强降雨作用下生态袋护坡入渗规律模型试验研究

蒋希雁，陈宇宏，许梦然，张 喆，王万梅

（1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075031；2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075031；3.河北省寒冷地区交通基础设施工程技术创新中心，河北 张家口 075031；4.张家口市岩土工程技术创新中心，河北 张家口 075031）

0 引 言

降雨作用是诱发山体和道路边坡发生滑坡的主要因素之一，其诱发作用机理是使得边坡土体中的含水率增大，土体自身容重增大，土体的基质吸力减小，从而土体自身结构抗剪能力减小。2021年7月河南受到强降雨灾害影响，仅郑州一地降雨强度达到6小时382.4 mm，伴随而来是山洪滑坡灾害的到来，截至2021年8月该强降雨灾害引发的滑坡灾害已致伤亡人数为302 人，直接经济损失655 亿元。异常的强降雨天气诱发的山体滑坡灾害导致人民群众生命财产安全受到损失，研究强降雨下边坡防护技术刻不容缓。

降雨类型分类可依据降雨强度划分，按照国家气象局［1］规定可划分为：小雨，中雨，大雨，暴雨，大暴雨和特大暴雨，其中大雨（12 小时30 mm）之上就为强降雨天气。针对强降雨作用下的边坡入渗规律模型试验，国内外学者已经进行了大量研究：赵晓彦，肖典对强降雨作用下的岩质边坡进行主动加固模型试验，发现强降雨条件下主动网结构可与预应力锚索协同受力，形成二次张拉效果［2］；潘昌树设计不同雨强的强降雨条件下加筋路堤边坡的模型试验，发现边坡的不同位置的破坏发展情况各有不同并且整个试验中孔隙水压与土压力变化分为不同阶段，得到降雨强度对边坡的孔隙水压，土压力，浸润峰发展成正相关关系，而边坡坡度则与之相反［3］；王维早自主研发离心场降雨模拟设备研究强降雨对浅层堆积层的沿基覆界面滑动的原理，强降雨过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］。唐军使用TLJ-500土工离心机对攀枝花机场一期滑坡进行模拟实验，发现攀枝花机场滑坡是以强降雨为诱因，内部岩土体在后缘基岩裂隙水长期入渗的情况下发生的蠕滑式破坏［5］。

纵观上述研究不难发现强降雨对边坡的破坏方式主要是瞬时的孔隙水压增大导致土体自身结构不稳发生蠕滑式滑动，如何预防或延缓强降雨对边坡产生的不利影响便成为现今亟需解决的重要问题。CHEN Jie［6］进行不同植被加护花岗岩边坡的模型试验，发现大部分植被可以提高边坡整体渗透系数抑制坡面径流的产生，但对边坡整体稳定性的提高并不明显；崔建新［7］使用伞形锚加固堆积型边坡，发现锚固体系在土体受强降雨侵蚀发生滑动趋势后，锚固体会反向作用于边坡土体，向边坡施加被动土压力，使得土体孔隙量变小从而减小了土体内孔隙水压的增大。马东华［8］进行灌木植被加护边坡的模型试验，得到植被边坡较裸土边坡的土水特征曲线的进气值更大，土体孔隙分布更均匀，不易发生大量孔隙水压的聚集。总结上述文献研究可以发现，现阶段对强降雨侵蚀边坡的处理方法大致分为：以植物为主的生态治理和直接使用锚固或者砖混加固整体机构的加固治理。两者各有相应的优缺点，植物生态加护可以使边坡土体持水性更强，使得边坡能在强降雨天气中不易发生坡面径流，但是边坡内土体的孔隙水压会持续增大，不利于边坡的整体稳定。锚固体系可以向土体施加被动土压力减小孔隙率从而使得边坡整体稳定，但是低孔隙率的边坡持水性差，并不能在长时间强降雨中保持稳定，容易发生大体积量的滑坡破坏。因此同时兼顾持水性能与降低孔隙率的护坡技术更适合强降雨条件下的边坡。

生态袋护坡技术利用植物根系分布多稳固土体的特点不仅完美的保留了植物护坡持水性强的优势，还借助袋装土沿边坡坡面向上分布的支挡结构为边坡整体提供了一部分被动土压力，从而达到减小边坡孔隙率的效果。针对生态袋的相应研究也有许多：张红［9］对植生袋适用条件进行总结，结果认为生态袋防护适用于坡度1∶1.5～1∶2.0 的黄土与粉土边坡；叶彩娟［10］研究青藏铁路安多车站的生态袋防护技术，得到适用于青藏地区特有的生态袋植被；叶金鹏［11］通过试验对宁东羊场的生态修复效果进行评价，将包含生态袋在内的6种恢复技术进行对照，发现相同降雨条件下生态袋产生坡面径流较裸坡减81.86%，说明生态袋护坡技术更好；梁兆兴［12］利用雷达新技术探测已有的生态袋护坡工程基础数据并进行数值模拟，说明生态袋护坡的稳定性较强。虽然学者们对生态袋护坡技术进行了降雨边坡现象研究，得到生态袋有利于边坡稳定的结论，但是实际影响边坡稳定性的水文性质因素的研究还较为缺乏。生态袋支护下边坡的入渗规律的研究也需要相应系统性试验去验证，故本文以张家口市某高10 m 土质边坡为原型，根据相似原理设计共4种工况的边坡模型试验，模拟特大暴雨条件下不同坡比的生态袋防护降雨入渗，记录生态袋防护下边坡的各位置水文性质变化，分析不同条件的强降雨作用下生态袋护坡的入渗规律，为强降雨地区的边坡防护设计提供参考。

1 降雨入渗模型试验

1.1 试验土样物理性质指标与生态袋基本参数

本试验堆积边坡与生态袋填充材料的土取自张家口市某边坡，依据《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）［13］进行土工试验，边坡用土基本物理性质如表1。生态袋填充土料基本物理性质指标如表2所示。生态袋使用材料性质如表3所示。

表1 边坡用土基本物理性质指标Tab.1 Basic physical properties of slope soil

表2 生态袋填充土料基本物理性质指标Tab.2 Basic physical property index of ecological bag filled soil

表3 生态袋基本性能参数Tab.3 Basic performance parameters of ecological bag

1.2 试验相似准则

本试验以张家口某边坡工程为原型，原型边坡高10 m，宽4 m。考虑原始边坡尺寸与试验场地限制，本次试验的几何相似比设定在λl=10；同时在设计渗透模型试验严格满足渗透系数相似比λk=0.65，次要满足干密度相似比λρ=1.02。由于本次降雨模型试验不同于通常力学边坡模型试验，不仅需要考虑模型与原型的土样物理性质，更重要的是降雨强度要满足雨水入渗径流的相似性。现阶段对降雨强度相似性的讨论较少，主要研究方法有参考流体的几何相似，运动相似，动力相似来进行降雨强度的相似定量［14］。结合本次试验选择入渗径流中的流体主导力为降雨相似的准则，确定降雨强度相似比λp=0.37。

最终模型与原型的各项物理指标见表4。

表4 模型试验相似关系Tab.4 Model test similarity relationship

1.3 试验设备

本试验设备有边坡模型箱、降雨装置和传感器监测装置3个部分组成。模型试验原理图如图1所示。

图1 模型试验箱示意图（单位：mm）Fig.1 Schematic diagram of model test chamber

边坡模型箱使用有机玻璃材质制成，整体尺寸为长1.5 m，宽0.4 m，高1.1 m。两侧分别预留传感器孔洞，共在边坡正背双侧面的不同位置放置德国Heraeus 公司ZKYC-8FF 土壤水分计、北京恒瑞科技公司GE Druck PDCR8 孔隙水压力计、美国Steven 公司TensioMark 土壤水势仪。具体布置位置与俯视图如图2、3 所示，其中Pn为孔隙水压力计，Wn为土壤水分仪。每组试验的每个传感器相对于模型底部的位置都固定不变，测定范围也全都相同。

图2 模型箱测点布置图（单位：mm）Fig.2 Model box measuring point layout

图3 模型箱俯视测点布置图（单位：mm）Fig.3 Model box overlooking measuring point layout

1.4 试验准备工作与方案

本次试验的准备工作主要分为三项：生态袋有植被培育，边坡的堆积与试验使用降雨强度的率定。使用长37 cm，宽35 cm 聚丙烯（PP）生态袋装土进行80%填充度装填，并进行两个月时间培育，效果如图4。边坡的堆积依据设定好的尺寸相似比、干密度相似比来控制堆积时土料的性质，按照10%质量含水率1.43 g/cm³的土壤干密度，80%的边坡压实度进行边坡堆积。降雨率定按照相应参考文献率定降雨强度并进行降雨均匀度计算［15］，得到的降雨强度为12 小时140.4 mm、本次降雨均匀度在86%，超过了模拟降雨标准要求的85%，因此认为试验所用的降雨器降雨达到均匀［15］。

图4 培育完成的生态袋Fig.4 Cultivating completed ecological bags

本次试验基于2种不同坡比（1∶1.1）与（1∶0.6）的边坡，进行特大暴雨条件下的不同植物生长条件（是否有植被）的生态袋支护边坡模型降雨入渗试验，具体工况介绍如表5。试验的目的是对比观察坡比以及生态袋植物自身对强降雨条件下边坡的水文性质的影响。

表5 试验工况介绍Tab.5 Introduction to test conditions

试验开始前将降雨器进行调试，调试至降雨稳定开始试验并计时。试验期间每10～20 min对边坡的3个位置（坡面、坡顶、坡底）的不同传感器进行读数，主要目的是记录降雨期间边坡各个位置的体积含水率与孔隙水压力的变化趋势。最终观察坡中的土壤水势仪的读数，在边坡内基质吸力逐渐下降，下降至一定数值不再变化并且坡体产生的裂纹不再扩展时确定边坡主体部分已经达到稳定极限，此时试验结束，终止计时。试验效果展示如图5～7。

图5 试验初始坡面状态Fig.5 Test initial slope state

图6 试验中坡面状态Fig.6 State of slope in test

图7 试验结束坡面状况Fig.7 Condition of slope at end of test

2 试验结果与分析

2.1 边坡不同深度位置含水量变化规律

为了分析在强降雨条件下不同条件的边坡坡体内不同深度位置的含水量变化，做出不同坡比（1∶1.1∶1∶0.6）在有植被生态袋与无植被生态袋支护下的坡底，坡顶，坡面位置处的含水量与降雨量关系图如图8～11，并且详细列出各工况不同位置处含水量响应时间如表6。

表6 各工况不同位置含水量响应时间Tab.6 Water content response time at different locations under vari⁃ous working conditions

由图8～11 可知，所有工况的都存在一些共同点：降雨开始前各位置深度的含水量稳定在8%～14%的区间；在降雨过程中，边坡不同位置处的含水量均出现一个突变点，在这之前的含水量提升较快而随后含水量的增长又变得缓慢，直至降雨结束含水量稳定在一个区间。降雨结束后，边坡的坡底，坡顶，坡面位置的含水量分布在29.7%～37.4%之间。

图8 坡比1∶1.1无植被生态袋支护边坡的体积含水量与降雨量的关系曲线Fig.8 The relationship of water content in slope ratio 1∶0.6 used bags with no vegetation

图9 坡比1∶0.6无植被生态袋支护边坡的体积含水量与降雨量的关系曲线Fig.9 The relationship of water content in slope ratio 1∶1.1 used bags with no vegetation

图10 坡比1∶1.1有植被生态袋支护边坡的体积含水量与降雨量的关系曲线Fig.10 The relationship of water content in slope ratio 1∶0.6 used bags with vegetation

图11 坡比1∶0.6有植被生态袋支护边坡的体积含水量与降雨量的关系曲线Fig.11 The relationship of water content in slope ratio 1∶1.1 used bags with vegetation

以生态袋的植被生长情况做比较依据发现：无植被生态袋工况的坡底含水量变化响应在降雨前期较为密集，并且含水量峰值较低。坡顶与坡面的含水量响应时间也更长，但含水量峰值较高。由此可见无植被生态袋边坡入渗顺序从先到后可以归纳为：坡面，坡顶，坡底。与之相对应的是有植被生态袋工况的响应情况：边坡含水量响应时间较无植被生态袋工况均有缩短，并且不同位置的响应时间相近。这就说明有植被生态袋工况不同位置入渗速率大都相近，并且整体速率快于同条件下的无植被生态袋工况。

以坡比为比较依据，比较不同坡比含水量与降雨量响应关系，可以发现坡比较低（1∶1.1）的边坡与坡比较高（1∶0.6）的边坡相比之下，响应入渗时间更短，并且含水量的峰值较低，可能的原因是坡比较小边坡的受降雨面积更大从而导致入渗速率变快。

2.2 边坡模型含水量增长速率分析

如图12、13为不同坡比（1∶1.1；1∶0.6）在有植被生态袋与无植被生态袋支护下的含水量增长速率随时间的变化图。图像整体情况表现为各位置含水量增长率呈先增长再下降的趋势，其中增长率为0.04～0.05 的为整体数据的突变阈值区间。根据图12、13 可以列出各个工况不同位置的突变开始时间与峰值如表7。

图12 坡比1∶1.1与1∶0.6无植被生态袋支护边坡含水量变化Fig.12 Slope ratio 1∶1.1 and 1∶0.6 slope water content changes used bags with no vegetation

图13 坡比1∶1.1与1∶0.6有植被生态袋支护边坡含水量变化Fig.13 Slope ratio 1∶1.1 and 1∶0.6 slope water content changes used bags with vegetation

表7 各工况含水量突变开始时间与峰值Tab.7 The onset time and peak value of abrupt change of water content in each working condition

以生态袋的植被生长情况做比较依据发现：所有工况的坡面位置含水量最先开始突变，无植被生态袋工况的坡顶与坡底在坡面发生突变后较久时间才开始突变，而有植被生态袋工况三个位置的突变开始时间都比无植被生态袋边坡提前许多且相对集中。无植被生态袋工况所有位置的突变开始时间较有植被生态袋工况要慢，但突变峰值无植被生态袋更高。

上述现象表明，有植被生态袋工况的体积含水量突变速率更高。分析原因可能是：本试验中使用的植被种类是高羊茅，被高羊茅覆盖的生态袋表面主根茎直径覆盖面积广并且分布均匀，雨水在降雨的过程中由原先无植被生态袋边坡的沿坡面产生径流流动变成沿着根茎-土交界面流动，优先流动的根茎-土流动入渗能力更强，含水量突变速率也比无植被生态袋边坡更快。同时参考Green-Ampt 模型理论［16］发现由于有植被生态袋边坡入渗速度变快，边坡形成暂态饱和区需要的时间变长，在持续的强降雨状态下雨水的入渗速度不会持续变快，而是在形成暂态饱和区之后随坡面径流离开，这就是有植被生态袋边坡的突变峰值较小的原因。

2.3 孔隙水压力变化规律

如图14～17绘制了不同坡比（1∶1.1；1∶0.6）在有植被生态袋与无植被生态袋支护下的边坡整体不同时间段孔隙水压空间分布图。从整体增长规律看，所有工况的孔隙水压力增长都是随着降雨由外到里逐渐增加，并且除坡比1∶1.1 有植被生态袋支护的边坡以外所有其他工况的坡面处孔隙水压最先达到最大值。

图14 坡比1∶1.1无植被生态袋支护边坡孔隙水压变化Fig.14 Change of pore pressure of 1∶1.1 slope supported by ecological bag used no vegetation

图15 坡比1∶0.6无植被生态袋支护边坡孔隙水压变化Fig.15 Change of pore pressure of 1∶0.6 slope supported by ecological bag used no vegetation

图16 坡比1∶1.1有植被生态袋支护边坡孔隙水压变化Fig.16 Change of pore pressure of 1∶1.1 slope supported by ecological bag used vegetation

以生态袋的植被生长情况做比较依据比较发现：有植被生态袋工况坡面的孔隙水压力增长速率较于无植被生态袋边坡更慢，其红色等值线包裹部分就对应了上一章提出的暂态饱和区，有植被生态袋工况入渗速率太快，暂态饱和区形成的迟，会影响后续的降雨入渗。

观察不同坡比工况下有植被生态袋与无植被生态袋边坡的孔隙水压力分布发现：坡比角度较小的工况（1∶1.1）在有植被生态袋的保护下孔隙水压力的延缓速度有明显改善，但是坡比角度较大的工况（1∶0.6）在有植被生态袋的保护下，孔隙水压力的延缓速率不如坡比较小的工况，并未产生足够的延缓孔压增长效果。分析原因可能是，由于坡比增大而增大的因重力影响的坡面径流效果比植物根系作用下垂直入渗坡面的效果要更强。

图17 坡比1∶0.6有植被生态袋支护边坡孔隙水压变化Fig.17 Change of pore pressure of 1∶0.6 slope supported by ecological bag used vegetation

3 讨 论

3.1 生态袋支档工程中最佳坡度取值范围

由上文2.3 研究可知，在不同坡比的生态袋支护边坡中，坡比低的边坡（1∶1.1）较坡比高的边坡（1∶0.6）延缓孔隙水压上升速率的效果更好，即坡比越低生态袋支护的效果越好。但是这种效果不会一直因坡比越小而越好，必定有一个坡比范围是最适用于相似条件下的生态袋支护边坡。因此可以结合实际工程与本次试验结论来确定一个最佳坡度取值范围。

参考工程位于河北省张家口市怀来县东八里乡北部矿山区域，由于历史原因在开采矿山期间并未落实矿山地质治理，从而形成大量高陡开采面、渣坡、渣堆、残山，产生了地质灾害隐患。在近十年来受到强降雨侵蚀形成滑坡断层破坏地点达到15 处，破坏次数达到20 余次，其中大部分破坏地点受到多次破坏，亟需边坡修复处理。工程概况图如图18。

图18 治理区地貌图Fig.18 Geomorphic map of the administrative area

从工程实际考虑，边坡的坡度变化会影响边坡支护方案的效果，因此对于不同坡度区域采用不同的支护方法。坡度≤30°区域：位于采面坡脚位置，多为废弃渣石堆放形成的渣坡，在渣坡坡面覆土，间隔种植紫穗槐、从生金叶榆绿化；坡度30°～50°区域：挂网喷播生态袋绿化；坡度≥50°区域：锚杆加固生态袋绿化；该工程经过7年的生态袋防护治理，效果很明显。

支护效果对比如图19、20。

图19 治理前的土质边坡Fig.19 Soil slope before treatment

图20 治理后经过降雨侵蚀边坡Fig.20 After treatment，rainfall erodes the slope

结合工程实例中不同坡度使用的不同支护方法与本次试验所得结论，发现在坡度30°～40°之中的边坡支护中使用生态袋支护能达到较好的效果，在坡度≥50°时使用锚杆加生态袋支护能达到稳定支护的要求。

3.2 生态袋支护下边坡的预警方法

3.2.1 基于体积含水率与饱和度的预警方法

参考文献［17］中进行的滑坡预警试验，设定一种以含水率为数据基础的预警方法：在边坡土体发生滑坡、断裂等失稳性破坏时，记录坡体各位置含水率值以及对应饱和度，作为边坡失稳的预警安全值。结合本次生态袋支护边坡试验，以最终试验结束时数据为参考，列出不同条件下生态袋护坡在强降雨下的预警数值（见表8）。

表8 基于体积含水率与饱和度的预警数值 %Tab.8 Warning values based on volumetric water content and saturation

由上述预警数值可以发现，边坡最终各处体积含水率和对应饱和度都稳定在一定数值范围。对类似工程提出以下建议：①在生态袋支护设置初期，植物生长情况较少，对边坡不同位置监测含水率与相应饱和度，认为出现一处监测值达到含水率31%，饱和度60%即判定为达到安全警戒值，需进行安全防护措施；②在生态袋支护设置后期，植物生长状况良好，对边坡不同位置监测含水率与相应饱和度，认为出现一处监测值达到含水率37%，饱和度70%即判定为达到安全警戒值，需进行安全防护措施。

3.2.2 基于降雨入渗量与破坏时间的预警方法

通过记录不同条件下边坡的破坏时间及其对应的降雨入渗量来确定一种降雨下边坡的预警方法。在实际工程可以通过雨强与降雨历时的换算来起到预警作用。以下列出本次试验的不同工况的降雨入渗量与破坏时间为相似实际工程做经验预警（见表9）。

表9 基于降雨入渗量与破坏时间的预警数值Tab.9 Warning value based on rainfall infiltration and damage time

4 总 结

在两种坡度下的强降雨边坡模型试验中，分别设置有植被生态袋支护与无植被生态袋支护边坡进行试验。初步得到生态袋护坡在强降雨条件下边坡的入渗规律：

（1）无植被生态袋工况不同位置的入渗速率排布为：坡面＞坡顶＞坡底。有植被生态袋工况不同位置入渗速率大都相近，并且整体速率快于同条件下的无植被生态袋工况。

（2）有植被生态袋工况因根茎-土交界面流动的效果的体积含水量突变速率更高，从而使得暂态饱和区生成范围变大，生成时间变长。同时因暂态饱和区的效果强降雨中孔隙水压的提升速度会大幅减慢，但在高坡比生态袋支护工况中，有植被生态袋的减慢孔隙水压提升的效果并不明显。在实际工程应用当中应当考虑在合适坡比的边坡中使用生态袋支护。

（3）结合当地实际工程经验与本次试验的结果，可以确定一个适用生态袋支护的边坡坡比范围：30°～40°。另外提出适用于与本次试验类似条件下的生态袋支护边坡工程预警方法，分别使用体积含水率、饱和度与降雨入渗量、破坏时间来为相似实际工程提供预警。