馬棟和，王常明，黃如卉，劉忠富，馬玉民

(1.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春 130000;2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長春 130000)

遼西黃土緩坡沖刷破壞及雨水入滲規(guī)律

馬棟和1，王常明2，黃如卉1，劉忠富1，馬玉民1

(1.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春 130000;2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長春 130000)

針對遼西地區(qū)黃土緩坡降雨沖蝕破壞嚴(yán)重的問題，結(jié)合野外現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)物理模擬試驗(yàn)及SEEP/W滲流數(shù)值模擬，監(jiān)測了坡內(nèi)濕潤鋒的發(fā)展趨勢、坡面土體體積含水率的變化，研究了黃土緩坡的沖刷破壞特征及降雨入滲規(guī)律。研究結(jié)果表明:遼西地區(qū)黃土緩坡坡面在降雨沖蝕作用下，按橫向坡面形態(tài)可分為V形、U形、梯形、三角形4種沖溝。隨著降雨的持續(xù)，浸潤深度逐漸加深，雨水在坡內(nèi)的浸潤線不平行于邊坡線，呈現(xiàn)出上淺下深的規(guī)律。遼西黃土緩坡坡面經(jīng)歷短時間降雨沖刷時，主要產(chǎn)生表層面蝕破壞;經(jīng)歷長時間降雨沖刷時，坡腳被沖刷淘空，坡面產(chǎn)生陷穴，進(jìn)而可誘發(fā)邊坡災(zāi)害。

黃土緩坡;降雨入滲;坡面沖刷;物理模型試驗(yàn);滲流數(shù)值模擬

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，公路建設(shè)速度加快，公路越來越多地穿越復(fù)雜地形地貌區(qū)域，導(dǎo)致公路工程邊坡問題也日益增多［1］。黃土公路邊坡穩(wěn)定及坡面抗沖蝕性一直是人們普遍關(guān)注的難題，降雨引起坡面土體強(qiáng)度降低，再加上滲流力的作用，黃土邊坡的穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致邊坡發(fā)生沖蝕及滑動破壞。因此，了解雨水在邊坡上的滲流形態(tài)，對進(jìn)一步研究雨水在邊坡上的入滲規(guī)律，以及分析降雨入滲條件下的路堤邊坡穩(wěn)定性，都具有重要意義。

現(xiàn)行GB50025—2004《濕陷性黃土地區(qū)建筑地基規(guī)范》首次將遼寧西部列為黃土邊緣區(qū)，目前僅有少數(shù)學(xué)者對該地區(qū)的黃土進(jìn)行了初步研究［2-4］。Foster等［5］從泥沙輸移角度將黃土侵蝕過程分為細(xì)溝間侵蝕和細(xì)溝侵蝕兩個階段;鄭粉莉等［6］對黃土坡面土壤水力侵蝕過程進(jìn)行研究，將其劃分為濺蝕、片蝕、溝蝕等幾個階段，但未對沖溝橫向形態(tài)進(jìn)行研究;羅斌等［7］對花崗巖殘積路塹邊坡沖蝕特征進(jìn)行了研究，將溝槽發(fā)展的橫向形態(tài)劃分為V形、U形、梯形3種，但未對不同坡度的坡面沖蝕特征進(jìn)行區(qū)分。鑒于目前遼西黃土地區(qū)存在小坡度邊坡沖刷問題，本文通過對沖刷破壞現(xiàn)狀的野外現(xiàn)場調(diào)查及室內(nèi)物理模擬試驗(yàn)，分析坡面沖刷破壞特征及降雨入滲特征，并采用SEEP/W模塊，建立飽和-非飽和滲流數(shù)值模型，深入研究遼西黃土緩坡坡面沖刷破壞規(guī)律。

1 坡面沖刷破壞特征

遼西地區(qū)黃土主要分布于河流沖積、沖洪積河谷平原及山前地貌上，厚度多為2～15 m，最大可達(dá)30 m，且分布范圍廣［8］。區(qū)內(nèi)黃土為晚更新世沖洪積次生馬蘭黃土，且垂向節(jié)理裂隙發(fā)育，在降雨作用下極易發(fā)生沖蝕破壞。降雨初期，具有一定動能的雨滴直接擊打到干燥的坡面土體，由于顆粒之間被空氣充填，土顆粒來不及吸收雨水，細(xì)小的土粒即被雨滴濺散。此后，坡面低洼處開始產(chǎn)生積水，在重力作用下分散開向坡下流動，形成層流，層流在雨滴擊濺及坡面地形起伏的作用下，具有一定的侵蝕能力，對坡面產(chǎn)生片蝕;當(dāng)徑流量增加到一定量時，無法繼續(xù)保持成層水流，在低洼區(qū)域逐漸匯集成股流，股流的侵蝕作用比較集中，溝蝕作用一般分為細(xì)溝沖蝕、淺溝沖蝕、沖溝沖蝕及淘蝕等階段。

2 坡面沖刷模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

相比現(xiàn)場沖刷試驗(yàn)，室內(nèi)物理模擬試驗(yàn)周期短，試驗(yàn)參數(shù)方便控制［9-13］。為揭示緩傾角黃土邊坡坡面的水流侵蝕特征，筆者自行研制了小型邊坡降雨及觀測裝置，開展室內(nèi)邊坡降雨沖刷破壞模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置主要由人工降雨單元、供水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、試驗(yàn)槽、監(jiān)測系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。

圖1 室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置

2.2 模型的制作

為確保試驗(yàn)結(jié)果的合理性，模型采用統(tǒng)一的筑坡方法——分層夯實(shí)法來填筑邊坡。填筑邊坡時分層填土，每層厚10cm;每層填土完成后，利用便攜式觸探儀在夯實(shí)范圍內(nèi)均勻觸探，以控制每層填土壓實(shí)度保持一致。觸探完畢后，將逐個土層表面“打毛”。為便于密度的控制及模型的成型，采用先填滿、后開挖的方式，以形成不同坡度的坡面和排水溝。在坡面安置一些變形監(jiān)測物(如顏色鮮亮的聚乙烯圓粒)，以監(jiān)測坡面變形過程。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過野外現(xiàn)場調(diào)查與室內(nèi)物理模擬試驗(yàn)觀察，按橫向剖面形態(tài)黃土緩坡(坡度小于或等于40°)坡面沖溝大致可分為以下4種形態(tài):V形、U形、梯形及三角形，如圖2所示。

圖2 坡面沖溝橫向剖面形態(tài)

這4種形態(tài)的沖溝在一定程度上反映了黃土邊坡坡面沖溝發(fā)育的不同階段和縱向的不同位置:V形沖溝主要出現(xiàn)在溝狀侵蝕階段初期，位于坡面的頂部，由坡頂匯水沿坡面集中流動切割而形成較淺沖溝，對應(yīng)于細(xì)溝沖蝕階段。U形沖溝大致與淺溝沖蝕相對應(yīng)，出現(xiàn)在溝狀侵蝕中期，由V形沖溝持續(xù)被水流沖刷后逐漸加深、加長而形成，可延伸貫通至整個坡面。隨著沖刷過程的繼續(xù)，越來越多的產(chǎn)流沿坡面細(xì)溝流動，此時水流的下切動力較大，持續(xù)切割、擴(kuò)展坡面細(xì)溝，當(dāng)U形沖溝溝槽被沖蝕至一定程度，水流的下切動力減弱，便開始橫向掏蝕溝槽底部的顆粒，在溝槽底部形成一個“腔體”，即梯形沖溝。三角形沖溝主要出現(xiàn)在溝蝕階段的后期，此時溝槽開口處兩側(cè)土體已接近飽和，強(qiáng)度變?nèi)?，沖溝兩側(cè)土體在重力作用下向沖溝方向發(fā)生位移，致使溝槽開口逐漸減小，直至閉合。與此同時，由于溝槽內(nèi)的大量顆粒被水流持續(xù)攜帶走，“腔體”越來越大，坡面底部開始坍塌，坍塌范圍沿著溝槽向上擴(kuò)展。整個沖蝕破壞過程如圖3所示，野外現(xiàn)場調(diào)查破壞形態(tài)如圖4所示。

3 坡面雨水入滲規(guī)律

在進(jìn)行室內(nèi)物理模擬試驗(yàn)時，在邊坡模型側(cè)面架設(shè)相機(jī)，拍攝記錄濕潤鋒的發(fā)展過程，濕潤鋒的發(fā)展過程可以直觀反映出坡體內(nèi)部雨水入滲規(guī)律。圖5反映了室內(nèi)沖刷試驗(yàn)過程中40°邊坡濕潤鋒的發(fā)展趨勢，圖中1～8為含水率監(jiān)測探頭編號。隨著降雨歷時的增加，坡面某些位置的土體逐漸達(dá)到飽和而失去強(qiáng)度，土顆粒被水流沖蝕，逐漸形成不平整的入滲面，進(jìn)而影響濕潤鋒的形狀，所以實(shí)際監(jiān)測的濕潤鋒形狀并非圓滑曲線。

圖3 緩坡坡面沖蝕破壞演變過程

圖4 野外現(xiàn)場調(diào)查中“腔體”底部坍塌

圖5 40°邊坡濕潤鋒發(fā)展趨勢

在坡體內(nèi)部布置含水率監(jiān)測探頭(探頭位置見圖5)，記錄不同位置處土體體積含水率的變化，如圖6所示。在降雨開始的較短時間內(nèi)，地表土體的含水率快速從初始值增加到某一穩(wěn)定值;坡體內(nèi)部較深區(qū)域土體含水率呈緩慢增長趨勢。隨著降雨的持續(xù)，土壤內(nèi)部濕潤峰向下推移，含水率的分布曲線由陡直漸變?yōu)橄鄬ζ骄彙?/p>

4 飽和-非飽和滲流數(shù)值模擬

飽和-非飽和條件下，土體的導(dǎo)水能力可以通過滲透系數(shù)函數(shù)來反映。飽和土中，所有土顆粒之間的空隙都充滿水，一旦空氣進(jìn)入空隙中，相對于水的流動而言，空氣的充填會堵塞水流通道，水的滲流路徑將會變得更加曲折，導(dǎo)致土體滲透系數(shù)減小。當(dāng)孔隙水壓力負(fù)向增加，更多的空隙被空氣所充填，滲透系數(shù)進(jìn)一步減小。土體的滲透能力依賴于土體中現(xiàn)有的含水率，而土體中現(xiàn)有含水率可以通過體積含水率來表征。實(shí)測滲透系數(shù)的難度較大，但體積含水率可以通過實(shí)測等方法來確定［14-16］。

圖6 40°邊坡土體體積含水率的變化

結(jié)合室內(nèi)坡面雨水入滲物理模型試驗(yàn)獲得的降雨入滲規(guī)律，建立SEEP/W滲流數(shù)值模型，如圖7所示，圖中橫坐標(biāo)為邊坡模型至左邊界的水平距離，坐標(biāo)原點(diǎn)為模型左邊界與底邊界交點(diǎn)。坡頂與坡面定義為入滲邊界，坡頂?shù)娜霛B量沿其長度方向均勻分布。坡面的入滲量需要分段定義，坡面上部入滲量較小;而坡面下部土體不僅受到降雨的入滲，坡面徑流在該處入滲量也增大，所以定義的入滲量較大。試驗(yàn)用土的體積含水率曲線(土－水特征曲線)如圖8所示，將實(shí)測土-水特征曲線采用Gardner公式進(jìn)行擬合。

圖7 SEEP/W滲流數(shù)值模型

圖8 Gardner擬合實(shí)測土－水特征曲線

模擬結(jié)果如圖9所示，10 min后，坡頂和坡面上部的入滲深度均在1 cm左右，且基本平行于滲流邊界線，而坡腳處濕潤鋒的發(fā)展速度加快，逐漸不平行于滲流邊界;10～60 min期間，坡面浸潤線發(fā)展呈上淺下深的規(guī)律，對應(yīng)于坡面侵蝕的溝狀侵蝕階段;60 min以后，進(jìn)入沖刷試驗(yàn)后期的坍塌破壞階段，由于此時整個坡面孔隙水壓力增加明顯，土體飽和，土粒間黏結(jié)力驟減，溝槽內(nèi)的大量土顆粒被水流持續(xù)攜走，“腔體”越來越大，坡面底部開始坍塌，坍塌范圍沿著溝槽逐漸向上擴(kuò)展，直至坡面發(fā)生整體破壞。

圖9 不同時刻40°邊坡孔隙水壓力等值線(單位:kPa)

5 結(jié)論

a.根據(jù)野外現(xiàn)場調(diào)查與室內(nèi)降雨沖刷模擬試驗(yàn)結(jié)果，遼西地區(qū)黃土緩坡坡面溝蝕橫斷面的形態(tài)大致可分為V形、U形、梯形、三角形，這4種沖溝形態(tài)在一定程度上反映了遼西黃土緩坡坡面沖溝發(fā)育的不同階段和縱向的不同位置。

b.由室內(nèi)物理試驗(yàn)觀測可知，在降雨開始的較短時間內(nèi)，地表土體的含水率從初始值快速增加到某一穩(wěn)定值;而坡體內(nèi)部較深區(qū)域的土體含水率呈緩慢增長趨勢。隨著降雨的持續(xù)，雨水浸潤深度加深，但雨水在坡面上的浸潤線均不平行于邊坡線，呈現(xiàn)上淺下深的規(guī)律。

c.采用飽和-非飽和滲流數(shù)值模型對降雨條件下遼西黃土緩坡的雨水入滲特征進(jìn)行數(shù)值模擬:模擬初期(0～10 min)坡頂和坡面上部的入滲深度均在1 cm左右，且基本平行于滲流邊界線;后期 (10～60 min)坡內(nèi)浸潤線的發(fā)展逐漸呈上淺下深的規(guī)律，與室內(nèi)試驗(yàn)觀測結(jié)果基本一致。

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Erosion damage and rainfall infiltration characteristics of loess gentle slope in western Liaoning

MA Donghe1，WANG Changming2，HUANG Ruhui1，LIU Zhongfu1，MA Yumin1(1.China Water Northeastern Investigation，Design ＆Research Co.，Ltd.，Changchun 130000，China;2.College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun 130000，China)

To solve the problem of serious loess gentle slope erosion caused by rainfall infiltration in western Liaoning，site investigation，laboratory physical simulation experiments，and SEEP/W numerical simulation were combined to monitor the development trend of the wetting front within the slope and the variation of the volumetric water content of the slope soil，and the characteristics of loess slope erosion and regularity of the rainfall infiltration were studied.The results show that，caused by the rainfall erosion，the cross-sectional shape of gullies of the loess gentle slope can be divided into four types:V-shaped，U-shaped，trapezoid，and triangle shapes.Along with a continuous rainfall，the depth of invasion increases gradually，but the infiltration lines of rainwater in the slope are not parallel to the slope edge lines，showing a law of less infiltration at the top and more infiltration at the bottom of the slope.When the western Liaoning loess slope is eroded by rainfall for a short period of time，it mainly produces surface erosion;but for prolonged rainfall erosion，the base of the slope becomes hollow and sinkholes appear on the slope surface，finally inducing slope disasters.

loess gentle slope;rainfall infiltration;slope surface erosion;physical simulation experiment;seepage numerical simulation

TU444

A

1006-7647(2013)06-0029-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.06.005

國家自然科學(xué)基金(40972171)

馬棟和(1986—)，男，甘肅民勤人，工程師，博士，主要從事巖土力學(xué)研究。E-mail:123madonghe@163.com

王常明(1966—)，男，浙江紹興人，教授，博士，主要從事巖土力學(xué)教學(xué)與研究。E-mail:wangcm@jlu.edu.cn

2013-05-02 編輯:駱 超)