黄土填方边坡界面渗流破坏机制模型试验研究

2022-09-21余岱金黄强兵康孝森

水文地质工程地质 2022年5期

余岱金，黄强兵，康孝森，陈星，刘悦

（1.长安大学地质工程系，陕西西安 710054；2.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088；3.长安大学水利与环境学院，陕西西安 710054）

黄土高原治沟造地工程涉及范围广，改造程度深，形成了大量的黄土填方边坡；填方坡体与原始坡体之间存在一个接触界面，这个接触界面可能对黄土填方体渗流特性和破坏模式有一定潜在影响。2013年7月延安地区遭受强降雨袭击，治沟造地农田不同程度受灾，治沟造地工程中一些潜在问题突显[1]，因此迫切需要研究这类界面对填方边坡的影响规律和机制。

降雨是黄土挖填方边坡病害的主要诱因。2008年强降雨诱发的吕梁枣林沟滑坡造成6 人死亡[2]；2011年持续降雨引起的白鹿原滑坡造成32 人伤亡[3]；2013年持续强降雨导致延安某滑坡前缘蠕变复活，最终滑坡前部于2014年发生滑塌，所幸预警及时未导致人员伤亡[4]。这类病害均受黄土渗透性的影响，但是重塑土与原状黄土的渗透性差别较大[5]，不同温度、不同干密度下黄土的渗透性也会发生变化[6-7]；另外，黄土湿陷性也会使不同应力条件下的土骨架发生垮塌[8]，控制黄土边坡的破坏。饱和黄土一般采用饱和渗透定律进行渗流计算，而延安南沟地区虽然常年降雨，但是绝大部分的黄土边坡仍处于非饱和状态[9]。非饱和黄土在降雨过程中发生的稳态渗流[10]与非稳态渗流[11]均影响边坡内的水分分布，进而显著影响黄土填方边坡的稳定性[12-13]；尤其是接触界面处，其饱和与非饱和状态复杂，导致其渗流规律复杂。这种复杂的渗透规律可通过室内物理模型试验进行研究。

诸多学者通过物理模型试验研究了降雨强度对土质边坡的影响，确定了降雨作用下土质边坡失稳的门槛累积雨量[14-15]；通过离心机试验分析了降雨作用下边坡渗流特性[16]；结合现场监测和模型试验，分析了现场实际边坡的雨水入渗规律[17-18]。但上述研究尚不能揭示接触界面对填方体的影响规律。实际上，在延安治沟造地工程中形成了很多复杂的地质界面，这些地质界面大多为土-土接触界面，可能形成优势渗流通道，影响雨水的入渗能力。前人主要研究基岩-土接触界面[19]、土与结构面[20]、土与岩石[21-22]等，而且由于施工方法、技术限制等因素的影响，人工形成界面两侧岩土材料强度的差异性一般不会控制破坏面的发展，因而通常使用性质不同的材料模拟界面。界面两侧同为土层即土-土接触的黄土填方边坡降雨试验研究目前仍然较少，土-土接触的填方边坡渗流失稳机制尚不清楚，制约了延安南沟治沟造地填方边坡病害防控。

因此，本文以延安南沟1 处填方边坡为原型，采用渗透性较好的窗纱布模拟土-土接触界面，开展室内降雨模型试验，测定黄土填方边坡界面及其两侧土体的含水率增量、孔隙水压力增量变化，阐明降雨作用下土-土接触填方界面渗流过程，揭示土-土接触界面对黄土填方边坡界面渗流及变形破坏的影响机制。

1 黄土填方边坡降雨模型试验

1.1 治沟造地工程背景

延安地区开展治沟造地工程以来，扩大了可用耕地面积，治理了水土流失等灾害问题[23]，但也面临着挑战。治沟造地形成的黄土填方边坡，在极端天气影响下虽然未发生较大规模的滑坡灾害，但出现了明显的垮塌、坡面破坏、坡脚冲蚀及坡顶张拉裂缝等病害问题（图1），影响了治沟造地边坡和沟道农田的有效利用。尤其是填方边坡中填方体与天然黄土边坡的接触界面可能是优势渗流通道，影响雨水入渗，导致填方边坡病害。

图1 黄土填方边坡病害[24]Fig.1 Disasters of loess-filled slope

1.2 试验装置

试验装置包括控制系统、降雨系统、供水系统及模型箱（图2）。模型箱尺寸为3.2 m（长）×1.4 m（宽）×1.5 m（高），模型箱两侧安装透明有机玻璃，前端安装排水箱，其尺寸为 1.4 m（长）×0.5 m（宽）×0.3 m（高）。降雨系统由水管回路、水箱、水泵、降雨喷头及手提式降雨控制系统组成，降雨高度6 m，降雨强度0～150 mm/h。

图2 试验装置Fig.2 Test device

1.3 黄土填方边坡模型制作

在模型箱中填筑坡高为0.9 m 的黄土填方边坡（图3），使其几何相似比Cl=25，原始坡与填方坡按照不同密度进行填筑，即密度较大的土坡为原始边坡，密度较小的土坡为填方边坡。根据现场取样与室内试验确定，原始边坡与填方边坡的土层参数如表1 所示。

表1 土层参数Table 1 Soil parameters

图3 黄土填方边坡模型Fig.3 Model of loess-filled slope

模型边坡制作流程（图4）为：（1）填筑原始边坡，每层10 cm，算出土层质量，分层填筑；（2）环刀取样测试密度与含水率，处理不符合要求的土层，直至符合既定干密度和含水率再填筑下一层，填筑完成后削出原始边坡；（3）在削坡侧按密度和含水率要求填筑填方边坡，方法与原始边坡的填筑方法相同。该填筑顺序较好地还原了治沟造地黄土填方边坡的形成过程。根据已有滑坡模型试验界面模拟方法[25]，本试验采用窗纱布模拟土-土接触界面。

图4 模型填筑过程Fig.4 Process of model filling

1.4 坡体内传感器及坡面监测点布设

重点监测填方边坡与原始边坡交界面、临空面-造地面、临空面-填方边坡坡面。在接触界面高程1.0 m（顶部）、0.8 m（中部）、0.4 m（底部）布置水分传感器和孔隙水压力传感器，测试填方体与界面的水分与孔隙水压力变化，原始边坡内仅布设孔隙水压力传感器，采集间隔均为1 min，传感器布设见图5（a）。在坡面及填方坡顶设置监测点，在模型箱上标注每排监测点的基准点，用来定位每排监测点的初始位置。填方坡顶插2 排，坡面插4 排，共6 排，每排布置5 个监测点，每排从左至右、从底至顶编号，见图5（b）。

图5 传感器与监测点布设Fig.5 Layout of sensors and monitoring points

1.5 降雨方案

根据延安气象资料，1 h 最大的降雨强度约为62 mm/h（据中国气象数据网），根据降雨强度的相似比Cq=Cl1/2Cg1/2=5，降雨强度设计为12.4 mm/h（Cg为重力加速度相似比）。低降雨强度下（＜15 mm/h），经过长时间降雨后，降雨会出现不均匀现象，同时由于重塑黄土的渗透性发生变化，也会在坡底形成不均匀的积水，干扰试验结果。为使降雨均匀，边坡充分排水，采用半小时降雨、半小时停雨的降雨方案，控制每小时降雨量为12.4 mm；为模拟延安地区的常年降雨条件，每日试验时长为9 h，降雨9 次（表2），持续降雨8 d。

表2 每日降雨方案Table 2 Rainfall schemes for one day

长时间降雨下含水率与孔隙水压力变化率低，边坡水量逐渐累积，降雨前期的含水率与孔隙水压力变化往往持续累积至降雨后期，干扰当天降雨变化量，故定义“体积含水率增量”（Δw）分析界面含水率变化，Δw=wc-wi，wc为任意时刻实测含水率，wi为当天初始含水率，以此消除前天含水率与孔隙水压力对当天数据的影响（图6）。通过“孔隙水压力变化增量”（ΔP）分析界面孔隙水压力变化规律，ΔP=Pc-Pi，Pc为任意时刻实测孔隙水压力，Pi为当天初始孔隙水压力，基于该指标分析坡体孔隙水压力变化规律（图7）。

图6 界面含水率变化曲线（第 1～4 天）Fig.6 Curves of water content at interface (from 1st to 4th day)

图7 界面处孔隙水压力变化曲线（第 1～8 天）Fig.7 Curves of pore pressure at interface (from 1st to 8th day)

2 试验结果

2.1 填方边坡界面的含水率激增与消散规律

第1 天降雨，界面顶部和中部的体积含水率增量和总量均大于其同一高程填方体，填方体底部的体积含水率增量明显大于界面底部含水率增量，如图6（a）所示。经15 h 停雨，填方体顶部的体积含水率增量大于界面顶部。第2 天降雨，界面底部和填方体底部含水率激增，界面底部体积含水率增量较第1 天变化显著，但仍小于填方坡体。第3 天降雨，填方坡顶体积含水率会略低于坡中和坡底，除坡顶外同一高程处填方体的体积含水率增量均大于界面，而第4 天界面处所有高程的体积含水率增量均大于填方边坡，如图6（b）所示。

2.2 填方边坡界面的孔隙水压力激增与消散规律

降雨第1 天，填方体出现较大负孔隙水压力，界面底部孔隙水压力变化小，填方体底部孔隙水压力变化大。降雨第2 天，界面顶部与中部孔隙水压力变化接近，而界面底部直至第2 天降雨7 h 后才产生孔隙水压力增量。降雨第3 天，界面的孔隙水压力增量值趋于一致，降雨结束后，界面不同深度的孔隙水压力的消散速度不同，界面顶部、中部及底部的孔隙水压力依次逐步消散，如图7（a）（b）所示。降雨第4 天雨停时，填方体出现了较大的孔隙水压力增量负值，证实了填方体中底部雨水汇集现象。

降雨第5～8 天，孔隙水压力变化率减小，降雨结束后孔隙水压力逐步消散，坡面破坏也使坡体内孔隙水压力释放，如图7（c）（d）所示。降雨后期不同高程的界面处孔隙水压力在降雨时保持同样的增长趋势，而处于同一高程的原始坡体与填方坡体孔隙水压力增量不相等。

2.3 填方边坡破面变形破坏过程

降雨第1 天，填方体坡面雨水径流至坡脚处，坡脚土体饱和软化并产生泥流，如图8（a）所示；同时，边坡中部出现浅落水洞，沿坡脚方向展布。降雨第2 天结束后，坡面同时发生冲刷破坏和崩解破坏，因破坏而剥落的黄土覆盖在第1 天产生的落水洞中，落水洞变浅，但破坏范围扩大，如图8（b）所示。第3 天降雨，坡面中底部发生2 处浅层滑动，宽度分别为74.2 cm 和65.8 cm，通过测量监测点的位移，浅层滑动的滑距分别为15 cm 和18 cm，如图8（c）所示。根据坡体监测点位移发现在2 个浅层滑动上方还产生了小规模滑动破坏。第4 天降雨之后坡面未发生新破坏。

图8 填方体破坏过程Fig.8 Failure process of the surface of loess-filled slope

第3 天与第4 天降雨使坡面依次产生5 条张拉裂缝。第3 天降雨过程中，坡肩附近产生了张拉裂缝L1，如图9（a）所示。在第4 天降雨前，新出现4 条裂缝，均位于填方边坡顶部区域，第1 条裂缝L1 宽度逐渐增大，如图9（b）所示。第4～9 天降雨前坡肩未发育新的裂缝，第6 天开始，L4 和L5 逐渐连通，且深度加深。降雨过程中坡面土体吸水饱和、软化、崩解，界面的存在使得填方体中部雨水富集，坡体内部黄土湿陷形成坑洞，表面崩解的黄土填充坑洞。

图9 坡面裂缝图Fig.9 Cracks in slope surface

综上所述，在延安地区常年降雨条件下，界面对填方边坡的影响主要是裂缝和浅层滑动，裂缝主要在降雨结束后产生，当裂缝出现时，继续降雨加速边坡坡面破坏，产生大范围浅层滑动。降雨中后期，坡表无明显破坏，坡顶和坡肩产生较多裂缝，裂缝相互连通，不断加深加宽，形成了优势渗流通道。

3 讨论

3.1 含界面黄土填方边坡渗流机制

第1 天降雨，界面发生了优势渗流，见图6（a），高程1.0 m 处由于距离坡顶较近，渗流路径短，界面顶部的渗流优势不明显。填方体底部积水，沿界面向填方体内渗流，填方体和界面中部的基质吸力较大，雨水继续沿界面下渗的趋势降低，在填方体中部侧向渗流，见图7（a）。界面底部孔隙水压力与填方体底部孔隙水压力变化不一致，说明降雨初期界面顶部虽为优势渗流面，但尚未与界面底部连通。底部界面也是一个优势渗流面，坡底积水，雨水沿底部界面更快进入填方体底部，并非从界面顶部渗流至底部。经15 h 停雨，界面中部雨水向界面底部和填方体双向渗流，导致填方体的体积含水率增量大于界面处，在边坡坡顶附近，界面仍然有渗流优势。第2 天降雨，界面底部表现出渗流优势，如图6（a）所示。但第1 天降雨时填方体底部入渗量大于界面底部入渗量，坡体底部排水不畅，开始积水，故第2 天降雨时，即使界面底部体积含水率增量较第1 天显著变化，但还是小于填方坡体。同一高程处孔隙水压力增量响应规律一致：孔隙水压力随降雨逐渐增大，降雨结束后孔隙水压力减小，孔隙水压力增量出现负值，最终趋于0。当孔隙水压力增量出现较大负值时，说明基质吸力较大，这会影响坡体水分分布。第3 天降雨前，填方体顶部产生裂缝，降雨结束后坡底发生浅层滑动，推测是坡体底部和坡体中部雨水汇集，黄土体发生局部崩解。如图6（b）所示，第3 天降雨中期，界面优势渗流不显著，这与降雨累积有关，在坡顶位置，界面依然存在优势渗流，每日降雨结束后雨水逐渐汇聚于坡底与坡中，整个坡体未达到饱和，所以降雨前坡顶体积含水率略低于坡中和坡底，界面顶部保持优势渗流。界面中部集水能力降低，但是依然具备一定的集水能力。当天降雨结束后，坡体发生了大面积浅层滑动，表明雨水已渗流至坡体内。降雨第5～8 天，随着持续降雨，坡体表面在降雨时破坏，又在停雨后重塑，干湿交替次数增多，坡面破坏也使孔隙水压力释放。降雨后期界面渗流可能连通，界面先达到饱和，有渗流优势。

降雨过程中填方边坡由非饱和向饱和过渡，饱和度增大时黄土骨架易坍塌、颗粒易滑移[26]，因此非饱和特性显著影响入渗雨水在黄土填方边坡中的渗流规律[27]，填方体可简单划分为润湿区与非润湿区[28]。不含界面的黄土填方边坡裂缝产生于填方边坡的中前缘，雨水在填方边坡的坡顶处汇集，坡体内不易产生优势渗流[29]。而含界面的黄土填方边坡界面渗流破坏机制与之不同，界面是一个优势渗流面，雨水沿界面发生非饱和渗流，为填方体内提供了潜在湿润区，加快了填方边坡的饱和过程，加速了坡体表面破坏。

黄土填方边坡界面入渗过程与机制为：在均匀降雨过程中，水分入渗在坡体表面和坡顶同时进行，界面的渗流优势使得雨水优先沿界面入渗，降雨中后期原始坡体和填方坡体的含水率增量与孔隙水压力增量变化趋势一致，界面的存在加速了填方边坡的饱和进程，如图10（a）所示。在延安地区的常年降雨条件下，填方体底部积水，水分通过界面底部优势渗流面入渗，导致填方边坡底部在降雨初期便有较高的含水率，如图10（b）所示；降雨中期，前1 次降雨与本次降雨的雨水汇集于填方边坡中部，填方边坡中部产生汇水现象，如图10（c）所示；降雨后期，界面处渗流通道贯通，填方体中部与底部逐步饱和，如图10（d）（e）所示。

图10 界面作用下填方体渗流过程Fig.10 Seepage path of loess-filled slope affected by interface

3.2 含界面黄土填方边坡坡面破坏机制

降雨第1 天，破坏主要由雨水冲刷导致，如图8（a）所示。降雨第2 天结束后，在界面的影响下，坡体中部土体增湿加快，如图8（b）所示。降雨中后期（第3～4 天）容易发生浅层滑动，第3 天降雨过程中，坡肩附近的坡面产生了张拉裂缝（图9），结合含水率与孔隙水压力的监测结果，裂缝的产生与边坡降雨的滞后性有关[30]，雨水入渗使填方坡体逐步饱和，发生蠕变，继而产生了张拉裂缝。在随后的降雨中，坡体中新发育了许多张拉裂缝，并且这些发育的裂缝逐渐连通。裂缝发育扩展说明：降雨过程中，一方面填方体自重逐渐增大，填方体顶部与中部产生较大拉应力；另一方面填方体含水率增大，有效应力降低[31]，抗拉强度降低，导致坡肩产生张拉裂缝。降雨过程中坡面饱和、软化、崩解，界面的存在使得填方体中部雨水富集，坡体内部黄土湿陷形成坑洞，表面崩解的黄土填充坑洞。第4 天降雨之后坡面未发生新破坏，实际上坡体边坡表面经历3 次干湿交替，土体崩解的速率变缓，抗侵蚀能力增强[32]，这是降雨中后期填方体未继续破坏的主要原因。界面作为优势渗流面，使雨水更快入渗到填方边坡深处，改变了填方边坡内水分分布，影响填方边坡有效应力分布，使降雨初期坡面顶部和降雨中后期坡顶、坡肩位置出现裂缝，随着持续降雨，边坡出现坡面冲刷、浅层滑坡或局部垮塌破坏。

界面对坡体渗流和坡表破坏的具体影响机制为：①界面作为降雨入渗的优势渗流面，如图11（a）第1 天所示，雨水沿界面渗流至填方边坡中底部（图11中A、B、C 点），使湿润峰面在界面处更快地下移至边坡中底部；②界面底部也同样为降雨入渗的优势渗流面，如图11（a）第2 天所示，填方体底部积水，沿界面底部入渗至填方边坡内，造成了降雨初期填方边坡底部含水率升高的现象；③停雨后，前1 次入渗的雨水沿界面向下至填方边坡中部，这一部分雨水与本次从边坡表面入渗的雨水在填方边坡中部汇集；④填方边坡的雨水聚集改变了应力场分布，导致了浅层黄土的局部崩解，应力分布的改变使坡体产生蠕变，见图11（a），在填方坡顶坡肩附近产生了多条裂缝，见图11（b），形成了多个优势渗流通道，浅层黄土的局部崩解触发坡表浅层滑动。