模拟降雨条件下寒旱地区边坡土体位移及土压力特征

窦增宁，赵玉娇，刘昌义，胡夏嵩,2，徐志闻，卢海静

(1.青海大学地质工程系，青海 西宁 810016；2. 中国科学院青海盐湖研究所，青海 西宁 810008)

近年来国内外学者大量研究结果表明，降水条件下雨水对边坡的稳定性具有显著性影响，而由雨水引起的边坡变形可通过边坡位移和土体压力值反映[1～7]。詹良通等[4]通过开展模拟降雨试验，采用振弦式土压力盒对湖北枣阳大岗坡处的非饱和膨胀土边坡进行原位监测，结果表明：第一次降雨开始后土压力值呈先增加后趋于稳定变化规律，第二次降雨后土压力值则呈降低的变化趋势。刘文庆等[5]采用多点位移计对安徽汤屯高速公路Ⅱ-7位置处高度为42 m的高边坡进行了安全监测，并指出7月份位移变化速率呈现增加趋势，其原因主要是受到连续暴雨作用的影响。张昌军等[6]通过对位于秦岭北麓山前大断裂带附近一坡高5 m、坡度40°的黄土边坡进行了两种不同雨强下(274 mm/d、302 mm/d)的人工降雨试验，采用位移计监测坡体浅层及内部变形特征，结果表明当降雨强度超过274 mm/d时，坡体浅层位移呈增大趋势并易发生失稳。雷航等[7]采用单点位移计监测了毕节至威宁高速公路云贵高原乌蒙山脉北段一坡高为42 m的边坡，其结果表明受降雨影响边坡产生局部滑塌，最大下错深度达3 m。

由上述研究结果可知，诸多学者对于在降雨条件下边坡的位移量和土压力特征开展了较为深入的研究，其研究对象多以未种植植物的素土边坡为主；对于生长了植物的边坡在模拟自然降雨条件下，主要是对坡面形成径流[8]、泥沙流失[8]、含沙量[3]等相关内容的试验分析。而通过分析裸坡和种植植物边坡的浅层土体位移量、土压力值及其变化规律，探讨降水条件下植物对于提高边坡浅层土体稳定性作用等方面的研究，尚有待于进一步加强。

针对上述实际情况，本项研究选取位于青藏高原东北部的西宁盆地作为研究区，在模拟降水条件下，通过在边坡浅层土体中布设压力盒、位移计的方法，对种植植物的边坡和未种植植物的裸坡的浅层土体的位移量和土压力值进行监测，定量评价区内植物根系增强边坡浅层土体稳定性的贡献，其研究成果可为寒旱环境下边坡坡面水土流失、浅层滑坡等地质灾害的有效防治，提供理论参考依据和实际指导。

1 试验区概况

试验区位于青海西宁城北青海大学校内自建试验区。区内发育厚层状黄土层，夏季平均降水量为110.6 ～ 479.1 mm，平均蒸发量为1 350 ～ 3 000 mm，平均日照为634.5 h/a，平均气温为13.0 ℃[9,10]。试验区边坡为阴坡，坡度30°，其土体以粉土为主，属于人工堆积边坡。

2 试验材料与试验方法

2.1 试验材料

通过调查试验区周边地区已有的灌木种类，得出柠条锦鸡儿分布范围和数量相对较为广泛，具有较好的代表性，故选取生长期为2 a的柠条锦鸡儿(CaraganaKorshinskiiKom)边坡与裸坡作为研究对象。两种类型边坡的划分方案见图1。区内柠条锦鸡儿种植方法采用穴播法种植，即株距为5 cm，行距为5 cm，穴深为3～5 cm，每穴种植3～5粒，在降雨试验前首先清除边坡中的杂草，仅保留供试种，其中柠条锦鸡儿生长量指标统计结果见表1，植物生长情况见图2。

图1 试验区2种类型边坡划分方案示意图Fig.1 Sketch map of the division of 2 types of slopes in the testing area

边坡类型平均株高/cm平均分枝数平均地径/mm冠幅/cm2样品数柠条锦鸡儿28 73 73 47 0×8 030 0

图2 试验区种植柠条锦鸡儿生长情况Fig.2 Growth condition of C. korshinskii in the testing area

2.2 试验装置原理与设计及方法

2.2.1试验装置原理与设计

本试验采取课题组自行设计和加工的野外模拟降雨试验装置(图3)。该试验装置主要由进水表、储集水箱两部分组成。首先通过进水表对进水量进行有效控制和调整，从而达到控制单位时间降雨量的目的；再通过储集水箱作为模拟自然降雨容器，在其底部位置开孔径为1 mm的小孔使水均匀降入试验区块。

采用KTR3-50型位移计监测区内边坡变形情况，采用微型土压力盒监测边坡浅层土压力值。位移计与压力盒的布设位置见图4。图4(a)显示在柠条锦鸡儿边坡、裸坡相同位置处按水平、垂直方向布置位移计，并采用自坡底起依次记为1号、2号、3号、4号、5号点位；图4(b)中点Ⅰ为坡顶与坡中部中间点位置处，点Ⅱ为坡中部与坡脚中间点位置处。根据试验区气候特征，以及青海东部地区每小时最大降雨强度[10～11]作为依据，确定本次试验的模拟降雨强度为34.4 mm/h，降雨历时为1 h。

图3 模拟降雨试验装置结构设计及组成示意图Fig.3 Structure design and constitution map of the rainfall simulation device

图4 边坡位移计及土压力盒布设位置示意图Fig.4 Diagram for the location of displacement and earth pressure meters fixed in the slopes

2.2.2试验方法

原位模拟降雨试验前后，分别对试验区内两种类型边坡的a层(坡面以下0～20 cm深度位置处)，b层(坡面以下20～40 cm深度位置处)进行开挖，分别采集这两处的土体含水率、土体密度试样。在原位模拟降雨试验过程中，分别监测两种类型边坡浅层土体的位移量和土压力值。

2.2.3计算浅层土压力、位移量

采用万用表测量位移计电压值，根据式(1)计算相应的边坡浅层土体位移值。

S=1.111 11×a

(1)

式中：S——土体位移/mm；

a——试验测量电压值/V。

采用万用表测量土压力盒电压值(表2)，根据相对应压力盒的回归方程，计算得到相应的土压力值。

表2 试验区边坡浅层土压力传感器标定系数Table 2 Calibration coefficients of earth pressure meters on the slope shallow layers in the testing area

注：以1号土压力盒为例，当1号土压力盒的压力值为0 kPa时，其测定的电压值为0.164 V。

3 结果与分析

3.1 降雨试验前后边坡浅层土体含水率及密度变化

降雨入渗一方面使土体饱和度增大，边坡上覆土体自重应力增加，另一方面降雨入渗引起土层含水率增大，从而降低坡体稳定性[12]。试验区裸坡与柠条锦鸡儿边坡模拟降雨试验前后边坡土体含水率、密度试验结果见表3。由表可知，降雨试验前坡面地表以下a层柠条锦鸡儿边坡土体平均含水率较裸坡略高，而在b层柠条锦鸡儿边坡土体含水率与裸坡无显著变化。试验后在a层柠条锦鸡儿边坡土体平均含水率较裸坡略小，而在b层柠条锦鸡儿边坡土体平均含水率较裸坡呈降低趋势。柠条锦鸡儿边坡a层、b层土体平均含水率增加幅度依次为38.54%、13.28%，裸坡则在a层、b层依次为70.57%、26.91%。

降雨试验结束后，即开挖相应边坡测得边坡不同深度位置处的密度，即分别得到柠条锦鸡儿边坡、裸坡各点位置处土体密度。柠条锦鸡儿边坡a层、b层土体平均密度增加幅度依次为8.53%、1.30%；裸坡a层、b层则依次为6.95%、2.59%。

表3 试验区裸坡与柠条锦鸡儿边坡模拟降雨试验前后土体密度与含水率试验结果Table 3 Testing results of soil density and moisture content of the bare slope and the slope planted with C. Korshinskii before and after rainfall simulation test in the testing area

3.2 降雨试验前后边坡浅层土压力值特征

由降雨引起的土压力变化是评价边坡稳定性的一项重要指标，降雨入渗导致坡体强度减小，且当土压力增大至一定程度时坡体发生变形破坏[13]。试验区裸坡与柠条锦鸡儿边坡模拟降雨前后，边坡浅层土体土压力值结果见表4。由表可计算得出降雨前后裸坡与柠条锦鸡儿边坡浅层平均土压力分别增加0.125 kPa，0.129 kPa，由此反映出降雨前后区内柠条锦鸡儿边坡浅层平均土压力值变化量大于裸坡。

表4 试验区裸坡与柠条锦鸡儿边坡模拟降雨前后土体土压力计算结果Table 4 Calculation results of earth pressures of the bare slope and slope planted with C. Korshinskii before and after rainfall simulation in the testing area

本项研究表明，降雨入渗使区内两种类型边坡浅层土体容重相对增加，引起土压力值亦相应增大。类似的研究结果还表现在：武彩萍等[14]采用MFF系列多点薄膜压力测试系统，以降雨强度58.5 ～ 138.3 mm/h，降雨历时600 min，对坡度为45°的人工堆积边坡进行模拟降雨试验，结果表明：在降雨后边坡土压力值显著增大，即在降雨历时550 min时土压力值增加5 kPa。陈玺文[15]采用土压力传感器，以降雨强度1.6 mm/min，降雨历时300 min对坡度为22°的人工堆积边坡进行模拟降雨试验，结果表明：在降雨过程中土压力值呈缓慢增大趋势，即边坡降雨前后土压力值变化量分别在坡顶处增加5 kPa，坡中处增加2 kPa，坡底处增加10 kPa。

此外，区内柠条锦鸡儿边坡浅层土压力值变化量相对大于裸坡，其主要原因在于其根系的吸水作用，以及柠条锦鸡儿自重因素所致。诸多研究结果表明，植物根系的存在一方面对边坡表层起到有效防治坡面水土流失作用[16]，另一方面，植物根系能够有效增强坡面土体黏聚力，使得边坡表层土体承受上覆土体自重的能力相对增强，因此在一定程度上缓解了因边坡浅层土压力增加引起的边坡浅层土体的变形[13]。

3.3 模拟降雨试验前后边坡浅层土体位移量特征

降雨引起的边坡位移，主要由于边坡非饱和区含水量增加，基质吸力下降，而基质吸力的降低又使得边坡非饱和区产生应变，其结果使得边坡产生与降雨有关的位移[17]。试验区两种边坡在模拟降雨前后浅层土体位移量见表5。由表可知，降雨后裸坡浅层土体水平方向平均位移量为0.196 cm，垂直方向为0.158 cm；柠条锦鸡儿边坡浅层土体水平方向平均位移量为0.031 cm，垂直方向为0.027 cm。裸坡在降雨后其水平和垂直方向位移量显著大于柠条锦鸡儿边坡。由图5可知，两种类型边坡在5个测量位置处(图4)水平和垂直方向位移量自坡顶至坡底均呈减小趋势，且裸坡在水平和垂直方向上其位移变化趋势均大于柠条锦鸡儿边坡。由上述分析结果可知，降雨入渗至边坡浅层位置后，非饱和土的基质吸力降低，在重力作用下土体产生水平滑移和竖向沉降变形，表现为相对位移的增大；另一个方面，柠条锦鸡儿边坡由于其根系的加筋和锚固作用，一定程度上提高了边坡浅层的稳定性。

图5 试验区裸坡和柠条锦鸡儿边坡坡面位移量Fig.5 Distribution features of displacement values of the bare slope and slope vegetated with C. Korshinskii in the testing area

由以上研究结果可知，降雨对于边坡浅层土体稳定性的影响主要表现在，降雨入渗使得边坡土体自重增加，且在自重影响下发生水平和垂直方向上的位移变化，具体表现为自坡顶处至坡底位置呈依次减小的趋势。相应地，与本项研究相类似的研究结果还表现在：陈伟[18]采用示踪法以降雨强度0.97～2.30 mm/min，降雨历时60 min，对45°人工堆积边坡进行位移监测，其结果为自坡顶至坡底位移变化量呈依次减小趋势。陈玺文[15]采用位移传感器以降雨强度1.2 mm/h，降雨历时300 min，对坡度为31°人工堆积边坡进行模拟降雨试验，结果表明坡顶位置处土体水平位移最大为25.73 mm，而在坡中和坡底位置处水平位移均为0.14 mm。

4 结论

(1)试验区柠条锦鸡儿边坡与裸坡，在模拟降雨试验过程中，部分降水入渗至坡面以下的b层深度，反映出在降雨过程中，植物边坡中植物茎叶部分有效地发挥了降雨截流作用。

(2)柠条锦鸡儿边坡和裸坡浅层土压力值，在模拟降雨试验条件下表现出相同的特征，即土体平均土压力值分别增加0.129 kPa、0.125 kPa，而两者之间的增加量差异主要变现在植物根系的吸水作用以及植物自重所致。

(3)模拟降雨试验前后，柠条锦鸡儿边坡与裸坡坡面的位移量表现为：自坡顶至坡底水平、垂直方向的位移量均呈减小趋势；同时，柠条锦鸡儿边坡坡面水平、垂直方向的位移量均显著低于裸坡，表现出柠条锦鸡儿根系具有显著防治边坡浅层土体位移和变形的作用。

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