不同降雨条件下成都黏土基坑边坡入渗深度研究

梁 树，谢 强，郭永春，李朝阳

(西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031)

不同降雨条件下成都黏土基坑边坡入渗深度研究

梁 树，谢 强，郭永春，李朝阳

(西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031)

降雨增湿导致成都黏土基坑边坡出现大范围的大变形或破坏，研究降雨过程中的入渗规律是分析边坡破坏机理及模式的关键。为了分析不同降雨条件下的入渗规律，确定入渗深度的大小，综合模型试验、现场试验和数值模拟结果，得到成都黏土基坑边坡降雨入渗规律及入渗深度的经验公式。结果表明：膨胀土模型试验的渗流相似条件难以完全满足，模型试验结果需要经过现场试验修正。降雨时长是入渗深度的主要影响因素，随着降雨时长、降雨强度的增大，入渗深度增大的速度逐渐减慢，采用分段线性拟合效果较好。成都黏土基坑边坡单次降雨的入渗深度小于1 m。

成都黏土；基坑边坡；入渗深度；模型试验；现场试验

降雨增湿是基坑边坡失稳破坏最主要的触发因素，往往引发基坑破坏或地质灾害[1～2]。成都黏土作为一种典型的膨胀土，具有很强的水敏性，降雨增湿对基坑边坡的稳定性影响更大。根据现场调研的21处成都黏土基坑，基坑出现的大范围大变形或破坏现象，都有不同程度的涉水现象。研究结果[1]表明，膨胀土土体内部含水量发生1%的变化时，就会引起膨胀土工程性质发生显著变化，进而引发边坡失稳等工程事故。故研究成都黏土基坑边坡在不同降雨条件下的入渗深度特征，具有重要的意义。

国内外学者对降雨入渗规律进行了大量研究，但目前主要集中在普通黏土边坡[3～7]。根据土水特征曲线和水力传导曲线，结合边界条件及初始状态，基本能解决普通黏土的入渗问题。但由于膨胀土吸水膨胀，孔隙比增大，土中渗流通道发生剧烈变化，土的渗透系数也快速增大，而孔隙比的变化还受到应力状态的影响，所以土的渗透系数还与应力状态有关。膨胀土具有的裂隙性又使得膨胀土基坑边坡降雨入渗研究的难度变大。杨果林[4]、孙义刚[8]等进行物理模型试验研究，但由于含水率测试的元件尺寸太大，监测的点位较少，不能很好地得到降雨入渗规律及入渗深度；且由于难以实现模型渗流的相似，模型得到的结果主要用于解释入渗的规律，其具体数值难以与实际对照。詹良通等[9]采用现场测试，得到降雨对膨胀土边坡的影响范围为2 m，由于现场试验的难度较大，边界条件不易控制，暂时没有得到不同降雨条件下膨胀土边坡的入渗深度。膨胀土边坡渗流数值模拟的理论研究[10～13]普遍是在普通黏土饱和-非饱和渗流的基础上，没有考虑了膨胀土膨胀性对渗透系数的影响及裂隙性的影响。

膨胀土渗流模型试验具有相似比难以完全满足的特点，而现场试验边界难以控制，试验过程难度大，单独的数值模拟结果的精度及准确性又难以保证。为合理避免上述问题，本文综合模型试验、现场试验和数值模拟三种方法研究降雨条件下成都黏土基坑边坡入渗深度特征，对比分析成都黏土基坑边坡入渗深度规律、经验计算方法，并通过某成都黏土基坑边坡对比验证。

1 室内模型试验研究

1.1模型试验方案简介

建立长宽高分别为3.0 m、0.8 m、1.0 m的模型，基坑深0.7 m，模型几何相似比1∶10。模型四周及底

部均刷防水材料，作为隔水边界。由于成都黏土的膨胀性，难以找到或配制完全满足其渗流相似比的替代材料，故模型采用重塑成都黏土填筑，密度1.7 g/cm3，初始含水率21%。模型采用自制的降雨装置模拟降雨，同时研制测试元件与读数装置，测试土的含水率，测试元件尺寸为7.3 mm ×3.96 mm ×1.1 mm(图1)。十字交叉试验研究降雨时长、降雨强度、边坡坡度对成都黏土重塑土降雨入渗深度的影响规律。

图1 物理模型示意图Fig.1 sketch of physical model

1.2模型试验结果分析

模型试验结果表明，随着降雨时长的增大，入渗深度逐渐增大，降雨时长增大到一定程度后入渗深度的增速减小，即入渗速度减小。模型初始条件下，填筑的土可视为均质土，其不同深度处的土体密实度、渗透系数等性质均相差不大。随着降雨时长增大，入渗速度减缓的原因为土体吸水，在土体表层形成水膜，隔断水体，使得土体入渗速度减慢。特别是成都黏土为膨胀土，其吸水会产生膨胀，而土体颗粒比表面积大，形成的水膜厚度大，吸水饱和膨胀，使得其渗透系数更低(图2a)。

图2 室内模型试验结果Fig.2 Results of model test

降雨强度对入渗深度的影响大，当降雨强度较小时，雨水全部入渗，不能形成地表径流，雨水的入渗速度与降雨强度相等。降雨强度越大，入渗的量越大，入渗深度越大；随着降雨强度的增大，当降雨强度大于入渗速度时，形成地表径流，入渗补给的水源充足，降雨入渗的速度基本保持不变。但地表积水的深度会产生一定的变化，增大了地表水的水头，加大了入渗能力，致使入渗深度略有增大(图2b)。

边坡坡度的大小主要影响坡面的入渗深度，对坡顶面位置的入渗深度影响较小。坡面中部处，随着边坡坡度的减缓，坡面入渗深度逐渐增大。这是因为坡度越缓，地表径流越慢，越利于降雨入渗(图2c)。

2 现场试验研究

2.1现场试验方案简介

在成都东郊某成都黏土基坑边坡进行现场试验，该成都黏土自由膨胀率为48%，侧限膨胀力为53.2 kPa，属弱膨胀土。通过场地平整，表层翻新土、淤泥清除、削坡，得到2个4 m×3.5 m的场地，坡高1.1 m。现场搭建人工降雨装置，进行人工降雨，含水率采用取土器取土，酒精法测试得到。

2.2现场试验结果分析

现场的土体中含有裂隙，特别是地表土体的张开裂隙深度约5 cm。降雨开始时，边坡表面土体含水率低，其吸水能力较高，雨水主要被土体吸收；土体含水率逐渐增大，吸水能力逐渐降低。当吸水的能力小于降雨强度时，雨水逐渐在土体表面富集，形成流水并逐渐汇集于张开裂隙。与此同时，表面土体因持续吸水，其吸水能力快速降低，土体吸水量占雨水入渗量很小，地表流水量逐渐增大，汇集在土体裂隙中的水也越来越多，最终在土体沿着裂隙底部流动，并且逐渐填充裂隙，一部分水体通过坡面顶部的贯通性裂隙在坡面上形成地表径流排出。裂隙中的水填满后，雨水开始填充地表中的低凹处，并最终形成一个统一的水面，地表径流形成。如果地表径流的排泄与入渗速度的和仍小于降雨强度，地表径流的积水厚度逐渐增大，并导致地表的排泄能力、入渗能力均加大，直至与降雨强度平衡，形成一个稳定的降雨-入渗-排泄系统。但当降雨强度变化时，这个平衡的系统会被打破。

现场试验研究成都黏土边坡在中雨(12 mm/12 h)条件下，降雨时长为4 h和24 h的边坡入渗特征，得出降雨结束后边坡的湿度场的变化规律(图3)。从图中可以看出，降雨水体入渗主要分为两个部分：即从坡面入渗和坡顶面入渗。坡顶面入渗的规律为：越靠近坡面，含水率入渗的深度越大，比如降雨4 h时，近坡面处，从边坡顶面入渗的深度为38 cm，但坡后2.5 m处的入渗深度仅为18 cm；降雨24 h时，靠近坡面处的入渗深度为52 cm，而坡后2.5 m处的入渗深度仅为30 cm。产生这种现象的原因分为内因和外因，内因为边坡越靠近坡面的位置，其受风化作用、卸荷作用越强，土体越松散，微裂隙越发育，渗透系数越大，入渗深度就更大。外因有二：一为水体向坡面方向流动，在径流方向上有二次补给作用，入渗深度大；二为近坡面位置，雨水同时从边坡顶面及边坡坡面入渗，入渗深度更大。

图3 现场试验结果Fig.3 Results of field test

对比相同工况下的室内模型试验及现场试验的结果，现场试验降雨4 h/24 h，坡顶面入渗深度为18 cm/54 cm；而室内模型降雨4 h/24 h的入渗深度为9 cm/36 cm；虽然室内模型重塑土的密度只有1.7 g/cm3，现场原状土的密度为2.05 g/cm3，但现场的入渗深度仍大于室内模型试验，分析其原因为：1)现场土中微裂隙发育，且土体经过长期的过水作用，已形成贯通性的渗流通道，渗透系数更大，故入渗深度更大；2)边坡表面平整后，其失水收缩使得土体中闭合的裂隙张开，雨水更容易入渗。

但从数值上分析，模型试验结果与现场试验结果的变化规律比较一致。随着降雨时长的增大，降雨入渗深度增大，但降雨入渗深度增大的速度越小。二者入渗深度的大小有所不同，扣除现场试验表层张开的裂隙深度5 cm，前4 h现场试验的入渗深度31 cm，为模型试验9 cm的3.44倍；4～24 h现场试验增加的入渗深度18 cm，为模型试验9 cm的2倍；表明随着降雨时长的增大，模型试验结果与现场试验结果越相近。模型试验可视为各向均一介质，其渗透系数受到土的密度影响，故模型试验结果与现场试验结果的相近程度与土的密度相关。

总之，模型试验与现场试验降雨入渗规律相近，模型试验的数值需要现场试验来修正。

3 数值模拟研究对比分析

3.1数值模型简介

虽然模型试验与现场试验均得到了一定条件下的降雨入渗深度，但用于推导经验公式的数据仍然不够。采用模型试验及现场试验的工作量都过大，也没有必要，本文通过建立数值模型继续研究。

采用seep/w软件建立饱和-非饱和二维渗流模型，模型中土水特征曲线采用grain size-Modified Kovacs模型预测，Van Genuchten 估计方法通过土水特征曲线预测水力传导曲线，渗透系数分别采用瞬态法渗透试验与现场压水试验测得。两侧边界为等水力梯度边界，底部为隔水边界，模型上界面包括模型基坑顶面、基坑坡面和基坑底面，设为降雨入渗边界，取降雨强度与成都多年平均降雨入渗补给系数的乘积。根据现场试验建立的数值模型的初始状态按照降雨前的湿度场测试结果，内插后赋值给模型；室内模型的数值模型初始含水率取21%。

3.2数值模拟结果的精度

建立室内物理模型数值模型，分析结果表明，在24 h中雨(12 mm/12 h)条件下的入渗规律，入渗深度为17 cm，与模型试验测得的15～16 cm相近，数值模拟满足精度要求(图4)。

图4 数值模拟结果与室内模型试验对比Fig.4 Comparison between numerical simulation results and model tests

建立现场试验数值模型，分析结果表明，24 h中雨(12 mm/12 h)条件下的入渗深度为38 cm，与现场试验测得的30～41 cm相近，数值模拟满足精度要求(图5)。

图5 数值模拟结果与现场试验对比Fig.5 Comparison between numerical simulation results and field tests

3.3数值模拟研究降雨入渗深度影响因素

采用数值模拟的方法，研究降雨时长t、降雨强度P、边坡坡度A、饱和渗透系数k和地表裂隙深度S对单次降雨入渗深度的影响(图6)。

图6 降雨入渗深度的变化规律Fig.6 Variation law of rainfall infiltration depth

降雨时长对入渗深度的影响可拟合为分段线性，降雨时长小于tjx时，入渗深度受到降雨时长影响大；时长超过tjx时，降雨时长对入渗深度的影响减小。时间界限节点与岩土性质有关，成都黏土取9.85 h。

降雨强度对入渗深度的影响可视为分段线性，当降雨强度小于pjx时，入渗深度受到降雨强度影响大；强度超过pjx时，降雨强度对入渗深度的影响很小。强度节点与岩土性质有关，成都黏土取6 mm/12 h。

边坡坡度对坡顶面入渗深度的影响较小。斜坡坡面中部的入渗深度大于直立边坡中部的入渗深度，但斜坡坡度对坡面入渗深度的影响较小。这是因为当降雨强度达到一定程度后，饱和渗透系数对入渗深度的影响呈指数关系，当渗透系数小于1×10-8m/s时，入渗深度均很小，渗透系数的影响较小；当渗透系数大于1×10-8m/s时，入渗深度呈指数快速增大。但成都黏土的渗透系数应在一个数量级，渗透系数变化在一定范围，渗透系数对入渗深度的影响也局限在一个范围内。

裂隙深度对入渗深度的影响可视为线性关系，可认为地面张开裂隙的影响主要为开始入渗的位置由地面降低到裂隙底部，而裂隙地面以上的入渗及裂隙内水体增加的水压力作用的综合作用效果较小。

4 经验公式推导及实例验证

4.1经验公式推导

根据模型试验、现场试验及数值模拟的结果，通过多元线性回归，建立成都黏土基坑边坡单次降雨入渗深度的经验计算公式(式1)。公式含变量降雨时长t、降雨强度P、饱和渗透系数k和地表裂隙深度S共4个，系数5个。

L=at+bP+ck+dS+e

4.2工程实例验证

成都东郊某基坑工程，位于成都平原Ⅱ级阶地，主要地层为第四系全新统人工填土层、第四系沉积层黏土及下伏基岩白垩系泥岩。该基坑有一临时直立边坡，坡高3 m。根据现场气象监测，2015年5月21日该区出现的强降雨，总降雨量24.6 mm，时长33 h。其中前12 h的降雨强度为6.2 mm/12 h，中雨；16～33 h的降雨强度为13 mm/12 h，大雨。平均降雨强度为8.9 mm/12 h，为中雨。

采用式(1)计算降雨入渗深度，参数取值见表2，求得坡顶面入渗深度为52.4 cm。

综合分析表明，取芯实测此次降雨入渗深度为50～60 cm，数值模拟结果为55 cm，经验公式计算结果为52.4 cm，结果基本一致，可相互印证，经验公式满足精度要求(图7)。

表1 成都黏土降雨入渗深度经验公式系数

表2 经验公式参数取值

图7 实例对比Fig.7 Example of actual project

5 结论

(1)密度较高的原状土在降雨条件下的入渗深度大于低密度的重塑土，表明原状土的土体结构及微裂隙对土的渗透能力影响大。本文采用的模型试验研究入渗深度变化规律，现场试验修正数值，可用于模型试验结果的还原。数值模拟方法可用于计算更多工况的入渗深度。

(2)成都黏土基坑边坡单次降雨入渗深度主要受到降雨时长、降雨强度及边坡岩土特性决定。降雨时长小时，对降雨入渗深度影响大，时长超过9.85 h时，影响减小；降雨强度小时，对降雨入渗深度影响大，强度超过6 mm/12 h时，影响很小。地面张开裂隙的影响可视为降雨入渗位置由地面降低到裂隙底部，入渗深度与渗透系数呈指数关系。

(3)成都黏土基坑边坡坡顶单次降雨入渗深度在分米级，本文建立的成都黏土基坑边坡单次降雨入渗深度的经验公式满足工程精度要求。

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责任编辑：汪美华

InfiltrationdepthofChengduclayfoundationpitslopeunderdifferentrainfallconditions

LIANG Shu, XIE Qiang, GUO Yongchun, LI Zhaoyang

(FacultyofGeosciencesandEnvironmentalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu，Sichuan610031,China)

Rainfall humidification causes large deformation or damage to Chengdu clay pit slope. Methods of model test, field test and numerical simulation are used to analysis infiltration depth under different rainfall conditions. Infiltration law and infiltration depth empirical formula are obtained by comparing the results of the analysis. The results show that model test is difficult to simulate really due to Chengdu clay swelling, soil structure and microcracks having a big influence on seepage. The results need a correction through field test. The main factor which influences the rainfall duration is the depth of infiltration. With the increase of rainfall time and rainfall intensity,the increasing speed of infiltration depth gradually slows down. It is good to use piecewise linear fitting. The infiltration depth of single rainfall in Chengdu clay slope is less than 1 m.

Chengdu clay; foundation pit slope; infiltration depth; model test; field test

P619.23+1；TU443

A

1000-3665(2017)05-0107-05

郭永春(1973-)，男，博士，副教授，主要从事特殊岩土工程方面的教学与研究工作。E-mail:ycguo@home.swjtu.edu.cn

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.05.17

2016-11-04;

2017-03-08

《岩土工程系列问题研究——膨胀土与软弱地基专题研究》资助项目(CSCEC-2008-Z-30-4)

梁树(1989-)，男，博士研究生，主要从事特殊岩土工程方面的研究工作。E-mail:991729619@qq.com