坡度对膨胀土边坡径渗流特性的影响规律探究

董宏源，雷文凯，梅国雄*，徐美娟，赵艳林

(1.广西大学 土木建筑工程学院， 广西 南宁 530004；2.工程防灾与结构安全教育部重点实验室， 广西 南宁 530004；3.广西防灾减灾与工程安全重点实验室， 广西 南宁 530004)

0 引言

膨胀土是在自然地质过程中形成的一种特殊土，具有强水敏性及胀缩性，对环境湿热变化非常敏感[1]。其广泛分布于世界40多个国家和地区[2]，全球每年因膨胀土问题造成的损失高达150亿美元[3](其中中国超过10亿美元[4])。膨胀土边坡的失稳和破坏是膨胀土地区工程建设时经常遇到的一种地质灾害[5]。降雨入渗是诱发膨胀土边坡失稳的主要因素[6-9]，雨后膨胀土边坡极易发生失稳破坏。

国内外学者通过膨胀土边坡的现场和模型试验，研究了降雨条件下边坡的变形预测模型、水分运移规律以及浅层破坏的根本原因。陈建斌等[10]通过对广泛分布于广西南宁地区的膨胀土进行了现场边坡监测试验，发现降雨是膨胀土边坡变形的主要影响因素，并建立符合膨胀土边坡变形的经验性预测模型。NG等[3]通过膨胀土边坡现场人工降雨试验，得出了坡体在降雨过程中的水分运移规律。范秋雁等[11]通过室内边坡模型试验对膨胀岩边坡在连续降雨条件下边坡变形及水分入渗特性进行探究，查明了降雨条件下膨胀岩边坡的变形破坏模式。丁金华等[12]探究降雨过程中水分入渗对边坡失稳破坏形式的影响，揭示了水力边界条件变化引起的膨胀土膨胀变形作用是导致边坡浅层渐进性破坏的根本原因。徐光明等[13]对膨胀土开挖边坡进行了降雨入渗模型试验，分析降雨入渗过程中坡体含水量对膨胀土边坡稳定性的影响，指出维持边坡稳定性的关键在于做好边坡防水工作，如在边坡上采用土工膜防渗[14]。上述研究在膨胀土边坡失稳机理方面得到了许多有益的结论，表明控制边坡土体含水量的变化对膨胀土边坡保持稳定具有重要的意义。其中值得注意的是边坡坡度在边坡降雨入渗中起着至关重要的作用，影响着坡面径渗流的特性及坡体含水量的变化规律。但由于没有系统地探究不同坡度条件下边坡土体含水量随降雨时间的定量变化关系，坡度对膨胀土边坡径渗流特性的影响机理尚不明确，难以指导现场施工和边坡后期维护。

目前工程中通常使用减缓坡度的方法，提高边坡稳定性。但是殷宗泽等[15-16]分析了大量膨胀土边坡工程实例，发现很多膨胀土边坡坡度很缓(大部分坡比为1∶4～1∶5)也会发生失稳，而大部分边坡坡度较大却长期稳定。为探究上述现象，部分学者开展了坡度对膨胀土边坡径渗流特性影响的研究。谢灿荣等[17]开展坡度对膨胀土边坡径流分配关系的模型试验，得出坡度是影响边坡水分运移的重要几何因素。湛文涛等[18]分析了膨胀土边坡在不同坡度下的降雨入渗及稳定性，指出膨胀土边坡采用放缓坡率维持稳定的做法并不可取。虽然已有研究表明坡度对降雨入渗作用具有重要的影响，但忽略了坡度对边坡径渗流分配特性及土体含水量变化的时间效应影响，边坡坡度设置在何种范围有利于控制膨胀土边坡含水量的相对稳定，还没有确切的答案，有待深入研究。

本文开展坡度对膨胀土边坡径渗流特性影响的模型试验，分析不同坡度边坡在降雨条件下径流量特性及边坡土体含水量随时间的变化情况，提出通过坡度对边坡表层含水量进行调控的方法，为膨胀土边坡的控水防护提供依据。

1 试验方案

1.1 试验设备

本试验降雨装置主要包括供水池、抽水泵、输水管、降雨喷头、边坡模型以及支架等多个构件，供水池容量约为0.6 m3，为降雨提供充足的水量。抽水泵提供恒定的水压，使降雨强度保持稳定。边坡模型试验装置如图1所示。边坡模型箱采用的是10 mm厚的塑料板材料，模型箱尺寸为1 200 mm×400 mm×300 mm，置于可调节坡度的模型架中。模型架配备了4个滚轮，方便移动。模型箱前端(即边坡坡脚处)设置了径流出水口，通过收集装置对坡面径流进行实时测量。EC-5含水量传感器用于测量坡体含水量，灵敏度好，精度高，量程为0～100 %。CR300数据采集装置收集EC-5含水量传感器的数据。

图1 边坡模型试验装置

1.2 试验材料

根据《土工试验规程》(BG/SL 237—1999)[19]对试验土进行基本物理参数实验，所得的土样参数见表1。

表1 试验土的基本物理参数

1.2.1 土样制备

制备土样的具体流程如下：

① 将自然风干后的试验土碾压过2 mm孔径筛，测定其含水量，放置到保湿容器内储存。

② 根据试验所需的土体的质量与含水量，按式(1)进行计算所制备土样所需的加水量。

(1)

式中：m1表示制备土样所需要的加水量，g；m0表示风干土质量，g；w0表示风干土质含水量，%；w1表示制作土样要求的含水量，%。

③ 称取风干试验土平铺于托盘内，将水用喷壶均匀喷洒于试验土上，充分拌匀后装入密封容器中密封，静置24 h。

1.2.2 填筑模型

① 装土前，在模型箱底部铺上土工布。

② 压实土样，按照现场膨胀土边坡土体的天然密度(取1.94 g/cm3)和含水量压实土样，计算压实土的干密度公式

(2)

式中：ρd表示干密度,g/cm3；ρ表示天然密度,g/cm3；w表示试验土含水量,%。另外，填土前，用环刀法测定土样密度，根据测定的土样密度和预设土层厚度计算填土量，分层填土并压实，并对压实后的土体进行取样，测定压实后土体的密度，保证模型边坡坡体密度接近天然密度。

1.3 试验方法

本试验研究不同坡度膨胀土模型边坡在相同降雨条件下的径渗流特性，以及边坡不同深度土体含水量的变化规律。在箱底先铺设土工布，然后将配置好含水量的膨胀土分层填到模型箱，并夯实至既定的干密度。分别采用10°、20°、30°、40°、50°这5个坡度进行模型试验，为保证试验数据的精确性，使用塑料布对模型箱周边进行遮挡，尽可能将外界对降雨的干扰降至最低。喷头开始降雨时，即用秒表计时，记录径流集水桶开始汇水的时间，作为坡面产流时间(从降雨至坡面径流生成的时间)，产流后实时径流量采用收集装置进行监测，每隔30 s记录放置了径流集水桶的天平读数。埋设于深度(沿垂直于坡面方向)分别为3、8、13、18 cm的4个EC-5含水量传感器处于工作状态，并采用CR300数据采集装置每隔1 min采集一次EC-5测得的土体含水量数据。每次降雨试验持续时间为30 min。

2 试验结果分析

2.1 坡度对坡面产流时间的影响

图2 产流时间随坡度的变化曲线

降雨强度大于坡面下渗速率时，坡面产生径流。产流时间随坡度的变化曲线如图2所示。从图2可知，相同的降雨条件下，坡度为10°、20°、30°、40°、50°边坡的最早产流时间分别为62、45、34、30、29 s，可用方程y=202.92x-0.514进行拟合，回归平方和与总离差平方和的比值R2为0.913，回归拟合优度较好。坡度越大，产流时间越短，即产流时间与坡度呈负相关关系。这是由于坡度越大，雨水受重力沿坡面的法线方向的分量较小，坡体入渗水分因所受的重力分量减小而减少，而坡面径流水受到沿坡面的重力分量越大，加快雨水的汇集及其沿坡面的流速，因此减少了产流时间。

此外，边坡从10°开始每提升10°直至50°的产流时间缩短的时间值分别为17、11、4、1 s，可以看出随坡度增加，产流时间减少的速率变缓，结合拟合曲线的斜率分析可知，当坡度较小时，增加坡度对产流时间的影响越明显，当坡度较大时，再提升坡度对产流时间的影响减弱。这是由于不同坡度下增加10°的坡度，重力沿坡面方向的分量改变值为坡度余弦值之差是非线性的，因此增加相同的坡度值时，产流时间减小的差异较大，同时也表明不同坡度的坡面水文存在差异。

2.2 坡度对坡面径流的影响

由于本试验坡面土体侵蚀量小，文中未考虑土体侵蚀对径流的影响。当降雨持续时间为tmin时，边坡单位面积累积径流量可通过公式(3)计算。

(3)

式中：Rt是单位面积累积径流量,mm；m是t时间内径流集水桶收集到的径流总质量,g；ρ是水的密度,g/cm3；S是边坡承受降雨的坡面面积,cm2。径流系数通过公式(4)计算。

(4)

式中:CR是径流系数，表示从坡面流走的径流量占坡面总受雨量的比例；P是降雨强度,mm/h，α是边坡倾角。径流速率可以通过公式(5)计算。

图3 不同坡度下累积径流量随降雨时间的变化曲线

(5)

式中：ri是径流速率,mm/min；mi是天平相邻间隔读数内径流集水桶收集到的径流质量,g；ti是天平相邻读数的间隔时间。

不同坡度边坡单位面积累积径流量随降雨持续时间的关系如图3所示。从图3可以看出，各边坡单位面积累积径流量随降雨时间呈线性增长的趋势。坡度越大，单位面积累积径流量增长的速度越快。坡度的增大能促使地表径流的出现，阻碍雨水入渗坡体内部。从图中看出，在降雨前20 min，40°与50°坡的径流总量几乎一样，在20 min直至结束径流总量差别不大，因此坡度不宜过大，超过40°后，单位面积累积径流量受坡度的影响逐渐降低。

图4表示降雨期间时间与总径流系数之间的关系，分析总径流系数随时间的变化曲线发现，随着坡度的增加，径流出现的时间减少，稳定时总径流系数增大。反映了随着坡度的增加，坡面对雨水的截留能力降低，且径流量在降雨总量中占比增加，入渗量比例减少。在相同的降雨强度下，边坡坡度大于20°的边坡总径流系数大于0.5，即径流量大于入渗量，边坡以径流为主，渗流为辅。

图5为径流速率随降雨时间的变化关系，从图中看出，降雨初期雨水几乎全部下渗，没有径流发生，各边坡在降雨一段时间后才产生径流，随着降雨时间增加，坡面径流速率不断增大，最后在某一数值上下波动，达到稳定状态。稳定数值的微小波动，可能是由于降雨强度没有达到绝对的恒定或径流量的测量存在偏差。从稳定状态的数值可知，坡度越大，径流达到稳定的时间越早，稳定径流速率越大。这是由于坡度越大，坡面雨水受到的滞留作用越小及受到沿坡面重力分量越大。

图4 不同坡度下总径流系数随降雨时间的变化曲线

图5 不同坡度下径流速率随降雨时间的变化曲线

2.3 坡度对土体含水量变化量的影响

不同坡度下降雨对土体含水量的影响如图6所示，其中边坡分别在10°、20°、30°、40°、50°坡度下降雨入渗引起的坡体含水量变化情况分别如图6(a)～(e)所示。

(a) 10°边坡含水量变化量随时间的变化曲线

从图6中可以看出埋设深度为13 cm以上的土体含水量变化较为明显，埋深在18 cm的含水量计读数无明显变化。除埋深在18 cm的EC-5含水量计所测数据外，整体上在30 min的降雨时间内，各深度土体含水量均出现增大现象，且在降雨结束时的土体最大含水量增量不同，坡度越小，同一深度处含水量变化越大，10°边坡土体含水量变化量最大值为2 %，约为50°边坡土体含水量变化量最大值(约为0.4 %)的5倍。而对同一边坡，在相同降雨时间下含水量变化量随深度的增加而减小，降雨结束后，深度较小的EC-5最先达到对应的含水量变化峰值，随后出现坡体深处土体含水量继续升高，而表面含水量开始减小的现象，这是由于降雨结束后渗入坡体的雨水在自重作用下仍继续下渗，含水量变化量沿深度呈现出一定的滞后性现象。以图6(a)为例进行详细分析，埋深于3、8、13 cm处含水量计数据峰值分别出现在开始降雨后的20、40、80 min。含水量变化量的峰值时间从3 cm深度到13 cm深度每增加5 cm的需要时间分别为20、40 min。雨水在坡体中的入渗由于边坡不同深度的渗透系数不一样而呈现非线性的现象。

不同坡度、深度的坡体含水量变化峰值可能出现在降雨过程中，也可能出现在降雨结束后。边坡坡体在吸水软化后，可能出现边坡体失稳的现象，这也是边坡失稳往往发生在长时间的降雨或者降雨结束后一段时间的原因，同时也从含水量变化的角度解释了XIAO等[20]总结得出绝大多数膨胀土坡的滑坡往往是浅层滑坡，且发生在降雨过程中或降雨后的结论。

图7 不同坡度的含水量变化量曲线

从图7中可看出，随着坡度的增大，坡体含水量的最大变化量逐渐变小，利用线性插值法对试验数据进行分析，发现当坡度约为36.5°时，对应含水量变化为1 %；当边坡坡度大于36.5°时，含水量变化值小于1 %。结合图2可知，相同降雨条件下，当坡度达到40°以后，继续提高坡度对降雨入渗的影响不大，因此可适当提高膨胀土坡度减少膨胀土含水量的变化。在工程中膨胀土边坡坡度可设置在36.5°～40°之间，能有效利用坡度的设置，使坡面表层积水受到沿坡面的重力分量增大，加速雨水在坡面的流动及排出，雨水在坡面以径流为主、渗流为辅，从而减轻降雨对边坡土体含水量的影响，有效控制坡体含水量的变化范围在1 %以内。

3 结论

通过开展坡度对膨胀土边坡径渗流特性影响的模型试验，对不同坡度边坡在降雨条件下径流量特性及边坡土体含水量随时间的变化进行分析，得到以下结论：

① 对产流时间用方程y=202.92x-0.514进行拟合，回归拟合优度较好。从拟合方程可以得出，当坡度越小，提高相同的坡度对产流时间的影响越明显。

② 在相同降雨条件下，随着坡度的增大，径流产生时间缩短，稳定总径流系数增大，但坡度越大，增加相同坡度对径渗流时间和总径流系数的影响逐渐变小。在边坡坡度较大时，坡体含水量变化较小。

③ 同一边坡不同深度处土体的含水量变化随着降雨入渗时间的增加呈现出一定的滞后性。因此，由于降雨入渗使边坡坡体软化失稳的现象多发生在长时间降雨或者降雨结束后一段时间。

④ 从含水量控制角度，工程中经常采用的放缓坡度的施工方法，并不利于控制膨胀土边坡坡体含水量的相对稳定。膨胀土边坡坡度设置在36.5°～40°之间，能有效利用坡度的设置，控制膨胀土含水量变化在1 %以内。