降雨作用下黄土边坡坡面冲刷破坏特征研究

降雨作用下黄土边坡坡面冲刷破坏特征研究

郭宗云

（中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司  西安  710054）

摘要：为了研究降雨作用下黄土边坡的冲刷破坏特征，本文开展室内降雨冲刷试验，探究边坡坡度、降雨强度、径流形成时间、坡面降雨总量以及降雨结束时水分平均入渗深度之间的相互关系，按照试验中坡面冲刷侵蚀破坏的演变过程，可将坡面冲刷分为溅蚀、浸润、面蚀和坍塌四个阶段。探求了降雨作用下黄土边坡冲刷破坏发展的全过程，为黄土边坡坡面稳定性评价、设计、施工提供理论支撑。

关键词：降雨、黄土边坡、坡面冲刷

前言

黄土边坡坡面防护是黄土边坡稳定性中的一个重要议题[[1]]，而黄土边坡坡面冲刷是黄土边坡坡面防护的重要影响因素。坡面冲刷是指边坡表面被降雨形成的坡面水流破坏，边坡表层土体颗粒被水流冲走的现象[[2]]。在降雨过程中坡面一般会经历雨滴溅蚀、片蚀、细沟侵蚀、切沟侵蚀等阶段，其中溅蚀、片蚀属于坡面流侵蚀阶段，细沟、切沟侵蚀则属于沟道侵蚀阶段[[3]]。随着坡面冲刷的不断加剧，坡面往往会形成冲沟、洞穴[[4]]，从而引起坡面局部失稳，亦对边坡整体稳定性产生不利影响。因此，本文通过室内试验开展降雨作用下黄土边坡坡面冲刷破坏特征研究，探求冲刷作用下黄土边坡坡面变形破环的全过程，为黄土边坡坡面稳定性评价、设计、施工提供理论支撑。

1室内试验冲刷试验

1.1试验设备

本次试验降雨设备设计采用中科院杨凌水土保持研究所研发的仰喷式模拟降雨机，配合普通扬程水泵。该降雨机喷头可根据情况自由调节，在无风条件下降雨可在覆盖范围内均匀分布，与自然降雨相似性可达85%。降雨机下端与水管相连处安装有压力表和截水阀门，雨强大小可通过截水阀门控制，降雨机喷头压力可通过压力表读取。每次试验前采用简易的雨量器率测定雨强。

本次试验边坡模型为一个尺寸为3m×1.5m×0.5m的长方体模型车厢，车厢主体部分用不锈钢板做成，车体前段向外延伸一定区域做成水流汇集区，用以收集坡面径流水样，车体两侧面采用厚度为1cm的高透明有机玻璃做成，可作为可视窗口，便于试验过程中观测土体内部水分入渗等情况。该模型车采用一套高4m，宽2m的起吊设备实现各坡度的边坡模拟。

1.2试验材料

本次研究中，试验所用土料均取自研究区填挖方边坡建设场地，为使边坡土体基本性质与研究区建设场地边坡土体性质相近，对取回土料进行室内试验后计算应向土料喷洒的水量，之后搅拌、静置土料，待土料中含水量均匀时，再采用分层击实填筑的方法进行填筑。试验中控制黄土基本物理力学性质指标如表1。

表1  试验黄土基本物理力学指标

本次试验研究不同坡度的裸露黄土边坡在相同的降雨条件下边坡坡面的冲刷侵蚀特性。根据实际工程中常见的填挖方边坡坡度，选用1:1.5（33.7°）、1:1（45°）、1:0.75（53.1°）和1:0.5（63°）四种坡度，每一坡度进行三次试验。前两次试验均采用0.75mm/min的降雨强度，降雨至坡面产生超渗径流为止，记录坡面超渗径流产生的时间，降雨结束后计算降落坡面的雨量，并开始每隔一定时间在坡面上、中、下部等不同部位观测边坡土体内水分的入渗深度及不同深度处土体含水率变化情况。第三次试验采用1.38mm/min的降雨强度，降雨至坡面产生明显冲刷破坏为止，试验过程中观测坡面侵蚀现象，收集坡面径流水样，测定坡面径流量的变化，并将采集水样沉淀烘干，测定试验过程中侵蚀泥沙含量的变化。

2坡面冲刷侵蚀的演变特征

通过对试验中坡面冲刷侵蚀破坏演变过程观测记录进行对比分析，可将坡面冲刷分为溅蚀、浸润、面蚀和坍塌四个阶段：

（1）溅蚀阶段：因试验雨强较大，试验开始初期，雨滴以较大的动能，直接击打到干燥的坡面上，一部分被坡面土体吸收，一部分四处飞溅。同时，坡面上松散、细小的土颗粒也因雨滴的击打而溅散或滚动。

（2）浸润阶段：随着降雨继续，坡面土体逐渐吸水湿润，当坡面表层土体吸水近于饱和时，坡体表面就形成一层泥膜。泥膜的形成，阻碍了雨水的入渗，降落坡面的雨水只有一部分入渗坡体，另一部分即形成超渗径流。

（3）面蚀阶段：超渗径流的形成揭开了径流对坡面冲刷侵蚀的序幕。径流形成初期，水层薄，冲刷力弱，仅能搬运一些细小颗粒，之后随着径流量不断增大，径流的冲刷能力逐渐增强，同时受坡面水流的保护，雨滴对土颗粒的溅蚀作用逐渐消失。在径流形成发展过程中，坡面节理裂隙处的土体逐渐因吸水膨胀、抬升（泡胀），在坡面水流的冲刷携带下，不断有细小颗粒被水流剥落，形成不连续的斑点状小跌坎。之后，坡面水流流速逐渐增大，掏蚀坡面薄弱部位形成坡面缺损，并逐渐集中到这些部位中，径流的流动冲刷很快在其中形成下切沟头，每个跌坎经不断下切侵蚀后相互连接形成细沟。

（4）坍塌阶段：降雨继续进行，坡面水流集中流动于细沟内，在流动过程中不断切割、掏蚀沟岸和沟底土体，土体开始流滑、坍塌，使得细沟扩宽加深，侵蚀过程继续进行，最终导致坡面破坏。

3结论与建议

（1）从试验设备、试验材料和试验方案方面入手，量化了降雨冲刷黄土边坡室内试验的方案的各项参数。

（2）根据室内试验结果，将坡面冲刷过程分为：溅蚀阶段-浸润阶段-面蚀阶段-坍塌阶段四个阶段。

（3）溅蚀为降雨侵蚀的初期阶段，主要动力因素为雨滴动能和尚未形成径流的坡面水流，主要侵蚀形态为鳞片状和纹状沟纹；坡面径流的形成后，坡面出现串珠状，小侵蚀穴等形态，随着溯源侵蚀和平行细沟的出现，面蚀阶段正式开始；细沟的贯通、合并进一步加剧了坡面径流的汇集，最终导出坡面局部坍塌，进入坍塌阶段。

（4）通过室内试验观测了降雨作用下黄土边坡冲刷破坏发展的全过程，后续可对影响边坡冲刷破坏的各项因素进行定量分析，探究降雨作用下黄土边坡坡面冲刷破坏的关键因素，从而为黄土地区边坡坡面放冲刷设计和施工提供参考。

[[1]]唐克丽.中国水土保持[M].北京:科学出版社:2004..

[[2]]罗斌.路基边坡坡面冲刷研究.长安大学博士后研究报告.2002,2.

[[3]]吴谦,王常明,李同录,毛雪松.黄土边坡降雨冲刷试验及颗粒流模拟[J].长安大学学报(自然科学版),2017,37(06):1-8.

[[4]]姜义亮,郑粉莉,温磊磊,沈海鸥,易祎.降雨和汇流对黑土区坡面土壤侵蚀的影响试验研究[J].生态学报,2017,37(24):8207-8215.