引用格式：关晓迪，李荣建，张世斌，等.不同雨强和坡比条件下黄土边坡降雨入渗研究［J］.人民黄河，2022，44（1）：106－111.
作者简介：关晓迪（1995—），男，河南许昌人，硕士研究生，研究方向为土力学及边坡工程
摘要：降雨诱发滑坡是我国黄土地区的主要地质灾害之一，为了给黄土边坡防护设计提供参考，采用室内边坡降雨模型箱，开展了2种降雨强度（中雨7.00 mm/d、大雨10.75 mm/d）和2种坡比（1∶0.5、1∶1）条件下的模型边坡降雨试验，实测边坡土体含水率、基质吸力及边坡形态变化情况，比较了不同降雨强度和坡比条件下降雨入渗的差异。结果表明：黄土边坡降雨入渗深度坡脚最大、坡顶次之、坡中最小，降雨入渗速率坡顶最高、坡脚次之、坡中最低，雨水的入渗能力随着入渗深度增加而减弱；降雨结束后边坡湿润锋深度坡脚最大、坡顶次之、坡中最小，即降雨入渗深度坡脚最大、坡顶次之、坡中最小，降雨强度越大边坡湿润锋深度越大，坡比越大边坡坡中降雨入渗深度越小；不同降雨强度和坡比条件下，边坡不同位置处基质吸力稳定值坡中最大、坡顶次之、坡脚最小，降雨强度越大基质吸力稳定值越小、相应的含水率越低、降雨入渗速率越高，坡比越小边坡坡中降雨入渗速率越高、入渗深度越大；降雨初期坡面未产生径流，随着降雨历时的延长，表土逐渐饱和、坡面产生径流现象，降雨强度和坡比越大边坡表层土体剥落越严重、坡面径流深越大。
关键词：黄土边坡；降雨强度；坡比；降雨入渗；土体含水率；湿润锋；基质吸力
降雨诱发滑坡是我国黄土地区的主要地质灾害之一，其危害严重，甚至造成重大的群死群伤灾难［1］。关于降雨与边坡渗流特性及稳定性的关系，有关学者进行了大量研究［2－6］。在现场试验研究方面，胡明鉴等［7］开展了大型人工降雨滑坡泥石流试验和小型模型试验，研究了蒋家沟流域特殊环境下暴雨、滑坡、泥石流的共生关系；潘俊义等［8］开展了不同雨强下的野外人工模拟降雨试验，分析了降雨入渗过程和边坡应力变化特征；王磊等［9］通过设置隔离边界并开展人工模拟降雨现场试验，分析了坡顶裂缝及坡体破坏过程的力学机制、水分入渗以及隔离边界对边坡开裂的影响。现场试验研究推进了黄土边坡降雨入渗规律的研究，然而现场试验成本高、操作困难且结果常常难以令人满意［10］。在模型试验研究方面，李焕强等［11］开展了粉砂边坡人工降雨模型试验，测定坡体内不同位置处含水率和应变，研究了降雨入渗作用下边坡性状的变化规律；陈伟［12］进行了黄土边坡室内人工降雨模型试验，分析了降雨入渗作用下边坡失稳滑动过程及破坏机理；王刚等［13］进行了降雨型滑坡室内模型试验，研究了不同降雨方式和坡体节理对黄土边坡变形破坏的影响，归纳了黄土滑坡诱发机理、破坏模式及变形规律。模型试验不仅具有较好的直观性，而且可以考虑多种因素对降雨入渗规律的影响［14］。综观已有研究成果发现，在针对不同降雨强度和坡比条件下均质黄土边坡降雨入渗规律方面还缺乏系统的研究。因此，笔者采用甘肃庆阳地区均质黄土，开展了不同降雨强度和坡比条件下的室内边坡降雨模型试验，比较了不同降雨强度和坡比条件下降雨入渗的差异等，以期为黄土边坡防护设计提供参考。
1 模型边坡降雨入渗试验
以甘肃庆阳地区某高4 m的均质黄土边坡为原型进行试验模型设计。为降低制样难度，模型与原型的相似比取值如下：干密度，1∶1；容重，1∶1；几何尺寸，1∶4；降雨及相关物理量（降雨量、降雨历时、降雨强度、渗透系数、渗流速度），1∶2。原型与模型黄土物性指标：干密度分别为1.55、1.63 g/cm3，相对体积质量均为2.72，初始含水率均为8.00%，渗透系数分别为2.1×10－6、1.0×10－6 cm/s。
通过模型箱的侧向非均匀加载系统较真实地模拟现实情况下边坡变形特征——上部位移大、下部位移小［15］。人工降雨系统主要包括储水桶、潜水泵、雾化喷头、PPR降雨管路等（如图1所示），通过同时模拟降雨和侧向非均匀加载工况，测试边坡体积含水率、基质吸力及边坡形态变化情况。
图1 试验装置示意
采用2种坡比（1∶1、1∶0.5）的边坡模型，进行中雨、大雨（持续降雨24 h）的模拟降雨试验，中雨雨强为7.00 mm/d，大雨雨强为10.75 mm/d。在不同降雨强度下，边坡水分传感器（测点编号为W1～W11，其中W5因故未测到数据）与张力计管（编号为S1～S3）布置如图2、图3所示。
图2 坡比1∶1的边坡水分传感器埋设位置示意（单位：m）
图3 坡比1∶0.5的边坡水分传感器埋设位置（单位：m）
2 试验结果分析
不同降雨强度下2种边坡的体积含水率时程曲线见图4、图5，可以看出：整个降雨过程中测点W3的含水率均无明显变化，说明雨水未入渗到相应位置，即坡面入渗深度小于75 cm；降雨历时为6～18 h时，距坡面5 cm的测点W8、W9、W11、W10的含水率增长速率依次提高，说明降雨入渗速率坡顶最高、坡脚次之、坡中最低；W9、W8、W10含水率峰值依次增大，说明入渗深度坡脚最大、坡顶次之、坡中最小；降雨结束后，测点W8、W9、W11、W10含水率均有不同程度的下降，这是蒸发造成表层土体水分散失的结果，而测点W2、W4、W6、W7含水率未出现下降趋势，说明深度越大蒸发作用越不显著；坡顶不同深度处测点W4、W7、W8含水率突变时间依次缩短、含水率的增长速率依次提高，说明随着深度的增大雨水入渗能力减弱。
图4 坡比1∶1边坡的体积含水率时程曲线
图5 坡比1∶0.5边坡的体积含水率时程曲线
坡比为1∶1的边坡，在中雨、大雨条件下含水率峰值测点W8分别为25.0%、27.0%，W9分别为26.8%、27.5%，W10分别为24.5%、26.3%；中雨条件下入渗深度坡顶为25～75 cm、坡中为15～75 cm、坡脚为15～30 cm，大雨条件下入渗深度坡顶为28～75 cm、坡中为18～75 cm、坡脚为18～30 cm。坡比为1∶0.5的边坡，在中雨、大雨条件下含水率峰值测点W8分别为25.1%、28.0%，W9分别为29.1%、31.0%，W10分别为25.9%、26.2%；中雨条件下入渗深度坡顶为13～75 cm、坡中为10～75 cm、坡脚为10～30 cm，大雨条件下入渗深度坡顶为20～75 cm、坡中为11～75 cm、坡脚为11～30 cm。对比上述试验结果表明：随着降雨强度增大，测点W8、W9、W10含水率增长速率和峰值均增大，含水率峰值增幅测点W8为2%～2.9%、测点W9为0.7%～1.9%、测点W10为0.3%～1.8%，说明降雨强度越大降雨入渗速率越高、入渗深度越大；随着坡比增大，测点W10含水率的增长速率降低且峰值减小0.1%，测点W9含水率的增长速率提高且峰值增加2.3%～3.5%，说明坡比越大，坡脚处降雨入渗速率越高、入渗深度越大，坡中降雨入渗速率越低、入渗深度越小。
坡比为1∶1的边坡，在中雨条件下湿润锋深度坡顶为18～23 cm、坡中为15～18 cm、坡脚为20～25 cm，大雨条件下湿润锋深度坡顶为24～30 cm、坡中为20～25 cm、坡脚为26～28 cm；坡比为1∶0.5的边坡，在中雨条件下湿润锋深度坡顶为17～22 cm、坡中为8～13 cm、坡脚为18～20 cm，大雨条件下湿润锋深度坡顶为26～31 cm、坡中为10～15 cm、坡脚为27～30 cm。中雨、大雨条件下的湿润锋深度分别为15～25 cm、10～31 cm，大雨湿润锋深度与中雨相比坡顶增加6～9 cm、坡中增加2～7 cm、坡脚增加3～6 cm，说明降雨强度越大降雨入渗深度越大；随着坡比增大，边坡坡中湿润锋深度减小3～10 cm，说明坡比越大坡中降雨入渗深度越小。
不同降雨强度下2种边坡不同位置处基质吸力时程曲线见图6、图7。开始降雨3 h内，边坡土体基质吸力变化不明显；3～10 h，边坡同一位置处土体基质吸力的减小速率提高；12～16 h，随着坡比的增大，边坡坡中基质吸力的减小速率降低。在降雨后18 h左右，土体基质吸力降至最小并趋于稳定，坡比为1∶1的边坡坡顶、坡中和坡脚基质吸力稳定值在中雨条件下分别为25.3、26.0、21.0 kPa，在大雨条件下分别为23.0、25.4、19.3 kPa；坡比为1∶0.5的边坡坡顶、坡中和坡脚基质吸力稳定值在中雨条件下分别为23.3、27.8、20.4 kPa，在大 雨 条 件 下 分 别 为22.0、26.9、18.6 kPa。大雨条件下基质吸力稳定值与中雨条件下相比，坡顶减小1.3～2.3 kPa，坡中减小0.6～0.9 kPa，坡脚减小1.7～1.8 kPa，说明降雨强度越大基质吸力稳定值越小，相应的含水率越低、入渗速率越高，坡比越小则边坡坡中降雨入渗速率越高、入渗深度越大。
图6 坡比1∶1的边坡基质吸力时程曲线
图7 坡比1∶0.5的边坡基质吸力时程曲线
降雨试验过程中对坡面冲刷情况进行观察可知：降雨初期坡面未产生径流现象，原因是降雨强度小于雨水的入渗速率；坡比为1∶1的边坡，在中雨条件下降雨18 h左右时，坡顶开始产生局部积水，坡面局部土体剥落并出现径流现象，采用产流公式（式（1））计算的坡面径流深约为1.68 mm，而在大雨条件下雨水入渗极不充分，降雨至15 h左右时坡顶和坡面开始出现明显的径流现象，坡面径流深约为3.89 mm，坡肩土体剥落严重并形成一条20 mm宽、延伸至坡长1/4处的冲沟；坡比为1∶0.5的边坡，在中雨条件下降雨16 h左右时，坡面局部产生径流，径流深约为2.26 mm，坡肩和坡中土体剥落程度不同，而在大雨条件下降雨12 h左右时坡面径流现象明显，径流深约为4.97 mm，坡肩冲沟较发育，坡面泥土呈片状流向坡脚。随着降雨的继续，冲沟呈深切和侧蚀趋势，说明降雨强度和坡比越大，边坡冲刷现象越明显。
式中：R为径流深，mm；Δt为计算时段长，h；Q为每一时段的流量，cm3/s；F为汇流面积，m2；3.6为单位换算系数。
3 边坡渗流分析
基于Geo－studio软件建立的数值模型进行边坡渗流分析，其上边界条件为降雨（降雨时长为24 h），底面为零压力线。
中雨条件下坡比为1∶1的边坡体积含水率分布情况见图8。降雨初始和6、12、24 h时边坡坡顶的含水率分别为11.4%、12.2%、21.0%、26.0%，坡脚的含水率分别为12.6%、13.4%、24.0%、28.0%，坡中的含水率分别为12.0%、12.2%、17.0%、22.0%，说明随着降雨历时延长，相同位置土体含水率逐渐增大，其中坡脚含水率增幅最大、坡顶次之、坡中最小，坡脚降雨入渗深度最大、坡脚次之、坡中最小。
图8 中雨条件下坡比为1∶1的边坡含水率分布等值线
图9为中雨条件下数值计算的坡比为1∶1的边坡体积含水率时程曲线。降雨过程中埋深同为5 cm的点W S8、W S9、W S11、W S10（与模型试验测点W8、W9、W11、W10对应，其他点与此类似）含水率的增长速率和峰值依次递减，点W S8含水率突变时间最早，以初始时刻含水率为参照，降雨24 h时点W S8含水率增长14.6%、点W S9增长13.5%、点W S11增长11.4%、点W S10增长9.7%，说明降雨入渗速率坡顶最高、坡脚次之、坡中最低；埋深12 cm的点WS7、W S6分别在降雨5 h和7 h时含水率明显提高，点W S2在降雨8 h后含水率才逐渐出现变化，说明降雨入渗速率坡顶大于坡中；持续降雨24 h时含水率达到峰值，随后在蒸发作用下含水率呈现降低趋势。
图9 中雨条件下数值计算的坡比为1∶1的边坡体积含水率时程曲线
图10为大雨情况下坡比为1∶1的边坡降雨6 h时的含水率分布情况。由图8（b）和图10可以看出：在中雨、大雨条件下，坡顶土体含水率分别为12.2%、13.0%，坡中含水率分别为12.2%、13.0%，坡脚含水率分别为13.4%、14.0%，大雨情况下与中雨相比坡顶含水率提高0.8个百分点、坡中提高0.8个百分点、坡脚提高0.6个百分点，表明降雨强度越大入渗速率越高、入渗深度越大。
图10 大雨情况下坡比为1∶1的边坡降雨6 h的含水率分布等值线
图11为大雨条件下坡比为1∶0.5的边坡降雨6 h的含水率分布情况。由图10、图11可知：坡比1∶1和坡比1∶0.5的边坡坡中含水率分别为13.0%、12.5%，坡脚含水率分别为14.0%、14.5%，表明坡比越大坡中降雨入渗速率和入渗深度越小，而坡脚入渗速率和入渗深度越大。
图11 大雨条件下坡比为1∶0.5的边坡降雨6 h的含水率分布等值线
综上所述，采用Geo－studio软件建立数值模型进行渗流分析的结果与模型试验结果基本一致。
4 结 论
（1）在降雨过程中边坡入渗速率坡顶最高、坡脚次之、坡中最低，降雨入渗深度坡脚最大、坡顶次之、坡中最小，随着入渗深度的增大雨水入渗能力减弱；降雨结束后，表层土体在蒸发作用下含水率呈微小的负增长趋势，而较深处蒸发作用不明显；随着降雨强度增大，同一位置处含水率增长速率和峰值均增大，降雨入渗速率提高、入渗深度加大；随着坡比增大，坡中含水率的增长速率和峰值均减小，坡脚含水率的增长速率和峰值均增大，坡比越大坡脚处降雨入渗速率越高、入渗深度越大，而坡中降雨入渗速率越低、入渗深度越小。
（2）降雨结束后坡脚、坡顶、坡中湿润锋深度依次减小，即降雨入渗深度坡脚最大、坡顶次之、坡中最小；降雨强度越大，边坡湿润锋深度越大即降雨入渗深度越深；随着坡比增大坡中湿润锋深度减小，即坡比越大坡中降雨入渗深度越小。
（3）不同降雨强度和坡比条件下，边坡不同位置处基质吸力稳定值坡中最大、坡顶次之、坡脚最小，表明坡脚土体含水率最高；随着降雨强度的增大，坡顶、坡中、坡脚基质吸力稳定值均减小，即降雨强度越大基质吸力稳定值越小，相应的含水率越低、降雨入渗速率越高；随着坡比增大，坡中基质吸力稳定值增大，即坡比越小坡中降雨入渗速率越高、入渗深度越大。
（4）降雨初期坡面未产生径流，随着降雨的继续，表土逐渐饱和、坡面产生径流现象，降雨强度和坡比越大，边坡表层土体剥落越严重、坡面径流深越大，坡肩冲蚀沟越发育，坡脚处堆积淤泥层越厚。
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END
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