高寒阴湿区边坡浅层土体温湿响应规律研究

2022-09-21孙巍锋兰恒星晏长根杨万里

水文地质工程地质 2022年5期

孙巍锋，常洲，兰恒星，晏长根，杨万里，徐伟

（1.长安大学地质工程与测绘学院, 陕西西安 710054；2.长安大学公路学院, 陕西西安 710064；3.中国科学院地理科学与资源研究所/资源与环境信息系统国家重点实验室, 北京 100101；4.甘肃路桥公路投资有限公司, 甘肃兰州 730030；5.甘肃公航旅定临高速公路管理有限公司, 甘肃定西 744300）

随着我国交通基础工程建设逐渐向地形地貌复杂的山区沿伸，不可避免的出现了大量高陡边坡[1-2]。天然状态下，边坡浅层土体大多处于非饱和状态，在气温、日照、降雨、蒸发等因素持续作用下，边坡应力场、位移场发生改变，从而影响到边坡浅层土体稳定状态[2-3]，广泛的土体侵蚀及剥落病害已逐渐成为威胁山区公路及铁路正常运营的巨大隐患[4-5]。因此，研究土体中的水-热耦合关系对我国中西部地区边坡稳定性具有重要意义。

近年来，关于水-热效应对土体性质的影响在国内外受到了广泛关注[6-8]，相关学者针对土体温度场与水分场变化进行了一系列室内外试验与理论分析。马稚桐等[9]基于长期原位监测，研究了风沙滩地区水热迁移规律，认为土中水分运动受到水头梯度和温度梯度的共同影响；Taylor 等[10]、杨梅学等[11]、赵逸舟等[12]通过高山地区的原位观测，对冻土地区土体水分迁移规律进行了深入分析，并对比了冻结期与融化期土体水分运移特征；马剑等[13]、李静等[14]、车宗玺等[15]以祁连山云杉林为研究对象，通过现场监测以探讨青海云杉林土体水热的变化特征及土体水热间的相互作用机制，认为土体温度与海拔之间存在负相关关系，而土体平均湿度与海拔高度关系可用二项式表示。随着科技水平的提高，高新技术也逐渐成为研究土体温湿互作效应的有利助手，Jodry 等[16]根据嵌入式电极装置的二维直流电阻率成像监测方法，对不同季节河堤温湿度变化规律进行分析，验证了采用永久电极对温湿度进行监测的可行性。Lacava 等[17]、Wagner 等[18]利用卫星技术对土体温湿度进行评估，并通过与现场监测进行对比从而验证了卫星传感器的可靠性。此外，陈棠茵等[19]、李彦龙等[20]、蔡国庆等[21]及王铁行等[22-23]对温度影响下的土体水热迁移进行了室内试验与理论分析，为进一步正确认识非饱和土中水-热耦合效应奠定了基础。

上述研究虽然对土体水-热过程有了一定的认识，但鲜有关于原位边坡土体温湿度长时间序列的水-热研究工作的相关报道，反映出对原位边坡温湿度变化规律的认识仍然存在不足。高寒阴湿区广泛分布于我国甘肃中西部地区，具有海拔高、气候阴冷、昼夜温差大、降水丰富且集中等特点，在阴湿区进行工程建设时由于水文地质情况恶劣，在冷热交替与干湿循环作用下，边坡表面频繁出现剥落、侵蚀病害，不仅破坏了坡面生态美观，也严重威胁着山区道路的安全运营。可见，以高寒阴湿地区工程边坡为研究对象，开展长期的土体水热研究工作具有重要的理论与现实意义。

鉴于此，以甘肃双城至达里加高速公路（双达高速）沿线的土-岩二元结构边坡为研究对象，通过无线远程监测技术实时获取了2年多的边坡浅层土体温湿度变化数据，揭示了甘肃高寒阴湿区边坡浅层土体长期温湿度迁移规律，并分析了边坡浅层土体温湿度的相互响应效应。研究结果有利于了解我国高寒阴湿地区边坡土体的水文响应规律与水-热相互作用关系，加深对坡面侵蚀和浅层失稳机制的认识，并为合理的坡面生态修复和边坡浅层防护提供切实试验依据。

1 研究区概况

临夏双达高速穿越温带半湿润区与高寒阴湿区过渡带，海拔2 060～2 950 m，年平均气温6.6 °C，最低气温-12.5 °C，最高气温28.3 °C，年平均降雨量为630.6 mm，相对湿度68.2%，年蒸发量约540 mm，全年57%的降雨集中在7—9月份，为冬春干燥、夏秋湿润、全年气候阴冷的典型高寒阴湿地区。

研究区穿越侵蚀堆积河谷地貌与侵蚀洪积残梁地貌，形成了多处高陡的土-岩二元边坡，边坡上覆土层厚度范围为2～4 m，根据《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）对土体基本物理力学性质进行测试，结果显示：土体比重2.72，平均密度1.84 g/cm3，液限29.8%，塑限18.7%，塑性指数11.1，平均渗透系数1.2×10-5cm/s。采用Bettersize 2000 激光粒度分布仪对土样颗粒级配进行测试，结果如图1 所示，土体所属类别为低液限粉土。受阴湿区气候影响，上覆土体湿度主要受大气降雨影响，边坡开挖过程中，未发现地下水与裂隙水。

2 监测方案

选取研究区某二元边坡坡顶第5 级边坡断面，布置监测点对日降雨量与温湿度变化进行实时监测，边坡温湿监测系统（图2）主体由现场硬件和在线软件组成，包括参数感应层、采集传输层、供电层、防护层与数据管理层。温湿度和大气降雨监测采用温湿度计（型号YTDY0100）与翻斗式雨量计（精度0.2 mm），监测数据通过采集传输模块以GPRS 形式远程传输至在线软件（云平台和APP），并可进行监测数据的实时查看、下载和处理。

图2 边坡土体温湿监测系统组成图Fig.2 Soil temperature and humidity monitoring system

图3 为监测边坡剖面结构形式与温湿度计布置情况，由坡面垂直向内0.2，0.5，1.25，2 m 深度处埋置温湿度计，共布置温湿度计3 排（1、2、3 号监测点），分别位于坡顶、坡中、坡底，同排温湿度计横向间隔0.15 m，其中温度、湿度分别用T（temperature）、H（humidity）表示，在边坡坡顶布置雨量计用以监测大气降雨，温湿度计每小时采集1 次数据，雨量计当有降雨发生时会自动记录降雨量，所有监测传感器接入现场远程传输模块进行自动采集与远程传输。温湿度监测起止时间为2017年11月27日—2020年5月26日，其中土体湿度监测点H1-1 因设备故障造成部分监测数据丢失，其他监测点数据采集正常。

图3 边坡监测断面示意图Fig.3 Slope monitoring section

3 结果

3.1 边坡表层土体温湿度变化

3.1.1 年温湿度变化

监测期间边坡表层土体温湿度随时间变化曲线如图4 所示，边坡剖面各测点温湿度最大值、最小值与平均温湿度以及标准差值见表1。边坡土体温湿度变化大体呈现简谐式周期性变化，边坡温湿度最大值、最小值均位于边坡0.2 m 深度处，温度最大值、最小值分别为23.5 °C（2019年8月17日）与-3.1 °C（2018年2月11日），其中在每年1月末至2月下旬，0.2 m深度处土体会出现零下温度，土体内部水分冻结，土体湿度显著下降；湿度最小值为坡中0.2 m 深度处的18.06%（2018年2月11日），年内6—9月为研究区降雨集中期，边坡土体含水率迅速增大，土体体积含水率最大值为坡顶0.2 m 深度处监测点的39.5%（2018年9月1日）。

图4 土体温湿度历时曲线Fig.4 Soil temperature and humidity duration curve

表1 监测时段内边坡温湿度情况Table 1 Slope temperature and humidity conditions during the monitoring period

边坡土体温湿度变化幅度随埋深增大逐渐减小，以2 号监测点为例，在监测时段内，T2-1 至T2-4 各点深度处土体全年变化范围分别为-3.1～23.1 °C、0.5～18 °C、2.5～14.7 °C、4～12.5 °C，温度变化幅度分别为26.2，17.5，12.2，8.5 °C，各点温度下界随埋深增大而逐渐增大，而温度上界随埋深增大而逐渐减小。H2-1至H2-4 监测点土体变化范围分别为18.06%～39.5%、23.69%～37.44%、25.69%～30.81%、34.12%～39.06%，变化幅度分别为21.44%、13.75%、5.12%、4.94%。

3.1.2 月温湿度变化

图5 为2019年内2 号监测点各深度土体月平均温度变化曲线，边坡土体月温度均值呈现出简谐波型周期变化，2—8月为浅层土体温度上升期，温度上升速率较快，0.2，0.5 m 深度处土体月平均温度最大值均出现在8月，分别为16.4，15.7 °C；年内8月至次年1月为温度下降期，月平均温度最小值分别为0.6，1.3 °C。对于较深部土体，年内3—9月为温度上升期，1.25，2 m 深度处土体月平均温度最大值位于9月，分别为13.5，12.7 °C；9月至次年3月为温度下降期，月平均温度最小值分别为2.8，4.1 °C。对比不同深度土层月平均温度变化曲线可以发现，每年3月与9月土体月平均温度曲线出现“纽结”现象，3月上旬至9月中旬，各测点温度表现为T2-1>T2-2>T2-3>T2-4，而在9月下旬至次年3月上旬，各测点温度表现为T2-4>T2-3>T2-2>T2-1。

图5 边坡月平均土体温度曲线Fig.5 Monthly average soil temperature curve of slope

图6 为2019年2 号监测点不同深度月平均湿度变化曲线，自5月开始，研究区降雨量逐渐增加，而10月之后，降雨量逐渐降低，在5月与10月湿度曲线同样出现了“纽结”现象，表现为5—10月之间0～0.5 m深度处土体含水率超越1.25 m 深度处土体含水率；而各土层土体月平均湿度均小于2 m 深度处土体平均湿度，在2 m 深度处并未出现类似“纽结”现象。

图6 边坡月平均土体湿度曲线Fig.6 Monthly average soil moisture curve of slope

3.1.3 浅层土体温湿度变化规律

基于边坡浅层土体实测温湿度响应规律，构建傅里叶级数模型，利用月平均温湿度值来表述阴湿区边坡浅层土体温湿度变化规律，计算公式见式（1）。

式中：H—土体湿度/%；

T—土体温度/°C；

Ha—各深度土体年平均湿度/%；

Ta—各深度土体年平均温度/°C；

t—月份；

t0—最高体积含水率月份；

n—变幅序号，取1，2，3，···；

An、Bn—傅里叶级数变幅系数，可分别由式（2）（3）计算；

P—土体温湿度变化周期，取12 。

根据傅里叶模型，对边坡不同深度处（0.2，0.5，1.25，2 m）土体温湿度月均值进行拟合，拟合结果分别见图5、图6，当n为3 时，模型拟合结果已趋于良好。

3.2 降雨对边坡湿度的影响

3.2.1 干湿季边坡湿度动态特征

研究区2019年1—5月气候干燥，降雨量134.6 mm，日平均气温3.95 °C，最大降雨日为5月6日（降雨量16.33 mm/d），其余日期降雨量均低于10 mm/d；6—10月降雨量为407.6 mm，日平均气温14.94 °C。图7（a）（b）分别为2019年5月6日与6月27日（降雨量16.31 mm/d）降雨前后不同深度土层湿度变化图，由此对比分析干湿季降雨作用下土体湿度的动态变化特征。

图7 单次降雨作用下不同深度土体含水率变化曲线Fig.7 Soil moisture content curves at different depths

由图7（a）（b）可知，干湿季不同降雨工况下，边坡浅层土体（0～0.2 m）湿度的响应规律基本一致，而变化幅度不同，春季降雨时，0.2 m 深度处土体含水率迅速升高，降雨结束后含水率由26.2%上升至31%，上升幅度为17.8%，降雨结束后1 d，含水率下降至28.5%，降雨结束4 d 后含水率下降至26.3%，已基本恢复至降雨之前水平。

夏季降雨时，土体含水率由30.1%上升至33.4%，上升幅度为10.9%，降雨结束4 d 后含水率下降至31.2%，仍高于降雨之前水平。对于较深层土体（0.5～2 m），春季降雨期间土体湿度基本无明显变化，而夏季降雨时引发土体湿度产生小幅变动，0.5 m 深度处降雨结束后土体含水率由29.6%上升至31.6%，上升幅度为6.7%，降雨结束4 d 后土体含水率下降至30.2%；1.25 m深度处降雨结束后土体含水率由28.5%上升至28.8%，而降雨结束后1 d，土体含水率变为29.0%。

3.2.2 集中降雨下边坡湿度动态特征

2019年6月15 日—11月1日集中降雨期间2 号监测点0.2，0.5 m 深度处土体温湿度变化曲线见图8（a）（b），红色柱状图表示当日上午8 时至下午11 时日间经历降雨补给土体含水率增大，为“增湿日”；绿色柱状图表示日间经历日照升温土体含水率降低，为“干燥日”。同时，监测时段内各监测点日含水率最大值、最小值以及含水率3日均值（MA 3），5日均值（MA 5）和10日均值（MA 10）也被记录在内，图8（c）为6月15日—11月1日日降雨量值。

图8 连续降雨期间边坡含水率变化曲线Fig.8 Slope moisture content curve during continuous rainfall

如图8（a）所示，在夏季集中降雨下，不同深度土体湿度响应规律不同，边坡以下0.2 m 深度处土体含水率对降雨较为敏感，自6月15日降雨事件后，受持续性降雨补给，土体湿度稳步上升，至6月27日含水率达33.3%，之后含水率在31%～35%之间波动变化。8月1日过后，降雨量显著减少，土体湿度迅速下降，至8月19日达到最低点为27.3%，与6月15日初始降雨时土体湿度基本一致。8月20日过后，在降雨补给下，土体含水率又呈现波动回升态势，并表现出最大含水率高于第一次持续降雨下最大含水率现象。9月20日过后，集中降雨期基本结束，0.2 m 深度处土体含水率快速下降至雨季之前水平。

如图8（b）所示，0.5 m 深度处土体含水率变化较为平缓，较0.2 m 深度处土体含水率变化存在一定的滞后性，同时变化幅度相对较小，在整个降雨期间土体湿度保持在相对稳定水平，含水率基本稳定在28.6%～34.2%。

3.3 边坡水-热互作效应

2019年度内各深度土体温湿度时程曲线变化规律基本一致（图9），同一时间内边坡内部土体温度、湿度之间存在着良好相互作用关系。采用式（4）对边坡土体温湿度进行z-score 标准化处理，并进行Pearson 相关性分析，同一深度处土体水-热相关性分析结果见图10。

图9 不同深度土体温湿度时程曲线Fig.9 Variation curves of soil temperature and humidity

图10 边坡不同深度土体水-热相关性分析Fig.10 Correlation of soil water-heat at different depths

如图10 所示，土体水分变化与温度变化有着显著的相关性，不同深度处土体温湿度相关性高低次序为2 m>1.25 m>0.5 m>0.2 m；在1.25 m 深度以下，土体温湿度相关性明显提高，同时，在1.25，2 m 深度处，年内3—9月温湿度相关关系呈现出明显的“循环圈”效应。

将不同深度处温湿度相关关系列于表2，从边坡浅层土体观测点温湿度Pearson 相关性分析结果可以看出：坡面内不同深度处土体温度或湿度之间、同一深度处土体温度与湿度之间、不同深度处的土体温度与湿度之间均呈现出极显著相关性。

表2 边坡土体水-热Pearson 相关性分析结果Table 2 Pearson correlation analysis results of water-heat of slope soil

式中：xi—土体温/湿度标准化值；

Xi—土体温/湿度原数据值；

s—温/湿度标准差。

4 分析

4.1 边坡表层土体温湿度分析

边坡浅层土体对大气温湿度响应较为敏感，随土体埋深增加，温湿度变化幅度逐渐减小，而响应时间逐渐增大，其他学者的研究成果也验证了这一发现[12，24]。这一特性主要受土体导热性影响，大气热量向土体深部传递时伴随着能量衰减，深部土体较浅层土体温度变化存在一定的滞后性，导致边坡土体温度随土体埋深变化趋势基本相同，但平均温度与温度变化幅度随土体埋深增加逐渐减小。不同埋深土体温度变化曲线可采用傅里叶函数进行表征，函数拟合结果表明土体温度变化滞后时间与土体埋深变化近似呈正比，边坡2 m 深度处较0.2 m 深度处土体温度变化滞后约30 d。

同时，受深度土体温度变化滞后性与变化幅度影响，每年3月与9月不同深度土体月平均温度曲线表现出“纽结”现象，研究区大气温度以暖热为主，边坡温度特征呈现出“表热而内凉”的特点，而每年9月下旬至次年3月上旬，大气温度以冷寒为主，边坡呈现出“表寒而内温”的特点。

4.2 降雨对边坡湿度的影响分析

受降雨、气温、蒸发量影响，不同季节土体渗透系数存在差异，导致各土层湿度对降雨响应规律不同。春季表层土体初始含水率较低，如图7（a）所示，土体较干燥，基质吸力较大，土体持水能力较强，降雨期间雨水主要储存在0.5 m 以上土层中，通过水分蒸发与植物升腾作用而消散，并不引起深部土层湿度变化；而夏季边坡表层土体初始含水率较高，如图7（b）所示，且土层前期不断经历降雨蒸发引发的干湿循环效应，使得土颗粒间形成了优势渗流通道，降雨期间雨水入渗到较深部土体所需时间变短，造成较深层土体含水率升高，这也是相同降雨强度下夏季0.2 m 深度处土层含水率变化幅度低于春季的原因。

在夏季持续降雨过程中，土体含水率上升趋势逐渐形成，上升过程中体积含水率所形成的高点与低点对日照蒸发作用起到抑制作用，使得土体含水率上升、下降过程具有持续性，较难出现较大差值的跳跃性变化。此特点在8月20日—9月20日降雨期间表现最为明显，如图8（a）所示，在8月20日降雨作用下，土体含水率开始回升，并于29日达到高点34%，后续降雨量虽然减少，且夏季边坡外部较高的温度给土体水分蒸发提供了条件，但受土体湿度日均线的抑制作用，土体湿度下降幅度较小，9月8日的土体含水率低点（30.1%）仍高于8月20日（27.3%）；由于前期持续性降雨-蒸发引起的干湿胀缩作用，土体结构松散，网状裂隙密布，裂隙范围土体的渗透性显著提高，当土体再次受到降雨补给后，土体含水率得以迅速上升，且此时较深部土层易受到浅层土体雨水下渗补给。这也是边坡浅层滑坡多发生在多次降雨后的某一降雨事件的原因。

4.3 边坡水-热互作效应分析

随土体埋深增大，边坡土体温湿度相关性逐渐增强，其主要原因为土体温度变化是影响边坡内部热量平衡与水分迁移的重要因素[7]。一方面，当土体埋深较大时，土中水分并未与大气直接接触而导致温度影响下的直接蒸发；另一方面，由于降水对2 m 深度处土体含水率影响缓慢，土体含水率变化幅度较小，使得水分的迁移主要受土体温度梯度影响，导致埋深较大土体温湿度呈现出明显的正相关关系。

在夏季，土壤温度逐渐增高，而此时为阴湿区连续降雨期间，土壤初始含水率较高，当温度升高时，土壤含水率存在陡降态势，这主要受较高温度影响使土体内水分迅速蒸发。浅层土体温湿度变化虽波动较为强烈，但总体变化趋势基本一致，仍表现出较高的相关性。根据全年土体温湿度相关性分析（图10）可知，年内3—9月温湿度相关关系呈现出明显的“循环圈”效应，这可能由不同时期温湿度相互影响程度不同所导致。

我国高寒阴湿区水文气候条件恶劣，开展边坡土体温湿度长期监测对该地区边坡工程的合理生态防护与监控具有重要意义。本文通过开展路堑边坡土体水分与温度的相互响应机制研究，为更进一步揭示边坡的土体水分与气候因子耦合、坡面侵蚀与浅层失稳机制奠定了一定基础。在今后工作中，仍需应用较先进的现代技术手段不断加强边坡土体水-热相互响应效应以及相互作用机理方面的研究。