蔣希雁，陳宇宏，許夢(mèng)然，張 喆，王萬梅

（1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075031；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075031；3.河北省寒冷地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施工程技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 張家口 075031；4.張家口市巖土工程技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 張家口 075031）

0 引 言

降雨作用是誘發(fā)山體和道路邊坡發(fā)生滑坡的主要因素之一，其誘發(fā)作用機(jī)理是使得邊坡土體中的含水率增大，土體自身容重增大，土體的基質(zhì)吸力減小，從而土體自身結(jié)構(gòu)抗剪能力減小。2021年7月河南受到強(qiáng)降雨災(zāi)害影響，僅鄭州一地降雨強(qiáng)度達(dá)到6小時(shí)382.4 mm，伴隨而來是山洪滑坡災(zāi)害的到來，截至2021年8月該強(qiáng)降雨災(zāi)害引發(fā)的滑坡災(zāi)害已致傷亡人數(shù)為302 人，直接經(jīng)濟(jì)損失655 億元。異常的強(qiáng)降雨天氣誘發(fā)的山體滑坡災(zāi)害導(dǎo)致人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全受到損失，研究強(qiáng)降雨下邊坡防護(hù)技術(shù)刻不容緩。

降雨類型分類可依據(jù)降雨強(qiáng)度劃分，按照國家氣象局［1］規(guī)定可劃分為：小雨，中雨，大雨，暴雨，大暴雨和特大暴雨，其中大雨（12 小時(shí)30 mm）之上就為強(qiáng)降雨天氣。針對(duì)強(qiáng)降雨作用下的邊坡入滲規(guī)律模型試驗(yàn)，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究：趙曉彥，肖典對(duì)強(qiáng)降雨作用下的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行主動(dòng)加固模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降雨條件下主動(dòng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)可與預(yù)應(yīng)力錨索協(xié)同受力，形成二次張拉效果［2］；潘昌樹設(shè)計(jì)不同雨強(qiáng)的強(qiáng)降雨條件下加筋路堤邊坡的模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)邊坡的不同位置的破壞發(fā)展情況各有不同并且整個(gè)試驗(yàn)中孔隙水壓與土壓力變化分為不同階段，得到降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡的孔隙水壓，土壓力，浸潤峰發(fā)展成正相關(guān)關(guān)系，而邊坡坡度則與之相反［3］；王維早自主研發(fā)離心場(chǎng)降雨模擬設(shè)備研究強(qiáng)降雨對(duì)淺層堆積層的沿基覆界面滑動(dòng)的原理，強(qiáng)降雨過程中孔隙水向基覆界面聚集，雨停后，基覆界面的孔隙水消散［4］。唐軍使用TLJ-500土工離心機(jī)對(duì)攀枝花機(jī)場(chǎng)一期滑坡進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)攀枝花機(jī)場(chǎng)滑坡是以強(qiáng)降雨為誘因，內(nèi)部巖土體在后緣基巖裂隙水長期入滲的情況下發(fā)生的蠕滑式破壞［5］。

縱觀上述研究不難發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降雨對(duì)邊坡的破壞方式主要是瞬時(shí)的孔隙水壓增大導(dǎo)致土體自身結(jié)構(gòu)不穩(wěn)發(fā)生蠕滑式滑動(dòng)，如何預(yù)防或延緩強(qiáng)降雨對(duì)邊坡產(chǎn)生的不利影響便成為現(xiàn)今亟需解決的重要問題。CHEN Jie［6］進(jìn)行不同植被加護(hù)花崗巖邊坡的模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大部分植被可以提高邊坡整體滲透系數(shù)抑制坡面徑流的產(chǎn)生，但對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性的提高并不明顯；崔建新［7］使用傘形錨加固堆積型邊坡，發(fā)現(xiàn)錨固體系在土體受強(qiáng)降雨侵蝕發(fā)生滑動(dòng)趨勢(shì)后，錨固體會(huì)反向作用于邊坡土體，向邊坡施加被動(dòng)土壓力，使得土體孔隙量變小從而減小了土體內(nèi)孔隙水壓的增大。馬東華［8］進(jìn)行灌木植被加護(hù)邊坡的模型試驗(yàn)，得到植被邊坡較裸土邊坡的土水特征曲線的進(jìn)氣值更大，土體孔隙分布更均勻，不易發(fā)生大量孔隙水壓的聚集。總結(jié)上述文獻(xiàn)研究可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段對(duì)強(qiáng)降雨侵蝕邊坡的處理方法大致分為：以植物為主的生態(tài)治理和直接使用錨固或者磚混加固整體機(jī)構(gòu)的加固治理。兩者各有相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)，植物生態(tài)加護(hù)可以使邊坡土體持水性更強(qiáng)，使得邊坡能在強(qiáng)降雨天氣中不易發(fā)生坡面徑流，但是邊坡內(nèi)土體的孔隙水壓會(huì)持續(xù)增大，不利于邊坡的整體穩(wěn)定。錨固體系可以向土體施加被動(dòng)土壓力減小孔隙率從而使得邊坡整體穩(wěn)定，但是低孔隙率的邊坡持水性差，并不能在長時(shí)間強(qiáng)降雨中保持穩(wěn)定，容易發(fā)生大體積量的滑坡破壞。因此同時(shí)兼顧持水性能與降低孔隙率的護(hù)坡技術(shù)更適合強(qiáng)降雨條件下的邊坡。

生態(tài)袋護(hù)坡技術(shù)利用植物根系分布多穩(wěn)固土體的特點(diǎn)不僅完美的保留了植物護(hù)坡持水性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，還借助袋裝土沿邊坡坡面向上分布的支擋結(jié)構(gòu)為邊坡整體提供了一部分被動(dòng)土壓力，從而達(dá)到減小邊坡孔隙率的效果。針對(duì)生態(tài)袋的相應(yīng)研究也有許多：張紅［9］對(duì)植生袋適用條件進(jìn)行總結(jié)，結(jié)果認(rèn)為生態(tài)袋防護(hù)適用于坡度1∶1.5～1∶2.0 的黃土與粉土邊坡；葉彩娟［10］研究青藏鐵路安多車站的生態(tài)袋防護(hù)技術(shù)，得到適用于青藏地區(qū)特有的生態(tài)袋植被；葉金鵬［11］通過試驗(yàn)對(duì)寧東羊場(chǎng)的生態(tài)修復(fù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，將包含生態(tài)袋在內(nèi)的6種恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行對(duì)照，發(fā)現(xiàn)相同降雨條件下生態(tài)袋產(chǎn)生坡面徑流較裸坡減81.86%，說明生態(tài)袋護(hù)坡技術(shù)更好；梁兆興［12］利用雷達(dá)新技術(shù)探測(cè)已有的生態(tài)袋護(hù)坡工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)值模擬，說明生態(tài)袋護(hù)坡的穩(wěn)定性較強(qiáng)。雖然學(xué)者們對(duì)生態(tài)袋護(hù)坡技術(shù)進(jìn)行了降雨邊坡現(xiàn)象研究，得到生態(tài)袋有利于邊坡穩(wěn)定的結(jié)論，但是實(shí)際影響邊坡穩(wěn)定性的水文性質(zhì)因素的研究還較為缺乏。生態(tài)袋支護(hù)下邊坡的入滲規(guī)律的研究也需要相應(yīng)系統(tǒng)性試驗(yàn)去驗(yàn)證，故本文以張家口市某高10 m 土質(zhì)邊坡為原型，根據(jù)相似原理設(shè)計(jì)共4種工況的邊坡模型試驗(yàn)，模擬特大暴雨條件下不同坡比的生態(tài)袋防護(hù)降雨入滲，記錄生態(tài)袋防護(hù)下邊坡的各位置水文性質(zhì)變化，分析不同條件的強(qiáng)降雨作用下生態(tài)袋護(hù)坡的入滲規(guī)律，為強(qiáng)降雨地區(qū)的邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 降雨入滲模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)土樣物理性質(zhì)指標(biāo)與生態(tài)袋基本參數(shù)

本試驗(yàn)堆積邊坡與生態(tài)袋填充材料的土取自張家口市某邊坡，依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）［13］進(jìn)行土工試驗(yàn)，邊坡用土基本物理性質(zhì)如表1。生態(tài)袋填充土料基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表2所示。生態(tài)袋使用材料性質(zhì)如表3所示。

表1 邊坡用土基本物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Basic physical properties of slope soil

表2 生態(tài)袋填充土料基本物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.2 Basic physical property index of ecological bag filled soil

表3 生態(tài)袋基本性能參數(shù)Tab.3 Basic performance parameters of ecological bag

1.2 試驗(yàn)相似準(zhǔn)則

本試驗(yàn)以張家口某邊坡工程為原型，原型邊坡高10 m，寬4 m?？紤]原始邊坡尺寸與試驗(yàn)場(chǎng)地限制，本次試驗(yàn)的幾何相似比設(shè)定在λl=10；同時(shí)在設(shè)計(jì)滲透模型試驗(yàn)嚴(yán)格滿足滲透系數(shù)相似比λk=0.65，次要滿足干密度相似比λρ=1.02。由于本次降雨模型試驗(yàn)不同于通常力學(xué)邊坡模型試驗(yàn)，不僅需要考慮模型與原型的土樣物理性質(zhì)，更重要的是降雨強(qiáng)度要滿足雨水入滲徑流的相似性。現(xiàn)階段對(duì)降雨強(qiáng)度相似性的討論較少，主要研究方法有參考流體的幾何相似，運(yùn)動(dòng)相似，動(dòng)力相似來進(jìn)行降雨強(qiáng)度的相似定量［14］。結(jié)合本次試驗(yàn)選擇入滲徑流中的流體主導(dǎo)力為降雨相似的準(zhǔn)則，確定降雨強(qiáng)度相似比λp=0.37。

最終模型與原型的各項(xiàng)物理指標(biāo)見表4。

表4 模型試驗(yàn)相似關(guān)系Tab.4 Model test similarity relationship

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)設(shè)備有邊坡模型箱、降雨裝置和傳感器監(jiān)測(cè)裝置3個(gè)部分組成。模型試驗(yàn)原理圖如圖1所示。

圖1 模型試驗(yàn)箱示意圖（單位：mm）Fig.1 Schematic diagram of model test chamber

邊坡模型箱使用有機(jī)玻璃材質(zhì)制成，整體尺寸為長1.5 m，寬0.4 m，高1.1 m。兩側(cè)分別預(yù)留傳感器孔洞，共在邊坡正背雙側(cè)面的不同位置放置德國Heraeus 公司ZKYC-8FF 土壤水分計(jì)、北京恒瑞科技公司GE Druck PDCR8 孔隙水壓力計(jì)、美國Steven 公司TensioMark 土壤水勢(shì)儀。具體布置位置與俯視圖如圖2、3 所示，其中Pn為孔隙水壓力計(jì)，Wn為土壤水分儀。每組試驗(yàn)的每個(gè)傳感器相對(duì)于模型底部的位置都固定不變，測(cè)定范圍也全都相同。

圖2 模型箱測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：mm）Fig.2 Model box measuring point layout

圖3 模型箱俯視測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：mm）Fig.3 Model box overlooking measuring point layout

1.4 試驗(yàn)準(zhǔn)備工作與方案

本次試驗(yàn)的準(zhǔn)備工作主要分為三項(xiàng)：生態(tài)袋有植被培育，邊坡的堆積與試驗(yàn)使用降雨強(qiáng)度的率定。使用長37 cm，寬35 cm 聚丙烯（PP）生態(tài)袋裝土進(jìn)行80%填充度裝填，并進(jìn)行兩個(gè)月時(shí)間培育，效果如圖4。邊坡的堆積依據(jù)設(shè)定好的尺寸相似比、干密度相似比來控制堆積時(shí)土料的性質(zhì)，按照10%質(zhì)量含水率1.43 g/cm3的土壤干密度，80%的邊坡壓實(shí)度進(jìn)行邊坡堆積。降雨率定按照相應(yīng)參考文獻(xiàn)率定降雨強(qiáng)度并進(jìn)行降雨均勻度計(jì)算［15］，得到的降雨強(qiáng)度為12 小時(shí)140.4 mm、本次降雨均勻度在86%，超過了模擬降雨標(biāo)準(zhǔn)要求的85%，因此認(rèn)為試驗(yàn)所用的降雨器降雨達(dá)到均勻［15］。

圖4 培育完成的生態(tài)袋Fig.4 Cultivating completed ecological bags

本次試驗(yàn)基于2種不同坡比（1∶1.1）與（1∶0.6）的邊坡，進(jìn)行特大暴雨條件下的不同植物生長條件（是否有植被）的生態(tài)袋支護(hù)邊坡模型降雨入滲試驗(yàn)，具體工況介紹如表5。試驗(yàn)的目的是對(duì)比觀察坡比以及生態(tài)袋植物自身對(duì)強(qiáng)降雨條件下邊坡的水文性質(zhì)的影響。

表5 試驗(yàn)工況介紹Tab.5 Introduction to test conditions

試驗(yàn)開始前將降雨器進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試至降雨穩(wěn)定開始試驗(yàn)并計(jì)時(shí)。試驗(yàn)期間每10～20 min對(duì)邊坡的3個(gè)位置（坡面、坡頂、坡底）的不同傳感器進(jìn)行讀數(shù)，主要目的是記錄降雨期間邊坡各個(gè)位置的體積含水率與孔隙水壓力的變化趨勢(shì)。最終觀察坡中的土壤水勢(shì)儀的讀數(shù)，在邊坡內(nèi)基質(zhì)吸力逐漸下降，下降至一定數(shù)值不再變化并且坡體產(chǎn)生的裂紋不再擴(kuò)展時(shí)確定邊坡主體部分已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定極限，此時(shí)試驗(yàn)結(jié)束，終止計(jì)時(shí)。試驗(yàn)效果展示如圖5～7。

圖5 試驗(yàn)初始坡面狀態(tài)Fig.5 Test initial slope state

圖6 試驗(yàn)中坡面狀態(tài)Fig.6 State of slope in test

圖7 試驗(yàn)結(jié)束坡面狀況Fig.7 Condition of slope at end of test

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 邊坡不同深度位置含水量變化規(guī)律

為了分析在強(qiáng)降雨條件下不同條件的邊坡坡體內(nèi)不同深度位置的含水量變化，做出不同坡比（1∶1.1∶1∶0.6）在有植被生態(tài)袋與無植被生態(tài)袋支護(hù)下的坡底，坡頂，坡面位置處的含水量與降雨量關(guān)系圖如圖8～11，并且詳細(xì)列出各工況不同位置處含水量響應(yīng)時(shí)間如表6。

表6 各工況不同位置含水量響應(yīng)時(shí)間Tab.6 Water content response time at different locations under vari?ous working conditions

由圖8～11 可知，所有工況的都存在一些共同點(diǎn)：降雨開始前各位置深度的含水量穩(wěn)定在8%～14%的區(qū)間；在降雨過程中，邊坡不同位置處的含水量均出現(xiàn)一個(gè)突變點(diǎn)，在這之前的含水量提升較快而隨后含水量的增長又變得緩慢，直至降雨結(jié)束含水量穩(wěn)定在一個(gè)區(qū)間。降雨結(jié)束后，邊坡的坡底，坡頂，坡面位置的含水量分布在29.7%～37.4%之間。

圖8 坡比1∶1.1無植被生態(tài)袋支護(hù)邊坡的體積含水量與降雨量的關(guān)系曲線Fig.8 The relationship of water content in slope ratio 1∶0.6 used bags with no vegetation

圖9 坡比1∶0.6無植被生態(tài)袋支護(hù)邊坡的體積含水量與降雨量的關(guān)系曲線Fig.9 The relationship of water content in slope ratio 1∶1.1 used bags with no vegetation

圖10 坡比1∶1.1有植被生態(tài)袋支護(hù)邊坡的體積含水量與降雨量的關(guān)系曲線Fig.10 The relationship of water content in slope ratio 1∶0.6 used bags with vegetation

圖11 坡比1∶0.6有植被生態(tài)袋支護(hù)邊坡的體積含水量與降雨量的關(guān)系曲線Fig.11 The relationship of water content in slope ratio 1∶1.1 used bags with vegetation

以生態(tài)袋的植被生長情況做比較依據(jù)發(fā)現(xiàn)：無植被生態(tài)袋工況的坡底含水量變化響應(yīng)在降雨前期較為密集，并且含水量峰值較低。坡頂與坡面的含水量響應(yīng)時(shí)間也更長，但含水量峰值較高。由此可見無植被生態(tài)袋邊坡入滲順序從先到后可以歸納為：坡面，坡頂，坡底。與之相對(duì)應(yīng)的是有植被生態(tài)袋工況的響應(yīng)情況：邊坡含水量響應(yīng)時(shí)間較無植被生態(tài)袋工況均有縮短，并且不同位置的響應(yīng)時(shí)間相近。這就說明有植被生態(tài)袋工況不同位置入滲速率大都相近，并且整體速率快于同條件下的無植被生態(tài)袋工況。

以坡比為比較依據(jù)，比較不同坡比含水量與降雨量響應(yīng)關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)坡比較低（1∶1.1）的邊坡與坡比較高（1∶0.6）的邊坡相比之下，響應(yīng)入滲時(shí)間更短，并且含水量的峰值較低，可能的原因是坡比較小邊坡的受降雨面積更大從而導(dǎo)致入滲速率變快。

2.2 邊坡模型含水量增長速率分析

如圖12、13為不同坡比（1∶1.1；1∶0.6）在有植被生態(tài)袋與無植被生態(tài)袋支護(hù)下的含水量增長速率隨時(shí)間的變化圖。圖像整體情況表現(xiàn)為各位置含水量增長率呈先增長再下降的趨勢(shì)，其中增長率為0.04～0.05 的為整體數(shù)據(jù)的突變閾值區(qū)間。根據(jù)圖12、13 可以列出各個(gè)工況不同位置的突變開始時(shí)間與峰值如表7。

圖12 坡比1∶1.1與1∶0.6無植被生態(tài)袋支護(hù)邊坡含水量變化Fig.12 Slope ratio 1∶1.1 and 1∶0.6 slope water content changes used bags with no vegetation

圖13 坡比1∶1.1與1∶0.6有植被生態(tài)袋支護(hù)邊坡含水量變化Fig.13 Slope ratio 1∶1.1 and 1∶0.6 slope water content changes used bags with vegetation

表7 各工況含水量突變開始時(shí)間與峰值Tab.7 The onset time and peak value of abrupt change of water content in each working condition

以生態(tài)袋的植被生長情況做比較依據(jù)發(fā)現(xiàn)：所有工況的坡面位置含水量最先開始突變，無植被生態(tài)袋工況的坡頂與坡底在坡面發(fā)生突變后較久時(shí)間才開始突變，而有植被生態(tài)袋工況三個(gè)位置的突變開始時(shí)間都比無植被生態(tài)袋邊坡提前許多且相對(duì)集中。無植被生態(tài)袋工況所有位置的突變開始時(shí)間較有植被生態(tài)袋工況要慢，但突變峰值無植被生態(tài)袋更高。

上述現(xiàn)象表明，有植被生態(tài)袋工況的體積含水量突變速率更高。分析原因可能是：本試驗(yàn)中使用的植被種類是高羊茅，被高羊茅覆蓋的生態(tài)袋表面主根莖直徑覆蓋面積廣并且分布均勻，雨水在降雨的過程中由原先無植被生態(tài)袋邊坡的沿坡面產(chǎn)生徑流流動(dòng)變成沿著根莖-土交界面流動(dòng)，優(yōu)先流動(dòng)的根莖-土流動(dòng)入滲能力更強(qiáng)，含水量突變速率也比無植被生態(tài)袋邊坡更快。同時(shí)參考Green-Ampt 模型理論［16］發(fā)現(xiàn)由于有植被生態(tài)袋邊坡入滲速度變快，邊坡形成暫態(tài)飽和區(qū)需要的時(shí)間變長，在持續(xù)的強(qiáng)降雨?duì)顟B(tài)下雨水的入滲速度不會(huì)持續(xù)變快，而是在形成暫態(tài)飽和區(qū)之后隨坡面徑流離開，這就是有植被生態(tài)袋邊坡的突變峰值較小的原因。

2.3 孔隙水壓力變化規(guī)律

如圖14～17繪制了不同坡比（1∶1.1；1∶0.6）在有植被生態(tài)袋與無植被生態(tài)袋支護(hù)下的邊坡整體不同時(shí)間段孔隙水壓空間分布圖。從整體增長規(guī)律看，所有工況的孔隙水壓力增長都是隨著降雨由外到里逐漸增加，并且除坡比1∶1.1 有植被生態(tài)袋支護(hù)的邊坡以外所有其他工況的坡面處孔隙水壓最先達(dá)到最大值。

圖14 坡比1∶1.1無植被生態(tài)袋支護(hù)邊坡孔隙水壓變化Fig.14 Change of pore pressure of 1∶1.1 slope supported by ecological bag used no vegetation

圖15 坡比1∶0.6無植被生態(tài)袋支護(hù)邊坡孔隙水壓變化Fig.15 Change of pore pressure of 1∶0.6 slope supported by ecological bag used no vegetation

圖16 坡比1∶1.1有植被生態(tài)袋支護(hù)邊坡孔隙水壓變化Fig.16 Change of pore pressure of 1∶1.1 slope supported by ecological bag used vegetation

以生態(tài)袋的植被生長情況做比較依據(jù)比較發(fā)現(xiàn)：有植被生態(tài)袋工況坡面的孔隙水壓力增長速率較于無植被生態(tài)袋邊坡更慢，其紅色等值線包裹部分就對(duì)應(yīng)了上一章提出的暫態(tài)飽和區(qū)，有植被生態(tài)袋工況入滲速率太快，暫態(tài)飽和區(qū)形成的遲，會(huì)影響后續(xù)的降雨入滲。

觀察不同坡比工況下有植被生態(tài)袋與無植被生態(tài)袋邊坡的孔隙水壓力分布發(fā)現(xiàn)：坡比角度較小的工況（1∶1.1）在有植被生態(tài)袋的保護(hù)下孔隙水壓力的延緩速度有明顯改善，但是坡比角度較大的工況（1∶0.6）在有植被生態(tài)袋的保護(hù)下，孔隙水壓力的延緩速率不如坡比較小的工況，并未產(chǎn)生足夠的延緩孔壓增長效果。分析原因可能是，由于坡比增大而增大的因重力影響的坡面徑流效果比植物根系作用下垂直入滲坡面的效果要更強(qiáng)。

圖17 坡比1∶0.6有植被生態(tài)袋支護(hù)邊坡孔隙水壓變化Fig.17 Change of pore pressure of 1∶0.6 slope supported by ecological bag used vegetation

3 討 論

3.1 生態(tài)袋支檔工程中最佳坡度取值范圍

由上文2.3 研究可知，在不同坡比的生態(tài)袋支護(hù)邊坡中，坡比低的邊坡（1∶1.1）較坡比高的邊坡（1∶0.6）延緩孔隙水壓上升速率的效果更好，即坡比越低生態(tài)袋支護(hù)的效果越好。但是這種效果不會(huì)一直因坡比越小而越好，必定有一個(gè)坡比范圍是最適用于相似條件下的生態(tài)袋支護(hù)邊坡。因此可以結(jié)合實(shí)際工程與本次試驗(yàn)結(jié)論來確定一個(gè)最佳坡度取值范圍。

參考工程位于河北省張家口市懷來縣東八里鄉(xiāng)北部礦山區(qū)域，由于歷史原因在開采礦山期間并未落實(shí)礦山地質(zhì)治理，從而形成大量高陡開采面、渣坡、渣堆、殘山，產(chǎn)生了地質(zhì)災(zāi)害隱患。在近十年來受到強(qiáng)降雨侵蝕形成滑坡斷層破壞地點(diǎn)達(dá)到15 處，破壞次數(shù)達(dá)到20 余次，其中大部分破壞地點(diǎn)受到多次破壞，亟需邊坡修復(fù)處理。工程概況圖如圖18。

圖18 治理區(qū)地貌圖Fig.18 Geomorphic map of the administrative area

從工程實(shí)際考慮，邊坡的坡度變化會(huì)影響邊坡支護(hù)方案的效果，因此對(duì)于不同坡度區(qū)域采用不同的支護(hù)方法。坡度≤30°區(qū)域：位于采面坡腳位置，多為廢棄渣石堆放形成的渣坡，在渣坡坡面覆土，間隔種植紫穗槐、從生金葉榆綠化；坡度30°～50°區(qū)域：掛網(wǎng)噴播生態(tài)袋綠化；坡度≥50°區(qū)域：錨桿加固生態(tài)袋綠化；該工程經(jīng)過7年的生態(tài)袋防護(hù)治理，效果很明顯。

支護(hù)效果對(duì)比如圖19、20。

圖19 治理前的土質(zhì)邊坡Fig.19 Soil slope before treatment

圖20 治理后經(jīng)過降雨侵蝕邊坡Fig.20 After treatment，rainfall erodes the slope

結(jié)合工程實(shí)例中不同坡度使用的不同支護(hù)方法與本次試驗(yàn)所得結(jié)論，發(fā)現(xiàn)在坡度30°～40°之中的邊坡支護(hù)中使用生態(tài)袋支護(hù)能達(dá)到較好的效果，在坡度≥50°時(shí)使用錨桿加生態(tài)袋支護(hù)能達(dá)到穩(wěn)定支護(hù)的要求。

3.2 生態(tài)袋支護(hù)下邊坡的預(yù)警方法

3.2.1 基于體積含水率與飽和度的預(yù)警方法

參考文獻(xiàn)［17］中進(jìn)行的滑坡預(yù)警試驗(yàn)，設(shè)定一種以含水率為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的預(yù)警方法：在邊坡土體發(fā)生滑坡、斷裂等失穩(wěn)性破壞時(shí)，記錄坡體各位置含水率值以及對(duì)應(yīng)飽和度，作為邊坡失穩(wěn)的預(yù)警安全值。結(jié)合本次生態(tài)袋支護(hù)邊坡試驗(yàn)，以最終試驗(yàn)結(jié)束時(shí)數(shù)據(jù)為參考，列出不同條件下生態(tài)袋護(hù)坡在強(qiáng)降雨下的預(yù)警數(shù)值（見表8）。

表8 基于體積含水率與飽和度的預(yù)警數(shù)值 %Tab.8 Warning values based on volumetric water content and saturation

由上述預(yù)警數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，邊坡最終各處體積含水率和對(duì)應(yīng)飽和度都穩(wěn)定在一定數(shù)值范圍。對(duì)類似工程提出以下建議：①在生態(tài)袋支護(hù)設(shè)置初期，植物生長情況較少，對(duì)邊坡不同位置監(jiān)測(cè)含水率與相應(yīng)飽和度，認(rèn)為出現(xiàn)一處監(jiān)測(cè)值達(dá)到含水率31%，飽和度60%即判定為達(dá)到安全警戒值，需進(jìn)行安全防護(hù)措施；②在生態(tài)袋支護(hù)設(shè)置后期，植物生長狀況良好，對(duì)邊坡不同位置監(jiān)測(cè)含水率與相應(yīng)飽和度，認(rèn)為出現(xiàn)一處監(jiān)測(cè)值達(dá)到含水率37%，飽和度70%即判定為達(dá)到安全警戒值，需進(jìn)行安全防護(hù)措施。

3.2.2 基于降雨入滲量與破壞時(shí)間的預(yù)警方法

通過記錄不同條件下邊坡的破壞時(shí)間及其對(duì)應(yīng)的降雨入滲量來確定一種降雨下邊坡的預(yù)警方法。在實(shí)際工程可以通過雨強(qiáng)與降雨歷時(shí)的換算來起到預(yù)警作用。以下列出本次試驗(yàn)的不同工況的降雨入滲量與破壞時(shí)間為相似實(shí)際工程做經(jīng)驗(yàn)預(yù)警（見表9）。

表9 基于降雨入滲量與破壞時(shí)間的預(yù)警數(shù)值Tab.9 Warning value based on rainfall infiltration and damage time

4 總 結(jié)

在兩種坡度下的強(qiáng)降雨邊坡模型試驗(yàn)中，分別設(shè)置有植被生態(tài)袋支護(hù)與無植被生態(tài)袋支護(hù)邊坡進(jìn)行試驗(yàn)。初步得到生態(tài)袋護(hù)坡在強(qiáng)降雨條件下邊坡的入滲規(guī)律：

（1）無植被生態(tài)袋工況不同位置的入滲速率排布為：坡面＞坡頂＞坡底。有植被生態(tài)袋工況不同位置入滲速率大都相近，并且整體速率快于同條件下的無植被生態(tài)袋工況。

（2）有植被生態(tài)袋工況因根莖-土交界面流動(dòng)的效果的體積含水量突變速率更高，從而使得暫態(tài)飽和區(qū)生成范圍變大，生成時(shí)間變長。同時(shí)因暫態(tài)飽和區(qū)的效果強(qiáng)降雨中孔隙水壓的提升速度會(huì)大幅減慢，但在高坡比生態(tài)袋支護(hù)工況中，有植被生態(tài)袋的減慢孔隙水壓提升的效果并不明顯。在實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中應(yīng)當(dāng)考慮在合適坡比的邊坡中使用生態(tài)袋支護(hù)。

（3）結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際工程經(jīng)驗(yàn)與本次試驗(yàn)的結(jié)果，可以確定一個(gè)適用生態(tài)袋支護(hù)的邊坡坡比范圍：30°～40°。另外提出適用于與本次試驗(yàn)類似條件下的生態(tài)袋支護(hù)邊坡工程預(yù)警方法，分別使用體積含水率、飽和度與降雨入滲量、破壞時(shí)間來為相似實(shí)際工程提供預(yù)警。