關(guān)鍵詞：邊坡工程；膨脹土；滲流特性；侵蝕規(guī)律；模型試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U416. ↑⁺4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.002

文章編號(hào)：1673-4874（2025）03-0005-04

0 引言

膨脹土是一種富含親水性礦物的特殊黏土，具有明顯的脹縮性和裂隙性，其極易因水分變化而發(fā)生脹縮，進(jìn)而導(dǎo)致土體軟化和開(kāi)裂[1-2]。大量研究表明，降雨－日曬循環(huán)是誘導(dǎo)膨脹土邊坡失穩(wěn)的主要環(huán)境因素[3-7]。降雨一日曬循環(huán)誘發(fā)膨脹土邊坡失穩(wěn)的機(jī)理較為復(fù)雜，包括降雨入滲導(dǎo)致土體基質(zhì)吸力減小甚至喪失、降低潛在滑動(dòng)面的抗滑能力及裂縫發(fā)育等。值得注意的是，坡度是影響降雨入滲行為和坡面侵蝕破壞重要參數(shù)。因此，研究降雨-日曬循環(huán)下坡度對(duì)降雨入滲規(guī)律的影響具有重要工程價(jià)值。

近年來(lái)，許多學(xué)者就膨脹土邊坡坡度對(duì)邊坡滲流及穩(wěn)定性的影響開(kāi)展了大量的模型試驗(yàn)。徐光明等8針對(duì)雨水入滲下坡度對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響，開(kāi)展了2組不同坡度的離心模型試驗(yàn)，揭示了降雨條件下膨脹土開(kāi)挖邊坡的破壞機(jī)理；董宏源等9通過(guò)模型試驗(yàn)，分析不同坡度下膨脹土邊坡在降雨條件下的徑滲流規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在一定范圍下提高坡度有利于控制坡體含水量的變化；謝燦榮等[1采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)值模擬的方法，研究降雨條件下坡度及坡長(zhǎng)膨脹土邊坡徑滲流規(guī)律。上述模型試驗(yàn)大多針對(duì)單降雨事件進(jìn)行的，未考慮干濕循環(huán)對(duì)膨脹土土體性質(zhì)變化的影響。大量研究表明降雨-日曬循環(huán)作用對(duì)膨脹土的裂隙性及水力特性有劣性影響[11-14]，且實(shí)際的膨脹土邊坡往往會(huì)經(jīng)歷自然條件下的干濕循環(huán)，僅進(jìn)行單降雨事件難以還原膨脹土邊坡的真實(shí)變化情況。

基于此，本研究開(kāi)展 30^°，45^° 及 60^° 三種坡度下的模型試驗(yàn)，分析5次降雨一日曬循環(huán)作用過(guò)程中不同坡度邊坡的土體含水率變化、坡表徑流量變化及坡表侵蝕形態(tài)變化規(guī)律，探討干濕循環(huán)作用下坡度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，為雨熱同季的膨脹土地區(qū)邊坡安全防控提供參考。

1材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用膨脹土取自南寧市水牛研究所附近，距離地面約1m深，顏色呈較深的灰白色。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》JTG3430一2020）測(cè)試了試驗(yàn)膨脹土的基本物理性質(zhì)，如表1所示，其中其自由膨脹率為 70.5% ，屬于中等膨脹土。

1.2 試驗(yàn)裝置

模型試驗(yàn)所用試驗(yàn)裝置主要包括模型槽、降雨-蒸發(fā)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及雨水收集器。模型槽包括可移動(dòng)式模型架、模型箱，模型箱尺寸為 140cm×40cm× 20cm;降雨-蒸發(fā)系統(tǒng)包括霧化噴頭、水管、恒壓水泵、不銹鋼水箱、集水桶以及制熱燈泡，其中制熱燈泡為浴霸，集水桶為大容量水桶（如圖1所示）。

為更好地反映邊坡入滲情況，設(shè)置采集時(shí)間間隔為2h，設(shè)計(jì)水分傳感器的埋設(shè)位置在邊坡中部，距離坡表5 cm、10cm和15cm（測(cè)點(diǎn)編號(hào) S₁，S₂ 和 S₃ ，如圖2所示。

大幅度增加，其中 30^° 邊坡的 S₁ 測(cè)點(diǎn)土體含水率增幅最大，達(dá)到 13.9%，45^° 邊坡的 S₁ 測(cè)點(diǎn)土體含水率增幅也有9.9% ，而 ^60° 邊坡的 S₁ 測(cè)點(diǎn)土體含水率增幅僅為 7.6% .幾乎為 30^° 邊坡相同位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)土體含水率變化幅值的50% 。由圖3（b）可知，在降雨-日曬循環(huán)的后三次循環(huán)中，三種邊坡在 S₂ 測(cè)點(diǎn)處同樣具有土體含水率變化幅度隨坡度增加而減小的規(guī)律。其中 30^° 邊坡的 S₂ 測(cè)點(diǎn)土體含水率變化幅度為 9.4%～13.2% ，而 45^° 邊坡和 ^60° 邊坡的 S₂ 測(cè)點(diǎn)土體含水率變化幅度僅有 5%～9% 。在前兩次循環(huán)過(guò)程中， 60^° 邊坡土體含水率幾乎無(wú)變化， 45^° 邊坡在第二次循環(huán)時(shí)傳感器才出現(xiàn)響應(yīng)。由圖3（c可知，三種邊坡的 S₃ 測(cè)點(diǎn)土體含水率變化均存在一定的滯后性，即土體含水率在降雨后依然繼續(xù)增大，這種現(xiàn)象在^60° 邊坡和 45^° 邊坡尤為明顯。原因是邊坡深處裂隙不發(fā)育或數(shù)量極少，膨脹土邊坡與外界的水分交換主要發(fā)生在淺層，直至降雨一日曬循環(huán)后期，邊坡表層裂隙發(fā)育程度較高時(shí)水分才開(kāi)始以較快速率入滲至 S₃ 測(cè)點(diǎn)處。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了坡度為 30^° 、45°和 ^60° 的三種邊坡。試驗(yàn)膨脹土經(jīng)曬干、粉碎和過(guò)篩后，按照 19% 的土體含水率對(duì)試驗(yàn)土加水調(diào)配，隨后置于培土箱中密封靜置 3～4d 然后按照 90% 的壓實(shí)度將試驗(yàn)土分層填筑于模型箱，共分四層填筑，每層控制為5cm。

本試驗(yàn)為對(duì)邊坡施加干濕循環(huán)的條件，使用降雨設(shè)備及照明供熱設(shè)備模擬降雨一日曬交替進(jìn)行的情況，設(shè)計(jì)單次干濕循環(huán)的氣候歷程為：陰天 $$ 雨天 $$ 陰天 $$ 雨天 $$ 陰天 $$ 晴天，單次循環(huán)歷時(shí)48h。各階段天氣的歷時(shí)設(shè)計(jì)如表2所示，其中陰天為不對(duì)邊坡做特殊處理，雨天使用噴頭模擬降雨，根據(jù)南寧地區(qū)實(shí)際的降雨強(qiáng)度將試驗(yàn)雨天的降雨強(qiáng)度定為 75mm/h ，晴天則使用浴霸升溫模擬太陽(yáng)光照。

2 結(jié)果與分析

2.1邊坡土體含水率變化

如圖3所示為不同坡度的邊坡在相同測(cè)點(diǎn)處的土體含水率在降雨一白曬循環(huán)過(guò)程的變化曲線。由圖3（a）可知，三種邊坡距離坡表5cm的S測(cè)點(diǎn)處，土體在第一次循環(huán)中首次降雨時(shí)含水率便發(fā)生變化，但變化幅度不大，原因是膨脹土脹縮現(xiàn)象還未發(fā)生，坡體未形成降雨入滲路徑；在第一次循環(huán)中第二次降雨時(shí)土體含水率出現(xiàn)較

2.2邊坡徑流量和土體沖刷量變化

在相同降雨強(qiáng)度條件下， 30^° 、45°和 ^60° 邊坡實(shí)際受到降雨作用的投影長(zhǎng)度分別為 1.039m.0.849m 和0.6m ，即在相同降雨強(qiáng)度作用下，邊坡受到降雨作用的投影面積為0.2078m、0.1698m和 0.12m² 。根據(jù)試驗(yàn)降雨強(qiáng)度及每次循環(huán)的降雨時(shí)長(zhǎng)，得到每次循環(huán)邊坡的降雨總量。由于蒸發(fā)階段在兩次降雨事件結(jié)束后忽略由蒸發(fā)所損失的降雨量，坡內(nèi)降雨總量等于徑流量與入滲量之和。如表3所示為每次循環(huán)的降雨信息。

如圖4所示為三種邊坡在降雨一日曬循環(huán)過(guò)程中的徑流量變化曲線，如圖5所示為三種邊坡在降雨一日曬循環(huán)過(guò)程中的入滲量變化曲線。由圖4可知，三種邊坡徑流量整體變化呈現(xiàn)隨降雨-日曬循環(huán)次數(shù)增加而減少的趨勢(shì)，且徑流量變化速度隨坡度增大而減小。原因是隨著循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土不斷發(fā)生干縮濕脹而導(dǎo)致裂隙的發(fā)育，此時(shí)雨水沿裂縫滲入邊坡。由圖5可知，30^° 邊坡入滲量最大，其原因是較緩邊坡增加了雨水在邊坡上的停留時(shí)間，延長(zhǎng)了雨水入滲的時(shí)間。

如圖6所示為邊坡土體沖刷量隨降雨一日曬循環(huán)次數(shù)增加的變化曲線。由圖6可知，三種邊坡土體的沖刷量變化趨勢(shì)基本一致。首次循環(huán)之后均有較大的土體沖刷量，后隨降雨一日曬循環(huán)次數(shù)增加而呈逐漸增加的趨勢(shì)，土體沖刷量隨坡度增加而減小。坡度減緩引起土體沖刷量增加的原因可歸結(jié)于坡表的裂隙發(fā)育情況， 30^° 邊坡和 45^° 邊坡在干濕循環(huán)過(guò)程中裂隙發(fā)育程度及中下部侵蝕現(xiàn)象較 ^60° 邊坡明顯，而 ^60° 邊坡在最后一次循環(huán)時(shí)土體沖刷量出現(xiàn)劇烈增長(zhǎng)，這是因試驗(yàn)誤差引起的，原因是邊坡左側(cè)部分區(qū)域出現(xiàn)局部坍塌。

2.3坡面侵蝕規(guī)律

如圖7所示展示了三種邊坡在五次循環(huán)過(guò)程中坡表形態(tài)的變化情況。由圖7（a）可知， 30^° 邊坡進(jìn)行第一次循環(huán)后坡面產(chǎn)生少量短裂縫，坡面底部由于坡表徑流的作用而出現(xiàn)一定程度的侵蝕現(xiàn)象；第二次循環(huán)后，邊坡底部由于受到徑流的作用而出現(xiàn)較大面積的侵蝕，裂縫有貫通趨勢(shì)，邊坡中部出現(xiàn)少量 3～4cm 長(zhǎng)的短裂縫，邊坡上部裂縫數(shù)量和長(zhǎng)度有較明顯的增加，同時(shí)發(fā)現(xiàn)2條橫向裂縫形成貫通；三次循環(huán)后，邊坡中部出現(xiàn)明顯裂縫，此時(shí)整個(gè)坡面均受到不同程度的侵蝕；在第四次循環(huán)結(jié)束時(shí)，坡底出現(xiàn)明顯的淺型溝壑，原因是坡底土體吸水軟化后極易被沖刷；第五次循環(huán)時(shí)坡底出現(xiàn)明顯龜裂的現(xiàn)象，邊坡中上部裂縫形成貫通。

由圖7（b）可知，45邊坡在前兩次降雨-日曬循環(huán)結(jié)束后坡表形態(tài)變化不明顯，邊坡部分區(qū)域內(nèi)填筑不牢固的土體受雨水沖刷而流失；第三次循環(huán)結(jié)束后，邊坡中上部出現(xiàn)少量短裂隙，坡底因雨水沖刷而產(chǎn)生局部弱侵蝕；第四次、第五次循環(huán)后坡表的變化主要體現(xiàn)在邊坡裂縫數(shù)量和長(zhǎng)度的增加，以及坡底因坡表徑流引起的微弱的局部侵蝕。

由圖7（c可知， 60^° 邊坡前三次循環(huán)結(jié)束后坡表形態(tài)幾乎無(wú)變化，僅在邊坡中上部及左側(cè)出現(xiàn)少量裂縫；第四次循環(huán)后，邊坡中上部出現(xiàn)明顯的變化，此階段裂縫快速發(fā)育并貫通，并發(fā)生局部隆起；第五次循環(huán)結(jié)束后，邊坡左側(cè)局部發(fā)生坍塌，邊坡上部裂隙數(shù)量劇增且形成貫通。

3結(jié)語(yǔ)

（1）降雨一日曬循環(huán)作用下三種邊坡在相同測(cè)點(diǎn)的土體含水率呈現(xiàn)隨坡度增大而減小的趨勢(shì)，尤其在前三次干濕循環(huán)過(guò)程中， 45^° 和 ^60° 邊坡土體的含水率變化明顯低于 30^° 邊坡的相應(yīng)值；邊坡土體的含水率變化具有一定的滯后性，降雨結(jié)束后邊坡深部土體的含水率仍在小范圍增加。

（2）邊坡徑流量受到降雨-日曬循環(huán)作用的影響隨坡度的增加而降低，但不同坡度徑流量的變化規(guī)律基本一致，呈現(xiàn)隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而減小的規(guī)律，且邊坡的入滲量呈現(xiàn)隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而逐漸增加的趨勢(shì)，三種邊坡的土體沖刷量變化趨勢(shì)基本一致。

（③隨降雨一日曬循環(huán)作用，邊坡坡面逐漸受到侵蝕，且坡度越低侵蝕現(xiàn)象越明顯。 30^° 邊坡受到侵蝕作用最明顯，并在干濕循環(huán)后期出現(xiàn)了局部失穩(wěn)現(xiàn)象； 45^° 和^60° 邊坡坡面形態(tài)變化相對(duì)較小，但 ^60° 邊坡的裂縫發(fā)育侵蝕的速度較45°邊坡快。 ②

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