黃土填方邊坡界面滲流破壞機制模型試驗研究

余岱金，黃強兵，康孝森，陳 星，劉 悅

（1.長安大學地質(zhì)工程系， 陜西 西安 710054；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；3.長安大學水利與環(huán)境學院， 陜西 西安 710054）

黃土高原治溝造地工程涉及范圍廣，改造程度深，形成了大量的黃土填方邊坡；填方坡體與原始坡體之間存在一個接觸界面，這個接觸界面可能對黃土填方體滲流特性和破壞模式有一定潛在影響。2013年7月延安地區(qū)遭受強降雨襲擊，治溝造地農(nóng)田不同程度受災(zāi)，治溝造地工程中一些潛在問題突顯[1]，因此迫切需要研究這類界面對填方邊坡的影響規(guī)律和機制。

降雨是黃土挖填方邊坡病害的主要誘因。2008年強降雨誘發(fā)的呂梁棗林溝滑坡造成6 人死亡[2]；2011年持續(xù)降雨引起的白鹿原滑坡造成32 人傷亡[3]；2013年持續(xù)強降雨導致延安某滑坡前緣蠕變復活，最終滑坡前部于2014年發(fā)生滑塌，所幸預(yù)警及時未導致人員傷亡[4]。這類病害均受黃土滲透性的影響，但是重塑土與原狀黃土的滲透性差別較大[5]，不同溫度、不同干密度下黃土的滲透性也會發(fā)生變化[6-7]；另外，黃土濕陷性也會使不同應(yīng)力條件下的土骨架發(fā)生垮塌[8]，控制黃土邊坡的破壞。飽和黃土一般采用飽和滲透定律進行滲流計算，而延安南溝地區(qū)雖然常年降雨，但是絕大部分的黃土邊坡仍處于非飽和狀態(tài)[9]。非飽和黃土在降雨過程中發(fā)生的穩(wěn)態(tài)滲流[10]與非穩(wěn)態(tài)滲流[11]均影響邊坡內(nèi)的水分分布，進而顯著影響黃土填方邊坡的穩(wěn)定性[12-13]；尤其是接觸界面處，其飽和與非飽和狀態(tài)復雜，導致其滲流規(guī)律復雜。這種復雜的滲透規(guī)律可通過室內(nèi)物理模型試驗進行研究。

諸多學者通過物理模型試驗研究了降雨強度對土質(zhì)邊坡的影響，確定了降雨作用下土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的門檻累積雨量[14-15]；通過離心機試驗分析了降雨作用下邊坡滲流特性[16]；結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測和模型試驗，分析了現(xiàn)場實際邊坡的雨水入滲規(guī)律[17-18]。但上述研究尚不能揭示接觸界面對填方體的影響規(guī)律。實際上，在延安治溝造地工程中形成了很多復雜的地質(zhì)界面，這些地質(zhì)界面大多為土-土接觸界面，可能形成優(yōu)勢滲流通道，影響雨水的入滲能力。前人主要研究基巖-土接觸界面[19]、土與結(jié)構(gòu)面[20]、土與巖石[21-22]等，而且由于施工方法、技術(shù)限制等因素的影響，人工形成界面兩側(cè)巖土材料強度的差異性一般不會控制破壞面的發(fā)展，因而通常使用性質(zhì)不同的材料模擬界面。界面兩側(cè)同為土層即土-土接觸的黃土填方邊坡降雨試驗研究目前仍然較少，土-土接觸的填方邊坡滲流失穩(wěn)機制尚不清楚，制約了延安南溝治溝造地填方邊坡病害防控。

因此，本文以延安南溝1 處填方邊坡為原型，采用滲透性較好的窗紗布模擬土-土接觸界面，開展室內(nèi)降雨模型試驗，測定黃土填方邊坡界面及其兩側(cè)土體的含水率增量、孔隙水壓力增量變化，闡明降雨作用下土-土接觸填方界面滲流過程，揭示土-土接觸界面對黃土填方邊坡界面滲流及變形破壞的影響機制。

1 黃土填方邊坡降雨模型試驗

1.1 治溝造地工程背景

延安地區(qū)開展治溝造地工程以來，擴大了可用耕地面積，治理了水土流失等災(zāi)害問題[23]，但也面臨著挑戰(zhàn)。治溝造地形成的黃土填方邊坡，在極端天氣影響下雖然未發(fā)生較大規(guī)模的滑坡災(zāi)害，但出現(xiàn)了明顯的垮塌、坡面破壞、坡腳沖蝕及坡頂張拉裂縫等病害問題（圖1），影響了治溝造地邊坡和溝道農(nóng)田的有效利用。尤其是填方邊坡中填方體與天然黃土邊坡的接觸界面可能是優(yōu)勢滲流通道，影響雨水入滲，導致填方邊坡病害。

圖1 黃土填方邊坡病害[24]Fig.1 Disasters of loess-filled slope

1.2 試驗裝置

試驗裝置包括控制系統(tǒng)、降雨系統(tǒng)、供水系統(tǒng)及模型箱（圖2）。模型箱尺寸為3.2 m（長）×1.4 m（寬）×1.5 m（高），模型箱兩側(cè)安裝透明有機玻璃，前端安裝排水箱，其尺寸為 1.4 m（長）×0.5 m（寬）×0.3 m（高）。降雨系統(tǒng)由水管回路、水箱、水泵、降雨噴頭及手提式降雨控制系統(tǒng)組成，降雨高度6 m，降雨強度0～150 mm/h。

圖2 試驗裝置Fig.2 Test device

1.3 黃土填方邊坡模型制作

在模型箱中填筑坡高為0.9 m 的黃土填方邊坡（圖3），使其幾何相似比Cl=25，原始坡與填方坡按照不同密度進行填筑，即密度較大的土坡為原始邊坡，密度較小的土坡為填方邊坡。根據(jù)現(xiàn)場取樣與室內(nèi)試驗確定，原始邊坡與填方邊坡的土層參數(shù)如表1 所示。

表1 土層參數(shù)Table 1 Soil parameters

圖3 黃土填方邊坡模型Fig.3 Model of loess-filled slope

模型邊坡制作流程（圖4）為：（1）填筑原始邊坡，每層10 cm，算出土層質(zhì)量，分層填筑；（2）環(huán)刀取樣測試密度與含水率，處理不符合要求的土層，直至符合既定干密度和含水率再填筑下一層，填筑完成后削出原始邊坡；（3）在削坡側(cè)按密度和含水率要求填筑填方邊坡，方法與原始邊坡的填筑方法相同。該填筑順序較好地還原了治溝造地黃土填方邊坡的形成過程。根據(jù)已有滑坡模型試驗界面模擬方法[25]，本試驗采用窗紗布模擬土-土接觸界面。

圖4 模型填筑過程Fig.4 Process of model filling

1.4 坡體內(nèi)傳感器及坡面監(jiān)測點布設(shè)

重點監(jiān)測填方邊坡與原始邊坡交界面、臨空面-造地面、臨空面-填方邊坡坡面。在接觸界面高程1.0 m（頂部）、0.8 m（中部）、0.4 m（底部）布置水分傳感器和孔隙水壓力傳感器，測試填方體與界面的水分與孔隙水壓力變化，原始邊坡內(nèi)僅布設(shè)孔隙水壓力傳感器，采集間隔均為1 min，傳感器布設(shè)見圖5（a）。在坡面及填方坡頂設(shè)置監(jiān)測點，在模型箱上標注每排監(jiān)測點的基準點，用來定位每排監(jiān)測點的初始位置。填方坡頂插2 排，坡面插4 排，共6 排，每排布置5 個監(jiān)測點，每排從左至右、從底至頂編號，見圖5（b）。

圖5 傳感器與監(jiān)測點布設(shè)Fig.5 Layout of sensors and monitoring points

1.5 降雨方案

根據(jù)延安氣象資料，1 h 最大的降雨強度約為62 mm/h（據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)），根據(jù)降雨強度的相似比Cq=Cl1/2Cg1/2=5，降雨強度設(shè)計為12.4 mm/h（Cg為重力加速度相似比）。低降雨強度下（＜15 mm/h），經(jīng)過長時間降雨后，降雨會出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，同時由于重塑黃土的滲透性發(fā)生變化，也會在坡底形成不均勻的積水，干擾試驗結(jié)果。為使降雨均勻，邊坡充分排水，采用半小時降雨、半小時停雨的降雨方案，控制每小時降雨量為12.4 mm；為模擬延安地區(qū)的常年降雨條件，每日試驗時長為9 h，降雨9 次（表2），持續(xù)降雨8 d。

表2 每日降雨方案Table 2 Rainfall schemes for one day

長時間降雨下含水率與孔隙水壓力變化率低，邊坡水量逐漸累積，降雨前期的含水率與孔隙水壓力變化往往持續(xù)累積至降雨后期，干擾當天降雨變化量，故定義“體積含水率增量”（Δw）分析界面含水率變化，Δw=wc-wi，wc為任意時刻實測含水率，wi為當天初始含水率，以此消除前天含水率與孔隙水壓力對當天數(shù)據(jù)的影響（圖6）。通過“孔隙水壓力變化增量”（ΔP）分析界面孔隙水壓力變化規(guī)律，ΔP=Pc-Pi，Pc為任意時刻實測孔隙水壓力，Pi為當天初始孔隙水壓力，基于該指標分析坡體孔隙水壓力變化規(guī)律（圖7）。

圖6 界面含水率變化曲線（第 1～4 天）Fig.6 Curves of water content at interface (from 1st to 4th day)

圖7 界面處孔隙水壓力變化曲線（第 1～8 天）Fig.7 Curves of pore pressure at interface (from 1st to 8th day)

2 試驗結(jié)果

2.1 填方邊坡界面的含水率激增與消散規(guī)律

第1 天降雨，界面頂部和中部的體積含水率增量和總量均大于其同一高程填方體，填方體底部的體積含水率增量明顯大于界面底部含水率增量，如圖6（a）所示。經(jīng)15 h 停雨，填方體頂部的體積含水率增量大于界面頂部。第2 天降雨，界面底部和填方體底部含水率激增，界面底部體積含水率增量較第1 天變化顯著，但仍小于填方坡體。第3 天降雨，填方坡頂體積含水率會略低于坡中和坡底，除坡頂外同一高程處填方體的體積含水率增量均大于界面，而第4 天界面處所有高程的體積含水率增量均大于填方邊坡，如圖6（b）所示。

2.2 填方邊坡界面的孔隙水壓力激增與消散規(guī)律

降雨第1 天，填方體出現(xiàn)較大負孔隙水壓力，界面底部孔隙水壓力變化小，填方體底部孔隙水壓力變化大。降雨第2 天，界面頂部與中部孔隙水壓力變化接近，而界面底部直至第2 天降雨7 h 后才產(chǎn)生孔隙水壓力增量。降雨第3 天，界面的孔隙水壓力增量值趨于一致，降雨結(jié)束后，界面不同深度的孔隙水壓力的消散速度不同，界面頂部、中部及底部的孔隙水壓力依次逐步消散，如圖7（a）（b）所示。降雨第4 天雨停時，填方體出現(xiàn)了較大的孔隙水壓力增量負值，證實了填方體中底部雨水匯集現(xiàn)象。

降雨第5～8 天，孔隙水壓力變化率減小，降雨結(jié)束后孔隙水壓力逐步消散，坡面破壞也使坡體內(nèi)孔隙水壓力釋放，如圖7（c）（d）所示。降雨后期不同高程的界面處孔隙水壓力在降雨時保持同樣的增長趨勢，而處于同一高程的原始坡體與填方坡體孔隙水壓力增量不相等。

2.3 填方邊坡破面變形破壞過程

降雨第1 天，填方體坡面雨水徑流至坡腳處，坡腳土體飽和軟化并產(chǎn)生泥流，如圖8（a）所示；同時，邊坡中部出現(xiàn)淺落水洞，沿坡腳方向展布。降雨第2 天結(jié)束后，坡面同時發(fā)生沖刷破壞和崩解破壞，因破壞而剝落的黃土覆蓋在第1 天產(chǎn)生的落水洞中，落水洞變淺，但破壞范圍擴大，如圖8（b）所示。第3 天降雨，坡面中底部發(fā)生2 處淺層滑動，寬度分別為74.2 cm 和65.8 cm，通過測量監(jiān)測點的位移，淺層滑動的滑距分別為15 cm 和18 cm，如圖8（c）所示。根據(jù)坡體監(jiān)測點位移發(fā)現(xiàn)在2 個淺層滑動上方還產(chǎn)生了小規(guī)?；瑒悠茐?。第4 天降雨之后坡面未發(fā)生新破壞。

圖8 填方體破壞過程Fig.8 Failure process of the surface of loess-filled slope

第3 天與第4 天降雨使坡面依次產(chǎn)生5 條張拉裂縫。第3 天降雨過程中，坡肩附近產(chǎn)生了張拉裂縫L1，如圖9（a）所示。在第4 天降雨前，新出現(xiàn)4 條裂縫，均位于填方邊坡頂部區(qū)域，第1 條裂縫L1 寬度逐漸增大，如圖9（b）所示。第4～9 天降雨前坡肩未發(fā)育新的裂縫，第6 天開始，L4 和L5 逐漸連通，且深度加深。降雨過程中坡面土體吸水飽和、軟化、崩解，界面的存在使得填方體中部雨水富集，坡體內(nèi)部黃土濕陷形成坑洞，表面崩解的黃土填充坑洞。

圖9 坡面裂縫圖Fig.9 Cracks in slope surface

綜上所述，在延安地區(qū)常年降雨條件下，界面對填方邊坡的影響主要是裂縫和淺層滑動，裂縫主要在降雨結(jié)束后產(chǎn)生，當裂縫出現(xiàn)時，繼續(xù)降雨加速邊坡坡面破壞，產(chǎn)生大范圍淺層滑動。降雨中后期，坡表無明顯破壞，坡頂和坡肩產(chǎn)生較多裂縫，裂縫相互連通，不斷加深加寬，形成了優(yōu)勢滲流通道。

3 討論

3.1 含界面黃土填方邊坡滲流機制

第1 天降雨，界面發(fā)生了優(yōu)勢滲流，見圖6（a），高程1.0 m 處由于距離坡頂較近，滲流路徑短，界面頂部的滲流優(yōu)勢不明顯。填方體底部積水，沿界面向填方體內(nèi)滲流，填方體和界面中部的基質(zhì)吸力較大，雨水繼續(xù)沿界面下滲的趨勢降低，在填方體中部側(cè)向滲流，見圖7（a）。界面底部孔隙水壓力與填方體底部孔隙水壓力變化不一致，說明降雨初期界面頂部雖為優(yōu)勢滲流面，但尚未與界面底部連通。底部界面也是一個優(yōu)勢滲流面，坡底積水，雨水沿底部界面更快進入填方體底部，并非從界面頂部滲流至底部。經(jīng)15 h 停雨，界面中部雨水向界面底部和填方體雙向滲流，導致填方體的體積含水率增量大于界面處，在邊坡坡頂附近，界面仍然有滲流優(yōu)勢。第2 天降雨，界面底部表現(xiàn)出滲流優(yōu)勢，如圖6（a）所示。但第1 天降雨時填方體底部入滲量大于界面底部入滲量，坡體底部排水不暢，開始積水，故第2 天降雨時，即使界面底部體積含水率增量較第1 天顯著變化，但還是小于填方坡體。同一高程處孔隙水壓力增量響應(yīng)規(guī)律一致：孔隙水壓力隨降雨逐漸增大，降雨結(jié)束后孔隙水壓力減小，孔隙水壓力增量出現(xiàn)負值，最終趨于0。當孔隙水壓力增量出現(xiàn)較大負值時，說明基質(zhì)吸力較大，這會影響坡體水分分布。第3 天降雨前，填方體頂部產(chǎn)生裂縫，降雨結(jié)束后坡底發(fā)生淺層滑動，推測是坡體底部和坡體中部雨水匯集，黃土體發(fā)生局部崩解。如圖6（b）所示，第3 天降雨中期，界面優(yōu)勢滲流不顯著，這與降雨累積有關(guān)，在坡頂位置，界面依然存在優(yōu)勢滲流，每日降雨結(jié)束后雨水逐漸匯聚于坡底與坡中，整個坡體未達到飽和，所以降雨前坡頂體積含水率略低于坡中和坡底，界面頂部保持優(yōu)勢滲流。界面中部集水能力降低，但是依然具備一定的集水能力。當天降雨結(jié)束后，坡體發(fā)生了大面積淺層滑動，表明雨水已滲流至坡體內(nèi)。降雨第5～8 天，隨著持續(xù)降雨，坡體表面在降雨時破壞，又在停雨后重塑，干濕交替次數(shù)增多，坡面破壞也使孔隙水壓力釋放。降雨后期界面滲流可能連通，界面先達到飽和，有滲流優(yōu)勢。

降雨過程中填方邊坡由非飽和向飽和過渡，飽和度增大時黃土骨架易坍塌、顆粒易滑移[26]，因此非飽和特性顯著影響入滲雨水在黃土填方邊坡中的滲流規(guī)律[27]，填方體可簡單劃分為潤濕區(qū)與非潤濕區(qū)[28]。不含界面的黃土填方邊坡裂縫產(chǎn)生于填方邊坡的中前緣，雨水在填方邊坡的坡頂處匯集，坡體內(nèi)不易產(chǎn)生優(yōu)勢滲流[29]。而含界面的黃土填方邊坡界面滲流破壞機制與之不同，界面是一個優(yōu)勢滲流面，雨水沿界面發(fā)生非飽和滲流，為填方體內(nèi)提供了潛在濕潤區(qū)，加快了填方邊坡的飽和過程，加速了坡體表面破壞。

黃土填方邊坡界面入滲過程與機制為：在均勻降雨過程中，水分入滲在坡體表面和坡頂同時進行，界面的滲流優(yōu)勢使得雨水優(yōu)先沿界面入滲，降雨中后期原始坡體和填方坡體的含水率增量與孔隙水壓力增量變化趨勢一致，界面的存在加速了填方邊坡的飽和進程，如圖10（a）所示。在延安地區(qū)的常年降雨條件下，填方體底部積水，水分通過界面底部優(yōu)勢滲流面入滲，導致填方邊坡底部在降雨初期便有較高的含水率，如圖10（b）所示；降雨中期，前1 次降雨與本次降雨的雨水匯集于填方邊坡中部，填方邊坡中部產(chǎn)生匯水現(xiàn)象，如圖10（c）所示；降雨后期，界面處滲流通道貫通，填方體中部與底部逐步飽和，如圖10（d）（e）所示。

圖10 界面作用下填方體滲流過程Fig.10 Seepage path of loess-filled slope affected by interface

3.2 含界面黃土填方邊坡坡面破壞機制

降雨第1 天，破壞主要由雨水沖刷導致，如圖8（a）所示。降雨第2 天結(jié)束后，在界面的影響下，坡體中部土體增濕加快，如圖8（b）所示。降雨中后期（第3～4 天）容易發(fā)生淺層滑動，第3 天降雨過程中，坡肩附近的坡面產(chǎn)生了張拉裂縫（圖9），結(jié)合含水率與孔隙水壓力的監(jiān)測結(jié)果，裂縫的產(chǎn)生與邊坡降雨的滯后性有關(guān)[30]，雨水入滲使填方坡體逐步飽和，發(fā)生蠕變，繼而產(chǎn)生了張拉裂縫。在隨后的降雨中，坡體中新發(fā)育了許多張拉裂縫，并且這些發(fā)育的裂縫逐漸連通。裂縫發(fā)育擴展說明：降雨過程中，一方面填方體自重逐漸增大，填方體頂部與中部產(chǎn)生較大拉應(yīng)力；另一方面填方體含水率增大，有效應(yīng)力降低[31]，抗拉強度降低，導致坡肩產(chǎn)生張拉裂縫。降雨過程中坡面飽和、軟化、崩解，界面的存在使得填方體中部雨水富集，坡體內(nèi)部黃土濕陷形成坑洞，表面崩解的黃土填充坑洞。第4 天降雨之后坡面未發(fā)生新破壞，實際上坡體邊坡表面經(jīng)歷3 次干濕交替，土體崩解的速率變緩，抗侵蝕能力增強[32]，這是降雨中后期填方體未繼續(xù)破壞的主要原因。界面作為優(yōu)勢滲流面，使雨水更快入滲到填方邊坡深處，改變了填方邊坡內(nèi)水分分布，影響填方邊坡有效應(yīng)力分布，使降雨初期坡面頂部和降雨中后期坡頂、坡肩位置出現(xiàn)裂縫，隨著持續(xù)降雨，邊坡出現(xiàn)坡面沖刷、淺層滑坡或局部垮塌破壞。

界面對坡體滲流和坡表破壞的具體影響機制為：①界面作為降雨入滲的優(yōu)勢滲流面，如圖11（a）第1 天所示，雨水沿界面滲流至填方邊坡中底部（圖11中A、B、C 點），使?jié)駶櫡迕嬖诮缑嫣幐斓叵乱浦吝吰轮械撞浚虎诮缑娴撞恳餐瑯訛榻涤耆霛B的優(yōu)勢滲流面，如圖11（a）第2 天所示，填方體底部積水，沿界面底部入滲至填方邊坡內(nèi)，造成了降雨初期填方邊坡底部含水率升高的現(xiàn)象；③停雨后，前1 次入滲的雨水沿界面向下至填方邊坡中部，這一部分雨水與本次從邊坡表面入滲的雨水在填方邊坡中部匯集；④填方邊坡的雨水聚集改變了應(yīng)力場分布，導致了淺層黃土的局部崩解，應(yīng)力分布的改變使坡體產(chǎn)生蠕變，見圖11（a），在填方坡頂坡肩附近產(chǎn)生了多條裂縫，見圖11（b），形成了多個優(yōu)勢滲流通道，淺層黃土的局部崩解觸發(fā)坡表淺層滑動。

圖11 含界面填方邊坡滲流與破壞關(guān)系Fig.11 Relationship between seepage and failure of loess-filled slope with interface

4 結(jié)論

（1）降雨初期，界面是一個優(yōu)勢滲流面，雨水沿界面自上而下非飽和滲流至填方體中部和底部，雨水還從填方體坡面垂直入滲，為填方體內(nèi)提供了潛在濕潤區(qū)，加快了黃土填方邊坡的飽和進程；降雨后期，界面先飽和，而后填方體逐步飽和。因此，界面控制著填方體內(nèi)滲流場變化。

（2）降雨作用下填方體坡腳中部先發(fā)生侵蝕破壞，隨后中部出現(xiàn)大范圍侵蝕破壞，持續(xù)降雨下破壞區(qū)域逐步擴大，直至坡面中底部土體發(fā)生較大規(guī)模的淺層滑動，又加劇了填方邊坡坡頂與坡肩裂縫的產(chǎn)生與擴展，形成了多個優(yōu)勢滲流通道和復雜地貌條件，加劇了填方體坡面局部失穩(wěn)。

（3）雨水入滲匯集于填方體中部，坡體含水率激增，填方體自重增大，填方體頂部與中部產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，這是填方體坡頂和坡肩張拉裂縫產(chǎn)生的主要原因；有效應(yīng)力顯著降低，抗剪強度參數(shù)亦降低，這是填方邊坡中底部發(fā)生淺層滑動的主要原因。上述結(jié)果對黃土填方邊坡穩(wěn)定性評價和提高治溝造地使用壽命具有較好的指導意義。