花崗巖殘積土邊坡降雨入滲試驗(yàn)研究

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(hù)設(shè)計(jì)。文章針對(duì)花崗巖殘積土邊坡雨水入滲規(guī)律，研究裸坡與加防護(hù)邊坡雨水入滲的變化規(guī)律。試驗(yàn)采用兩種工況進(jìn)行模擬降雨入滲試驗(yàn)。結(jié)果表明：（1）雨水在入滲花崗巖殘積土邊坡時(shí)，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(hù)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(hù)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(duì)于邊坡來說“十水九害”，因此國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于降雨沖刷和降雨入滲進(jìn)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(duì)象，采用自主研制的降雨裝置進(jìn)行降雨試驗(yàn)，通過試驗(yàn)研究不同的參數(shù)對(duì)邊坡防護(hù)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(duì)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(shì)。樓平、程鵬等[5]首先通過試驗(yàn)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(yàn)，測(cè)試不同降雨強(qiáng)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(xiàng)目依托，并取回現(xiàn)場(chǎng)的花崗巖殘積土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M，研究在降雨條件下花崗巖殘積土在有防護(hù)條件下和無防護(hù)條件下的入滲規(guī)律，并為設(shè)計(jì)防護(hù)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)用土取自某工程的花崗巖殘積土邊坡，土樣取回后，試驗(yàn)根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE40-2007）對(duì)其基本物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)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(shí)際邊坡，采用在最優(yōu)含水率19.5%下進(jìn)行壓實(shí)，已達(dá)到自然邊坡的壓實(shí)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(shí)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(jì)算做試驗(yàn)?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(cè)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(jì)算增加的水量m2;

（4）采用霧狀噴頭配制土，控制m1的土對(duì)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(jìn)行邊坡制作。

1.2 試驗(yàn)儀器

儀器采用自行設(shè)計(jì)的邊坡模擬裝置，進(jìn)行邊坡降雨模擬試驗(yàn)。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(jī)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(jìn)行錘制邊坡，放入降雨裝置下面進(jìn)行降雨入滲試驗(yàn)，如圖1～2所示。

1.3 試驗(yàn)方案

本文主要研究工況1（無防護(hù)的花崗巖殘積土邊坡）和工況2（加客土噴播防護(hù)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(yàn)設(shè)計(jì)降雨量為2.0 mm/（min·m2），分別對(duì)工況1和工況2進(jìn)行邊坡降雨入滲試驗(yàn)，降雨時(shí)間為2 h，如圖3所示。試驗(yàn)完成后按照?qǐng)D4取土樣進(jìn)行含水率測(cè)量。

2 降雨入滲試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)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(hù)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(yàn)方案制作模型邊坡，坡體經(jīng)過壓實(shí)后，進(jìn)行降雨量為2.0 mm/（min·m2）的降雨入滲室內(nèi)試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中觀察邊坡坡面的變化情況，當(dāng)坡面出現(xiàn)較大的變化時(shí)記錄坡面情況。

2 h后試驗(yàn)結(jié)束，工況1邊坡表面殘積土流失嚴(yán)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(diǎn)進(jìn)行取土，采用烘干法測(cè)量含水率。將含水率按照邊坡取土測(cè)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(jìn)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(yàn)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?yàn)檫吰聸]有防護(hù)，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(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，最后作用在坡面上，對(duì)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(dòng)，而隨著降雨的持續(xù)，坡面上的水流對(duì)已經(jīng)松動(dòng)的土顆粒提供了一個(gè)沿著坡面向下的推力，當(dāng)推力足夠大時(shí)便使土顆粒隨著水流一起運(yùn)動(dòng)。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(dá)到飽和然后再由飽和區(qū)域向坡體內(nèi)進(jìn)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(duì)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(shí)候，雨水會(huì)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(duì)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(hù)，且因?yàn)槟Ｐ蜕系目屯羾姴ゲ捎玫氖丘ね?，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(duì)邊坡進(jìn)行了良好的保護(hù)。坡面在沒有沖溝時(shí)，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(hù)層下面的殘積土邊坡。因此防護(hù)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(duì)較小，同時(shí)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(yàn)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(hù)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(duì)坡體的沖刷和雨水的入滲。

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