花岗岩残积土边坡降雨入渗试验研究

孟庆生 黄启舒 兰素恋

摘要：研究花岗岩残积土边坡降雨入渗的规律，可指导花岗岩残积土边坡的防护设计。文章针对花岗岩残积土边坡雨水入渗规律，研究裸坡与加防护边坡雨水入渗的变化规律。试验采用两种工况进行模拟降雨入渗试验。结果表明：（1）雨水在入渗花岗岩残积土边坡时，入渗的路线大致呈“平抛物线”型，其坡内土体的含水率大致呈斜向的“L”型;（2）加客土喷播防护边坡坡体内相同含水率的连线与边坡面距离比裸坡含水率连线与边坡面距离平均靠前了6 cm，采用客土喷播防护可以有效地减少雨水入渗。

关键词：边坡;花岗岩残积土;含水率;降雨入渗

The study on rainfall infiltration law of granite residual soil slope can guide the protection design of granite residual soil slope.Regarding the rainwater infiltration law of granite residual soil slope，this article studies the variation law of rainwater infiltration at bare slope and protective slope.The test uses two working conditions to simulate the rainfall infiltration test.The results show that：（1） When the rainwater is infiltrated into the granite residual soil slope，the infiltration route is roughly “flat parabola” type，and the water content of soil body in the slope is roughly in the oblique “L” direction;（2）The distance between the connection line and the slope surface with the same water content in protective slope with spraying borrowed soil is 6 cm higher than the distance between the connecting line of bare slope water content and the slope surface，thus the protection of borrowed soil spraying can effectively reduce the infiltration of rainwater.

Slope;Granite residual soil;Water content;Rainfall infiltration

0 引言

随着我国高速公路的快速发展，越来越多的边坡出现在高速公路的两侧。对于边坡来说“十水九害”，因此国内外学者对于降雨冲刷和降雨入渗进行了研究[1-14]。其中杜婷婷、李志清等[1]以黄土边坡为研究对象，采用自主研制的降雨装置进行降雨试验，通过试验研究不同的参数对边坡防护效果的影响。刘泽、李友云[2]通过建立全风化花岗岩数值模型，对比边坡在降雨和冲刷条件下的状态，得出坡面冲刷安全系数的影响趋势。楼平、程鹏等[5]首先通过试验的方法研究了斜坡体渗透性变化特征，再通过数值模拟方法研究典型土坡的降雨入渗过程。潘俊义、候大勇等[6]通过开展野外人工模拟降雨试验，测试不同降雨强度条件下降雨入渗过程和边坡应力变化特征。

本文以某工程的花岗岩残积土边坡为项目依托，并取回现场的花岗岩残积土进行室内试验模拟，研究在降雨条件下花岗岩残积土在有防护条件下和无防护条件下的入渗规律，并为设计防护提供依据。

1 试验设计

1.1 试验材料

本文试验用土取自某工程的花岗岩残积土边坡，土样取回后，试验根据《公路土工试验规程》（JTGE40-2007）对其基本物理性质进行测定，结果如表1所示。

室内研究的花岗岩残积土边坡，是模拟高速公路的实际边坡，采用在最优含水率19.5%下进行压实，已达到自然边坡的压实度。经过风干后的土样含水率大约为ω=5.6%，为了保证压实度，需要将土样配制到最优含水率。

试样土样制备过程：

（1）计算做试验模型所需土样的质量，记为m0，考虑到拌合损失记乘以系数1.1后记为m1;

（2）测定所取初始土样的原始含水率ωo;

（3）根据最佳含水率（ωop=19.5%），计算增加的水量m2;

（4）采用雾状喷头配制土，控制m1的土对应m2的水量;

（5）配制完成后将土样放入塑料桶中，密封保存72 h，使土样水分均匀;

（6）进行边坡制作。

1.2 试验仪器

仪器采用自行设计的边坡模拟装置，进行边坡降雨模拟试验。其包括有边坡模拟装置、边坡固定装置、人工降雨装置等。其中边坡模拟装置为透明的有机高分子板，具体尺寸为（长×宽×高）：90 cm×20 cm×50 cm。将所用的边坡模拟装置架好后进行锤制边坡，放入降雨装置下面进行降雨入渗试验，如图1～2所示。

1.3 试验方案

本文主要研究工况1（无防护的花岗岩残积土边坡）和工况2（加客土喷播防护的花岗岩残积土边坡）在降雨条件下的雨水入渗规律。因此试验设计降雨量为2.0 mm/（min·m2），分别对工况1和工况2进行边坡降雨入渗试验，降雨时间为2 h，如圖3所示。试验完成后按照图4取土样进行含水率测量。

2 降雨入渗试验结果

本试验是根据工况1（花岗岩残积土裸坡）、工况2（加客土喷播防护的花岗岩残积土边坡）在降雨条件下的边坡入渗情况，按上述试验方案制作模型边坡，坡体经过压实后，进行降雨量为2.0 mm/（min·m2）的降雨入渗室内试验。在试验过程中观察边坡坡面的变化情况，当坡面出现较大的变化时记录坡面情况。

2 h后试验结束，工况1边坡表面残积土流失严重，花岗岩残积土模型在接近坡脚处出现冲沟，部分土体滑塌，部分冲沟中还存有积水（见图5）。然后将坡体挖开按图4边坡取土点进行取土，采用烘干法测量含水率。将含水率按照边坡取土测量含水率，并以2%含水率为界限画出边坡含水率的分布图，并在边坡上按含水率进行连线（见图6）。

而工况2边坡表面客土喷播层在坡脚处局部有被雨滴溅蚀的小坑槽，坡体保存完好，无冲沟和垮滑塌现象（见图5）。工况2的边坡含水率分布如图7所示。

3 降雨入渗试验结果分析

工况1坡面出现冲沟和部分土体滑塌，主要是因为边坡没有防护，雨水与花岗岩残积土坡面直接接触，然后下落的雨滴受重力的作用由重力势能转换为动能，最后作用在坡面上，对坡体表面的残积土形成了冲击。坡体的土颗粒在受到外力的作用下，发生了移动，而随着降雨的持续，坡面上的水流对已经松动的土颗粒提供了一个沿着坡面向下的推力，当推力足够大时便使土颗粒随着水流一起运动。如此反复，使坡面上出现冲沟和坑槽。由图6可知，在降雨入渗边坡的过程中，坡体表面先达到饱和然后再由饱和区域向坡体内进行水分迁移。在雨水入渗坡体的过程中，雨水被土体不断吸收，从而使外界的雨水对坡体的影响越来越小。而在这一过程中，受重力的影响，雨水浸入边坡不再是一条平行线，其路线应大致呈“平抛物线”状。雨水在边坡坡面有冲沟和坑槽的时候，雨水会汇集到此处，因此在此位置的同一水平面上的土体更容易与雨水接触，所以此水平面的含水率偏高。

对比图6和图7可以看出，边坡内相同含水率的土体，工况2的位置要比工况1的位置平均靠前6 cm左右，且其形成的倾斜的“L”形状不是特别明显。主要原因是：工况2坡面由于采用了客土喷播的防护，且因为模型上的客土喷播采用的是黏土，其抗冲刷能力要大于花岗岩残积土，所以其表面在降雨作用下雨水未能形成明显的冲沟，从而对边坡进行了良好的保护。坡面在没有冲沟时，雨水在坡面上迅速流走，使坡体上的雨水较小;而雨水要先将坡上客土喷播层浸湿至饱和，才能作用于防护层下面的残积土边坡。因此防护层下的残积土边坡不与雨水直接接触，大部分的雨水被排走，坡体受到雨水的入渗影响也相对较小，同时相同含水量的土体位置也相应更靠近坡面。

4 结语

本文通过模拟花岗岩边坡降雨试验研究，得到如下结论：

（1）雨水在入渗花岗岩残积土边坡的过程中，入渗的路线大致呈“平抛物线”型，其坡内土体的含水率大致呈斜向的“L”型。

（2）加客土喷播防护边坡坡体内相同含水率的连线与边坡面距离比裸坡含水率连线与边坡面距离平均靠前了6 cm。这说明在坡面设置客土喷播层，可以有效地减少雨水对坡体的冲刷和雨水的入渗。

参考文献：

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