董宏源，雷文凱，梅國雄*，徐美娟，趙艷林

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004；2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室， 廣西 南寧 530004；3.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點實驗室， 廣西 南寧 530004)

0 引言

膨脹土是在自然地質(zhì)過程中形成的一種特殊土，具有強水敏性及脹縮性，對環(huán)境濕熱變化非常敏感[1]。其廣泛分布于世界40多個國家和地區(qū)[2]，全球每年因膨脹土問題造成的損失高達(dá)150億美元[3](其中中國超過10億美元[4])。膨脹土邊坡的失穩(wěn)和破壞是膨脹土地區(qū)工程建設(shè)時經(jīng)常遇到的一種地質(zhì)災(zāi)害[5]。降雨入滲是誘發(fā)膨脹土邊坡失穩(wěn)的主要因素[6-9]，雨后膨脹土邊坡極易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

國內(nèi)外學(xué)者通過膨脹土邊坡的現(xiàn)場和模型試驗，研究了降雨條件下邊坡的變形預(yù)測模型、水分運移規(guī)律以及淺層破壞的根本原因。陳建斌等[10]通過對廣泛分布于廣西南寧地區(qū)的膨脹土進(jìn)行了現(xiàn)場邊坡監(jiān)測試驗，發(fā)現(xiàn)降雨是膨脹土邊坡變形的主要影響因素，并建立符合膨脹土邊坡變形的經(jīng)驗性預(yù)測模型。NG等[3]通過膨脹土邊坡現(xiàn)場人工降雨試驗，得出了坡體在降雨過程中的水分運移規(guī)律。范秋雁等[11]通過室內(nèi)邊坡模型試驗對膨脹巖邊坡在連續(xù)降雨條件下邊坡變形及水分入滲特性進(jìn)行探究，查明了降雨條件下膨脹巖邊坡的變形破壞模式。丁金華等[12]探究降雨過程中水分入滲對邊坡失穩(wěn)破壞形式的影響，揭示了水力邊界條件變化引起的膨脹土膨脹變形作用是導(dǎo)致邊坡淺層漸進(jìn)性破壞的根本原因。徐光明等[13]對膨脹土開挖邊坡進(jìn)行了降雨入滲模型試驗，分析降雨入滲過程中坡體含水量對膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響，指出維持邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于做好邊坡防水工作，如在邊坡上采用土工膜防滲[14]。上述研究在膨脹土邊坡失穩(wěn)機(jī)理方面得到了許多有益的結(jié)論，表明控制邊坡土體含水量的變化對膨脹土邊坡保持穩(wěn)定具有重要的意義。其中值得注意的是邊坡坡度在邊坡降雨入滲中起著至關(guān)重要的作用，影響著坡面徑滲流的特性及坡體含水量的變化規(guī)律。但由于沒有系統(tǒng)地探究不同坡度條件下邊坡土體含水量隨降雨時間的定量變化關(guān)系，坡度對膨脹土邊坡徑滲流特性的影響機(jī)理尚不明確，難以指導(dǎo)現(xiàn)場施工和邊坡后期維護(hù)。

目前工程中通常使用減緩坡度的方法，提高邊坡穩(wěn)定性。但是殷宗澤等[15-16]分析了大量膨脹土邊坡工程實例，發(fā)現(xiàn)很多膨脹土邊坡坡度很緩(大部分坡比為1∶4～1∶5)也會發(fā)生失穩(wěn)，而大部分邊坡坡度較大卻長期穩(wěn)定。為探究上述現(xiàn)象，部分學(xué)者開展了坡度對膨脹土邊坡徑滲流特性影響的研究。謝燦榮等[17]開展坡度對膨脹土邊坡徑流分配關(guān)系的模型試驗，得出坡度是影響邊坡水分運移的重要幾何因素。湛文濤等[18]分析了膨脹土邊坡在不同坡度下的降雨入滲及穩(wěn)定性，指出膨脹土邊坡采用放緩坡率維持穩(wěn)定的做法并不可取。雖然已有研究表明坡度對降雨入滲作用具有重要的影響，但忽略了坡度對邊坡徑滲流分配特性及土體含水量變化的時間效應(yīng)影響，邊坡坡度設(shè)置在何種范圍有利于控制膨脹土邊坡含水量的相對穩(wěn)定，還沒有確切的答案，有待深入研究。

本文開展坡度對膨脹土邊坡徑滲流特性影響的模型試驗，分析不同坡度邊坡在降雨條件下徑流量特性及邊坡土體含水量隨時間的變化情況，提出通過坡度對邊坡表層含水量進(jìn)行調(diào)控的方法，為膨脹土邊坡的控水防護(hù)提供依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 試驗設(shè)備

本試驗降雨裝置主要包括供水池、抽水泵、輸水管、降雨噴頭、邊坡模型以及支架等多個構(gòu)件，供水池容量約為0.6 m3，為降雨提供充足的水量。抽水泵提供恒定的水壓，使降雨強度保持穩(wěn)定。邊坡模型試驗裝置如圖1所示。邊坡模型箱采用的是10 mm厚的塑料板材料，模型箱尺寸為1 200 mm×400 mm×300 mm，置于可調(diào)節(jié)坡度的模型架中。模型架配備了4個滾輪，方便移動。模型箱前端(即邊坡坡腳處)設(shè)置了徑流出水口，通過收集裝置對坡面徑流進(jìn)行實時測量。EC-5含水量傳感器用于測量坡體含水量，靈敏度好，精度高，量程為0～100 %。CR300數(shù)據(jù)采集裝置收集EC-5含水量傳感器的數(shù)據(jù)。

圖1 邊坡模型試驗裝置

1.2 試驗材料

根據(jù)《土工試驗規(guī)程》(BG/SL 237—1999)[19]對試驗土進(jìn)行基本物理參數(shù)實驗，所得的土樣參數(shù)見表1。

表1 試驗土的基本物理參數(shù)

1.2.1 土樣制備

制備土樣的具體流程如下：

① 將自然風(fēng)干后的試驗土碾壓過2 mm孔徑篩，測定其含水量，放置到保濕容器內(nèi)儲存。

② 根據(jù)試驗所需的土體的質(zhì)量與含水量，按式(1)進(jìn)行計算所制備土樣所需的加水量。

(1)

式中：m1表示制備土樣所需要的加水量，g；m0表示風(fēng)干土質(zhì)量，g；w0表示風(fēng)干土質(zhì)含水量，%；w1表示制作土樣要求的含水量，%。

③ 稱取風(fēng)干試驗土平鋪于托盤內(nèi)，將水用噴壺均勻噴灑于試驗土上，充分拌勻后裝入密封容器中密封，靜置24 h。

1.2.2 填筑模型

① 裝土前，在模型箱底部鋪上土工布。

② 壓實土樣，按照現(xiàn)場膨脹土邊坡土體的天然密度(取1.94 g/cm3)和含水量壓實土樣，計算壓實土的干密度公式

(2)

式中：ρd表示干密度,g/cm3；ρ表示天然密度,g/cm3；w表示試驗土含水量,%。另外，填土前，用環(huán)刀法測定土樣密度，根據(jù)測定的土樣密度和預(yù)設(shè)土層厚度計算填土量，分層填土并壓實，并對壓實后的土體進(jìn)行取樣，測定壓實后土體的密度，保證模型邊坡坡體密度接近天然密度。

1.3 試驗方法

本試驗研究不同坡度膨脹土模型邊坡在相同降雨條件下的徑滲流特性，以及邊坡不同深度土體含水量的變化規(guī)律。在箱底先鋪設(shè)土工布，然后將配置好含水量的膨脹土分層填到模型箱，并夯實至既定的干密度。分別采用10°、20°、30°、40°、50°這5個坡度進(jìn)行模型試驗，為保證試驗數(shù)據(jù)的精確性，使用塑料布對模型箱周邊進(jìn)行遮擋，盡可能將外界對降雨的干擾降至最低。噴頭開始降雨時，即用秒表計時，記錄徑流集水桶開始匯水的時間，作為坡面產(chǎn)流時間(從降雨至坡面徑流生成的時間)，產(chǎn)流后實時徑流量采用收集裝置進(jìn)行監(jiān)測，每隔30 s記錄放置了徑流集水桶的天平讀數(shù)。埋設(shè)于深度(沿垂直于坡面方向)分別為3、8、13、18 cm的4個EC-5含水量傳感器處于工作狀態(tài)，并采用CR300數(shù)據(jù)采集裝置每隔1 min采集一次EC-5測得的土體含水量數(shù)據(jù)。每次降雨試驗持續(xù)時間為30 min。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 坡度對坡面產(chǎn)流時間的影響

圖2 產(chǎn)流時間隨坡度的變化曲線

降雨強度大于坡面下滲速率時，坡面產(chǎn)生徑流。產(chǎn)流時間隨坡度的變化曲線如圖2所示。從圖2可知，相同的降雨條件下，坡度為10°、20°、30°、40°、50°邊坡的最早產(chǎn)流時間分別為62、45、34、30、29 s，可用方程y=202.92x-0.514進(jìn)行擬合，回歸平方和與總離差平方和的比值R2為0.913，回歸擬合優(yōu)度較好。坡度越大，產(chǎn)流時間越短，即產(chǎn)流時間與坡度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是由于坡度越大，雨水受重力沿坡面的法線方向的分量較小，坡體入滲水分因所受的重力分量減小而減少，而坡面徑流水受到沿坡面的重力分量越大，加快雨水的匯集及其沿坡面的流速，因此減少了產(chǎn)流時間。

此外，邊坡從10°開始每提升10°直至50°的產(chǎn)流時間縮短的時間值分別為17、11、4、1 s，可以看出隨坡度增加，產(chǎn)流時間減少的速率變緩，結(jié)合擬合曲線的斜率分析可知，當(dāng)坡度較小時，增加坡度對產(chǎn)流時間的影響越明顯，當(dāng)坡度較大時，再提升坡度對產(chǎn)流時間的影響減弱。這是由于不同坡度下增加10°的坡度，重力沿坡面方向的分量改變值為坡度余弦值之差是非線性的，因此增加相同的坡度值時，產(chǎn)流時間減小的差異較大，同時也表明不同坡度的坡面水文存在差異。

2.2 坡度對坡面徑流的影響

由于本試驗坡面土體侵蝕量小，文中未考慮土體侵蝕對徑流的影響。當(dāng)降雨持續(xù)時間為tmin時，邊坡單位面積累積徑流量可通過公式(3)計算。

(3)

式中：Rt是單位面積累積徑流量,mm；m是t時間內(nèi)徑流集水桶收集到的徑流總質(zhì)量,g；ρ是水的密度,g/cm3；S是邊坡承受降雨的坡面面積,cm2。徑流系數(shù)通過公式(4)計算。

(4)

式中:CR是徑流系數(shù)，表示從坡面流走的徑流量占坡面總受雨量的比例；P是降雨強度,mm/h，α是邊坡傾角。徑流速率可以通過公式(5)計算。

圖3 不同坡度下累積徑流量隨降雨時間的變化曲線

(5)

式中：ri是徑流速率,mm/min；mi是天平相鄰間隔讀數(shù)內(nèi)徑流集水桶收集到的徑流質(zhì)量,g；ti是天平相鄰讀數(shù)的間隔時間。

不同坡度邊坡單位面積累積徑流量隨降雨持續(xù)時間的關(guān)系如圖3所示。從圖3可以看出，各邊坡單位面積累積徑流量隨降雨時間呈線性增長的趨勢。坡度越大，單位面積累積徑流量增長的速度越快。坡度的增大能促使地表徑流的出現(xiàn)，阻礙雨水入滲坡體內(nèi)部。從圖中看出，在降雨前20 min，40°與50°坡的徑流總量幾乎一樣，在20 min直至結(jié)束徑流總量差別不大，因此坡度不宜過大，超過40°后，單位面積累積徑流量受坡度的影響逐漸降低。

圖4表示降雨期間時間與總徑流系數(shù)之間的關(guān)系，分析總徑流系數(shù)隨時間的變化曲線發(fā)現(xiàn)，隨著坡度的增加，徑流出現(xiàn)的時間減少，穩(wěn)定時總徑流系數(shù)增大。反映了隨著坡度的增加，坡面對雨水的截留能力降低，且徑流量在降雨總量中占比增加，入滲量比例減少。在相同的降雨強度下，邊坡坡度大于20°的邊坡總徑流系數(shù)大于0.5，即徑流量大于入滲量，邊坡以徑流為主，滲流為輔。

圖5為徑流速率隨降雨時間的變化關(guān)系，從圖中看出，降雨初期雨水幾乎全部下滲，沒有徑流發(fā)生，各邊坡在降雨一段時間后才產(chǎn)生徑流，隨著降雨時間增加，坡面徑流速率不斷增大，最后在某一數(shù)值上下波動，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定數(shù)值的微小波動，可能是由于降雨強度沒有達(dá)到絕對的恒定或徑流量的測量存在偏差。從穩(wěn)定狀態(tài)的數(shù)值可知，坡度越大，徑流達(dá)到穩(wěn)定的時間越早，穩(wěn)定徑流速率越大。這是由于坡度越大，坡面雨水受到的滯留作用越小及受到沿坡面重力分量越大。

圖4 不同坡度下總徑流系數(shù)隨降雨時間的變化曲線

圖5 不同坡度下徑流速率隨降雨時間的變化曲線

2.3 坡度對土體含水量變化量的影響

不同坡度下降雨對土體含水量的影響如圖6所示，其中邊坡分別在10°、20°、30°、40°、50°坡度下降雨入滲引起的坡體含水量變化情況分別如圖6(a)～(e)所示。

(a) 10°邊坡含水量變化量隨時間的變化曲線

從圖6中可以看出埋設(shè)深度為13 cm以上的土體含水量變化較為明顯，埋深在18 cm的含水量計讀數(shù)無明顯變化。除埋深在18 cm的EC-5含水量計所測數(shù)據(jù)外，整體上在30 min的降雨時間內(nèi)，各深度土體含水量均出現(xiàn)增大現(xiàn)象，且在降雨結(jié)束時的土體最大含水量增量不同，坡度越小，同一深度處含水量變化越大，10°邊坡土體含水量變化量最大值為2 %，約為50°邊坡土體含水量變化量最大值(約為0.4 %)的5倍。而對同一邊坡，在相同降雨時間下含水量變化量隨深度的增加而減小，降雨結(jié)束后，深度較小的EC-5最先達(dá)到對應(yīng)的含水量變化峰值，隨后出現(xiàn)坡體深處土體含水量繼續(xù)升高，而表面含水量開始減小的現(xiàn)象，這是由于降雨結(jié)束后滲入坡體的雨水在自重作用下仍繼續(xù)下滲，含水量變化量沿深度呈現(xiàn)出一定的滯后性現(xiàn)象。以圖6(a)為例進(jìn)行詳細(xì)分析，埋深于3、8、13 cm處含水量計數(shù)據(jù)峰值分別出現(xiàn)在開始降雨后的20、40、80 min。含水量變化量的峰值時間從3 cm深度到13 cm深度每增加5 cm的需要時間分別為20、40 min。雨水在坡體中的入滲由于邊坡不同深度的滲透系數(shù)不一樣而呈現(xiàn)非線性的現(xiàn)象。

不同坡度、深度的坡體含水量變化峰值可能出現(xiàn)在降雨過程中，也可能出現(xiàn)在降雨結(jié)束后。邊坡坡體在吸水軟化后，可能出現(xiàn)邊坡體失穩(wěn)的現(xiàn)象，這也是邊坡失穩(wěn)往往發(fā)生在長時間的降雨或者降雨結(jié)束后一段時間的原因，同時也從含水量變化的角度解釋了XIAO等[20]總結(jié)得出絕大多數(shù)膨脹土坡的滑坡往往是淺層滑坡，且發(fā)生在降雨過程中或降雨后的結(jié)論。

圖7 不同坡度的含水量變化量曲線

從圖7中可看出，隨著坡度的增大，坡體含水量的最大變化量逐漸變小，利用線性插值法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)坡度約為36.5°時，對應(yīng)含水量變化為1 %；當(dāng)邊坡坡度大于36.5°時，含水量變化值小于1 %。結(jié)合圖2可知，相同降雨條件下，當(dāng)坡度達(dá)到40°以后，繼續(xù)提高坡度對降雨入滲的影響不大，因此可適當(dāng)提高膨脹土坡度減少膨脹土含水量的變化。在工程中膨脹土邊坡坡度可設(shè)置在36.5°～40°之間，能有效利用坡度的設(shè)置，使坡面表層積水受到沿坡面的重力分量增大，加速雨水在坡面的流動及排出，雨水在坡面以徑流為主、滲流為輔，從而減輕降雨對邊坡土體含水量的影響，有效控制坡體含水量的變化范圍在1 %以內(nèi)。

3 結(jié)論

通過開展坡度對膨脹土邊坡徑滲流特性影響的模型試驗，對不同坡度邊坡在降雨條件下徑流量特性及邊坡土體含水量隨時間的變化進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

① 對產(chǎn)流時間用方程y=202.92x-0.514進(jìn)行擬合，回歸擬合優(yōu)度較好。從擬合方程可以得出，當(dāng)坡度越小，提高相同的坡度對產(chǎn)流時間的影響越明顯。

② 在相同降雨條件下，隨著坡度的增大，徑流產(chǎn)生時間縮短，穩(wěn)定總徑流系數(shù)增大，但坡度越大，增加相同坡度對徑滲流時間和總徑流系數(shù)的影響逐漸變小。在邊坡坡度較大時，坡體含水量變化較小。

③ 同一邊坡不同深度處土體的含水量變化隨著降雨入滲時間的增加呈現(xiàn)出一定的滯后性。因此，由于降雨入滲使邊坡坡體軟化失穩(wěn)的現(xiàn)象多發(fā)生在長時間降雨或者降雨結(jié)束后一段時間。

④ 從含水量控制角度，工程中經(jīng)常采用的放緩坡度的施工方法，并不利于控制膨脹土邊坡坡體含水量的相對穩(wěn)定。膨脹土邊坡坡度設(shè)置在36.5°～40°之間，能有效利用坡度的設(shè)置，控制膨脹土含水量變化在1 %以內(nèi)。