周春梅，王 宇，呂 雷，張靜波，邵 偉，趙夢霄

(1.武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430073；2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056；3.南京信息工程大學(xué)水文與水資源工程學(xué)院，江蘇 南京 210044)

黃土主要分布于我國西北及華北地區(qū)，以黃河中游發(fā)育最好。近年來，公路、鐵路工程不斷向該區(qū)域延伸和發(fā)展，由于工程建設(shè)的需要，出現(xiàn)大量裸露、無防護(hù)狀態(tài)的高填方邊坡。在反復(fù)降雨沖刷作用下，其坡面極易被侵蝕，坡體易造成局部破壞，使得整體穩(wěn)定性受到影響。由此黃土地區(qū)其黃土填料的合理評價(jià)與利用問題日益突出。已有研究表明，雖然單個(gè)雨滴的體積微不足道，但是它的沖擊力卻不可忽視。代明俠等[1]研究發(fā)現(xiàn)雨滴降落到地面的最大速度可以達(dá)到9 m/s，直徑為5 mm的雨滴落在濕土上，可使土粒濺起高度達(dá)75 cm，土粒的移動(dòng)范圍可達(dá)到1.2～1.5 m。暴雨條件下雨滴持續(xù)擊打裸露地表，能使土體分散、破裂和濺起，從而破壞土體結(jié)構(gòu)[2]。王興奎等[3]研究黃土丘陵溝壑區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙時(shí)發(fā)現(xiàn)雨滴濺蝕單獨(dú)作用下的含沙量可高達(dá)200 kg/m3。盧佳等[4]對山坡土體侵蝕特性的研究表明，雨水沖擊對土體侵蝕的貢獻(xiàn)為78.3%～95.2%。Kinnel[5]對非黏性沙土的雨滴擊濺試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨薄層水流深度的增加，泥沙剝蝕量逐漸減小。Gabet等[6]認(rèn)為，坡面徑流的產(chǎn)生與濺蝕關(guān)系顯著，對侵蝕產(chǎn)沙有較大限制作用。鄭騰輝等[7]針對雨滴擊濺與薄層水流混合侵蝕過程輸沙機(jī)理的研究，認(rèn)為單雨滴擊濺時(shí)，泥沙濺蝕量隨水層厚度的增加而減少，且雨滴直徑越大其擾動(dòng)水層厚度越大。馬閆等[8]等通過研究壓實(shí)黃土的壓縮特性探明：高壓實(shí)度下的黃土具有結(jié)構(gòu)性，且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨含水率的增大而減小。吳凱等[9]通過分析不同干密度下壓實(shí)黃土的微觀結(jié)構(gòu)認(rèn)為，隨著土體干密度的增大，其孔隙分布越趨于均勻，整體力學(xué)性質(zhì)越穩(wěn)定。尹武君等[10]等通過人工模擬單雨滴試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土體密實(shí)度與土體濺蝕量呈負(fù)相關(guān)，雨滴直徑與土體濺蝕量呈正相關(guān)。

已有的研究成果大多集中在濺蝕量的變化上，土體的侵蝕破壞情況沒有進(jìn)一步分析。本文通過人工模擬單雨滴濺蝕試驗(yàn)，控制土體在不同壓實(shí)度、不同雨滴速率兩種條件下，觀測試件表面濺蝕坑深度隨濺蝕時(shí)間的變化趨勢，研究壓實(shí)黃土在濺蝕過程中的破壞規(guī)律，為黃土高填邊坡水毀病害的防治提供治理依據(jù)。

1 單雨滴濺蝕試驗(yàn)室內(nèi)模擬

1.1 試樣材料

試驗(yàn)土樣取自三門峽至淅川高速公路豫晉省界至靈寶段K4+800處，為地表以下8 m深處土樣，取土處地層巖性為上更新統(tǒng)(Q3)馬蘭黃土，灰黃色、黃色鈣質(zhì)粉土為主，有大孔隙，直立性較好，垂直節(jié)理發(fā)育，手搓之易成粉末。取代表性土樣，篩除試料中大于40 mm的顆粒，對已過篩的試料采用4分法分成6份，分別加入適量的水，悶料1 d后對填料進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，得到最大干密度，最優(yōu)含水率。其基本物理性質(zhì)如表1所示，顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。

表1 土樣基本物理性質(zhì)

圖1 土體顆粒分布曲線Fig.1 Distribution curve of soil particle

1.2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的常水頭單雨滴模擬器(圖2)。主體管構(gòu)采用PVC管(管徑Φ25)、注射器針管(模擬單粒雨滴)、激光測距儀、攝像機(jī)、透明玻璃罩、長1.5 m軟管、計(jì)時(shí)器等。

試驗(yàn)原理：通過軟管向PVC管主體結(jié)構(gòu)供水，使管中水位上升至溢水口，余水從溢水口排出。使得管中水位保持不變，并通過調(diào)水閥來調(diào)節(jié)水流速度，以之控制雨滴擊濺速率。濺蝕坑深度和面積的測試方法為：(1)先用激光測距儀測定測距儀離試件表面的高度H1，待某一濺蝕時(shí)間段完成后，蓋上止水套，旋鈕測距儀支架，使測距儀燈束對準(zhǔn)濺蝕坑底部，測量測距儀距濺蝕坑底部的距離Hi，則該時(shí)刻濺蝕坑的深度ΔH=Hi-H1。然后放一片尺寸為10 mm×10 mm的方形薄片作為標(biāo)尺物放置在土樣濺蝕坑旁，采用攝像機(jī)對土樣進(jìn)行拍照。完成后通過Photoshop圖形處理軟件對方形薄片邊長進(jìn)行3次測距取其平均值得到L1，再對濺蝕坑直徑進(jìn)行3次測距取其平均值得到φ1，那么濺蝕坑的真實(shí)孔徑φ=φ1×10 mm/L1。

圖2 常水頭雨滴模擬器整體原理圖Fig.2 Schematic diagram of the raindrop simulator under the constant water head

1.3 試驗(yàn)方案

影響雨滴濺蝕的因素是多方面的，大致可分為兩類[11]：一是地表因子，如土體類別、地表壓實(shí)度，二是動(dòng)能因子，如雨滴直徑、雨滴落速等。本試驗(yàn)中，動(dòng)能因子選取雨滴滴落速率為試驗(yàn)變量，地表因子選取壓實(shí)度為試驗(yàn)變量。喬勇虎等[12]研究發(fā)現(xiàn)，就一定雨強(qiáng)來說，局部地區(qū)短陣型雨型(1 h左右)比大面積的普通雨型更易引起土壤侵蝕，即短陣型降雨的侵蝕力更大。效文娟等[13]通過分析豫西地區(qū)2006—2012年暴雨(24 h降雨量≥50 mm)的37個(gè)例子發(fā)現(xiàn)：豫西山區(qū)典型區(qū)域山洪災(zāi)害臨界降雨量為97.3～108.5 mm/d。但在強(qiáng)降雨集中時(shí)間段內(nèi)，1～3 h降雨量均在閾值的3倍以上，6 h降雨量也在閾值的2～3倍間?；诖?，本文以108.5 mm /d為24 h降雨量峰值，通過雨滴體積換算等，確定濺蝕速率為30滴/min較為接近，24 h降雨強(qiáng)度為105.6 mm。分別以120滴/min、60滴/min代表1 h和6 h的降雨峰值，以此考慮極端降雨條件下雨滴的濺蝕作用。

本次試驗(yàn)選取雨滴速率和壓實(shí)度為主要影響因素，開展單雨滴濺蝕試驗(yàn)，濺蝕過程控制在1 h，具體方案如下：

(1)為研究土體壓實(shí)度對土體濺蝕破壞程度的影響，試驗(yàn)在已知最佳含水率下(表1)，用標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)儀分別制作了5種壓實(shí)度狀態(tài)的土樣，分別為80%，85%，90%，93%，96%。標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)儀試件規(guī)格，直徑15.2 cm，高12 cm，每種壓實(shí)度的土樣各3個(gè)。

(2)通過調(diào)節(jié)水閥，控制雨滴滴落速率。設(shè)計(jì)雨滴落速為30滴/min、60滴/min、120滴/min進(jìn)行濺蝕試驗(yàn)，分析不同濺蝕速率下試件破壞形態(tài)。

(3)將制作好的試件放置在支架上，取下雨滴口止水套，試滴1～2滴，左右移動(dòng)支架使得雨滴正好落在試件中央。之后取下止水套，同時(shí)啟動(dòng)秒表。試驗(yàn)濺蝕過程中間隔時(shí)間按1 min，1 min，2 min，2 min，3 min，3 min，3 min，5 min，5 min，5 min，10 min，10 min，10 min(共60 min)進(jìn)行濺蝕坑量測，通過攝像機(jī)實(shí)時(shí)拍攝濺蝕坑的變化，用激光測距儀測量濺蝕坑的深度。試驗(yàn)方案如表2。

表2 雨滴濺蝕試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

按試驗(yàn)方案分別對5種壓實(shí)度進(jìn)行濺蝕試驗(yàn)，隨著濺蝕時(shí)間的增加，雨滴對于黃土路堤的破壞也愈加嚴(yán)重。

濺蝕過程大致可分為3個(gè)階段：(1)在試驗(yàn)初期(0～25 min)，雨滴以較大動(dòng)能直接擊打干燥試件表面，破壞土體結(jié)構(gòu)，形成松散、細(xì)小土顆粒。擊濺過程中一部分雨水被試件吸收，一部分四處飛濺同時(shí)帶走松散微粒。雨滴的持續(xù)擊打，在濺蝕坑的邊側(cè)產(chǎn)生側(cè)壓力使其周圍的土粒剝落飛濺[14]，表現(xiàn)為濺蝕坑深度隨時(shí)間逐漸增大；(2)表層土體接近飽和(25～40 min)，表層土體吸水膨脹，由測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)該階段濺蝕坑深度增速明顯放緩；(3)表層土體完全飽和階段(40～60 min)，濺蝕坑內(nèi)積聚薄水層，深度達(dá)到最大，并趨于穩(wěn)定。在雨滴的持續(xù)擊打下，四周土璧開始膨脹并微微隆起，伴隨著周圍土體的剝落并回流至底部，坑洞深度開始呈現(xiàn)下降趨勢。以壓實(shí)度93%為例，在速率x=60滴/min時(shí)其濺蝕破壞過程如圖3所示(圖中T為累積濺蝕時(shí)間)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 土體壓實(shí)度與濺蝕破壞程度的關(guān)系

由試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)繪制濺蝕坑深度隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可知，在40 min左右濺蝕坑深度趨于穩(wěn)定，濺蝕坑深度接近最大值。而且隨著壓實(shí)度的增大其濺蝕坑深度曲線所能達(dá)到的最大深度明顯減小。

圖4 濺蝕速率x=60滴/min的深度-時(shí)間曲線Fig.4 Curve of depth and time at the rate of 60 drops per minute

已有研究人員[15～16]發(fā)現(xiàn)土體壓實(shí)度對雨滴濺蝕影響較大，表現(xiàn)為土體團(tuán)粒性質(zhì)越好，團(tuán)聚體穩(wěn)定性越高，對雨滴擊濺的抵抗力更強(qiáng)。圖5為不同含水量對應(yīng)的c-s，φ-s關(guān)系曲線，由圖5可知，隨著壓實(shí)度的增加，黏聚力、內(nèi)摩擦角均隨之增加。反映出隨著壓實(shí)度的增大，土體對雨滴擊濺的抵抗力更強(qiáng)；在相同壓實(shí)度下，隨著含水率的增加黏聚力、內(nèi)摩擦角均隨之減小，表明持續(xù)擊濺作用下土體強(qiáng)度逐漸下降，土體耐濺蝕性變?nèi)酢?/p>

圖5 黏聚力和內(nèi)摩擦角隨壓實(shí)度的變化Fig.5 Variation of the cohesion and internal friction angle with compactness

3組雨滴速率下試件出現(xiàn)的最大孔深隨壓實(shí)度的變化規(guī)律如圖6所示，在相同濺蝕速率下，隨著壓實(shí)度的增加，最大孔深呈逐漸減小趨勢，如當(dāng)雨滴速率x=60滴/min時(shí)，隨著壓實(shí)度的增大，最大孔深從20 mm減少至12 mm。故土體結(jié)構(gòu)對本身耐濺蝕性影響顯著，適當(dāng)?shù)卦黾油馏w的壓實(shí)度(≥90%)，保持原有結(jié)構(gòu)盡量不被破壞，對提高土體耐濺蝕性效果顯著。

圖6 最大孔深-壓實(shí)度關(guān)系曲線Fig.6 Relationship of the maximum hole depth and compactness

3.2 擊濺速率與濺蝕破壞程度的關(guān)系

土體濺蝕破壞的程度與雨水入滲狀態(tài)密切相關(guān)，其入滲過程包括兩個(gè)階段：供水控制和土體入滲率控制。(1)在入滲初期(ti(t)，此時(shí)積水條件下的入滲率即為i(t)，如圖7中bc所示，超過入滲率的供水則形成積水，該階段由土體滲透能力控制，主要表現(xiàn)為有壓入滲。由此可知實(shí)際入滲過程為abc，而積水對入滲狀態(tài)影響較大，故應(yīng)分情況考慮。

圖7 入滲率曲線與不同供水強(qiáng)度下的入滲過程Fig.7 Infiltration rate and infiltration process under different water supply intensity

3.2.1薄層積水對濺蝕深度的影響

當(dāng)擊濺速率較大時(shí)，上層土體在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到飽和，雨水無法完全下滲。以x=120滴/min為例，該工況下供水強(qiáng)度如圖7中R1所示，積水點(diǎn)會(huì)提前至t1(20 min)，此后濺蝕坑內(nèi)開始集聚薄水層，進(jìn)入有壓入滲階段。

由圖8可知，該組試件在20 min左右濺蝕坑深度即開始呈下降趨，尹武君等[17]通過研究地表水層厚度對雨滴擊濺侵蝕的影響，發(fā)現(xiàn)隨著土體表面水層厚度的增加，土體濺蝕量呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢。其原因是：(1)水層厚度越深，雨滴用于波動(dòng)的能量越多，即水層有保護(hù)表土減緩雨滴擊打的作用。當(dāng)水層厚度與雨滴直徑之比值大于3時(shí)，雨滴擊濺土表層的能量將趨于零[18]。因此試件表面開始積水時(shí)，雨滴擊濺產(chǎn)生的動(dòng)能被薄水層所耗散，其深度趨向穩(wěn)定。(2)在40 min以后坑內(nèi)薄水層在雨滴的持續(xù)擾動(dòng)下含土量迅速增大，懸浮微粒在下滲過程中堵塞土體結(jié)構(gòu)孔隙，土體飽和滲透性降低，最終在坑內(nèi)積水持續(xù)拍打下的側(cè)向壓力下，洞璧土體剝蝕滑落直至發(fā)生蹋孔，進(jìn)而阻礙了濺蝕坑的深層發(fā)育，其深度顯著變淺。

圖8 濺蝕速率x=120滴/min的深度-時(shí)間曲線Fig.8 Curve of depth with time at the rate of 120 drops per minute

3.2.2無積水時(shí)濺蝕深度變化情況

當(dāng)擊濺速率較小時(shí)，以x=30滴/min為例，該工況下供水強(qiáng)度如圖7中R2所示，積水點(diǎn)會(huì)延后至t2(大于1 h)，此時(shí)測得濺蝕坑深度變化如圖9所示。

圖9 濺蝕速率x=30滴/min的深度-時(shí)間曲線Fig.9 Curve of depth with time at the rate of 30 drops per minute

由圖9可知，當(dāng)濺蝕速率x=30滴/min時(shí)，該組試件直至60 min仍未有明顯下降趨勢，濺蝕坑仍在進(jìn)一步發(fā)育。其原因主要是：該工況下濺蝕速率較小，由于供水強(qiáng)度不足，表層土體在試驗(yàn)時(shí)間(1 h)內(nèi)無法達(dá)到飽和，雨水在該階段始終處于無壓入滲狀態(tài)，坑內(nèi)基本無積水，導(dǎo)致雨滴持續(xù)掏蝕坑洞底部土體，使得深度隨時(shí)間逐漸增加。該過程可看作：雨滴擊濺成坑→雨水下滲→二次濺蝕，如此反復(fù)作用下，其深度逐漸增大，濺蝕坑得以進(jìn)一步發(fā)育。

由圖10可知，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)濺蝕坑深度并非隨著濺蝕速率的增加而變大。當(dāng)濺蝕速率x=120滴/min時(shí)，濺蝕坑最終深度為3～12 mm，屬于土體表層破壞；而當(dāng)x=30滴/min時(shí)其深度在12～20 mm，且仍有增長趨勢。該結(jié)果表明，裸露黃土坡面若無有效防雨水措施，在二次濺蝕作用下，濺蝕坑會(huì)逐漸向土體深部發(fā)育，足以破壞路基穩(wěn)定性。

圖10 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)孔深-速率關(guān)系曲線Fig.10 Curve of bore depth vs splash erosion rates at the end of test

4 結(jié)論

(1)單雨滴濺蝕作用下，濺蝕坑深度變化主要有三個(gè)階段：土體飽和前，坑洞深度隨時(shí)間線性增大；臨界飽和時(shí)，深度、孔徑趨于不變，此時(shí)達(dá)到最大深度；完全飽和后，表層土體膨脹且發(fā)生塌孔，濺蝕坑深度變淺。

(2)土體壓實(shí)度、含水率對本身耐濺蝕性影響很大。含水率與土體耐濺蝕性成負(fù)相關(guān)；壓實(shí)度與土體耐濺蝕性成正相關(guān)，適當(dāng)提高土體壓實(shí)度，可顯著提高土顆粒間的黏聚力，增強(qiáng)土體耐濺蝕性。

(3)濺蝕坑內(nèi)積聚薄水層時(shí)，薄層水流阻礙了濺蝕坑的發(fā)育，土體發(fā)生淺層破壞；濺蝕坑內(nèi)無薄層水流時(shí)，濺蝕過程可看作：雨滴擊濺成坑→雨水下滲→二次濺蝕，如此反復(fù)作用，二次濺蝕可誘發(fā)土體深層破壞，對裸露坡面工程影響更大。