0.   引言

黄土在世界上分布比较广泛,而在世界各国中又以中国西北地区黄土地层最厚,最完整,发育好,地层全,分布连续,其特性较典型^[1]。

黄土高原是中国地质灾害频发的重灾区,在众多灾害中,黄土滑坡以其规模大、危害强、预测难等特点成为了黄土高原地区阻碍经济和社会发展的严重地质灾害之一,对人民群众的生命财产构成了严重的威胁^[2-3]。其中,在黄土地区地质灾害详细调查下表明,降雨入渗是诱发黄土滑坡的重要因素^[4-6],由自然降雨直接或间接诱发的滑坡占比高达90%^[7]。因此,对边坡土体内水的入渗规律及稳定性问题的研究具有较大的理论和实际工程意义。

目前,已经有大量学者开展了现场降雨诱发滑坡失稳方面的试验研究,并取得一定的研究成果。胡明鉴等^[8]进行了人工降雨作用的滑坡和泥石流现场试验,模拟了暴雨降雨条件引起的坡面冲刷和垮塌现象和由此引发的边坡失稳。潘俊义等^[9]针对开展了不同雨强的野外人工模拟降雨实验,分析了不同雨强条件下降雨入渗过程和边坡应力变化特征。

但是由于现场黄土层的区域性、地质条件的多样性和自然环境的多变性,较难找到完全符合研究主题的试验场地和环境来进行边坡降雨入渗试验,难以取得比较满意的结果。因此,在相似比尺原理逐渐完善的今天,室内模型试验由于其成本低、可控制边界条件和易操作的特点,使得室内模型试验得到更加广泛的应用。陈伟^[10]通过黄土边坡室内人工降雨模型试验,分析了黄土边坡在降雨条件下失稳滑动的过程,探索了降雨条件下的边坡破坏机理。武彩萍^[11]通过黄土边坡室内模型试验,开展了人工降雨条件下黄土滑坡及坡面形态的变化的研究。

基于以上研究,本文开展黄土边坡模型试验,对不同降雨条件下黄土边坡入渗规律和机理进行了研究。本文建立了室内均质边坡模型,模型边坡采用坡比1∶1,模型坡高1 m,通过模拟不同雨强：小雨、中雨、大雨和暴雨试验,进行边坡坡体的体积含水率和基质吸力的监测。

1.   室内模型边坡降雨试验

1.1   试验概况

试验模型选自于甘肃省庆阳地区的黄土边坡,原型边坡几何特征为坡高4 m,宽2.5 m。考虑到室内场地的限制,于是将试验几何相似比设定为原型：模型=4∶1,即C_l= 4。在相似三定理的基础上,采用经典的量纲分析理论和相似准则,推导出原型与模型各物理量应满足的相似关系：设密度相似比C_ρ= 1和重力加速度相似比C_g= 1,则其余各物理量也会满足一定的相似比尺关系,即当C_ρ =1,C_g =1时,C_l =n,C_k =n^1/2,C_t= n^1/2,C_q= n^1/2。采用C_l= 4进行模型试验,进而根据相似原理确定其他物理变量的相似比尺,然后配制土样填筑边坡模型,最终建立了室内缩尺模型边坡,其主要的比尺参数：几何相似比尺C_l=4,渗透系数比尺C_k =2,降雨强度比尺C_q=2,降雨历时比尺C_t=2,其主要物理参数如表1所示。

表  1  原型土和模型土物理力学性质指标对比

Table  1.  Comparison of physical and mechanical properties of prototype and model soils

项目	干密度${\rho }_{\text{d}}$/(g·cm-3)	相对密度 Gs	初含水率w0%	渗透系数k/(10-6cm·s-1)
原型	1.55	2.72	8.00	2.1
模型	1.63	2.72	8.00	1.0~1.1

下载: 导出CSV 

| 显示表格

1.2   试验装置

本次试验设备由室内边坡模型箱测试装置、人工降雨装置、试验监测系统组成。

室内边坡模型箱测试装置是在参考了各种边坡模型箱后,最终采用自行研制的降雨和水平加载的室内边坡模型箱测试装置,主要包括不均匀加载系统、模型箱和降雨支架,有效解决了目前人工模拟降雨试验中外部影响因素单一和不符合边坡实际变形的问题。

人工降雨装置主要包括储水箱和一体式实心锥形雾化喷头,其降雨均匀系数大于0.85,室内边坡降雨模型示意图如图1所示。

图  1  室内边坡降雨模型试验原理图

Figure  1.  Schematic diagram of indoor slope rainfall model tests

下载: 全尺寸图片 幻灯片

试验监测系统包括体积含水率监测系统和基质吸力监测系统,含水率监测装置由土壤水分传感器和测定仪组成,基质吸力监测装置使用的是真空表式张力计仪器,能对土壤基质吸力进行测量。

1.3   试验方案

本实验模型边坡采用1∶1坡比,坡高和坡宽分别为1,0.64 m,模拟4种雨强自然降雨持续24 h的降雨工况,4种模型雨强分别是小雨3.50 mm/d、中雨7.00 mm/d、大雨10.75 mm/d、暴雨16.25 mm/d。水分传感器在4种雨强的埋深如图2所示,其中张力计管竖直向上到坡面的埋深均为8 cm。

图  2  传感器埋深图

Figure  2.  Diagram of buried depth of sensors

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.   不同雨强下边坡入渗深度影响分析

图3是小雨、中雨、大雨、暴雨等4种雨强条件下边坡测点体积含水率随时间变化的关系图。

图  3  不同雨强作用下边坡测点含水率时程变化

Figure  3.  Time histories of moisture content of slopes under different rainfall intensities

下载: 全尺寸图片 幻灯片

在24 h持续小雨条件下,W₈,W₁₁,W₁₀和W₉测点处含水率均发生变化且变化比较明显,表明降雨入渗深度在坡顶、坡中和坡脚均达到了5 cm,W₇和W₆测点在降雨6 h后,其含水率较埋深5 cm测点变化小,表明在24 h持续降雨条件下坡顶平台和坡中入渗深度达到了12 cm,且降雨入渗存在滞后性。埋深距坡顶平台表面22 cm的W₄、距坡顶平台表面75 cm的W₃、距坡中表面12 cm的W₂和距坡脚表面30 cm的W₁的测点含水率基本不变,表明小雨入渗的深度未达到其对应的埋深值,因此在24 h持续小雨条件下,模型边坡降雨入渗深度为坡顶平台12～22 cm,坡中5～12 cm,坡脚5～30 cm。另外埋深相同不同位置的含水率上升快慢有所不同,表明边坡入渗速率存在差异,呈现出坡顶平台最大、坡脚较大、坡中最小的规律。

在24 h持续的中雨条件下,模型边坡降雨入渗深度为坡顶平台22～75 cm,坡中15～75 cm,坡脚5～30 cm。相较小雨条件下,体积含水率的上升速率更快且幅值的增长更大。另外同一深度上曲线峰值高低不平,即W_9max>W_8max> W_10max,表明边坡同一深度不同位置入渗深度不同,呈现出坡脚最大、坡顶平台较大、坡中最小的规律。

在24 h持续的大雨条件下,模型边坡降雨入渗深度为坡顶平台28～75 cm,坡中18～75 cm,坡脚5～30 cm。相较于中雨条件下,体积含水率上升速率变慢,幅值有一定的增长但不明显。表明随着入渗深度的增加,雨水入渗的能力逐渐减弱。

在24 h持续的暴雨条件下,模型边坡降雨入渗深度为坡顶平台30～75 cm,坡中20～75 cm,坡脚5～30 cm。其体积含水率峰值和幅值的增长明显高于前三者,入渗速率和入渗深度均比前三者大,含水率突变时间比前三者更短,最大的体积含水率达到了28%且使土体从非饱和状态变为饱和状态。

3.   不同雨强对基质吸力影响分析

图4是不同雨强的条件下基质吸力随时间的变化图,由图中可以看出,在持续降雨条件下土体的基质吸力呈减少并最终趋于稳定的趋势,且不同降雨强度,基质吸力减少的快慢不同。

图  4  不同雨强作用下边坡基质吸力变化

Figure  4.  Change of substratum suction of slopes under different rainfall intensities

下载: 全尺寸图片 幻灯片

以坡中土体基质吸力的变化为例,在最初降雨的3 h内,小雨、中雨和大雨作用下,土体基质吸力变化并不明显,而暴雨作用下基质吸力的降幅显著；在降雨开始后的3～18 h内,大雨、暴雨作用下土体基质吸力的变化速率相比小雨、中雨作用下基质吸力的变化速率要快得多；在降雨至18～24 h左右,可以发现土体基质吸力降低至最小值,之后平稳发展,再无明显变化,且试验中基质吸力稳定值按着小雨、中雨、大雨、暴雨顺序依次降低。表明雨强越大,基质吸力变化速率加快,降雨入渗速率加快,同一位置土体含水率越高,降雨入渗越充分。

4.   结论

（1）同一雨强下,降雨开始的10～12 h内,入渗速率显著增大,随着降雨的持续,土体逐渐饱和,降雨入渗速率逐渐减慢,最终于降雨结束时刻（24 h左右）减小为0,之后在蒸发作用下呈微妙的负增长趋势；降雨在边坡不同位置的入渗速率不同,表现为坡顶入渗速率最快,坡脚较快,边坡中部入渗速率最慢；降雨在边坡不同位置的降雨入渗深度亦不同,表现为坡脚入渗深度最大,坡顶较大,边坡中部入渗深度最小。

（2）不同雨强条件下,随着降雨强度的增大,含水率突变时间越早,降雨入渗速率越快,且降雨入渗深度和含水率峰值随雨强的增大而增大,但随着降雨入渗深度的增加,雨水入渗的能力却逐渐减弱。

（3）由非饱和土基质吸力和含水率之间的关系可知,雨水入渗引起非饱和土体中孔隙水压力上升,基质吸力减小。根据土体基质吸力的变化规律来反推土体含水率的变化关系,得到非饱和边坡中的降雨入渗规律：随着降雨强度的增大,基质吸力变化速率加快,降雨入渗速率加快。不同雨强条件下最终稳定的基质吸力的大小差异显著,反映出雨强越大,同一位置土体含水率越高,降雨入渗越充分。