王 鮮，倪萬魁，劉海松，武 鵬，袁志輝

(長安大學地質工程與測繪學院，陜西西安 710054)

0 引言

黃土廣泛分布于我國中西部，隨著“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略的實施，黃土地區(qū)的工程建設活動迅速增多，在這些地區(qū)進行工程建設時，受其區(qū)域地形地貌的限制，不可避免地會遇到大量的黃土邊坡問題［1］。而在工程建設中出現的填挖邊坡大都處于裸露、無防護狀態(tài)，這些裸露的黃土邊坡在降雨時極易造成坡面的沖刷侵蝕，隨著降雨次數的增加，將會導致邊坡局部破壞，甚至影響邊坡的整體穩(wěn)定性。因此，對于這類邊坡在降雨條件下的坡面侵蝕變化特征及其破壞機制的研究就顯得尤為重要。本文通過對同一降雨條件下的四種不同坡比黃土邊坡的室內模擬降雨沖刷試驗，分析了坡度對延安地區(qū)黃土邊坡坡面降雨沖刷時沖蝕含泥量和坡面徑流量的變化規(guī)律，在此基礎上，研究黃土邊坡的坡面沖刷侵蝕破壞機制，以期為該地區(qū)黃土邊坡的坡面防護及施工設計提供參考。

1 室內模擬降雨沖刷試驗

1.1 試驗用土性質

本次試驗用土取自延安新區(qū)填挖邊坡建設場地，屬于Q3黃土。試驗黃土的基本物理力學指標見表1。

表1 試驗黃土基本物理力學指標Table 1 Physical character indexes of the test loess

試驗前，先將土樣過篩，去除土中所含雜質。然后噴灑適量水分，靜置，待土樣含水量與天然土樣相等時再采用分層擊實填筑的方法，把配制好的土樣分層依次填筑、擊實，使土的物理指標與現場土質盡量保持一致。為避免出現人為的土層界面，填入每層土樣前將已夯實的土面做糙面處理。

1.2 試驗裝置及試驗設計

1.2.1 試驗裝置

本試驗模型主體部分為一個長方形的模型車體，根據室內模型試驗的相關條件確定其尺寸為3 m×1.5 m×0.5 m，模型主體用不銹鋼板做成，車體前段向外延伸一定區(qū)域做成水流匯集區(qū)，便于收集坡面水流，車體兩側面采用厚度為1 cm的高透明有機玻璃做成，兩側面可以作為可視窗口，便于試驗過程中隨時觀測土體內部情況［2］。另有一套起吊設備，高4 m，寬2 m，用于起吊車體形成試驗所需的各坡比斜坡。

降雨裝置采用中科院楊凌水土保持研究所開發(fā)的仰噴式模擬降雨機，配合普通揚程水泵。噴頭可根據情況自由調節(jié)，其最大有效距離為3 m，在無風條件下雨滴在該范圍內可均勻覆蓋試驗區(qū)，與天然降雨相似性可達85%［3］。試驗雨強根據延安當地降雨特征，選用1.38 mm·min-1的高強度暴雨，通過簡易雨量器現場測定，用小塑料桶和量筒采集水樣。

1.2.2 試驗設計

本次試驗根據實際工程建設中常見的填挖邊坡，確定試驗的四種坡比為1∶1.5，1∶1，1∶0.75 和 1∶0.5，每一坡比均采用1.38 mm·min-1的雨強進行一次試驗，每次試驗時間30 min。在試驗過程中，隨時觀察并記錄坡面沖刷侵蝕現象，利用小塑料桶收集坡面徑流水樣，測定其含泥量、徑流量。

1.3 試驗現象

因試驗雨強較大，試驗開始初期，雨滴以較大的動能，直接擊打到干燥的坡面上，一部分被坡面土體吸收，一部分四處飛濺。同時，坡面上松散、細小的土顆粒也因雨滴的擊打而濺散或滾動(濺蝕)，此過程持續(xù)約30s(照片1a)。

之后，隨著降雨的繼續(xù)，坡面土體逐漸吸水濕潤，當坡面最表層的土體吸水接近于飽和時，坡面表面就形成一層泥膜，泥膜的形成，阻礙了雨水的入滲，降落坡面的雨水只有一部分入滲坡體，另一部分即形成超滲徑流(浸潤)，這一過程歷時約2 min(照片1b)。

徑流形成初期，水層薄，沖刷力弱，僅能搬運一些細小顆粒，之后，伴隨著徑流量不斷增大，徑流的沖刷能力逐漸增強，同時，受坡面水流的保護，雨滴對土顆粒的濺蝕作用逐漸消失。在徑流形成發(fā)展過程中，坡面節(jié)理裂隙處的土體逐漸因吸水膨脹、抬升(泡脹)，在坡面水流的沖刷攜帶下，不斷有細小顆粒被水流剝落，形成不連續(xù)的斑點狀小跌坎(面蝕)。之后，坡面水流流速逐漸增大，掏蝕坡面薄弱部位形成坡面缺損，并逐漸集中到這些部位中，徑流的流動沖刷很快在其中形成下切溝頭，每個跌坎經不斷下切侵蝕后相互連接形成細溝(照片1c)。

隨著降雨的繼續(xù)，坡面水流集中流動于細溝內，在流動過程中不斷切割、掏蝕溝岸和溝底土體(溝蝕)，使得細溝擴寬加深，最終導致坡面破壞(照片1d)。

照片1 坡面侵蝕發(fā)育過程Photo 1 The process of slope erosion

2 結果分析

2.1 坡度對坡面侵蝕破壞的影響

坡度對黃土邊坡坡面降雨沖刷侵蝕效果的影響是十分復雜的，主要表現在:隨著坡度的增大，土顆粒的重力順坡向方向的分力也隨著增大，土顆粒穩(wěn)定性降低;坡度增大使得坡面流流速增大，減少了徑流停滯和入滲的時間，減少了入滲量，相對增大了徑流量;坡面徑流切應力隨著坡度增大而增大，增強了徑流對土體的分離能力;對于等坡長邊坡，坡度的增大使得降雨的承雨面積減小，從而減少了坡面徑流總量，降低了坡面流的侵蝕能力。這些因素共同影響著坡度對邊坡坡面降雨侵蝕的效果。

本次試驗針對同一土質的等坡長斜坡，在相同的雨強和降雨時間內，對比四種不同坡比(1∶1.5，1∶1，1∶0.75，1∶0.5)的黃土邊坡坡面沖刷特征及徑流量和沖刷量的變化規(guī)律。試驗數據見表2。

表2 試驗數據表Table 2 The test data table

各坡比徑流量及含泥量隨時間變化曲線見圖1、圖2。

圖1 各坡比徑流量隨時間變化關系Fig.1 The runoff change over time of each slope

圖2 各坡比沖蝕含泥量隨時間變化關系Fig．2 The mud content change over time of each slope

試驗結果表明，各坡度徑流穩(wěn)定后，徑流量表現為坡度越大，徑流量越小，即徑流量大小與坡度成反比例關系。徑流量的這一變化規(guī)律主要受坡面承雨面積控制:隨著坡度的增加，承雨面積減少，降落坡面的總雨量也不斷減少。而坡度大小影響入滲量，進而影響坡面徑流量這一因素則為次要因素。

含泥量則表現為:當坡度小于45°時，隨著坡度的增大，坡面徑流中含泥量及其增長速度增大;但當坡度大于45°時，隨著坡度的增大，含泥量及其增長速度反而減小。這主要是因為在坡度的變化過程中，伴隨著如前所述的各個因素的此消彼長，共同影響著降雨對坡面的侵蝕效果，但存在一個臨界坡度。即邊坡坡度越接近臨界坡度時，沖刷量越大:當坡度小于該臨界坡度時，坡面土體的沖刷量與坡度成正比例關系;當坡度大于該臨界坡度時，坡面土體的沖刷量與坡度成反比例關系。本次試驗結果表明延安地區(qū)黃土邊坡的這四種坡比中，臨界坡比為1∶1。

定義徑流率來表征承雨面積內坡面降雨總量中形成徑流的雨量所占比率

其中坡面承雨面積是斜坡面總面積在水平面上的投影值。經計算得四種坡比邊坡徑流率依次為:0.60、0.62、0.53、0.51。

試驗發(fā)現徑流率隨坡度變化趨勢與沖刷含泥量隨坡度變化趨勢同步，即在試驗四種坡比中，徑流率和沖刷含泥量均在坡比為1∶1時最大，向兩側減小。這說明試驗的四種坡比中，在坡比為1∶1時，降落坡面的降雨更多的轉化為徑流，這一現象同時有助于徑流對坡面土體的沖刷侵蝕。

2.2 坡面沖刷破壞機制分析

通過對黃土邊坡坡面降雨沖刷破壞全過程的深入認識，分析認為:黃土邊坡坡面在強降雨作用下的坡面侵蝕破壞機制可依次分為降雨沖擊機制［4］、吸水軟化機制［4］和面溝切割機制。

2.2.1 降雨沖擊機制

通過試驗發(fā)現，降雨初期，原本處于穩(wěn)定狀態(tài)的松散土體在受到較大動能的雨滴擊打作用時，極易被濺散或沿坡面滾動。取位于斜坡坡面上的松散土體見圖3，斜坡坡度為θ，土體粘聚力為c，內摩擦角為φ，土體沿坡面方向長度為L，W為土體重力，P為土體受到的雨滴沖擊力，P與斜坡坡面方向夾角為β。

則土體受到的沿坡面法向方向的抗滑力N和沿坡面向下的下滑力T分別為:

于是:

可見土體穩(wěn)定性指標是c、φ、θ、L、W、P、β 的函數，當土體粘聚力c和內摩擦角φ、斜坡坡度θ、土體沿坡面長度L及土體自身重力W一定時，雨滴滴落坡面的沖擊力大小P及其方向β就成為影響坡面土顆粒穩(wěn)定的決定性因素。當沖擊力大小和方向合適時，坡面上松散的土顆粒就會在強降雨動力沖擊作用下發(fā)生不同程度的變形、飛濺或滾動，形成降雨初期雨滴對邊坡坡面的沖擊侵蝕。

2.2.2 吸水軟化機制

坡面土體在經過雨滴的擊打、濺散作用后，多形成蜂窩狀的麻點。隨著降雨的繼續(xù)，坡面表層土體吸水浸潤，達到飽和或近飽和狀態(tài)，同時雨水入滲土體內部，土中含水量增加，飽和度也迅速提高，土體粘聚力和內摩擦角隨之降低，土體發(fā)生軟化。

以圖3、圖4為例:當土體吸水后含水量達到飽和或近飽和狀態(tài)時，土體粘聚力降低至1.2 kPa，內摩擦角降低至28°，而當坡面土體吸水飽和形成泥膜后，雨滴對土顆粒的擊打作用即變的十分微弱，忽略此作用時，即令P等于零，此時取坡面單位長度、單位寬度的土體為研究對象，根據試驗所得各坡比降雨入滲深度h，確定研究體體積V，進而利用ρsat確定各坡比研究體重力W，則可就本次試驗的四種坡角值θ，利用簡化后的公式(1):

計算得天然狀態(tài)時各坡比入滲深度范圍內土體穩(wěn)定系數F依次為:75.02、54.88、30.45、36.07;而飽水狀態(tài)時各坡比該深度范圍內土體穩(wěn)定系數F依次為:2.33、1.66、1.02、1.01，可見坡面土體吸水飽和后穩(wěn)定系數明顯降低。

圖3 受降雨沖擊作用的坡面土體Fig．3 The slope soil under rain impact

另一方面，隨著降雨的不斷進行，雨水入滲土體內部，使得土顆粒表面結合水膜增大，土體內部顆粒的基質吸力減小，土體中的氣體被水膜和土體顆粒封閉;雨水不斷地填充土體顆粒間的空隙，氣體受到擠壓，內部壓強加大，對土體顆粒產生了一定的支撐作用;隨著降雨的繼續(xù)，雨水充滿了土體顆粒之間的孔隙，此時基質吸力減小，孔隙水壓力增大，土體有效應力降低，甚至為零，結果使土體顆粒局部處于懸浮狀態(tài)［5］。

圖4 土體強度參數隨含水量變化曲線Fig．4 The soil strength parameters changing with water content curve

總之，隨著強降雨的進行，雨水入滲土體內部從而改變了土體原有的物理化學環(huán)境和力學結構，同時土體內含水量的增大，使得其強度參數逐漸降低，總體趨勢是安全性指標下降。

2.2.3 面溝切割機制

坡面經過前期降雨沖擊及吸水軟化后，表層土體含水量接近于飽和，坡面表層形成一層泥膜，阻礙了雨水向土體內的入滲，未能及時入滲的雨水即于坡面匯集形成薄層水流，即超滲徑流，超滲徑流的形成標志著雨水對坡面沖刷作用的開始。徑流形成初期，雨量少，能量小，沖蝕力弱;而隨著強降雨的繼續(xù)，坡面徑流水量、流速隨之迅速增大。坡面上強烈徑流的形成一方面順斜坡方向產生向下的滲透力，形成動水的滲透侵蝕作用;另一方面，徑流在土體表面的快速運動中產生的對土體的剪切力也大大增強了土體的下滑力。

單位體積的坡面土體浸沒于水中(圖5)，其自身有效重度為W'=γ'V，同時受到水流在顆?？紫堕g流動的滲透拖拽力J=jV=γwiV，，其中i=dh/ds=sinθ，此時坡面土顆粒的穩(wěn)定系數:

若取該單位體積的土體為研究對象，此時c=1.2 kPa，φ =28°，r'=10.11 kN/m3，rsat=20.11 kN/m3，對于本次試驗的四種坡度值θ，經計算得此時坡面土顆粒的穩(wěn)定系數依次為:0.508、0.352、0.275、0.201。

由此可見，在顆粒間水流流動拖拽作用下，坡面土顆粒穩(wěn)定系數均明顯降低，且均小于1，這說明徑流的形成在很大程度上影響了坡面土體的穩(wěn)定性，促進了坡面的破壞。

圖5 受動水拖拽的坡面土體顆粒Fig．5 The slope soil under hydrodynamic drag

同時，坡面徑流在快速流動過程中，受坡面土體阻力的作用，當該部分土體經吸水軟化后強度減低，同時坡面徑流量達到一定值時，就產生坡面徑流對堆積層土體的剪損［6］。隨后，徑流沿著坡面裂隙、缺損等部位繼續(xù)沖刷，當徑流剪切力大于土體的屈服應力和土體間的抗剪強度時，坡面土體就開始產生片狀的剝落和流滑［7］;伴隨著水流向這些相對低凹缺損部位匯集，坡面開始形成細溝。之后，在徑流的持續(xù)沖刷作用下，溝側土體坍塌、溝床土體啟動［8］，最終導致坡面的整體破壞。

3 結論

(1)坡面徑流穩(wěn)定后，徑流量大小主要受坡面承雨面積的控制:坡度越大，徑流量越小。坡度對坡面沖刷量的影響存在一個臨界坡度:邊坡坡度越接近臨界坡度時，沖刷量越大。本次試驗的四種黃土邊坡坡比中，臨界坡比為1∶1。

(2)強降雨條件下，裸露黃土邊坡坡面沖刷侵蝕破壞的機制可依次分為:降雨沖擊機制、吸水軟化機制和面溝切割機制。降雨過程中三種機制依次作用，共同促進了黃土邊坡坡面沖刷侵蝕的發(fā)展。

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