雨滴溅蚀下压实黄土变形破坏规律研究

周春梅，王 宇，吕 雷，张静波，邵 伟，赵梦霄

(1.武汉工程大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430073；2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056；3.南京信息工程大学水文与水资源工程学院，江苏 南京 210044)

黄土主要分布于我国西北及华北地区，以黄河中游发育最好。近年来，公路、铁路工程不断向该区域延伸和发展，由于工程建设的需要，出现大量裸露、无防护状态的高填方边坡。在反复降雨冲刷作用下，其坡面极易被侵蚀，坡体易造成局部破坏，使得整体稳定性受到影响。由此黄土地区其黄土填料的合理评价与利用问题日益突出。已有研究表明，虽然单个雨滴的体积微不足道，但是它的冲击力却不可忽视。代明侠等[1]研究发现雨滴降落到地面的最大速度可以达到9 m/s，直径为5 mm的雨滴落在湿土上，可使土粒溅起高度达75 cm，土粒的移动范围可达到1.2～1.5 m。暴雨条件下雨滴持续击打裸露地表，能使土体分散、破裂和溅起，从而破坏土体结构[2]。王兴奎等[3]研究黄土丘陵沟壑区的产流产沙时发现雨滴溅蚀单独作用下的含沙量可高达200 kg/m3。卢佳等[4]对山坡土体侵蚀特性的研究表明，雨水冲击对土体侵蚀的贡献为78.3%～95.2%。Kinnel[5]对非黏性沙土的雨滴击溅试验结果显示，随薄层水流深度的增加，泥沙剥蚀量逐渐减小。Gabet等[6]认为，坡面径流的产生与溅蚀关系显著，对侵蚀产沙有较大限制作用。郑腾辉等[7]针对雨滴击溅与薄层水流混合侵蚀过程输沙机理的研究，认为单雨滴击溅时，泥沙溅蚀量随水层厚度的增加而减少，且雨滴直径越大其扰动水层厚度越大。马闫等[8]等通过研究压实黄土的压缩特性探明：高压实度下的黄土具有结构性，且结构强度随含水率的增大而减小。吴凯等[9]通过分析不同干密度下压实黄土的微观结构认为，随着土体干密度的增大，其孔隙分布越趋于均匀，整体力学性质越稳定。尹武君等[10]等通过人工模拟单雨滴试验发现土体密实度与土体溅蚀量呈负相关，雨滴直径与土体溅蚀量呈正相关。

已有的研究成果大多集中在溅蚀量的变化上，土体的侵蚀破坏情况没有进一步分析。本文通过人工模拟单雨滴溅蚀试验，控制土体在不同压实度、不同雨滴速率两种条件下，观测试件表面溅蚀坑深度随溅蚀时间的变化趋势，研究压实黄土在溅蚀过程中的破坏规律，为黄土高填边坡水毁病害的防治提供治理依据。

1 单雨滴溅蚀试验室内模拟

1.1 试样材料

试验土样取自三门峡至淅川高速公路豫晋省界至灵宝段K4+800处，为地表以下8 m深处土样，取土处地层岩性为上更新统(Q3)马兰黄土，灰黄色、黄色钙质粉土为主，有大孔隙，直立性较好，垂直节理发育，手搓之易成粉末。取代表性土样，筛除试料中大于40 mm的颗粒，对已过筛的试料采用4分法分成6份，分别加入适量的水，闷料1 d后对填料进行重型击实试验，得到最大干密度，最优含水率。其基本物理性质如表1所示，颗粒级配曲线如图1所示。

表1 土样基本物理性质

图1 土体颗粒分布曲线Fig.1 Distribution curve of soil particle

1.2 试验装置设计

试验采用自行设计的常水头单雨滴模拟器(图2)。主体管构采用PVC管(管径Φ25)、注射器针管(模拟单粒雨滴)、激光测距仪、摄像机、透明玻璃罩、长1.5 m软管、计时器等。

试验原理：通过软管向PVC管主体结构供水，使管中水位上升至溢水口，余水从溢水口排出。使得管中水位保持不变，并通过调水阀来调节水流速度，以之控制雨滴击溅速率。溅蚀坑深度和面积的测试方法为：(1)先用激光测距仪测定测距仪离试件表面的高度H1，待某一溅蚀时间段完成后，盖上止水套，旋钮测距仪支架，使测距仪灯束对准溅蚀坑底部，测量测距仪距溅蚀坑底部的距离Hi，则该时刻溅蚀坑的深度ΔH=Hi-H1。然后放一片尺寸为10 mm×10 mm的方形薄片作为标尺物放置在土样溅蚀坑旁，采用摄像机对土样进行拍照。完成后通过Photoshop图形处理软件对方形薄片边长进行3次测距取其平均值得到L1，再对溅蚀坑直径进行3次测距取其平均值得到φ1，那么溅蚀坑的真实孔径φ=φ1×10 mm/L1。

图2 常水头雨滴模拟器整体原理图Fig.2 Schematic diagram of the raindrop simulator under the constant water head

1.3 试验方案

影响雨滴溅蚀的因素是多方面的，大致可分为两类[11]：一是地表因子，如土体类别、地表压实度，二是动能因子，如雨滴直径、雨滴落速等。本试验中，动能因子选取雨滴滴落速率为试验变量，地表因子选取压实度为试验变量。乔勇虎等[12]研究发现，就一定雨强来说，局部地区短阵型雨型(1 h左右)比大面积的普通雨型更易引起土壤侵蚀，即短阵型降雨的侵蚀力更大。效文娟等[13]通过分析豫西地区2006—2012年暴雨(24 h降雨量≥50 mm)的37个例子发现：豫西山区典型区域山洪灾害临界降雨量为97.3～108.5 mm/d。但在强降雨集中时间段内，1～3 h降雨量均在阈值的3倍以上，6 h降雨量也在阈值的2～3倍间。基于此，本文以108.5 mm /d为24 h降雨量峰值，通过雨滴体积换算等，确定溅蚀速率为30滴/min较为接近，24 h降雨强度为105.6 mm。分别以120滴/min、60滴/min代表1 h和6 h的降雨峰值，以此考虑极端降雨条件下雨滴的溅蚀作用。

本次试验选取雨滴速率和压实度为主要影响因素，开展单雨滴溅蚀试验，溅蚀过程控制在1 h，具体方案如下：

(1)为研究土体压实度对土体溅蚀破坏程度的影响，试验在已知最佳含水率下(表1)，用标准重型击实仪分别制作了5种压实度状态的土样，分别为80%，85%，90%，93%，96%。标准重型击实仪试件规格，直径15.2 cm，高12 cm，每种压实度的土样各3个。

(2)通过调节水阀，控制雨滴滴落速率。设计雨滴落速为30滴/min、60滴/min、120滴/min进行溅蚀试验，分析不同溅蚀速率下试件破坏形态。

(3)将制作好的试件放置在支架上，取下雨滴口止水套，试滴1～2滴，左右移动支架使得雨滴正好落在试件中央。之后取下止水套，同时启动秒表。试验溅蚀过程中间隔时间按1 min，1 min，2 min，2 min，3 min，3 min，3 min，5 min，5 min，5 min，10 min，10 min，10 min(共60 min)进行溅蚀坑量测，通过摄像机实时拍摄溅蚀坑的变化，用激光测距仪测量溅蚀坑的深度。试验方案如表2。

表2 雨滴溅蚀试验方案

2 试验现象

按试验方案分别对5种压实度进行溅蚀试验，随着溅蚀时间的增加，雨滴对于黄土路堤的破坏也愈加严重。

溅蚀过程大致可分为3个阶段：(1)在试验初期(0～25 min)，雨滴以较大动能直接击打干燥试件表面，破坏土体结构，形成松散、细小土颗粒。击溅过程中一部分雨水被试件吸收，一部分四处飞溅同时带走松散微粒。雨滴的持续击打，在溅蚀坑的边侧产生侧压力使其周围的土粒剥落飞溅[14]，表现为溅蚀坑深度随时间逐渐增大；(2)表层土体接近饱和(25～40 min)，表层土体吸水膨胀，由测量结果发现该阶段溅蚀坑深度增速明显放缓；(3)表层土体完全饱和阶段(40～60 min)，溅蚀坑内积聚薄水层，深度达到最大，并趋于稳定。在雨滴的持续击打下，四周土璧开始膨胀并微微隆起，伴随着周围土体的剥落并回流至底部，坑洞深度开始呈现下降趋势。以压实度93%为例，在速率x=60滴/min时其溅蚀破坏过程如图3所示(图中T为累积溅蚀时间)。

3 试验结果分析

3.1 土体压实度与溅蚀破坏程度的关系

由试验测得数据绘制溅蚀坑深度随时间变化的关系曲线如图4所示。由图4可知，在40 min左右溅蚀坑深度趋于稳定，溅蚀坑深度接近最大值。而且随着压实度的增大其溅蚀坑深度曲线所能达到的最大深度明显减小。

图4 溅蚀速率x=60滴/min的深度-时间曲线Fig.4 Curve of depth and time at the rate of 60 drops per minute

已有研究人员[15～16]发现土体压实度对雨滴溅蚀影响较大，表现为土体团粒性质越好，团聚体稳定性越高，对雨滴击溅的抵抗力更强。图5为不同含水量对应的c-s，φ-s关系曲线，由图5可知，随着压实度的增加，黏聚力、内摩擦角均随之增加。反映出随着压实度的增大，土体对雨滴击溅的抵抗力更强；在相同压实度下，随着含水率的增加黏聚力、内摩擦角均随之减小，表明持续击溅作用下土体强度逐渐下降，土体耐溅蚀性变弱。

图5 黏聚力和内摩擦角随压实度的变化Fig.5 Variation of the cohesion and internal friction angle with compactness

3组雨滴速率下试件出现的最大孔深随压实度的变化规律如图6所示，在相同溅蚀速率下，随着压实度的增加，最大孔深呈逐渐减小趋势，如当雨滴速率x=60滴/min时，随着压实度的增大，最大孔深从20 mm减少至12 mm。故土体结构对本身耐溅蚀性影响显著，适当地增加土体的压实度(≥90%)，保持原有结构尽量不被破坏，对提高土体耐溅蚀性效果显著。

图6 最大孔深-压实度关系曲线Fig.6 Relationship of the maximum hole depth and compactness

3.2 击溅速率与溅蚀破坏程度的关系

土体溅蚀破坏的程度与雨水入渗状态密切相关，其入渗过程包括两个阶段：供水控制和土体入渗率控制。(1)在入渗初期(ti(t)，此时积水条件下的入渗率即为i(t)，如图7中bc所示，超过入渗率的供水则形成积水，该阶段由土体渗透能力控制，主要表现为有压入渗。由此可知实际入渗过程为abc，而积水对入渗状态影响较大，故应分情况考虑。

图7 入渗率曲线与不同供水强度下的入渗过程Fig.7 Infiltration rate and infiltration process under different water supply intensity

3.2.1薄层积水对溅蚀深度的影响

当击溅速率较大时，上层土体在短时间内达到饱和，雨水无法完全下渗。以x=120滴/min为例，该工况下供水强度如图7中R1所示，积水点会提前至t1(20 min)，此后溅蚀坑内开始集聚薄水层，进入有压入渗阶段。

由图8可知，该组试件在20 min左右溅蚀坑深度即开始呈下降趋，尹武君等[17]通过研究地表水层厚度对雨滴击溅侵蚀的影响，发现随着土体表面水层厚度的增加，土体溅蚀量呈现逐渐递减的趋势。其原因是：(1)水层厚度越深，雨滴用于波动的能量越多，即水层有保护表土减缓雨滴击打的作用。当水层厚度与雨滴直径之比值大于3时，雨滴击溅土表层的能量将趋于零[18]。因此试件表面开始积水时，雨滴击溅产生的动能被薄水层所耗散，其深度趋向稳定。(2)在40 min以后坑内薄水层在雨滴的持续扰动下含土量迅速增大，悬浮微粒在下渗过程中堵塞土体结构孔隙，土体饱和渗透性降低，最终在坑内积水持续拍打下的侧向压力下，洞璧土体剥蚀滑落直至发生蹋孔，进而阻碍了溅蚀坑的深层发育，其深度显著变浅。

图8 溅蚀速率x=120滴/min的深度-时间曲线Fig.8 Curve of depth with time at the rate of 120 drops per minute

3.2.2无积水时溅蚀深度变化情况

当击溅速率较小时，以x=30滴/min为例，该工况下供水强度如图7中R2所示，积水点会延后至t2(大于1 h)，此时测得溅蚀坑深度变化如图9所示。

图9 溅蚀速率x=30滴/min的深度-时间曲线Fig.9 Curve of depth with time at the rate of 30 drops per minute

由图9可知，当溅蚀速率x=30滴/min时，该组试件直至60 min仍未有明显下降趋势，溅蚀坑仍在进一步发育。其原因主要是：该工况下溅蚀速率较小，由于供水强度不足，表层土体在试验时间(1 h)内无法达到饱和，雨水在该阶段始终处于无压入渗状态，坑内基本无积水，导致雨滴持续掏蚀坑洞底部土体，使得深度随时间逐渐增加。该过程可看作：雨滴击溅成坑→雨水下渗→二次溅蚀，如此反复作用下，其深度逐渐增大，溅蚀坑得以进一步发育。

由图10可知，在试验结束时溅蚀坑深度并非随着溅蚀速率的增加而变大。当溅蚀速率x=120滴/min时，溅蚀坑最终深度为3～12 mm，属于土体表层破坏；而当x=30滴/min时其深度在12～20 mm，且仍有增长趋势。该结果表明，裸露黄土坡面若无有效防雨水措施，在二次溅蚀作用下，溅蚀坑会逐渐向土体深部发育，足以破坏路基稳定性。

图10 试验结束时孔深-速率关系曲线Fig.10 Curve of bore depth vs splash erosion rates at the end of test

4 结论

(1)单雨滴溅蚀作用下，溅蚀坑深度变化主要有三个阶段：土体饱和前，坑洞深度随时间线性增大；临界饱和时，深度、孔径趋于不变，此时达到最大深度；完全饱和后，表层土体膨胀且发生塌孔，溅蚀坑深度变浅。

(2)土体压实度、含水率对本身耐溅蚀性影响很大。含水率与土体耐溅蚀性成负相关；压实度与土体耐溅蚀性成正相关，适当提高土体压实度，可显著提高土颗粒间的黏聚力，增强土体耐溅蚀性。

(3)溅蚀坑内积聚薄水层时，薄层水流阻碍了溅蚀坑的发育，土体发生浅层破坏；溅蚀坑内无薄层水流时，溅蚀过程可看作：雨滴击溅成坑→雨水下渗→二次溅蚀，如此反复作用，二次溅蚀可诱发土体深层破坏，对裸露坡面工程影响更大。