降雨作用下粉土-细砂互层状土质边坡的侵蚀变形特征

Erosion Deformation Characteristics of Silt-Fine Sand Interbedded Soil Slope under Rainfall

摘要

新疆温宿县卡坡是受河流冲击形成的高陡边坡，极易受强降雨的影响，侵蚀破坏灾害、水土流失等问题十分突出，该地区气候干燥，边坡土壤又具有水敏性和湿陷性的显著特点，导致当地防治工作难度极大．为高效、有针对性开展边坡防治工作，本文通过降雨物理模拟试验，深入探索降雨作用下该地区边坡（粉土-细砂互层状土质）表面侵蚀变形特征．结果表明，降雨量和边坡土体性质是坡面侵蚀破坏的主要因素．随着降雨时长的增加，边坡雨水入渗速度呈先增加后减小的趋势，由于降雨入渗边坡逐渐达到饱和状态，抗侵蚀能力减弱，表面破坏程度逐渐加深；砂层比土层的雨水渗透性好，且粗砂能抵抗雨滴降落产生的喷溅侵蚀，抗侵蚀能力较强，侵蚀破坏从砂层下部的土层开始．故该地区边坡坡面受土质及降雨入渗因素影响，呈现坡面侵蚀-局部破坏-坡中部破坏-坡顶破坏的后退式破坏模式．

Abstract

Kapo in Wensu County, Xinjiang of China, is a high and steep slope formed by fluvial deposition. Highly susceptible to heavy rainfall, it faces prominent erosion hazards and soil loss. Combined with the region’s arid climate and the slope soil’s significant water sensitivity and collapsibility, local slope prevention and control is extremely challenging. To conduct efficient, targeted slope management, this study uses physical rainfall simulation tests to explore surface erosion and deformation characteristics of the area’s interbedded silt-fine sand slopes under rainfall. Results show that rainfall volume and soil properties are the primary drivers of slope erosion. As rainfall duration increases, the slope’s rainwater infiltration rate first rises then declines. Gradually saturated by infiltration, the slope’s erosion resistance weakens, and surface damage intensifies. The sand layer has better permeability than the soil layer; coarse sand also mitigates raindrop-induced splash erosion, which has stronger erosion resistance, erosion initiates in the soil layer beneath the sand layer. Thus, influenced by soil properties and rainfall infiltration, slopes in this region exhibit a retrogressive failure mode: surface erosion, local damage, mid-slope failure, top-slope failure.

Graphical abstract

关键词

粉土-细砂互层状 / 土质边坡 / 边坡侵蚀 / 水土流失

Key words

silt-fine sand interbedded / soil slope / slope erosion / soil erosion

0 引 言

边坡侵蚀主要受降雨强度^［1］、土壤颗粒粒度、坡度等因素影响．温宿县城北部、东部在库马里克河侵蚀作用下，边坡前缘切割严重，坡度近乎直立，顶部垂直节理、裂隙及落水洞发育，边坡特征显著，加之雨水长期的冲刷作用，造成部分土体脱离坡体发生侵蚀崩塌，不稳定边坡严重威胁居民生命和财产安全．

国内外学者针对边坡侵蚀的影响因素及形成机理进行了深入研究^［2‒4］，认为影响边坡侵蚀的因素包括气候、环境、土壤特性、边坡坡形及降雨强度等．刘新宇等^［5］对温宿县卡坡土质进行研究，分析其形成机理及失稳模式，认为卡坡独特的气候和地貌环境加速区域土壤侵蚀，破坏边坡稳定性；隗晓琪等^［6］发现不同坡形会改变坡面土壤侵蚀强度及其空间分布，随着细沟增大，边坡坡面侵蚀空间分布变化不显著；Liu等^［7］发现土壤颗粒越大，冲沟侵蚀破坏幅度越小，侵蚀崩塌越轻；苏远逸等^［8］通过研究冻土坡面与非冻土坡面侵蚀变形差异，发现土壤冻结后其初始产流产沙时间缩短，随雨水径流增加坡面侵蚀加剧；董辉等^［9］发现细颗粒土迁移受级配和水力梯度影响；Zhang等^［10］发现土体性质的逐渐变化导致土体强度衰减，对孔隙水压力引起的土体破坏有重要贡献；Sari等^［11］发现降雨时长和降雨强度是影响边坡稳定性的因素．

学者们对边坡侵蚀形成机理的研究取得了诸多成果．Li等^［12］发现节理、裂隙促进土体侵蚀变形发生，周明辉等^［13］发现不同颗粒土体的渗流侵蚀形态在时间上呈增长趋势，Di等^［14］发现土体竖向裂缝边界的稳定性及含裂隙非饱和土质边坡更易受侵蚀影响，冯晴枫等^［15］通过渗流-颗粒耦合的三维数值模型研究土体内部侵蚀过程及渗流侵蚀破坏机理．Kanule等^［16］通过室内试验研究体积含水量、孔隙水含量、位移与砂壤土质边坡破坏之间的关系；Chang等^［17］通过室内模拟黄土边坡的破坏模式试验，揭示裂隙对边坡破坏起重要作用；Ma等^［18］通过人工降雨模拟试验，发现花岗岩风化物中粗粒土在小强度降雨条件下有较强的促渗能力，但蓄水能力较差，随着降雨强度增加，径流增加，水土流失严重．刘冉等^［19］、徐振剑等^［20］基于室内人工模拟降雨试验，利用三维激光扫描技术研究不同坡度及不同降雨强度下黄土边坡径流侵蚀变化规律与沉积过程特征；Guo等^［21］基于近景摄影测量技术，准确分析降雨条件下的土壤侵蚀演变过程；李朋飞等^［22］应用三维激光扫描技术获取高精度地形信息，监测土壤侵蚀过程的产沙量及沉积变化特征．

综上，学者们对于花岗岩残积土、黄土边坡侵蚀机理、影响因素研究较多，但对于类似温宿县卡坡近水平粉土-细砂互层状土质边坡研究较少．故本文利用自动降雨模拟设备及三维激光扫描仪，通过室内模型箱试验，定量分析边坡降雨入渗速率、边坡的破坏演化过程及表面形态特征，研究降雨条件下土质边坡表面侵蚀破坏特征，为当地边坡灾害预防及治理提供参考．

1 研究区地质环境概况

研究区位于中国新疆维吾尔自治区阿克苏地区温宿县城北部，温宿县是东北部科克亚尔河与西南部库马里克河共同作用下形成的高地，属于托木尔峰南麓山前河流冲积平原地貌，总体地形较为平坦．由于库马里克河不断侵蚀科克亚尔河冲积平原的边缘，导致两河冲积平原的交界处形成长达十余公里的高陡边坡，当地称为“卡坡”．卡坡整体平面形态呈倒“L”形（图1），总面积约20.26 km²，地形由北向南逐渐变低，坡降在7‰左右．地层岩性以粉土层为主，夹细砂、砾砂薄层，呈双层结构或多层结构，具有复杂的河流沉积韵律特征．卡坡在暴雨及后期科克亚尔河洪水侵蚀作用下，坡面形成众多垂直坡体走向的冲沟（图1），多数分布在卡坡北部平原区，冲沟长度从几百米至数千米不等．研究区属温带大陆性气候，干旱少雨，最高气温达40.9 ℃，根据采样点雨量计监测数据（图2），降雨多为短时强降雨，最大日降雨量为69.1 mm，在强降雨情况下，雨水入渗慢，在地表汇聚成径流，冲蚀土质边坡，形成侵蚀冲沟．

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验用土采集于温宿县卡坡北部的边坡侵蚀严重区，此处边坡垂向上粉土层夹砂层韵律清晰．取样深度设为1 m，为测得研究区土壤物理力学参数，在室内进行一系列岩土指标测试，结果如表1所示．

2.2 试验设备

土质边坡侵蚀试验中使用的设备由试验模型箱、自动降雨模拟系统及三维激光扫描仪等组成（图3）．模型箱侧壁由透明钢化玻璃制成，玻璃外侧镶有方格网，可观察边坡模型侧面雨水入渗过程及侵蚀变形特征．自动降雨模拟系统由增压机、水箱、水管、喷头及降雨控制仪组成，喷头设置在模型箱上方，可均匀生成雨滴（图4）．通过降雨控制仪调节降雨强度，雨滴从顶部渗入土体模型．三维激光扫描仪可高精度扫描边坡侵蚀形态，能很好捕捉和记录边坡变形．试验过程中，动态扫描坡面得到不同侵蚀阶段三维激光扫描数据，经智能化处理，精确获得边坡形变云图．降雨控制仪采用NLJY-10型，为其配备1.5 mm、3.2 mm、5.0 mm喷头，雨滴直径介于0.3~6.0 mm，通过自动调节球阀调节雨强，以确保降雨区域无盲点且满足试验需求．将计算得到的研究区降雨强度直接输入降雨控制仪自带的控制面板，启动加压水泵即可出水，通过调节雨强模拟小雨、中雨、大雨等不同雨型并进行监测．

2.3 试验方案

卡坡顶部平台范围分布广，边坡坡度近80°，边坡长度达数公里，边坡上冲沟侵蚀机理类似，本文从二维角度进行研究，搭建边坡模型．根据研究区剖面图（图5（a）），实际采样点边坡高度为25 m，相似比为50，模型缩小相应的比例进行设计^［22］，概化出土质边坡模型各粉土层和细砂层的厚度（图5（b））．

试验边坡模型尺寸：侧底边长99 cm，侧顶边长90 cm，高为50 cm，宽为80 cm．为减小试验土与天然土的性质差异，保证土质边坡模型的含水率、密度与现场一致，搭建模型前先在土样中加入适量水进行混合，达到预定含水率，土样密度通过搭建模型过程中的压实程度来控制．为避免土体模型边界约束的影响，在模型箱内壁涂抹凡士林，以减小侧壁与试验土质边坡之间的摩擦，然后在模型箱底部铺一层细砂，使水分均匀渗透到土壤中；为确保模型土体结构相对均匀、连续，每铺5 cm厚度的土壤压实一次，在下一层土壤铺设前，将其表面轻轻刨毛．模型静置2天后开展试验，静置期间覆盖塑料薄膜，减少水分蒸发．

根据前人研究^［23］，在相同降雨量和边坡形态下，受降雨高度有限等影响，自动降雨模拟系统试验所测结果不足实际土壤侵蚀量的一半．研究区最大日降雨量为69.1 mm，致使区内高陡边坡发生侵蚀破坏．依据相似比求得每日降雨量为1.38 mm，降雨强度为10 mm/h，为使试验降雨侵蚀能力与天然降雨相当，将模型的降雨量增加1倍，每日降雨量为2.76 mm，降雨持续时间为17 min，试验至边坡侵蚀坍塌结束，记录降雨过程中动态侵蚀特征，最终共进行12次降雨循环试验．

3 试验结果分析

3.1 边坡降雨入渗特征

通过模型箱玻璃侧壁观察土质边坡不同降雨期间湿润锋的入渗位置，探讨湿润锋的迁移特征．通过侧面玻璃观察雨水入渗速率，雨水入渗的湿润锋总体平行于坡顶面向下迁移（图6）．

降雨入渗初期，土体表层土颗粒排列紧密，颗粒间的孔隙小，表层土壤吸水膨胀，形成一层致密层，堵塞雨水下渗；土体表面粗颗粒土能有效抵抗雨滴喷溅，雨水入渗阻力大，下渗速度慢，表层土壤含水率低，随着雨水入渗深度增加，边坡表层致密层逐渐消失，第1天入渗1 cm，第2天入渗5 cm，第3天入渗13 cm．雨滴在重力作用下向下入渗，使土体内部颗粒间的孔隙增大，表层含水率增加，接近饱和状态，表层土颗粒间黏聚力降低，发生水平位移，同时由于降雨循环，边坡表面处于干湿交替状态，促进裂缝生成、土体破碎，此时土体表面出现许多张拉裂缝，为雨水入渗提供有利的渗流通道，入渗速度增加，第4天入渗24 cm，第5天入渗35 cm，第6天入渗44 cm．后期随雨水入渗增加，土体上部含水率达到饱和状态，雨水继续向下入渗，水滴携带裂缝边缘细小土颗粒向下迁移而发生潜蚀，裂缝继续向下扩展，其形态慢慢发生变化，上部变宽，裂缝依然为雨水入渗的优势通道．由于土体表面含水率达到饱和状态，在表面形成一层致密层，雨水大部分通过坡面径流流走，入渗量减少，第7天模型全部渗透（50 cm），降雨入渗总体呈先逐渐增加而后减慢的趋势．雨水入渗深度和入渗速率与裂缝的发育程度有关，裂缝越发育、长度越长、宽度越宽、深度越深，雨水入渗深度越大，影响的入渗范围越广．

3.2 边坡侵蚀破坏演化过程及形态特征

根据边坡侵蚀演化过程（图7），可直观观察其表面变形破坏特征，边坡表面侵蚀破坏为雨滴冲击侵蚀-坡面面流侵蚀-径流侵蚀-破坏，将整个试验变形过程分为初始变形阶段、均匀变形阶段、加速变形阶段．

（1）初始变形阶段．试验进行第1天至第4天，雨滴降落撞击边坡表面，边坡开始处于欠饱和状态，雨水全部入渗，润湿边坡表面，随降雨量增加，边坡表面基本达到饱和状态，在表面形成一层致密层，雨水在坡顶形成汇水面，随表面汇聚雨水增多，又形成薄层面流顺边坡向下流．由于雨水入渗表层土体含水率达到饱和状态，土颗粒间的黏聚力降低，在自身重力作用下随水滴向下运移，边坡出现很多微裂缝，为雨水下渗提供优势通道，此时坡面侵蚀以面流侵蚀为主，对坡面的冲刷破坏力较弱，带走边坡表面松散的粉土和细颗粒砂，留下水流侵蚀初始痕迹，边坡整体形态保持不变．

（2）均匀变形阶段．试验进行第5天至第9天，边坡侵蚀力从坡面面流逐渐转变为径流，在面流侵蚀、溯源侵蚀、下切侵蚀和侧壁扩张侵蚀的共同作用下，侵蚀能力增强，边坡中部表面开始发生明显侵蚀变化，冲沟发育且向深部发展，坡顶面及边坡中部出现微裂缝并持续向深处和两侧扩张．边坡侵蚀破坏形态自下向上扩展，由于砂层渗透性强且能有效抵抗水流侵蚀，粉土具有水敏性，达到饱和状态后抗剪强度降低，在重力和雨水径流侵蚀作用下发生运移，第5天第1层砂层下缘出现侵蚀破坏现象，第6天第1层砂层下缘侵蚀范围增大、深度加深，开始出现临空面，侵蚀向上层粉土层扩展，第2层砂层下缘开始出现侵蚀破坏现象．边坡中部遭受侵蚀破坏的程度最大，最下部细砂层未发生变化，最上部粉土层有零星侵蚀坑出现．

（3）加速变形阶段．试验进行第10天至第12天，坡面侵蚀变形以溯源侵蚀、下切侵蚀及侧壁扩张侵蚀为主．边坡中部和顶部发育许多裂缝，对加速边坡变形破坏起重要作用，边坡侵蚀开始向坡顶延伸，面积扩大，冲沟数量增多；坡顶面裂缝加深、加宽、加长，为雨水入渗提供优势通道．雨水携带裂缝边界细颗粒土继续向土体内部入渗，发生潜蚀作用，使裂缝上部变宽、下部形成细小的渗流通道．由于坡面被雨水侵蚀形成的临空面继续向深部掏蚀，裂缝与临空面连接，形成落水洞，少量雨水持续从落水洞渗出，使落水洞逐渐增大，成为雨水排泄的有利通道．与落水洞相连的裂缝在坡顶的形态不断变化，裂缝宽度逐渐增大，形成深沟，其两侧土体由于失稳不断掉入裂缝，随雨水流进落水洞，在临空面处排出，于坡底沉积．第10天第1层砂层上部和第2层砂层下部形成的临空面逐渐增大，冲沟向土体内部和坡顶侵蚀加深拓宽；第12天随临空面持续增大，在自身重力下发生崩塌，边坡表面侵蚀严重．

边坡侵蚀变形程度随时间增加逐渐严重，边坡侵蚀破坏范围逐渐扩大，深度加深，侵蚀冲沟数量增加，临空面增大，上方土体最终在重力作用下崩落．

3.3 不同阶段边坡表面变形云图特征

利用三维激光扫描仪获得边坡不同侵蚀破坏阶段的高分辨率扫描数据，基于LiDAR360软件对边坡侵蚀变形和破坏特征进行定量处理，得到边坡不同侵蚀阶段特征三维扫描云图（图8）．坡面整体侵蚀状态为边坡中部侵蚀破坏最严重，仅在坡底有沉积现象，坡面侵蚀程度由坡顶到坡底呈先增强后减弱的趋势，且侵蚀强弱的空间分布区域可明显划分．云图能定量统计侵蚀冲沟及临空面的数量、侵蚀破坏的范围．侵蚀程度强的区域云图呈较多明显的暗色块，边坡侵蚀深度越大，云图中色块的颜色越深，两个暗色块间的距离标志着一条侵蚀冲沟的破坏范围．

根据变形破坏特征，降雨作用下近水平粉土-细砂互层状土质边坡坡面侵蚀演变呈明显的阶段性，基于侵蚀方式的不同，边坡表面侵蚀过程可分为坡面侵蚀、局部破坏、坡中部破坏、坡顶破坏4个阶段．坡面侵蚀阶段（第1天至第4天），此阶段坡面变形缓慢，由于粉土具有湿陷性，随雨水入渗，边坡表面发生变形，引起少许差异沉降，从三维扫描云图上观察不到形变量（图8（a））；局部破坏阶段（第5天至第6天），边坡局部土层颗粒随雨水流走，从三维扫描云图上清晰可见椭圆形破坏凹坑（图8（b）），凹坑上部深下部浅，说明上部侵蚀强度大于下部，凹坑上部侵蚀流走的土颗粒少量在下部堆积；坡中部破坏阶段（第7天至第8天），水流流速加快，坡面侵蚀增加，此时边坡中部土体开始大面积剥离，三维扫描云图显示边坡中部大面积凹陷（图8（c）），上部侵蚀破坏变形量大于下部，形成临空面；坡顶破坏阶段（第9天至第12天），坡面侵蚀变形加强，从三维扫描云图上清晰观察到边坡中部及顶部变形严重（图8（d）），坡顶面及边坡中部侵蚀冲沟深度及数量明显，第12天临空面上部土体在自身重力作用下坍塌（图8（e））．土质边坡表面侵蚀破坏整体为后退式破坏模式，即从边坡中部向坡顶逐渐破坏．

4 防治启示及结论

4.1 防治启示

试验揭示的降雨入渗规律、侵蚀演化阶段及后退式破坏模式，可为温宿县卡坡地区近水平粉土-细砂互层状土质边坡的侵蚀防治提供直接依据与针对性指导．鉴于边坡侵蚀由中部启动、向上扩展并以裂缝发育和潜蚀作用为关键诱因，实际工程中可优先对边坡中上部进行源头控渗与表层防护，通过封闭坡面、及时填充张拉裂缝等方式阻断雨水优势入渗通道，减弱粉土层遇水软化、强度降低带来的结构性损伤．同时，针对边坡中部侵蚀最强烈、冲沟发育最集中的特点，可结合坡面排水与局部加固措施，削弱径流下切与溯源掏蚀作用，避免临空面持续扩展引发的上部土体崩塌．结合本文提出的侵蚀阶段量化指标，还可在现场采用长期坡面监测手段，实现从早期微裂缝、局部凹坑到集中冲沟发育的全过程识别，在边坡进入加速变形前采取干预措施，从而实现分区、分级、全过程的精准防控，提升边坡侵蚀治理的针对性与长效性．

4.2 结 论

（1）研究区近水平粉土-细砂互层状土质边坡随雨水入渗湿润锋整体形态为近似水平线，雨水入渗速率总体呈先增加后减小的趋势，试验进行到第7天时，整个边坡土壤全部润湿．

（2）边坡坡面侵蚀变形自土壤颗粒脱离原位，经雨水径流迁移，至重力作用下发生沉积是一个连续的过程，可分为初始变形阶段、均匀变形阶段、加速变形阶段．

（3）边坡表面的变形破坏过程依次为坡面侵蚀-局部破坏-坡中部破坏-坡顶破坏，呈现由边坡中部逐步向上扩展至坡顶的后退式破坏模式．

（4）裂缝发育程度是控制雨水入渗速率与侵蚀强度的关键因素，张拉裂缝与潜蚀作用共同促进临空面形成与扩展，最终引发上部土体崩塌，是互层状土质边坡降雨侵蚀失稳的重要机理．

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新疆维吾尔自治区重点研发项目“新疆重大地质灾害监测预警与防治技术示范”(2021B03004)