黄土边坡坡面降雨冲刷破坏机制模拟试验

王 鲜，倪万魁，刘海松，武 鹏，袁志辉

(长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710054)

0 引言

黄土广泛分布于我国中西部，随着“西部大开发”战略的实施，黄土地区的工程建设活动迅速增多，在这些地区进行工程建设时，受其区域地形地貌的限制，不可避免地会遇到大量的黄土边坡问题［1］。而在工程建设中出现的填挖边坡大都处于裸露、无防护状态，这些裸露的黄土边坡在降雨时极易造成坡面的冲刷侵蚀，随着降雨次数的增加，将会导致边坡局部破坏，甚至影响边坡的整体稳定性。因此，对于这类边坡在降雨条件下的坡面侵蚀变化特征及其破坏机制的研究就显得尤为重要。本文通过对同一降雨条件下的四种不同坡比黄土边坡的室内模拟降雨冲刷试验，分析了坡度对延安地区黄土边坡坡面降雨冲刷时冲蚀含泥量和坡面径流量的变化规律，在此基础上，研究黄土边坡的坡面冲刷侵蚀破坏机制，以期为该地区黄土边坡的坡面防护及施工设计提供参考。

1 室内模拟降雨冲刷试验

1.1 试验用土性质

本次试验用土取自延安新区填挖边坡建设场地，属于Q3黄土。试验黄土的基本物理力学指标见表1。

表1 试验黄土基本物理力学指标Table 1 Physical character indexes of the test loess

试验前，先将土样过筛，去除土中所含杂质。然后喷洒适量水分，静置，待土样含水量与天然土样相等时再采用分层击实填筑的方法，把配制好的土样分层依次填筑、击实，使土的物理指标与现场土质尽量保持一致。为避免出现人为的土层界面，填入每层土样前将已夯实的土面做糙面处理。

1.2 试验装置及试验设计

1.2.1 试验装置

本试验模型主体部分为一个长方形的模型车体，根据室内模型试验的相关条件确定其尺寸为3 m×1.5 m×0.5 m，模型主体用不锈钢板做成，车体前段向外延伸一定区域做成水流汇集区，便于收集坡面水流，车体两侧面采用厚度为1 cm的高透明有机玻璃做成，两侧面可以作为可视窗口，便于试验过程中随时观测土体内部情况［2］。另有一套起吊设备，高4 m，宽2 m，用于起吊车体形成试验所需的各坡比斜坡。

降雨装置采用中科院杨凌水土保持研究所开发的仰喷式模拟降雨机，配合普通扬程水泵。喷头可根据情况自由调节，其最大有效距离为3 m，在无风条件下雨滴在该范围内可均匀覆盖试验区，与天然降雨相似性可达85%［3］。试验雨强根据延安当地降雨特征，选用1.38 mm·min-1的高强度暴雨，通过简易雨量器现场测定，用小塑料桶和量筒采集水样。

1.2.2 试验设计

本次试验根据实际工程建设中常见的填挖边坡，确定试验的四种坡比为1∶1.5，1∶1，1∶0.75 和 1∶0.5，每一坡比均采用1.38 mm·min-1的雨强进行一次试验，每次试验时间30 min。在试验过程中，随时观察并记录坡面冲刷侵蚀现象，利用小塑料桶收集坡面径流水样，测定其含泥量、径流量。

1.3 试验现象

因试验雨强较大，试验开始初期，雨滴以较大的动能，直接击打到干燥的坡面上，一部分被坡面土体吸收，一部分四处飞溅。同时，坡面上松散、细小的土颗粒也因雨滴的击打而溅散或滚动(溅蚀)，此过程持续约30s(照片1a)。

之后，随着降雨的继续，坡面土体逐渐吸水湿润，当坡面最表层的土体吸水接近于饱和时，坡面表面就形成一层泥膜，泥膜的形成，阻碍了雨水的入渗，降落坡面的雨水只有一部分入渗坡体，另一部分即形成超渗径流(浸润)，这一过程历时约2 min(照片1b)。

径流形成初期，水层薄，冲刷力弱，仅能搬运一些细小颗粒，之后，伴随着径流量不断增大，径流的冲刷能力逐渐增强，同时，受坡面水流的保护，雨滴对土颗粒的溅蚀作用逐渐消失。在径流形成发展过程中，坡面节理裂隙处的土体逐渐因吸水膨胀、抬升(泡胀)，在坡面水流的冲刷携带下，不断有细小颗粒被水流剥落，形成不连续的斑点状小跌坎(面蚀)。之后，坡面水流流速逐渐增大，掏蚀坡面薄弱部位形成坡面缺损，并逐渐集中到这些部位中，径流的流动冲刷很快在其中形成下切沟头，每个跌坎经不断下切侵蚀后相互连接形成细沟(照片1c)。

随着降雨的继续，坡面水流集中流动于细沟内，在流动过程中不断切割、掏蚀沟岸和沟底土体(沟蚀)，使得细沟扩宽加深，最终导致坡面破坏(照片1d)。

照片1 坡面侵蚀发育过程Photo 1 The process of slope erosion

2 结果分析

2.1 坡度对坡面侵蚀破坏的影响

坡度对黄土边坡坡面降雨冲刷侵蚀效果的影响是十分复杂的，主要表现在:随着坡度的增大，土颗粒的重力顺坡向方向的分力也随着增大，土颗粒稳定性降低;坡度增大使得坡面流流速增大，减少了径流停滞和入渗的时间，减少了入渗量，相对增大了径流量;坡面径流切应力随着坡度增大而增大，增强了径流对土体的分离能力;对于等坡长边坡，坡度的增大使得降雨的承雨面积减小，从而减少了坡面径流总量，降低了坡面流的侵蚀能力。这些因素共同影响着坡度对边坡坡面降雨侵蚀的效果。

本次试验针对同一土质的等坡长斜坡，在相同的雨强和降雨时间内，对比四种不同坡比(1∶1.5，1∶1，1∶0.75，1∶0.5)的黄土边坡坡面冲刷特征及径流量和冲刷量的变化规律。试验数据见表2。

表2 试验数据表Table 2 The test data table

各坡比径流量及含泥量随时间变化曲线见图1、图2。

图1 各坡比径流量随时间变化关系Fig.1 The runoff change over time of each slope

图2 各坡比冲蚀含泥量随时间变化关系Fig．2 The mud content change over time of each slope

试验结果表明，各坡度径流稳定后，径流量表现为坡度越大，径流量越小，即径流量大小与坡度成反比例关系。径流量的这一变化规律主要受坡面承雨面积控制:随着坡度的增加，承雨面积减少，降落坡面的总雨量也不断减少。而坡度大小影响入渗量，进而影响坡面径流量这一因素则为次要因素。

含泥量则表现为:当坡度小于45°时，随着坡度的增大，坡面径流中含泥量及其增长速度增大;但当坡度大于45°时，随着坡度的增大，含泥量及其增长速度反而减小。这主要是因为在坡度的变化过程中，伴随着如前所述的各个因素的此消彼长，共同影响着降雨对坡面的侵蚀效果，但存在一个临界坡度。即边坡坡度越接近临界坡度时，冲刷量越大:当坡度小于该临界坡度时，坡面土体的冲刷量与坡度成正比例关系;当坡度大于该临界坡度时，坡面土体的冲刷量与坡度成反比例关系。本次试验结果表明延安地区黄土边坡的这四种坡比中，临界坡比为1∶1。

定义径流率来表征承雨面积内坡面降雨总量中形成径流的雨量所占比率

其中坡面承雨面积是斜坡面总面积在水平面上的投影值。经计算得四种坡比边坡径流率依次为:0.60、0.62、0.53、0.51。

试验发现径流率随坡度变化趋势与冲刷含泥量随坡度变化趋势同步，即在试验四种坡比中，径流率和冲刷含泥量均在坡比为1∶1时最大，向两侧减小。这说明试验的四种坡比中，在坡比为1∶1时，降落坡面的降雨更多的转化为径流，这一现象同时有助于径流对坡面土体的冲刷侵蚀。

2.2 坡面冲刷破坏机制分析

通过对黄土边坡坡面降雨冲刷破坏全过程的深入认识，分析认为:黄土边坡坡面在强降雨作用下的坡面侵蚀破坏机制可依次分为降雨冲击机制［4］、吸水软化机制［4］和面沟切割机制。

2.2.1 降雨冲击机制

通过试验发现，降雨初期，原本处于稳定状态的松散土体在受到较大动能的雨滴击打作用时，极易被溅散或沿坡面滚动。取位于斜坡坡面上的松散土体见图3，斜坡坡度为θ，土体粘聚力为c，内摩擦角为φ，土体沿坡面方向长度为L，W为土体重力，P为土体受到的雨滴冲击力，P与斜坡坡面方向夹角为β。

则土体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分别为:

于是:

可见土体稳定性指标是c、φ、θ、L、W、P、β 的函数，当土体粘聚力c和内摩擦角φ、斜坡坡度θ、土体沿坡面长度L及土体自身重力W一定时，雨滴滴落坡面的冲击力大小P及其方向β就成为影响坡面土颗粒稳定的决定性因素。当冲击力大小和方向合适时，坡面上松散的土颗粒就会在强降雨动力冲击作用下发生不同程度的变形、飞溅或滚动，形成降雨初期雨滴对边坡坡面的冲击侵蚀。

2.2.2 吸水软化机制

坡面土体在经过雨滴的击打、溅散作用后，多形成蜂窝状的麻点。随着降雨的继续，坡面表层土体吸水浸润，达到饱和或近饱和状态，同时雨水入渗土体内部，土中含水量增加，饱和度也迅速提高，土体粘聚力和内摩擦角随之降低，土体发生软化。

以图3、图4为例:当土体吸水后含水量达到饱和或近饱和状态时，土体粘聚力降低至1.2 kPa，内摩擦角降低至28°，而当坡面土体吸水饱和形成泥膜后，雨滴对土颗粒的击打作用即变的十分微弱，忽略此作用时，即令P等于零，此时取坡面单位长度、单位宽度的土体为研究对象，根据试验所得各坡比降雨入渗深度h，确定研究体体积V，进而利用ρsat确定各坡比研究体重力W，则可就本次试验的四种坡角值θ，利用简化后的公式(1):

计算得天然状态时各坡比入渗深度范围内土体稳定系数F依次为:75.02、54.88、30.45、36.07;而饱水状态时各坡比该深度范围内土体稳定系数F依次为:2.33、1.66、1.02、1.01，可见坡面土体吸水饱和后稳定系数明显降低。

图3 受降雨冲击作用的坡面土体Fig．3 The slope soil under rain impact

另一方面，随着降雨的不断进行，雨水入渗土体内部，使得土颗粒表面结合水膜增大，土体内部颗粒的基质吸力减小，土体中的气体被水膜和土体颗粒封闭;雨水不断地填充土体颗粒间的空隙，气体受到挤压，内部压强加大，对土体颗粒产生了一定的支撑作用;随着降雨的继续，雨水充满了土体颗粒之间的孔隙，此时基质吸力减小，孔隙水压力增大，土体有效应力降低，甚至为零，结果使土体颗粒局部处于悬浮状态［5］。

图4 土体强度参数随含水量变化曲线Fig．4 The soil strength parameters changing with water content curve

总之，随着强降雨的进行，雨水入渗土体内部从而改变了土体原有的物理化学环境和力学结构，同时土体内含水量的增大，使得其强度参数逐渐降低，总体趋势是安全性指标下降。

2.2.3 面沟切割机制

坡面经过前期降雨冲击及吸水软化后，表层土体含水量接近于饱和，坡面表层形成一层泥膜，阻碍了雨水向土体内的入渗，未能及时入渗的雨水即于坡面汇集形成薄层水流，即超渗径流，超渗径流的形成标志着雨水对坡面冲刷作用的开始。径流形成初期，雨量少，能量小，冲蚀力弱;而随着强降雨的继续，坡面径流水量、流速随之迅速增大。坡面上强烈径流的形成一方面顺斜坡方向产生向下的渗透力，形成动水的渗透侵蚀作用;另一方面，径流在土体表面的快速运动中产生的对土体的剪切力也大大增强了土体的下滑力。

单位体积的坡面土体浸没于水中(图5)，其自身有效重度为W'=γ'V，同时受到水流在颗粒孔隙间流动的渗透拖拽力J=jV=γwiV，，其中i=dh/ds=sinθ，此时坡面土颗粒的稳定系数:

若取该单位体积的土体为研究对象，此时c=1.2 kPa，φ =28°，r'=10.11 kN/m3，rsat=20.11 kN/m3，对于本次试验的四种坡度值θ，经计算得此时坡面土颗粒的稳定系数依次为:0.508、0.352、0.275、0.201。

由此可见，在颗粒间水流流动拖拽作用下，坡面土颗粒稳定系数均明显降低，且均小于1，这说明径流的形成在很大程度上影响了坡面土体的稳定性，促进了坡面的破坏。

图5 受动水拖拽的坡面土体颗粒Fig．5 The slope soil under hydrodynamic drag

同时，坡面径流在快速流动过程中，受坡面土体阻力的作用，当该部分土体经吸水软化后强度减低，同时坡面径流量达到一定值时，就产生坡面径流对堆积层土体的剪损［6］。随后，径流沿着坡面裂隙、缺损等部位继续冲刷，当径流剪切力大于土体的屈服应力和土体间的抗剪强度时，坡面土体就开始产生片状的剥落和流滑［7］;伴随着水流向这些相对低凹缺损部位汇集，坡面开始形成细沟。之后，在径流的持续冲刷作用下，沟侧土体坍塌、沟床土体启动［8］，最终导致坡面的整体破坏。

3 结论

(1)坡面径流稳定后，径流量大小主要受坡面承雨面积的控制:坡度越大，径流量越小。坡度对坡面冲刷量的影响存在一个临界坡度:边坡坡度越接近临界坡度时，冲刷量越大。本次试验的四种黄土边坡坡比中，临界坡比为1∶1。

(2)强降雨条件下，裸露黄土边坡坡面冲刷侵蚀破坏的机制可依次分为:降雨冲击机制、吸水软化机制和面沟切割机制。降雨过程中三种机制依次作用，共同促进了黄土边坡坡面冲刷侵蚀的发展。

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