不同降雨强度下宁夏六盘山阴湿地区粉质黏土-泥岩公路边坡降雨入渗规律

景 升 王 芳 张继周

（1、宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021 2、宁夏公路勘察设计院，宁夏 银川 750001）

1 概述

宁夏六盘山地属黄土高原，夏季雨多且集中，全年热短寒长，谓之六盘山阴湿环境区。据统计，2018年宁夏滑坡占地质灾害比重最大为32%；固原（含研究区）隐患点978个，占比52.7%。区域内尤其粉质黏土-泥岩边坡天然时近极限平衡态，降雨入渗易蠕动滑塌，是重点防治滑坡类型。因此，降雨入渗规律是研究坡体稳定的关键一环。

目前，降雨入渗基于两方面，一是对入渗模型的研究改进。MallaRi[1]对比分析HoRton、GReen-Ampt适用性；Wang[2]基于GReen-Ampt模型引入质量守恒定律；Yao[3]提出SGA模型评估降雨入渗；童龙云[4]基于GReen-Ampt模型推导适用于三峡库区边坡降雨入渗模型等，均拓展模型适用性。二是采用降雨模拟监测。A.G.Li[5]观测雨前后香港某残积土边坡，李维朝[6]监测深圳某填土滑坡，王智磊[7]监测浙江官家村滑坡，詹良通[8]监测枣阳某非饱和膨胀土边坡，Tu等[9]针对黄土高原某路堑边坡，丁勇[10]监测山西中南某黄土边坡，刘海松[11]观测关中地区某路堑边坡，各边坡降雨入渗规律共性相似，但也因地制宜，有所差异。

为解释宁夏六盘山阴湿地区粉质黏土-泥岩公路边坡降雨入渗规律，本文通过资料分析，基于HydRus1-D软件研究降雨入渗规律。

2 滑坡边坡特征分析

由表1知，各滑坡破坏共性特征强：上粉质黏土多3-6米，下泥岩多6-12米；岩性界面倾角与坡角近一致，多10°-25°；滑面多处粉质黏土、泥岩接触带。勘察显示：各滑坡地下水位多近岩性接触带，且近坡脚处多水头出露。

表1 区域几处典型滑坡特征表

3 降雨入渗数值模拟

3.1 参数选取与模型建立

参数取值基于泾源县泾河源镇涝池村某粉质黏土-泥岩公路边坡试样；上粉质黏土褐灰色，可塑软塑状，土质较不均；下泥岩泥质层状，透水性差。材质参数：粉质黏土渗透系数Ks=6.00 E-07m/s，泥岩渗透系数Ks=9.30 E-10m/s。

由前节分析，建立模型（图1）：上粉质黏土6米，下泥岩6米，坡体及岩性面倾角20°，地下水位6m。模型水力参数模型取VG-Mualem模型；边界条件取大气边界可产生径流。

图1 初始计算模型

3.2 结果分析

基于降雨资料，取历史五天典型降雨资料（表2）为降雨入渗条件（表2），降雨时间最大为10天，即240小时进行分析。

表2 降雨强度取值

由图2可知，各降雨强度R下坡表体积含水量随时间延长而增大；以粉质黏土Ks为界（降雨强度2.54 e-003m/h约为粉质黏土Ks为2.16 e-003m/h，下同），当R大于Ks时，坡表含水量短时快速饱和；当R小于Ks时，坡表含水量随降雨强度R增大接近饱和，大雨强时快速饱和，较小雨强时甚至难以饱和。对降雨强度R大于、小于Ks情况分类讨论如下：

图2 降雨强度与坡体表层土体含水量关系图

R大于Ks时，由图3（a）可知，各降雨强度R对应积水点t-j前，坡表含水量短时快速升至9成饱和含水量，后减速趋近饱和；之后保持饱和含水量不变。由图3(b)可知，坡表入渗率变化由积水点t-j、二类临界点t-2b划分三段，即：前段呈常函数；中段呈非线性递减函数；后段近似常函数i-t=2mm/h，各对应三阶段入渗过程，即非饱和无压入渗、积水入渗过渡、饱和积水入渗段，与文献规律吻合[12]。

图3 R大于Ks时坡表入渗特征

R小于Ks时，由图4可知，各雨强下坡表含水量随时间非线性快速增大，并逐渐趋稳。以含水量趋于粉质黏土θ-fs为一类临界点t-1b，坡表含水量变化分两段，前段呈幂函数快速增长；后段保持稳定含水量近似线性变化；各对应两阶段入渗过程，即无压入渗过渡，稳定无压入渗段，与文献规律吻合[12]。

图4 小于Ks时坡体表层土体积含水量-降雨持时关系图

由图5可知，锋面深度随时间增加而增加；当R大于Ks时，锋面深度Zf受降雨强度R影响极小；当R小于Ks时，锋面深度Zf与降雨强度R呈正相关增减。对降雨强度R大于、小于Ks情况分类讨论如下：R大于Ks时，由图3-6（a）可知，锋面深度Zf变化由积水点t-j、二类临界点t-2b控制，随降雨强度R增大，达控制点深度所需时间越短；由图6（b）所示，多雨强锋面深度变化由积水点t-j、二类临界点2b连线划分三段，依次呈幂函数快速增长、三次函数减速增长、线性匀速增长段。由图6（c）可知，积水点t-j连线呈幂函数变化；二类临界点t-2b连线则近似常函数（稳定1.6 米附近）。如图7所示，积水点t-j、二类临界点t-2b对应时间随降雨强度R分别呈幂函数、二次多项式函数变化。

图5 降雨强度与湿润峰入渗深度关系图

图6 R大于Ks时湿润峰入渗深度-降雨持时关系图

图7 R大于Ks时临界点时间-降雨强度关系图

R小于Ks时，锋面深度Zf变化由一类临界点t-1b控制；多雨强锋面深度变化由一类临界点t-1b连线划分两段，依次呈三次函数增长、线性匀速增长段，一类临界点t-1b连线呈线性函数。由图8可知，一类临界点t-1b对应时间随降雨强度呈幂函数变化。

图8 R小于Ks时湿润峰入渗深度-降雨持时关系图

4 结论

本文基于HydRus1-D模拟分析不同降雨强度下宁夏六盘山阴湿地区粉质黏土-泥岩公路边坡降雨入渗影响规律，结论如下：

4.1 坡体表层土体积含水量变化规律：以粉质黏土Ks为界，当降雨强度R小于Ks时，含水量变化由临界点t-1b分幂函数快速增长，常函数趋于稳定两段，对应无压入渗过渡、稳定无压入渗降雨过程；当降雨强度R大于Ks时，降雨过程由积水点t-j和二类临界点t-2b分非饱和无压入渗、积水入渗过渡、饱和积水入渗三段。降雨强度越大，降雨达临界点处时间更短。

4.2 湿润峰入渗深度变化规律：以粉质黏土Ks为界，当降雨强度R小于Ks时，入渗深度随时间变化由临界点t-1b分三次函数、线性两段；一类临界点t-1b对应深度随时间呈线性函数，对应时间随降雨强度呈幂函数。反之，当降雨强度R大于Ks时，入渗深度随时间变化由积水点t-j和二类临界点t-2b分幂函数、三次函数、线性三段。积水点t-j、二类临界点t-2b对应深度随时间各呈幂函数、近似常函数，稳定在1.6 m处；对应时间随降雨强度各呈幂函数、二次多项式函数。据上述关系模型，据“插值法”可对各雨强不同时间入渗深度计算预测。