密度為1.638 g/cm3；不均勻系數(shù)Cu為10，曲率系數(shù)Cc為1.878，級(jí)配良好；塑限為21%，液限為35%，屬低液限粉土。砂屬級(jí)配不良砂，比重為2.755，天然含水率為7.21%；礫石比重為2.78，天然含水率為3.00%。由上述土料配制含礫量分別為10%，20%和40%的試驗(yàn)用土，級(jí)配曲線見圖4，基本物理力學(xué)參數(shù)及飽和后不同含礫量土料抗剪強(qiáng)度參數(shù)的下降比例見表1。填筑密度按照85%壓實(shí)度控制。

圖4 不同含礫量坡土的級(jí)配曲線Fig.4 Grading curves of slope soil with different gravel contents

表1 不同含礫量坡土的基本物理力學(xué)參數(shù)及飽和作用下抗剪強(qiáng)度參數(shù)下降比例Tab.1 Basic physical and mechanical parameters of slope soil with different gravel contents and decreasing ratios of shear strength parameters under saturation condition

2 模型試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 坡面降雨模型試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1體積含水率及吸力變化規(guī)律分析 通過監(jiān)測(cè)坡體內(nèi)部各特征點(diǎn)的體積含水率及吸力的變化，并結(jié)合邊坡濕潤(rùn)鋒發(fā)展過程，分析了不同含礫量對(duì)坡土內(nèi)部土水特性的影響規(guī)律。對(duì)采集到的體積含水率及吸力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別得到各組試驗(yàn)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)體積含水率及吸力的變化曲線(圖5)，其中各個(gè)測(cè)點(diǎn)①～⑥的位置見圖1。

圖5 不同含礫量坡土的體積含水率和坡土吸力隨降雨歷時(shí)的變化曲線Fig.5 Variation curves of volume moisture content and suction of slope soil with different gravel contents during rainfall

由于含礫量為40%的降雨模型試驗(yàn)的供水系統(tǒng)在試驗(yàn)進(jìn)行至56 min時(shí)發(fā)生故障，降雨短暫中斷，時(shí)長(zhǎng)約6 min，故期間各監(jiān)測(cè)點(diǎn)體積含水率明顯下降，恢復(fù)降雨后各項(xiàng)數(shù)據(jù)重新恢復(fù)正常。含礫量20%的降雨模型試驗(yàn)中，5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的吸力傳感器發(fā)生故障，故此監(jiān)測(cè)點(diǎn)未采集到數(shù)據(jù)。

從圖5可以看出，在降雨入滲過程中，不同含礫量的坡土的含水率變化趨勢(shì)基本一致，即內(nèi)部各位置土體含水率隨降雨出現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，據(jù)此可以將含水率變化過程大致分為3個(gè)階段：初始平穩(wěn)期、上升期和最終穩(wěn)定期。以最終穩(wěn)定期為例，隨著含礫量的增加，坡土的體積含水率的增加幅度越大：含礫量10%的坡土的體積含水率最小為33.61%，最大為36.65%；含礫量20%的坡土的體積含水率最小為35.95%，最大為40.32%；含礫量40%的坡土的體積含水率最小為33.80%，最大為45.15%。

從圖5亦可看出，在降雨過程中，不同含礫量坡土的基質(zhì)吸力隨降雨歷時(shí)的變化曲線與體積含水率的相比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，基質(zhì)吸力的變化經(jīng)歷了初始平穩(wěn)期、下降期和最終穩(wěn)定期3個(gè)階段。在降雨過程中，邊坡表層逐漸變濕，靠近坡面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)(監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，3，6)最先響應(yīng)，基質(zhì)吸力開始減小。此后，隨著雨水的入滲，坡體內(nèi)部各點(diǎn)的基質(zhì)吸力開始下降。觀察吸力曲線的陡緩情況可以看出，含礫量越高，坡土內(nèi)部的基質(zhì)吸力減小速度越快。其中，含礫量為40%的坡體中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)基質(zhì)吸力達(dá)到零值所用平均時(shí)長(zhǎng)約為6 min；而含礫量為10%的坡體中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的基質(zhì)吸力達(dá)到零值所用的平均時(shí)長(zhǎng)約為36 min，其中，埋深最大的4號(hào)和2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的耗時(shí)分別約為1 h和1 h 30 min。

另外，從降雨開始，每隔10 min取一張照片，描繪出對(duì)應(yīng)照片中濕潤(rùn)鋒的界面線(太密集的區(qū)域用空白表示為濕潤(rùn)鋒滯留帶)，直至濕潤(rùn)鋒發(fā)展到坡底面。將同一組試驗(yàn)中各時(shí)刻濕潤(rùn)鋒界面線整理到一張圖中，得到邊坡模型降雨過程中坡體內(nèi)部濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 降雨過程中不同含礫量的土坡的濕潤(rùn)鋒界面線隨時(shí)間發(fā)展規(guī)律Fig.6 Development of wetting front interfacial lines of soil slopes with different gravel contents with time during rainfall

從圖6可以看出，在降雨初期，含礫量較低的模型邊坡的濕潤(rùn)鋒的浸潤(rùn)速度明顯較快，但是隨著降雨時(shí)間的增長(zhǎng)，濕潤(rùn)鋒的浸潤(rùn)速度放緩，出現(xiàn)了明顯的濕潤(rùn)鋒滯留帶；結(jié)合圖5中基質(zhì)吸力變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，含礫量越高則基質(zhì)吸力減小越迅速，坡土維持較高吸力的時(shí)間也越短，坡土吸水的耗時(shí)減短。例如，隨著含礫量的增加，40%含礫量的坡土不到100 min便完全濕潤(rùn)，而10%含礫量的坡土完全濕潤(rùn)則需要超過210 min。

在降雨中后期，坡土在降雨過程中逐漸達(dá)到飽和，3組試驗(yàn)的濕潤(rùn)鋒界面線均表現(xiàn)出了不同程度的濕潤(rùn)鋒滯留帶。含礫量較高的坡土排氣通道較多，濕潤(rùn)鋒能夠較為順利地發(fā)展；含礫量較少的坡土排氣通道較少，一旦飽和便不易再形成排氣通道，土體中的水氣交換速率減慢，濕潤(rùn)鋒發(fā)展受阻。例如，圖5(b)中埋深最大的4號(hào)和2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的基質(zhì)吸力減速都很遲緩。

2.1.2降雨邊坡變形位移場(chǎng)分析 利用PIV技術(shù)整理出降雨過程中不同含礫量土坡的位移場(chǎng)變化情況，本文只給出不同含礫量土坡最終位移矢量圖和最終變形破壞圖，如圖7和8所示，其中圖7的中段空白由模型箱立柱遮擋造成。

圖7 不同含礫量土坡的最終位移矢量Fig.7 Vector diagrams of the final displacement of soil slopes with different gravel contents

圖8 不同含礫量土坡最終變形破壞形態(tài)Fig.8 Final deformation failure mode of soil slopes with different gravel contents

從圖7(a)和8(a)可以看出，降雨結(jié)束后10%含礫量土坡的最大位移量為1.81 cm，變形主要集中在邊坡頂面附近。降雨開始后邊坡表面立即出現(xiàn)明顯的侵蝕破壞，且坡頂濕脹效應(yīng)明顯，位移矢量基本垂直于坡面發(fā)展；降雨1 h 55 min之后，邊坡表層侵蝕變緩，位移矢量出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，坡頂出現(xiàn)向下滑移趨勢(shì)，隨后2 h內(nèi)邊坡均表現(xiàn)出順坡向變形；降雨持續(xù)4 h至試驗(yàn)結(jié)束期間，坡體位移場(chǎng)基本不再發(fā)展，坡面發(fā)生嚴(yán)重侵蝕破壞(見圖9(a)的坡面侵蝕階線)，但邊坡未出現(xiàn)明顯滑動(dòng)破壞。

從圖7(b)和8(b)可以看出，降雨結(jié)束后20%含礫量的土坡最大位移量為7.73 cm。降雨初期，坡面并未發(fā)生大規(guī)模的侵蝕破壞，僅在坡腳附近出現(xiàn)幾處分散的片狀侵蝕；降雨持續(xù)約1 h 35 min之后，坡面侵蝕加劇，坡腳附近片狀侵蝕連通形成侵蝕臺(tái)階，此后侵蝕不斷向坡肩發(fā)展(見9(b)的坡面侵蝕階線)；降雨持續(xù)約2 h 25 min之后，邊坡出現(xiàn)較大位移變形，坡體向下滑移明顯；降雨持續(xù)約3 h之后，坡體已經(jīng)完全破壞。

從圖7(c)和圖8(c)可以看出，降雨結(jié)束后40%含礫量土坡最大位移量為10.69 cm。與前兩組試驗(yàn)不同的是，降雨開始后邊坡表面并未出現(xiàn)明顯的侵蝕，而是表現(xiàn)為坡面細(xì)顆粒被水流帶走，礫石出露，邊坡坡肩、坡中位置的變形較小(見圖9(c))；降雨持續(xù)10 h之后，坡面首先發(fā)生破壞，隨后坡肩開始下滑，進(jìn)而引起整個(gè)坡體的大規(guī)?；破茐摹?/p>

圖9 降雨過程中不同含礫量土坡的坡面侵蝕破壞照片F(xiàn)ig.9 Slope surface erosion diagrams of soil slopes with different gravel contents during rainfall

整體而言，隨著降雨的持續(xù)，3組降雨模型試驗(yàn)邊坡中有兩組發(fā)生了大規(guī)模的整體破壞，其中含礫量為20%的邊坡最容易發(fā)生整體破壞。結(jié)合表1含礫土在飽和與非飽和狀態(tài)下的固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)可知，雨水入滲會(huì)造成土體軟化，導(dǎo)致其強(qiáng)度削減。本次試驗(yàn)邊坡本身的應(yīng)力水平較低，ccu值是決定邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，例如含礫量為20%的坡土在飽和狀態(tài)下ccu值降低了近75%，因此20%含礫量的土坡最先發(fā)生整體變形破壞。

2.2 坡腳浸泡試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1坡頂沉降量分析 監(jiān)測(cè)了試驗(yàn)過程中各坡段坡頂至模型槽底的絕對(duì)高差，將各水位穩(wěn)定狀態(tài)下絕對(duì)高差的變化值作為邊坡在浸泡試驗(yàn)過程中的沉降量，整理出浸泡試驗(yàn)過程中各坡段坡體的變形特征，如圖10所示。

圖10 不同含礫量土坡隨水位變化的沉降曲線Fig.10 Settlement curves of soil slopes changing with water level with different gravel contents

從圖10可以看出，第1階段水位上升過程中3個(gè)坡段的沉降量都隨水位的上升而增加，但40%含礫量的坡段的沉降量在水位較低時(shí)不明顯。10%含礫量的坡段的沉降量在水位升至40 cm后沉降量達(dá)到最大值為5 mm；20%含礫量坡段在水位達(dá)到20 cm 之后沉降量達(dá)到最大值約為2 mm；40%含礫量坡段的沉降量在水位上升到30 cm后達(dá)到最大值約1 mm。

在降水位階段(水位由40 cm降至10 cm)，3個(gè)坡段的坡頂均有沉降，10%與20%含礫量的坡體均發(fā)生了約4 mm的沉降；40%含礫量的坡段變形最小，降水位造成的沉降量為1 mm，此后整個(gè)試驗(yàn)過程中該坡段均未再發(fā)生明顯變形。

在第2階段水位上升到10 cm后保持水位，在坡頂加載25 kPa。10%含礫量的坡段的坡頂發(fā)生了約2 mm 的沉降；加載對(duì)20%含礫量的坡段影響最為明顯，坡頂沉降量為3 mm。水位繼續(xù)上升至20 cm后，10%與40%含礫量的坡段持續(xù)保持穩(wěn)定，未見明顯進(jìn)一步的坡頂沉降，而20%含礫量的坡段的坡頂沉降量再次增加1 mm，該坡段的坡頂總沉降量達(dá)到了10 mm。水位繼續(xù)上升至30 cm后，10%含礫量的坡段的坡頂沉降增加了1 mm，其余兩個(gè)坡段均未見明顯的坡頂沉降。當(dāng)水位再次繼續(xù)上升至40 cm之后，20%含礫量的坡段發(fā)生破壞，另兩段試驗(yàn)邊坡未觀測(cè)到明顯破壞。水位再次由40 cm降至10 cm后，10%含礫量的坡段的坡頂沉降量增加了1 mm，而40%含礫量坡段幾乎沒有觀測(cè)到沉降。

總體而言，10%含礫量的土坡最易發(fā)生變形，在試驗(yàn)各階段均能測(cè)量到明顯的坡頂沉降，但是邊坡并未發(fā)生破壞；20%含礫量的土坡在浸水之后變形量稍小，但是在降水位和加載作用下出現(xiàn)了非常明顯的坡頂沉降，并在第2階段浸泡循環(huán)中發(fā)生破壞；40%含礫量的土坡在坡腳浸泡作用下影響較小，僅發(fā)生微小變形，且邊坡整體能夠保持良好的穩(wěn)定性。

2.2.2水位變化條件下坡土的體積含水率及吸力變化規(guī)律分析 在坡腳的水位上升和下降循環(huán)過程中，每隔1 h監(jiān)測(cè)1次各坡段的傳感器埋設(shè)位置(特征點(diǎn))的體積含水率及吸力，體積含水率及吸力變化分別如圖11所示，其中各個(gè)測(cè)點(diǎn)1#～3#的位置見圖3。由于試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，未能監(jiān)測(cè)夜間數(shù)據(jù)。在圖11中，10%含礫量坡段1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的體積含水率傳感器發(fā)生故障，20%含礫量坡段3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的吸力傳感器發(fā)生故障，可能是由于制模時(shí)擊實(shí)土體導(dǎo)致傳感器故障，故缺少上述2個(gè)測(cè)點(diǎn)的相應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖11 不同含礫量土坡在不同水位時(shí)體積含水率和的吸力歷時(shí)曲線Fig.11 Diachronic curves of volume moisture content and suction of soil slopes with different gravel contents at different water levels

從圖11中可以看出，水位上升過程中，不同含礫量坡段的體積含水率隨水位的響應(yīng)情況不同：水位由10 cm升高至20 cm過程中，含礫量越低的坡段，其3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的體積含水率變幅越大；圖11中10%含礫量的坡段3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)基質(zhì)吸力率先下降，表明坡腳浸泡過程中含礫量越低的坡體的毛細(xì)水上升高度越大；水位升高至30 cm后，10%含礫量的坡段的3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近土體的體積含水率趨于穩(wěn)定；水位升高至40 cm后，20%和40%含礫量的坡段各監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近土體的體積含水率達(dá)穩(wěn)定數(shù)值。在水位下降過程中，含礫量越高的坡段各監(jiān)測(cè)點(diǎn)坡土的體積含水率下降越多，說明含礫量越高的土坡持水能力越差。

從圖11中還可以看出，各坡段基質(zhì)吸力均表現(xiàn)出浸水前期快速減小，而后期隨水位變化出現(xiàn)小幅度波動(dòng)的特點(diǎn)。在水位上升的過程中，各坡段監(jiān)測(cè)點(diǎn)處坡土的吸力快速下降；在水位下降過程中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的吸力均有明顯回升，且含礫量越高的坡段其基質(zhì)吸力回升越明顯，尤其是40%含礫量坡段的3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，其基質(zhì)吸力回升趨勢(shì)最為明顯。

3 結(jié) 語

通過對(duì)含礫量分別為10%，20%，40%的含礫土坡進(jìn)行坡面降雨和坡腳浸泡模型試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

(1)降雨條件下，試驗(yàn)觀測(cè)到的坡面侵蝕階線的發(fā)展過程表明，含礫量較低的土坡的坡面侵蝕嚴(yán)重，長(zhǎng)時(shí)間降雨易造成大量的水土流失和坡土強(qiáng)度降低，引發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞；含礫量較高的土坡坡面的細(xì)顆粒流失嚴(yán)重，長(zhǎng)時(shí)間降雨也會(huì)造成坡面土體的強(qiáng)度大幅度降低，進(jìn)而造成邊坡破壞。

(2)降雨過程中，含礫量越低的邊坡越容易形成濕潤(rùn)鋒滯留帶，使邊坡深部越難以達(dá)到飽和狀態(tài)；含礫量越高，含礫土坡的排水能力越強(qiáng)，有利于邊坡穩(wěn)定。

(3)在坡腳浸泡過程中，含礫量越高的土坡越不容易發(fā)生變形。當(dāng)含礫量較低時(shí)，相應(yīng)的含礫土坡在浸水飽和及后續(xù)坡頂小幅加載過程中以變形為主，但不易發(fā)生破壞。含礫量較高時(shí)，邊坡在坡腳浸泡及后續(xù)坡頂小幅加載作用下變形量非常小，且坡體較穩(wěn)定。

(4)三軸試驗(yàn)結(jié)果輔助表明，含礫量20%的坡土飽和后強(qiáng)度的降幅最大，其黏聚力的數(shù)值減小的比例高達(dá)75%，導(dǎo)致在降雨和坡腳浸泡條件下最易發(fā)生破壞。