不同坡比条件下生态袋防护边坡降雨入渗试验研究

2022-09-15蒋希雁陈宇宏许梦然王万梅阮梦柯

河北建筑工程学院学报 2022年1期

蒋希雁陈宇宏* 张喆许梦然王万梅阮梦柯李宝

(1.河北建筑工程学院土木工程学院,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.中国冶金地质总局第一地质勘查院，河北廊坊 065000)

0 引言

近年来我国公路铁路发展迅速，截止2019年底全国公路累计总里程501.25万公里，铁路累计总里程达到14.6万公里.但随着公路铁路交通的迅速发展，许多工程开挖基坑与边坡会造成边坡岩层裸露、原有植被保护层破坏、水土流失等问题[1]，深挖边坡带来的滑坡灾害成为不可忽视的危害人民生命财产安全的重要因素.在边坡防护技术方面，原有的砌体防护与混凝土防护逐渐出现弊端，生态护坡技术逐渐替代了砌体与混凝土防护技术.生态护坡技术自上世纪40年代被投入使用[2]以来，出现了许多技术种类：铺设草皮以及生态袋、客土与液压喷播、植被混凝土绿化等，其中生态袋护坡技术以其工期较短，施工简易以及自身优良的透水保土特性被大量工程运用在滑坡防护中.国内外学者对生态袋防护技术进行了研究：张红[3]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[4]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[5]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[6]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.

在边坡破坏原因方面，降雨是造成边坡失稳破坏的主要因素.降雨使得边坡土体中的含水率增大，加上土体自身容重增大，土体的基质吸力减小，从而土体自身结构抗剪能力减小易形成滑坡灾害[7]，故研究降雨期间边坡的入渗情况尤为重要.现阶段学者针对降雨期间影响边坡入渗因素的研究主要分为两类：一是不同坡比对边坡入渗的影响：李灿等[8]研究植被混凝土边坡降雨冲刷量与降雨强度以及坡比的关系，发现坡比越大带来泥沙侵蚀量越多，达到最大峰值时坡比为53°；汪聪[9]通过对不同坡比边坡进行相同时间的冲刷试验，发现生态土工布更适宜坡度较缓边坡防护而短管防护在不同坡比的防护作用都是最好的；林维康[10]进行不同坡比下冻土边坡的降雨入渗模型试验，结论认为坡比越大，冻土边坡更难以入渗并且温度与土压力上升速率更慢，达到的温度与土压力阈值更低.二是降雨过程中边坡的不同位置的水分性质变化研究：王丙龙[11]对边坡进行加筋加固，研究加筋边坡在降雨条件下浸润峰与侵蚀情况，发现加筋效果越强，边坡受冲刷影响越小，并且整个边坡的破坏均是从坡脚开始；张真[12]对陕西地区黄土边坡进行现场试验，发现同一坡比不同降雨强度下坡顶入渗最深，其次是坡脚，最后是坡中；曾昌禄[13]进行黄土边坡模型试验，得到边坡坡脚入渗深度最大，坡顶次之，坡中最小的结论.纵观上述边坡防护的研究成果，研究不同坡比对边坡降雨入渗的影响与边坡各位置的水分性质变化是分析边坡降雨入渗的主要因素，而目前对于生态袋防护的边坡降雨入渗分析较少，进行不同坡比生态袋防护下边坡降雨入渗模型试验有利于分析生态袋防护边坡的作用.故本文以张家口市某高8m粉质黏土土质边坡为原型，根据相似原理设计一种边坡模型试验，模拟特大暴雨条件下不同坡比的生态袋防护降雨入渗，分析不同坡比对生态袋防护的边坡有何具体影响并且记录生态袋防护下边坡的各位置入渗情况，为相似地区的边坡防护设计提供依据.

1 降雨入渗模型试验

1.1 试验土样

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)[14]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.

表1 边坡用土基本物理性质指标

表2 生态袋填充土料基本物理性质指标

1.2 试验相似比例尺

本试验以张家口某边坡工程为原型，原型边坡高8m，宽4m.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Cl=10；同时在设计渗透模型试验严格满足渗透系数相似比Ck=0.65，次要满足干密度相似比Cp=1.02，降雨强度相似比Cr=0.37[15].最终模型与原型的各项物理指标如下表3所示：

表3 原型与模型的物理性质指标

1.3 试验装置介绍与准备工作

(1)装置介绍

本试验设备有边坡模型箱、降雨装置和传感器监测装置三个部分组成.模型试验原理图如图1所示.

图1 模型试验示意图

边坡模型箱使用有机玻璃材质制成，整体尺寸为长1.5m，宽0.4m，高1.1m.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6个土壤水分计，6个孔隙水压力计和一个土壤水势仪.具体布置位置如图2-5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A侧面测点布置图

图3 模型箱B侧面测点布置图

图4 模型箱俯视测点布置图

降雨装置如图5所示，主要由蓄水箱、降雨器、流量计组成.蓄水箱与降雨器由一根不锈钢水管连为一体，并且在水管末端连接上流量计一枚，可以测量降雨过程中的总雨量与降雨速率.

图5 降雨器示意图

传感器检测装置有三种仪器组成：孔隙水压计，土壤水分计，土壤水势仪(图6-8).

孔隙水压计与土壤水分计按照相应预留孔位在试验开始时放入边坡模型内，用于测量一定时间内边坡模型各位置的相应数据；土壤水势仪始终至于坡内固定位置，用于判断边坡土体最终是否呈现饱和状态.

图6 孔隙水压力计图7 土壤水分仪图8 土壤水势仪

(2)准备工作

本次试验的准备工作主要分为两项：边坡的堆积与试验使用降雨强度的率定.

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，1.43g/cm3的土壤干密度，80%的边坡压实度进行边坡堆积(图9).堆积的方法使用逐层累压(图10)，分层堆积.

图9 堆积完成的边坡图10 逐层累压填充边坡

在对本次试验降雨强度的率定之前应确定本次试验需求的降雨强度范围.参考张家口地区近10年一遇降雨强度最大值数，并依据现场情况与先前的降雨强度范围，率定得到的降雨强度为140.4mm/12h并进行降雨均匀度计算[16].最终得到本次降雨均匀度在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[16].

1.4 试验方案

本次试验基于2种不同坡比(42°、59°)的无平台边坡，进行特大暴雨条件下的带生态袋防护的边坡模型降雨入渗试验，其中降雨强度为140.4mm/12h.事先将降雨器进行调试，调试至降雨稳定开始试验并计时(图11).试验期间每隔15-20min对边坡的三个位置(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时确定边坡主体部分已经完全饱和，并且边坡顶部出现明显裂缝视为边坡即将破坏时试验结束，终止计时(图12)试验概况如表4所示.

表4 试验简要概况

图11 模型试验初始状态图12 模型试验最终状态

2 试验结果与分析

2.1 相同坡比不同位置的降雨入渗分析

图13，图14分别为坡比42°，59°的边坡三种位置的体积含水率时程变化点线图.如图所示：代表坡面的W3和W4测点、代表坡底的W5和W6测点、代表坡顶的W1和W2测点的体积含水率增长速率逐渐降低，这说明特大暴雨条件下，边坡各位置的入渗速度是坡面最快，坡底次之，坡顶最慢.在42°与59°边坡中W1至W6所有测点的体积含水率增长速率都是先快后慢，并且存在明显的斜率突变点，这说明边坡的降雨入渗随着土体体积含水率逐渐提高，入渗速率会变慢，而生态袋在本次试验中起到了暂缓强降雨初期降雨入渗速度的作用.

图13 42°边坡体积含水率变化

图14 59°边坡体积含水率变化

2.2 不同坡比对体积含水率的影响分析

图15至图17分别为不同坡比的相同位置的体积含水率时程变化图。如下图所示：42°边坡W1位置含水率达到峰值时间比59°边坡W4位置含水率缩短约4h，这说明在相同降雨入渗与生态袋防护条件下，以坡体中相同位置达到饱和的时间为界，42°坡比的边坡比59°坡比的边坡饱和速度快32%以上.

不同坡比的同一测点位置W5与W6的含水率突变速率与峰值差值最大，42°边坡W6测点含水率峰值为29.5%，W5测点含水率峰值是30.1%，而59°边坡W6测点含水率峰值是32.2%，W5测点含水率峰值是32.0%.参考文献[17]定义含水率峰值相对变化率公式对峰值变化计算：

nθ=(θa-θb)/θb*100%

(1)

其中θa是42°边坡测点的体积含水率，θb是59°边坡测点的体积含水率.

计算结果发现，42°边坡较59°边坡W5测点的增大变化率为6.3%，W6测点的增大变化率为9.1%.这说明坡比较缓的边坡坡底降雨入渗速率更大，坡比越缓坡底越容易受到雨水侵蚀，这是由于坡底角度变化会使坡底与坡面竖直向的投影降雨面积变大，最终影响到坡底的入渗.

不同坡比相同测点位置的含水率斜率突变点出现时间不一致：坡面W3,W4测点在42°边坡降雨中，出现斜率突变点的时间分别为2.1h、0.9h，而59°边坡降雨中，出现斜率突变点的时间分别为3.2h、5.1h；坡底W5、W6测点在42°边坡降雨中，出现斜率突变点的时间分别为2.6h、1.8h,而59°边坡降雨中，出现斜率突变点的时间分别为7.2h、5.2h;坡顶W1、W2测点在42°边坡降雨中，出现斜率突变点的时间分别为1.8h、2.3h,而59°边坡降雨中，出现斜率突变点的时间分别为3.7h、3.8h.定义斜率突变点出现时间变化率公式对出现时间变化计算：

nt=|ta-tb|/tb*100%

(2)

其中ta是42°边坡中出现斜率突变点的时间，tb是59°边坡中出现斜率突变点的时间.

计算结果表明42°边坡较59°边坡出现斜率突变点的时间快34.5%-82.3%不等.这说明生态袋对边坡强降雨的防护在坡度较缓的边坡作用更好，能防止坡度较缓边坡在强降雨条件下，坡面坡底等易入渗饱和区域过快饱和.

图15 不同坡比坡顶体积含水率变化

图16 不同坡比坡面体积含水率变化

图17 不同坡比坡底体积含水率变化

2.3 不同坡比对孔隙水压力的影响分析

图18 不同坡比坡顶孔隙水压力变化

图18-20是不同坡比相同测点位置的孔隙水压力变化图.就变化速率来看，不同坡比坡面孔隙水压力上升速率大致相同，而不同坡比坡底与坡顶变化速率存在一定差异，坡底的水压变化速率差最大，这说明坡底是降雨滑坡中较为薄弱的部位.从各位置的孔隙水压力峰值来看，虽然42°边坡孔隙水压力上升速率更快但是峰值更低，在坡顶与坡底位置的峰值差在2.3KPa-9.4KPa.结合试验自身情况来看，42°边坡达到峰值时，坡面、坡底、坡顶的大部分测点已经完全饱和并破坏无法继续读数.这也说明强降雨入渗侵蚀对坡比较缓的边坡的破坏程度更快.