關(guān)曉迪 李榮建 張世斌 孫萍 姚夷凡

摘 要：降雨誘發(fā)滑坡是我國黃土地區(qū)的主要地質(zhì)災(zāi)害之一，為了給黃土邊坡防護(hù)設(shè)計提供參考，采用室內(nèi)邊坡降雨模型箱，開展了2種降雨強(qiáng)度（中雨7.00mm/d、大雨10.75mm/d）和2種坡比（1∶0.5、1∶1）條件下的模型邊坡降雨試驗，實測邊坡土體含水率、基質(zhì)吸力及邊坡形態(tài)變化情況，比較了不同降雨強(qiáng)度和坡比條件下降雨入滲的差異。結(jié)果表明：黃土邊坡降雨入滲深度坡腳最大、坡頂次之、坡中最小，降雨入滲速率坡頂最高、坡腳次之、坡中最低，雨水的入滲能力隨著入滲深度增加而減弱；降雨結(jié)束后邊坡濕潤鋒深度坡腳最大、坡頂次之、坡中最小，即降雨入滲深度坡腳最大、坡頂次之、坡中最小，降雨強(qiáng)度越大邊坡濕潤鋒深度越大，坡比越大邊坡坡中降雨入滲深度越小；不同降雨強(qiáng)度和坡比條件下，邊坡不同位置處基質(zhì)吸力穩(wěn)定值坡中最大、坡頂次之、坡腳最小，降雨強(qiáng)度越大基質(zhì)吸力穩(wěn)定值越小、相應(yīng)的含水率越低、降雨入滲速率越高，坡比越小邊坡坡中降雨入滲速率越高、入滲深度越大；降雨初期坡面未產(chǎn)生徑流，隨著降雨歷時的延長，表土逐漸飽和、坡面產(chǎn)生徑流現(xiàn)象，降雨強(qiáng)度和坡比越大邊坡表層土體剝落越嚴(yán)重、坡面徑流深越大。

關(guān)鍵詞：黃土邊坡；降雨強(qiáng)度；坡比；降雨入滲；土體含水率；濕潤鋒；基質(zhì)吸力

中圖分類號：S157.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.022

引用格式：關(guān)曉迪，李榮建，張世斌，等.不同雨強(qiáng)和坡比條件下黃土邊坡降雨入滲研究[J].人民黃河，2022，44（1）：106-111.

StudyonRainfallInfiltrationofLoessSlopesBasedonDifferentRainfallIntensitiesandSlopeRatios

GUANXiaodi1，LIRongjian1，ZHANGShibin1，SUNPing2，YAOYifan1

（1.InstituteofGeotechnicalEngineering，Xi’anUniversityofTechnology，Xi’an710048，China；2.InstituteofGeomechanics，ChineseAcademyofGeologicalSciences，Beijing100081，China）

Abstract：Rainfall inducedlandslideisoneofthemaingeologicaldisastersinloessareaofChina.Inordertoprovidereferenceforthepro tectiondesignofloessslope，indoorsloperainfalltestswerecarriedoutunderthetwokindsofrainfallintensities（moderaterainat7.00mm/dandheavyrainat10.75mm/d）andthetwokindsofsloperatios（1∶0.5and1∶1）byusinganindoorsloperainfallmodelbox.The moisturecontentofslopesoil，matricsuctionandslopemorphologyweremeasured.Thechangesofsoilmoisturecontent，matrixsuctionand slopemorphologyweremonitored，andthedifferencesofrainfallinfiltrationlawswerecomparedunderdifferentrainintensitiesandsloperati os.Theresultsshowthattherainfallinfiltrationdepthofloessslopeisthelargestatthefootofslope，thesecondatthetopofslopeandthe smallestinslope，andtherainfallinfiltrationrateisthefastestatthetopofslope，thesecondatthefootofslopeandtheslowestinslope，andtherainwaterinfiltrationcapacitydecreaseswiththeincreaseoftheinfiltrationdepth.Aftertheendofrainfall，theslopewiththemaxi mumwetfrontdepthisatthefootoftheslope，followedbythetopoftheslopeandthesmallestintheslope.Namely，thedepthofrainfallin filtrationisthelargestatthefootoftheslope，followedbythetopoftheslope，andthesmallestintheslope.Thegreatertherainfallintensity is，thegreatertheslopewettingfrontdepthis.Andthegreaterthesloperatiois，thelowertherainfallinfiltrationdepthis.Underthediffer entrainfallintensitiesandsloperatios，thematrixsuctionstabilityvalueofslopeatdifferentpositionsisthelargest，followedbythetopof slopeandthefootofslope.Thelargertherainfallintensityis，thesmallerthematrixsuctionstabilityvalueis，thelowerthecorresponding watercontentis，andthefastertherainfallinfiltrationrateis.Thesmallerthesloperatiois，thefastertherainfallinfiltrationrateisandthe greatertheinfiltrationdepthis.Intheinitialstageofrainfall，thereisnorunoffontheslope.Withtheextensionofrainfallduration，thetop soilgraduallyissaturatedandtheslopesurfaceproducesrunoff.Thegreatertherainfallintensityandsloperatiois，themoreseriousthe slopesurfacesoilexfoliationis，andthemoresignificantthesloperunoffis.

Keywords：loessslope；rainfallintensity；sloperatio；rainfallinfiltration；soilmoisturecontent；wettingfront；matrixsuction

降雨誘發(fā)滑坡是我國黃土地區(qū)的主要地質(zhì)災(zāi)害之一，其危害嚴(yán)重，甚至造成重大的群死群傷災(zāi)難[1]。關(guān)于降雨與邊坡滲流特性及穩(wěn)定性的關(guān)系，有關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究[2-6]。在現(xiàn)場試驗研究方面，胡明鑒等[7]開展了大型人工降雨滑坡泥石流試驗和小型模型試驗，研究了蔣家溝流域特殊環(huán)境下暴雨、滑坡、泥石流的共生關(guān)系；潘俊義等[8]開展了不同雨強(qiáng)下的野外人工模擬降雨試驗，分析了降雨入滲過程和邊坡應(yīng)力變化特征；王磊等[9]通過設(shè)置隔離邊界并開展人工模擬降雨現(xiàn)場試驗，分析了坡頂裂縫及坡體破壞過程的力學(xué)機(jī)制、水分入滲以及隔離邊界對邊坡開裂的影響。現(xiàn)場試驗研究推進(jìn)了黃土邊坡降雨入滲規(guī)律的研究，然而現(xiàn)場試驗成本高、操作困難且結(jié)果常常難以令

人滿意[10]。在模型試驗研究方面，李煥強(qiáng)等[11]開展了粉砂邊坡人工降雨模型試驗，測定坡體內(nèi)不同位置處含水率和應(yīng)變，研究了降雨入滲作用下邊坡性狀的變化規(guī)律；陳偉[12]進(jìn)行了黃土邊坡室內(nèi)人工降雨模型試驗，分析了降雨入滲作用下邊坡失穩(wěn)滑動過程及破壞機(jī)理；王剛等[13]進(jìn)行了降雨型滑坡室內(nèi)模型試驗，研究了不同降雨方式和坡體節(jié)理對黃土邊坡變形破壞的影響，歸納了黃土滑坡誘發(fā)機(jī)理、破壞模式及變形規(guī)律。模型試驗不僅具有較好的直觀性，而且可以考慮多種因素對降雨入滲規(guī)律的影響[14]。綜觀已有研究成果發(fā)現(xiàn)，在針對不同降雨強(qiáng)度和坡比條件下均質(zhì)黃土邊坡降雨入滲規(guī)律方面還缺乏系統(tǒng)的研究。因此，筆者采用甘肅慶陽地區(qū)均質(zhì)黃土，開展了不同降雨強(qiáng)度和坡比條件下的室內(nèi)邊坡降雨模型試驗，比較了不同降雨強(qiáng)度和坡比條件下降雨入滲的差異等，以期為黃土邊坡防護(hù)設(shè)計提供參考。

1 模型邊坡降雨入滲試驗

1.1 試驗?zāi)Ｐ拖嗨票?/p>

以甘肅慶陽地區(qū)某高4m的均質(zhì)黃土邊坡為原型進(jìn)行試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計。為降低制樣難度，模型與原型的相似比取值如下：干密度，1∶1；容重，1∶1；幾何尺寸，1∶4；降雨及相關(guān)物理量（降雨量、降雨歷時、降雨強(qiáng)度、滲透系數(shù)、滲流速度），1∶2。原型與模型黃土物性指標(biāo)：干密度分別為1.55、1.63g/cm3，相對體積質(zhì)量均為2.72，初始含水率均為8.00%，滲透系數(shù)分別為2.1′10-6、1.0′10-6cm/s。

1.2 試驗裝置

通過模型箱的側(cè)向非均勻加載系統(tǒng)較真實地模擬現(xiàn)實情況下邊坡變形特征———上部位移大、下部位移小[15]。人工降雨系統(tǒng)主要包括儲水桶、潛水泵、霧化噴頭、PPR降雨管路等（如圖1所示），通過同時模擬降雨和側(cè)向非均勻加載工況，測試邊坡體積含水率、基質(zhì)吸力及邊坡形態(tài)變化情況。

1.3 試驗方案

采用2種坡比（1∶1、1∶0.5）的邊坡模型，進(jìn)行中雨、大雨（持續(xù)降雨24h）的模擬降雨試驗，中雨雨強(qiáng)為7.00mm/d，大雨雨強(qiáng)為10.75mm/d。在不同降雨強(qiáng)度下，邊坡水分傳感器（測點(diǎn)編號為W1～W11，其中W5因故未測到數(shù)據(jù)）與張力計管（編號為S1～S3）布置如圖2、圖3所示。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 不同降雨強(qiáng)度和坡比對邊坡體積含水率的影響

不同降雨強(qiáng)度下2種邊坡的體積含水率時程曲線見圖4、圖5，可以看出：整個降雨過程中測點(diǎn)W3的含水率均無明顯變化，說明雨水未入滲到相應(yīng)位置，即坡面入滲深度小于75cm；降雨歷時為6～18h時，距坡面5cm的測點(diǎn)W8、W9、W11、W10的含水率增長速率依次提高，說明降雨入滲速率坡頂最高、坡腳次之、坡中最低；W9、W8、W10含水率峰值依次增大，說明入滲深度坡腳最大、坡頂次之、坡中最??；降雨結(jié)束后，測點(diǎn)W8、W9、W11、W10含水率均有不同程度的下降，這是蒸發(fā)造成表層土體水分散失的結(jié)果，而測點(diǎn)W2、W4、W6、W7含水率未出現(xiàn)下降趨勢，說明深度越大蒸發(fā)作用越不顯著；坡頂不同深度處測點(diǎn)W4、W7、W8含水率突變時間依次縮短、含水率的增長速率依次提高，說明隨著深度的增大雨水入滲能力減弱。

坡比為1∶1的邊坡，在中雨、大雨條件下含水率峰值測點(diǎn)W8分別為25.0%、27.0%，W9分別為26.8%、27.5%，W10分別為24.5%、26.3%；中雨條件下入滲深度坡頂為25～75cm、坡中為15～75cm、坡腳為15～30cm，大雨條件下入滲深度坡頂為28～75cm、坡中為18～75cm、坡腳為18～30cm。坡比為1∶0.5的邊坡，在中雨、大雨條件下含水率峰值測點(diǎn)W8分別為25.1%、28.0%，W9分別為29.1%、31.0%，W10分別為25.9%、26.2%；中雨條件下入滲深度坡頂為13～75cm、坡中為10～75cm、坡腳為10～30cm，大雨條件下入滲深度坡頂為20～75cm、坡中為11～75cm、坡腳為11～30cm。對比上述試驗結(jié)果表明：隨著降雨強(qiáng)度增大，測點(diǎn)W8、W9、W10含水率增長速率和峰值均增大，含水率峰值增幅測點(diǎn)W8為2%～2.9%、測點(diǎn)W9為 0.7%～1.9%、測點(diǎn)W10為0.3%～1.8%，說明降雨強(qiáng)度越大降雨入滲速率越高、入滲深度越大；隨著坡比增大，測點(diǎn)W10含水率的增長速率降低且峰值減小0.1%，測點(diǎn)W9含水率的增長速率提高且峰值增加2.3%～3.5%，說明坡比越大，坡腳處降雨入滲速率越高、入滲深度越大，坡中降雨入滲速率越低、入滲深度越小。

2.2 不同降雨強(qiáng)度和坡比對濕潤鋒的影響

坡比為1∶1的邊坡，在中雨條件下濕潤鋒深度坡頂為18～23cm、坡中為15～18cm、坡腳為20～25cm，大雨條件下濕潤鋒深度坡頂為24～30cm、坡中為20～25cm、坡腳為26～28cm；坡比為1∶0.5的邊坡，在中雨條件下濕潤鋒深度坡頂為17～22cm、坡中為8～13cm、坡腳為18～20cm，大雨條件下濕潤鋒深度坡頂為26～31cm、坡中為10～15cm、坡腳為27～30cm。中雨、大雨條件下的濕潤鋒深度分別為15～25cm、10～31cm，大雨濕潤鋒深度與中雨相比坡頂增加6～9cm、坡中增加2～7cm、坡腳增加3～6cm，說明降雨強(qiáng)度越大降雨入滲深度越大；隨著坡比增大，邊坡坡中濕潤鋒深度減小3～10cm，說明坡比越大坡中降雨入滲深度越小。

2.3 不同降雨強(qiáng)度和坡比對基質(zhì)吸力的影響

不同降雨強(qiáng)度下2種邊坡不同位置處基質(zhì)吸力時程曲線見圖6、圖7。開始降雨3h內(nèi)，邊坡土體基質(zhì)吸力變化不明顯；3～10h，邊坡同一位置處土體基質(zhì)吸力的減小速率提高；12～16h，隨著坡比的增大，邊坡坡中基質(zhì)吸力的減小速率降低。在降雨后18h左右，土體基質(zhì)吸力降至最小并趨于穩(wěn)定，坡比為1∶1的邊坡坡頂、坡中和坡腳基質(zhì)吸力穩(wěn)定值在中雨條件下分別為25.3、26.0、21.0kPa，在大雨條件下分別為23.0、25.4、19.3kPa；坡比為1∶0.5的邊坡坡頂、坡中和坡腳基質(zhì)吸力穩(wěn)定值在中雨條件下分別為23.3、27.8、20.4kPa，在大雨條件下分別為22.0、26.9、18.6kPa。大雨條件下基質(zhì)吸力穩(wěn)定值與中雨條件下相比，坡頂減小1.3～2.3kPa，坡中減小0.6～0.9kPa，坡腳減小1.7～1.8kPa，說明降雨強(qiáng)度越大基質(zhì)吸力穩(wěn)定值越小，相應(yīng)的含水率越低、入滲速率越高，坡比越小則邊坡坡中降雨入滲速率越高、入滲深度越大。

2.4 不同降雨強(qiáng)度和坡比對邊坡沖刷的影響

降雨試驗過程中對坡面沖刷情況進(jìn)行觀察可知：降雨初期坡面未產(chǎn)生徑流現(xiàn)象，原因是降雨強(qiáng)度小于雨水的入滲速率；坡比為1∶1的邊坡，在中雨條件下降雨18h左右時，坡頂開始產(chǎn)生局部積水，坡面局部土體剝落并出現(xiàn)徑流現(xiàn)象，采用產(chǎn)流公式（式（1））計算的坡面徑流深約為1.68mm，而在大雨條件下雨水入滲極不充分，降雨至15h左右時坡頂和坡面開始出現(xiàn)明顯的徑流現(xiàn)象，坡面徑流深約為3.89mm，坡肩土體剝落嚴(yán)重并形成一條20mm寬、延伸至坡長1/4處的沖溝；坡比為1∶0.5的邊坡，在中雨條件下降雨16h左右時，坡面局部產(chǎn)生徑流，徑流深約為2.26mm，坡肩和坡中土體剝落程度不同，而在大雨條件下降雨 12h左右時坡面徑流現(xiàn)象明顯，徑流深約為4.97mm，坡肩沖溝較發(fā)育，坡面泥土呈片狀流向坡腳。隨著降雨的繼續(xù)，沖溝呈深切和側(cè)蝕趨勢，說明降雨強(qiáng)度和坡比越大，邊坡沖刷現(xiàn)象越明顯。

3 邊坡滲流分析

基于Geo-studio軟件建立的數(shù)值模型進(jìn)行邊坡滲流分析，其上邊界條件為降雨（降雨時長為24h），底面為零壓力線。

中雨條件下坡比為1∶1的邊坡體積含水率分布情況見圖8。降雨初始和6、12、24h時邊坡坡頂?shù)暮史謩e為11.4%、12.2%、21.0%、26.0%，坡腳的含水率分別為12.6%、13.4%、24.0%、28.0%，坡中的含水率分別為12.0%、12.2%、17.0%、22.0%，說明隨著降雨歷時延長，相同位置土體含水率逐漸增大，其中坡腳含水率增幅最大、坡頂次之、坡中最小，坡腳降雨入滲深度最大、坡腳次之、坡中最小。

圖9為中雨條件下數(shù)值計算的坡比為1∶1的邊坡體積含水率時程曲線。降雨過程中埋深同為5cm的點(diǎn)WS8、WS9、WS11、WS10（與模型試驗測點(diǎn)W8、W9、W11、W10對應(yīng)，其他點(diǎn)與此類似）含水率的增長速率和峰值依次遞減，點(diǎn)WS8含水率突變時間最早，以初始時刻含水率為參照，降雨24h時點(diǎn)WS8含水率增長14.6%、點(diǎn)WS9增長13.5%、點(diǎn)WS11增長11.4%、點(diǎn)WS10增長9.7%，說明降雨入滲速率坡頂最高、坡腳次之、坡中最低；埋深12cm的點(diǎn)WS7、WS6分別在降雨5h和7h時含水率明顯提高，點(diǎn)WS2在降雨8h后含水率才逐漸出現(xiàn)變化，說明降雨入滲速率坡頂大于坡中；持續(xù)降雨24h時含水率達(dá)到峰值，隨后在蒸發(fā)作用下含水率呈現(xiàn)降低趨勢。

圖10為大雨情況下坡比為1∶1的邊坡降雨6h時的含水率分布情況。由圖8（b）和圖10可以看出：在中雨、大雨條件下，坡頂土體含水率分別為12.2%、13.0%，坡中含水率分別為12.2%、13.0%，坡腳含水率分別為13.4%、14.0%，大雨情況下與中雨相比坡頂含水率提高0.8個百分點(diǎn)、坡中提高0.8個百分點(diǎn)、坡腳提高0.6個百分點(diǎn)，表明降雨強(qiáng)度越大入滲速率越高、入滲深度越大。

圖11為大雨條件下坡比為1∶0.5的邊坡降雨6h的含水率分布情況。由圖10、圖11可知：坡比1∶1和坡比1∶0.5的邊坡坡中含水率分別為13.0%、12.5%，坡腳含水率分別為14.0%、14.5%，表明坡比越大坡中降雨入滲速率和入滲深度越小，而坡腳入滲速率和入滲深度越大。

綜上所述，采用Geo-studio軟件建立數(shù)值模型進(jìn)行滲流分析的結(jié)果與模型試驗結(jié)果基本一致。

4 結(jié) 論

（1）在降雨過程中邊坡入滲速率坡頂最高、坡腳次之、坡中最低，降雨入滲深度坡腳最大、坡頂次之、坡中最小，隨著入滲深度的增大雨水入滲能力減弱；降雨結(jié)束后，表層土體在蒸發(fā)作用下含水率呈微小的負(fù)增長趨勢，而較深處蒸發(fā)作用不明顯；隨著降雨強(qiáng)度增大，同一位置處含水率增長速率和峰值均增大，降雨入滲速率提高、入滲深度加大；隨著坡比增大，坡中含水率的增長速率和峰值均減小，坡腳含水率的增長速率和峰值均增大，坡比越大坡腳處降雨入滲速率越高、入滲深度越大，而坡中降雨入滲速率越低、入滲深度越小。

（2）降雨結(jié)束后坡腳、坡頂、坡中濕潤鋒深度依次減小，即降雨入滲深度坡腳最大、坡頂次之、坡中最??；降雨強(qiáng)度越大，邊坡濕潤鋒深度越大即降雨入滲深度越深；隨著坡比增大坡中濕潤鋒深度減小，即坡比越大坡中降雨入滲深度越小。

（3）不同降雨強(qiáng)度和坡比條件下，邊坡不同位置處基質(zhì)吸力穩(wěn)定值坡中最大、坡頂次之、坡腳最小，表明坡腳土體含水率最高；隨著降雨強(qiáng)度的增大，坡頂、坡中、坡腳基質(zhì)吸力穩(wěn)定值均減小，即降雨強(qiáng)度越大基質(zhì)吸力穩(wěn)定值越小，相應(yīng)的含水率越低、降雨入滲速率越高；隨著坡比增大，坡中基質(zhì)吸力穩(wěn)定值增大，即坡比越小坡中降雨入滲速率越高、入滲深度越大。

（4）降雨初期坡面未產(chǎn)生徑流，隨著降雨的繼續(xù)，表土逐漸飽和、坡面產(chǎn)生徑流現(xiàn)象，降雨強(qiáng)度和坡比越大，邊坡表層土體剝落越嚴(yán)重、坡面徑流深越大，坡肩沖蝕溝越發(fā)育，坡腳處堆積淤泥層越厚。

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