细/粗二元结构边坡角度与岩性特征对其阻隔降雨入渗的影响规律

Effect of Angle and Lithology on Infiltrating to Fine/Coarse Dual⁃Structure Slope under Rainfall Condition

摘要

土质边坡在降雨条件下易形成滑坡灾害，采用表面硬化等传统方法防止降雨入渗边坡时，存在运行过程中表面开裂导致其防护功能失效的问题.从生态优先与长期有效性角度，采用上细/下粗的非饱和二元结构地层阻隔降雨入渗防护边坡.利用系列物理模型试验，研究降雨条件下不同边坡角度（10°、20°、30°和40°）与不同地层岩性特征（亚砂土/粗砂、亚砂土/砂砾、亚砂土/圆砾和亚砂土/角砾）对其阻隔降雨入渗的影响，并提出了细/粗二元结构地层抑制降雨入渗的综合阻隔能力的评估方法.结果表明：（1）采用亮蓝示踪剂可直接观测非饱和二元结构地层对降雨入渗边坡的阻隔过程.（2）二元结构的综合阻隔能力随粗粒层粒径和不均匀系数的增加而增强.（3）无降雨条件下，增加边坡角度能促进二元结构地层排水；在降雨条件下，亚砂土/砾砂二元结构粗粒层稳定排水强度和降雨入渗综合阻隔能力均随边坡角度呈先增加后减少的规律，建议最优边坡角度范围为25°~27°.研究成果对边坡稳定治理具有重要参考价值.

Abstract

The occurrence of landslide is mainly caused by rainfall. Traditional treatment methods, such as spraying concrete on the surface of landslide to inhibit the penetration of rainfall on soil slopes, will fail during long-term operation resulted from failures, leading to landslides. Therefore, considering the ecological function and the long-term effectiveness of the reclamation method, this paper adopts the dual⁃structure of unsaturated capillary barrier layer (CBL) with fine/coarse lithology to prevent rainfall from infiltrating into the soil slope. The effects of slope (10°, 20°, 30°, 40°) and lithological characteristics (sandy loam/coarse sand, sandy loam/gravel sand, sandy loam/pebble and sandy loam/breccia) on the infiltration of rainfall into the soil slope were investigated through a series of physical model tests. Furthermore, a new method is defined to evaluate the total capacity of the capillary barrier (CCB) of the fine/coarse bilayer. The research results show that: (1) The process of preventing rainfall from infiltrating the soil slope with brilliant blue FCF (C.I.42090) dye tracer can be observed visually. (2) CCBS increases with the increase of coarse particle diameter, which is also related to the shape of pores and coarse particles, that is, the drainage efficiency of breccia with the same particle composition is higher than that of boulders. (3) The larger the slope angle of the four types of CBLS soil, the higher the drainage speed of CBL after rainfall, and the stable drainage strength and the total barrier capacity of loam/gravel sand CBL with rainfall intensity of 4.73×10^-4 cm/s, could increase firstly and then decrease with the increased slope angles. It is suggested that the design slope of CBLS is 25°-27°, in order to achieve the optimal total barrier capacity. The results of this study have a certain reference value for future landslide control.

Graphical abstract

关键词

边坡 / 二元结构 / 非饱和渗流 / 降雨 / 入渗控制 / 灾害地质学.

Key words

slope / dual⁃structure / unsaturated seepage / rainfall / infiltrated control / disaster geology

0 引言

降雨是诱发边坡失稳的主要外部因素之一（唐辉明等，2022）.土质边坡在降雨‒蒸发作用下形成裂隙，加剧降雨入渗土壤深部，易导致边坡失稳（罗渝等，2014；孙畅等，2022）.我国对边坡的处置主要以除险加固等措施为主，边坡表面通常采用硬化等处置措施防止降雨入渗；但随时间表面硬化可能在边坡变形以及风化作用下形成了裂隙，导致降雨快速入渗边坡，防护措施效果减弱或失效.根据非饱和渗流理论，可采用上细下粗的二元边坡结构地层（简称非饱和边坡阻隔层，CBL）抑制降雨入渗边坡防护层，兼顾生态防护，从源头上解决边坡失稳的难题.理论上，对于CBL地层结构，当粗粒层吸力水头大于其临界值（粗、细粒层水力传导度相等时的土壤吸力值）时，细粒层导水能力明显大于粗粒层，因毛细力作用，抑制水分进入粗粒层，可有效阻止降雨入渗边坡（邓林恒等，2012；吴庆华等，2017a）.

Morii et al.（2020）和Rahardjo（2015）详细介绍了非饱和阻隔层在抑制降雨入渗减少垃圾场渗滤液形成和控制降雨入渗边坡防止诱发滑坡等方面的研究成果，认为采用非饱和阻隔层可从根源上解决降雨入渗边坡的问题，且具有生态友好的优势，是未来边坡防治与水生态文明建设相结合的重要方向之一.Tami et al.（2004）研究认为，不同降雨强度与持续时间条件下细/粗粒结构的阻渗效果主要受细粒层储水能力控制.Parent and Cabral（2006）采用数值模拟方法对阻隔层材料与厚度进行了优化，表明以砂为细粒层、砾石为粗粒层的阻隔层效果明显优于以脱墨副产品为细粒层、砂为粗粒层的结构.Krisdani et al.（2010）采用土工合成材料作为阻隔层的粗粒层，发现阻隔层厚度、材料性质及其补给速率对阻隔层效率影响最大.Aubertin et al. （2009）对阻隔层厚度、材料及水流特性进行了系列研究，认为增加细粒层厚度可有效抑制降雨入渗边坡，但其增加幅度有限.Rahardjo （2015）通过室内试验、数值模拟与现场监测等方法研究阻隔层的阻隔机理及其影响因素，认为细粒层与粗粒层进气值之比超过10时阻隔层才能有效抑制降雨入渗边坡，且细粒层黏粒含量过高会形成裂隙，影响阻隔效果.

焦卫国等（2020）利用物理模型试验和数值模拟方法研究了粉土‒粉砂‒碎石CBL阻隔降雨入渗，认为粉土层厚度及其渗透性是粉砂层导排水而不进入碎石层（导排）的主要影响因素，而粉砂层厚度对其影响不显著.在试验过程中92%的降雨形成了地面径流，尽管降雨入渗率低有益于控制降雨入渗边坡，但渗透性较差的粉土在长期运行过程中将出现干湿循环而形成裂隙导致降雨直接入渗土壤深部.因此，为了延长CBL的长期有效性，在粉土上覆盖了厚度为5 cm、适宜于植被生长的土壤层；试验结果表明增加植被层能明显延长其长期有效性（焦卫国等，2019）.

张家发等（2009）以南水北调膨胀土渠坡为案例，提出了兼有排水功能的双层结构防护方案，有效抑制降雨入渗，控制含水量变化，减少膨胀土边坡裂隙发育.在此基础上，吴庆华等（2017a， 2017b）开展了系列物理模型试验研究，结果表明CBL结构能有效抑制大暴雨‒特大暴雨级别的降雨入渗边坡土体，且细粒层初始含水量越低，储水能力越强，阻隔效果越好；粗粒层粒径越大、级配越差，降雨易从细粒层以优先流的方式进入粗粒层，使细/粗结构的防渗效果变差.与水平地层相比，边坡角度是CBL阻隔降雨入渗的主控因子.Chen et al.（2019，2020）、Qian et al. （2010）采用物理模型研究了不同边坡角度（3°~20°）条件下毛细阻隔降雨情况，结果表明边坡角度对三层毛细阻隔层影响显著，CBL地层结构的阻隔层效率随粗粒层厚度和边坡倾角增加而增强.Rahardjo et al. （2012）在坡度为33°~37°的陡边坡（高度8.0 m）上采用细砂‒花岗岩碎石阻碍强降雨入渗，通过土壤负压监测，验证了非饱和阻隔层能有效阻碍强降雨入渗.Morris and Stormont（1999）考虑采用耕植土壤作为细粒层，在细粒层与粗粒层之间增加一薄层地层以克服细粒层开裂的问题，利用10年气象数据模拟并验证了边坡角度（5°、10°和20°）对CBL地层结构阻隔效率影响明显.Rahardjo et al.（2018）认为细/粗毛细阻隔层对缓坡具有较好的阻隔效果，而对陡坡还需进一步深入研究.

综上所述，边坡角度、地层岩性结构、材料厚度等因素对CBL地层结构阻隔降雨入渗具有明显影响；而且边坡角度过高也会导致CBL地层自身失稳的问题（Gao et al.， 2022）.已有的研究中边坡角度范围相对较窄，不能客观反映边坡角度对CBL地层阻隔降雨效率的影响规律.同时，边坡角度对CBL地层结构阻隔效率的影响规律受CBL地层岩性结构特征、降雨强度及土壤初始含水量等众多因素的影响.为此，本文主要针对CBL地层岩性结构和边坡角度两个主控影响因素，开展了4类典型CBL地层（亚砂土/粗砂、亚砂土/砾砂、亚砂土/角砾和亚砂土/圆砾）、宽边坡角度范围（10°、20°、30°和40°）强降雨（对二元阻隔降雨入渗不利）条件下的物理模型试验.该研究成果将弥补目前对非饱和二元结构地层入渗机理认识的不足，可为现有边坡防治体系提供新思路，具有重要的理论与应用价值.

1 材料与方法

1.1　物理模型

试验装置结构见图1.试验模型装置主要由模型槽（长60 cm×宽30 cm×高30 cm）、降雨模拟器、供水系统、排水监测系统、角度调节装置等组成.模型槽材料为有机玻璃，厚度10 mm，可直接观测湿润峰迁移过程，且模型的下游侧为多孔板.降雨模拟器由降雨空腔和降雨支架两部分组成，材料为有机玻璃，尺寸为长80 cm×宽30 cm×高20 cm，采用0.5 mm的医用针头模拟降雨雨滴，各针头之间的间距为5 cm.通过控制降雨模拟器腔体内水位模拟所需的降雨强度.供水系统由水质过滤器、供水软管以及供水桶组成，通过自流的方式向降雨腔体持续供水.排水监测系统由模型下游侧面和模型底部渗水收集腔体组成，采用电子天平（量程500 g、精度0.1 g）与烧杯动态监测，监测频率根据排水情况确定，每5~30 min测量一次.角度调节装置安装于模型槽正下方，可根据试验需要调节角度0°~45°.

1.2　土样与模型填筑

1.2.1　土样

根据试验研究目的，所涉及的土壤为亚砂土、粗砂、砾砂、角砾、圆砾以及黏土，其颗粒级配及主要物理特征参数见表1，级配曲线见图2.

1.2.2　模型填筑

根据图2颗粒级配配置足量土样，土样填筑时，细粒土、粗粒土和边坡层的质量含水量分别为10%、3%和10%.将预处理的土壤分别按照表1中的干密度进行填充.将模型槽水平放置，依次从下至上、每 2 cm填筑边坡土、粗粒土及细粒土，其厚度分别为4 cm、5 cm和15 cm.为避免细粒层进入粗粒层，在粗粒层填筑完成后，第一层细粒层采用重力静压的方式填筑.为防止降雨对细粒层的击蚀影响，在细粒层上铺设厚度为2 cm的碎石层.模型填筑完成后，将模型表面与排水侧面均用保鲜膜包裹，防止水分蒸发.

1.3　试验方案

为模拟真实地层含水量条件下CBL地层结构对降雨的阻隔规律，在开展降雨试验前，对模型进行降雨强度为4.73×10^-4 cm/s、持续时间480 min的预降雨，使模型土体含水量达到稳定，获得了本次试验的土层初始含水量，即亚砂土、粗砂、砾砂、角砾、圆砾、黏土的初始含水量分别为10.66%~23.50%、8.57%~18.00%、3.00%~7.50%、2.07%~4.00%、2.41%~5.57%和 25.16%~29.79%.本试验主要针对亚砂土/粗砂、亚砂土/砾砂、亚砂土/角砾和亚砂土/圆砾CBL地层结构，开展不同边坡角度条件下 （10°~40°）的降雨入渗试验，降雨强度为4.73×10^-4 cm/s.根据自然边坡稳定角度以及试验填筑，确定了二元结构的稳定边坡角度最大值为40°.共开展10次降雨模拟试验，试验方案见表2. 同时，采用浓度为1 g/L亮蓝示踪剂对亚砂土/砾砂与亚砂土/角砾地层组合的降雨入渗过程进行示踪，观测降雨入渗CBL过程.

2 试验结果与讨论

2.1　降雨入渗规律

2.1.1　亚砂土/砾砂二元结构降雨入渗示踪

为了克服采用固定式针头模拟降雨可能带来对细粒层持续的冲刷形成的物理形态破坏以及形成的不均匀降雨，则在细粒层表面铺设了一层厚2~3 cm、直径1~3 cm的碎石.在降雨强度为4.73×10^-4 cm/s、边坡角度为30°（F2⁃3）条件下，t=45 min时，湿润峰在细粒层中以活塞式均匀流入渗至5.0 cm深度.总体上，从边坡坡顶向坡脚方向，染色示踪湿润峰垂直在细粒层中的迁移距离逐渐增加，如在t= 120 min时，在边坡坡脚处，湿润峰垂向迁移距离为14 cm，而在边坡中间和坡顶则垂向迁移距离为 10 cm和7.5 cm.在t=140 min，在坡脚粗粒层中出现了亮蓝染色溶液，染色结果显示降雨尚未突破细粒层与粗粒层界面，所观测的排水为细粒层末端沿排水板进入粗粒层所致，且持续至210 min；当t>210 min时，由于细粒层与粗粒层界面土壤含水量逐渐增加，使得土壤基质吸力水头小于其临界值，部分降雨进入粗粒层.因此，0~210 min从粗粒层排泄的水量实际上是从细粒层排出，210 min从粗粒层排出水量包括从细粒层和粗粒层共同排出的水量.由于本文仅对方案F4⁃2和F2⁃3开展了染色示踪试验，其他方案难以通过肉眼识别降雨突破粗粒层的时刻，则在本文中以粗粒层排出的水量作为CBL的整体排水量.随着降雨持续进行，粗粒层从坡脚向坡顶方向不断被染色，但在t=510 min时，粗粒层染色区域不再向坡顶方向迁移（迁移至距离坡脚40 cm），直至降雨结束时t=660 min，染色区域无明显增加.表明从坡顶向坡脚方向20 cm范围内，亚砂土/砾砂二元结构对特大暴雨（11 h，持续降雨187.3 mm）具有完全的阻隔能力，对20~ 60 cm范围内的降雨入渗具有显著的阻隔效应.

2.1.2　亚砂土/角砂二元结构降雨入渗示踪

与亚砂土/砾砂一样，降雨强度为4.73×10^-4 cm/s，边坡角度为30°.图3为典型时刻亚砂土/角砾二元结构阻隔降雨入渗示踪过程.从图中可知，由于采用医用针头降雨模式导致在开始阶段细粒层0~5 cm深度范围内形成几个孤立的入渗区域，且在t=120 min以后，入渗区域变成一个整体，湿润峰在细粒层中以活塞式均匀流入渗至8~ 11 cm深度.在整体入渗区域形成之前，可清楚观察到孤立的入渗区域的入渗以铅直方向和沿边坡方向为主，这种现象也出现在亚砂土/砾砂染色示踪入渗试验过程中，这主要是由于具有一定角度的边坡改变了降雨在细粒层表面入渗强度，即沿边坡倾斜方向的入渗强度有一定的增强，且这种增强程度与边坡角度密切相关，表明边坡角度对降雨入渗细粒层具有显著影响.在t=120~210 min，能明显观测到降雨在细粒层中主要以平行于边坡方向迁移，表明亚砂土/角砾组合地层对降雨入渗具有明显的阻隔作用.随着降雨入渗，直到t=300 min，染色降雨才运移至亚砂土/角砾界面.部分降雨穿过此界面入渗粗粒层，并在粗粒层中迅速排泄.

根据图3，在210 min以后才观察到有染色水体进入粗粒层，但粗粒层排水速率增加幅度并不高，即由40.44 cm³/min（t=210 min）增加至43.63 cm³/min （t=600 min），增加幅度为7.89%；92.11%的排水量是从细粒层末端渗出，实际上突破细/粗界面而进入粗粒层的水量不到10%，表明边坡角度为30°的亚砂土/角砾CBL能有效阻隔强度为4.73×10^-4 cm/s的降雨入渗边坡.试验结束后，采样观察显示黏土层未被染色，表明该组合地层对抑制降雨入渗效果明显.

2.2　粗粒层岩性特征对CBL排水效果分析

图4为边坡角度30°、降雨强度4.73×10^-4 cm/s条件下，4种不同岩性的二元结构地层对降雨入渗阻隔边坡效果.从图4可知，CBL排水随时间变化可分为3个阶段：①粗粒层岩性未对降雨入渗产生影响阶段，在降雨入渗初期（0~75 min），降雨快速入渗细粒层，4种CBL的排水速率基本相同，且随时间呈直线显著增加；表明粗粒层岩性结构尚未对降雨入渗过程产生明显影响.②粗粒层岩性对降雨入渗产生明显影响阶段，降雨入渗至细粒层与粗粒层界面时，受到粗粒层和降雨入渗的影响，CBL的排水速率缓慢增加至相对稳定期，且达到稳定的时间随粗粒层平均粒径增加而增加（粗砂、砾砂、圆砾和角砾分别为210 min、330 min、390 min和510 min）.在此过程中，细粒层与粗粒层界面的细粒层含水量从坡脚向坡顶逐渐增加，土壤基质吸力逐渐降低，依次达到粗粒层中部分孔隙临界水头值（直径由大到小），突破CBL阻隔而进入粗粒层.土壤不均匀性系数越高，其孔隙粒径范围越大，使角砾达到稳定排水时间最长.③粗粒层岩性对降雨入渗影响稳定阶段，在较长时间降雨入渗过程中，细粒层渗流场均已达到稳定，从细粒层/粗粒层界面突破的孔隙范围也不再增加，则CBL总排水速率（细粒层+粗粒层）达到最终稳定.

从图4可知，总体上，亚砂土/粗砂、亚砂土/砾砂、亚砂土/圆砾和亚砂土/角砾的稳定排水速率分别为42.78 cm³/min、48.13 cm³/min、47.62 cm³/min和50.07 cm³/min，随颗粒粒径或孔隙直径越大而增加.同时，降雨停止后粗粒层持续排水时间分别为825 min、1 290 min、2 040 min和2 130 min，表明二元结构粗粒层岩性特征（颗粒级配和孔隙特征，如不均匀系数）对CBL排水能力及特征具有显著影响.

细/粗二元结构地层对降雨入渗的阻隔效果与粗粒层排水量、粗粒层与防护边坡黏土层相对渗透系数有关，可用公式（1）表示：

\eta =\frac{Q_{\mathrm{c}}}{Q_{\mathrm{p}}}\bullet \mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}\frac{K_{\mathrm{c}}}{K_{\mathrm{b}}},（1）

式中\eta为二元结构降雨入渗综合阻隔能力；Q_{\mathrm{c}}为单次降雨粗粒层累积排水总量，cm³；Q_{\mathrm{p}}为单次降雨总量，cm³；K_{\mathrm{c}}和K_{\mathrm{b}}分别为粗粒层和边坡防护黏土层的饱和渗透系数，cm/s.Q_c/Q_p表征粗粒层的综合排水能力，但降雨在粗粒层中沿粗粒层/黏土层界面快速排泄时，存在入渗边坡的风险，可通过K_{\mathrm{c}}/K_{\mathrm{b}}表征水分从粗粒层/黏土层界面入渗边坡地层的特性.

表3为边坡角度为30°、4种不同岩性的二元结构地层阻隔降雨入渗边坡的情况.从表中可知，CBL综合能力随颗粒粒径变大而增加，随粗粒层不均匀系数（或粗粒层与细粒层不均匀系数之比）增加而增加，且呈显著线性相关（图5），其主要形成机理为：土壤颗粒不均匀系数可综合表征颗粒形态及孔隙分布特征，即粗粒层不均匀系数越大，土层中孔隙大小分布范围越广，能阻隔细粒层中不同孔隙入渗粗粒层的孔隙越多，但其具体阻隔能力由细粒层/粗粒层接触面/带的孔隙分布特征控制（细粒层与粗粒层孔隙大小分布可能存在一定的重叠，即粗粒层中可能也存在小于细粒层中的大孔隙，则细粒层与粗粒层孔隙接触时，当细粒层孔隙直径小于粗粒层孔隙时，水分难以入渗粗粒层；当细粒层孔隙直径大于粗粒层孔隙时，水分易入渗粗粒层）.

2.3　边坡角度对CBL排水效果分析

2.3.1　无降雨条件下边坡角度对CBL排水的影响

边坡角度为20°的降雨试验结束后，粗粒层不再排水.在无降雨的条件下，通过角度调整装置，将亚砂土/粗砂、亚砂土/角砾和亚砂土/圆砾地层组合的边坡角度由20°增加至30°时以及将亚砂土/砾砂地层组合的边坡角度由10°增加至40°时，均发现粗粒层持续排水，表明：增加边坡角度能明显促进其排水，其主要原因为增加边坡角度，改变了CBL土层中水分的受力条件，水分在土壤颗粒介质表面向下的滑动力增加，使一部分处于失稳状态的水分持续向坡脚方向运动即形成排水.

图6为无降雨条件下增加边坡角度（20°增至30°）时CBL排水随时间的变化情况.从图中可知，在无降雨条件下，当边坡角度增加后，粗粒层在1 min内开始迅速排水，表明边坡角度对其排水与储水能力具有显著敏感性，亚砂土/粗砂、亚砂土/砾砂、亚砂土/圆砾和亚砂土/角砾累积排水量分别为462.1 mL、 1 444.3 mL、331.4 mL和202.7 mL，分别占上一次降雨总量的1.88%、5.89%、1.27%和0.78%，且各CBL的排水规律不同.粒径相对较小的亚砂土/粗砂和亚砂土/砾砂，降雨停止后其排水速率分别在15 min和5 min内达到最大值 5.43 cm³/min和64.85 cm³/min，然后随时间呈幂指数下降，其关系式分别为：v_{\mathrm{d}}=\mathrm{466.8}{t}^{-\mathrm{1.345}},R=\mathrm{0.966};v_{\mathrm{d}}=\mathrm{880.25}{t}^{-\mathrm{1.314}},R=\mathrm{0.989}.其中v_{\mathrm{d}}为粗粒层排水速率，cm³/min；t为排水时间，min；R为相关系数.粒径相对较大的亚砂土/角砾和亚砂土/圆砾，排水速率均在较短时间内达到最大值后迅速降低、升高，但第二升高时的最大值尚未超过第一个峰值，然后随时间持续下降，且呈三次方多项式关系，其关系式分别为：v_{\mathrm{d}}=-\mathrm{4}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{4}}{t}^{\mathrm{3}}+\mathrm{1}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{6}}{t}^{\mathrm{2}}-\mathrm{0.0019}t+\mathrm{0.9128},R=\mathrm{0.997};v_{\mathrm{d}}=-\mathrm{3}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{9}}{t}^{\mathrm{3}}+\mathrm{6}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{6}}{t}^{\mathrm{2}}-\mathrm{0.0037}t+\mathrm{0.9212},R=\mathrm{0.998}.

从图6可知，无降雨条件下，边坡角度由20°增加至30°时，粒径相对较小的亚砂土/粗砂和亚砂土/砾砂的排水速率衰减幅度明显大于亚砂土/角砾和亚砂土/圆砾结构，即亚砂土/粗砂、亚砂土/砾砂、亚砂土/角砾和亚砂土/圆砾的粗粒层排水速率，从最大值衰减至其10%时所需要的时间分别为250 min、44 min、690 min和930 min.导致上述排水差异的主要原因为粗砂与砾砂粒径较小，其孔隙特征与圆砾和角砾明显不同.

2.3.2　降雨条件下边坡角度对CBL排水的影响

在相同初始含水量及降雨强度、不同边坡角度和岩性组合条件下，分析上细/下粗组合地层的降雨入渗与排水控制特征.当边坡倾角由20°增加至30°时，亚砂土/粗砂和亚砂土/砾砂的初始排水时间延迟3 min，而对于粗粒层颗粒较大的角砾和圆砾组合，其初始排水时间相同；表明总体上，边坡角度对初始排水时间无明显影响.

边坡角度为20°、降雨强度为4.73×10^-4 cm/s，不同二元结构的综合阻隔能力评价情况见表4. 对比表3可知，粗粒层为粗砂、砾砂、圆砾和角砾的二元结构地层，增加边坡角度时其综合阻隔能力均增加，但增幅不明显，分别为2.41%、2.45%、0.38%和0.75%，这可能是由于角度增幅较小对CBL阻隔能力的影响有限.

当边坡倾角由20°增加至30°时，亚砂土/粗砂、亚砂土/砾砂、亚砂土/圆砾和亚砂土/角砾地层，降雨停止后，二元结构地层排水时间分别增加83.3%、65.4%、74.4%和26.8%，对亚砂土/角砾组合地层增加幅度明显小于其他组合，这可能与粗颗粒的形态有关；亚砂土/粗砂、亚砂土/砾砂和亚砂土/圆砾地层稳定排水强度没有明显变化，增幅介于-1.34%~1.45%，而亚砂土/角砾岩性组合的稳定排水强度由46.44 cm³/min增加至50.07 cm³/min，增加幅度为7.82%.

为进一步揭示边坡角度对上细/下粗二元结构地层降雨阻隔的影响，针对亚砂土/砂砾组合开展了不同角度（10°、20°、30°和40°）、降雨强度4.73×10^-4 cm/s等条件下的降雨试验.图7为不同边坡角度的亚砂土/砂砾结构粗粒层排水效果.从图中可知，在t=0~90 min内，粗粒层排水速率迅速增加至降雨强度的70%，这表明在降雨初始阶段边坡角度对粗粒层排水影响不明显.t=90~ 180 min范围内，粗粒层排水速率缓慢增加至最大值达到稳定排水状态，即边坡角度为10°、20°、30°和40°的粗粒层稳定排水占降雨的百分比分别为87.50%、92.87%、94.22%和86.09%，表明粗粒层稳定排水强度随边坡角度呈先增加后减少的趋势（图8）.经过拟合计算，当边坡角度为25.5°时其粗粒层排水速率缓慢增加至最大值，粗粒层稳定排水占降雨的百分比达94.60%.

根据公式（1）评估边坡角度从10°增加至40°时亚砂土/砂砾二元结构对降雨入渗的综合阻隔能力，评价结果见表5. 从表中可知，亚砂土/砂砾二元结构地层对降雨的综合阻隔能力随边坡角度呈先增加后减少的趋势.经过拟合计算，在边坡角度为25.7°时其综合阻隔效率达到最大.

边坡角度过大，使一部分降雨以地表径流的形式排泄（但本试验过程中所有方案均未出现地表径流现象），入渗细粒层的降雨减小.同时，边坡角度增加也会使进入粗粒层的水分在边坡下端形成高含水量或饱和带，增加水分入渗边坡防护层的风险，如F2⁃4的边坡底部渗水量占降雨量的0.07%，根据公式（1）其CBL综合阻隔能力最小.同时，地表出现径流可能形成水土流失以及边坡角度过大其自身稳定性也存在问题.因此，在CBL结构设计时，应同时考虑边坡角度、细粒层入渗能力及其与粗粒层的渗流阻隔耦合关系等方面.

综上所述，从粗粒层稳定排水效率、综合阻隔能力以及边坡稳定性等角度，建议采用25°~27°边坡角度的二元阻隔地层（亚砂土/砾砂），使其阻隔降雨（4.73×10^-4 cm/s，特大暴雨）入渗防护边坡的效果最佳.

3 结论

本文采用非饱和渗流理论，从生态优先与边坡防护长期有效性角度提出了细/粗二元结构地层阻隔降雨入渗防护边坡的思路.针对影响二元结构阻隔降雨入渗的边坡角度和粗粒层岩性特征等主控因子，开展了系列物理模型试验研究，得到以下几点结论：

（1）提出了细/粗二元结构地层抑制降雨入渗的综合阻隔效果评估方法，量化了二元结构地层与边坡角度对其综合阻隔效果的影响.

（2）粗粒层岩性特征对二元结构阻隔降雨入渗的特征影响显著.二元结构综合阻隔能力随粗粒层不均匀性系数增加而增强.

（3）边坡角度对二元结构持水能力影响显著.在降雨结束粗粒层停止排水后，增加边坡角度促进粗粒层再次排水，其排水速率呈先增加后缓慢降低的规律，且其变化特征与粗粒层岩性密切相关.

（4）边坡角度对亚砂土/砂砾二元结构地层阻隔降雨入渗的特征影响显著.粗粒层稳定排水强度和降雨入渗综合阻隔能力均随边坡角度呈先增加后减少的规律，建议亚砂土/砾砂二元结构地层的最优阻隔特大暴雨（4.73× 10^-4 cm/s）入渗防护边坡的角度为25°~27°.

（5）建议进一步开展不同降雨强度、不同模型尺寸条件下二元结构阻隔降雨入渗规律及其长期有效性等方面的研究，为该方法应用于边坡防护工程实施提供科学依据.

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基金资助

国家自然科学基金项目(42072282)

中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2023360/YT)