0 引言

边坡失稳破坏常常造成巨大的生命和财产损失。自20世纪80年代以来，我国大陆发生的大型灾害性边坡失稳约50%为强降雨直接触发^[1]，降雨强度是控制滑坡失稳的重要参数^[2]。地质灾害调查也表明，降雨是西北黄土高原边坡失稳的重要诱因^[3]，而边坡开裂变形是降雨诱发黄土边坡失稳的重要特征之一。因此，开展强降雨条件下黄土边坡开裂破坏研究具有重要的理论意义与工程价值。

在边坡的降雨入渗及边坡变形响应等方面：Tu等^[4]通过开展人工降雨试验分析得到在120 mm/d的强降雨条件下降雨入渗深度范围为2.0~2.5 m；陈兴岗等^[5]采取现场监测方式研究了降雨对路堑边坡的影响，研究表明边坡的变形与土体含水量的增大具有一致性；武彩萍等^[6]开展了室内黄土裸坡降雨试验，研究结果表明坡面形态经历了“片蚀-沟蚀-沟间坡面面蚀及侧蚀”的发展过程；常晓军等^[7]依据滑坡监测数据分析了降雨诱发滑坡的滑动速率与降雨量关系，得到滑坡下部滑动速率存在明显滞后的结论。

在降雨诱发边坡失稳特征方面：林鸿州等^[8]开展的土质边坡降雨模型试验和詹良通等^[9]开展的人工模拟降雨原位综合监测试验均得出高雨强下边坡较易产生流滑破坏。而长历时低雨强较易引发规模较大的滑动型破坏的结论；郑光等^[10]基于滑坡现场调查资料对滑坡的基本特征和成灾原因进行了深入分析，结果表明强降雨条件下侧向先滑区对主滑区大规模失稳破坏具有推动作用。

此外，在降雨裂缝特征及形成机制等方面：蒋泽锋等^[11-12]研究认为在边坡稳定性分析中坡顶竖向裂缝深度存在临界值；刘博等^[13]研究了持续降雨条件下裂隙黄土边坡的变形破坏，研究结果表明裂隙发育和降雨入渗是导致黄土坡体形成上陡下缓滑动面的主要因素；刘华磊等^[14]分析认为地表横向径流以及边坡临空条件是造成边坡降雨裂缝的主要原因；张我华等^[15]基于降雨裂缝对边坡软弱夹层刚度的侵蚀损伤作用建立了边坡失稳尖点突变理论模型，分析结果表明裂缝等内外参数的非线性突变现象可能预示灾变的发生。

以上研究成果表明，降雨入渗改变了坡体渗流场及变形场，进而极大地削弱了边坡的稳定性，而且近几年来边坡降雨开裂也得到研究人员的重视。但是，以上研究多集中于地质滑坡中缓坡的各项参数响应分析，并未开展引发边坡开裂的现场降雨试验及裂缝发育过程和开裂特征的研究，从而难以全面准确地理解强降雨对黄土边坡的不利影响。而且黄土高原广泛存在陡峭的边坡，其在强降雨条件下的裂缝形成及失稳破坏机制有待进一步探索研究。因此，本研究针对陕北地区黄土陡坡开展了现场人工模拟强降雨试验，分析了边坡响应及土工布隔离槽的工程效应，总结了边坡开裂特征及开裂模式，为黄土高原陡坡稳定性分析提供参考。

1 试验场地条件 1.1 试验场地选址及基本物性参数

本次现场试验选址位于延安市吴起县，属陕北黄土高原梁状丘陵沟壑区，绝大部分地表为厚层黄土覆盖。吴起县属半干旱温带大陆性季风气候区，雨量偏小，多年平均降水量为478.3 mm，降水量年际变化较大且年内分配极不均衡(图 1)。

测试边坡位于山顶处，坡顶及坡面平整但杂草较密。为了更加准确地模拟强降雨条件对裸露边坡渗流等方面的影响，开展试验之前将场地表层的杂草及根系全部清理干净，清理厚度约30 cm，边坡清理前、后见图 2。

在坡顶和坡面竖直钻孔探测发现，边坡地层出露为第四系晚更新统马兰黄土，棕黄色，结构疏松，土体颗粒粒径较大，含细粒砂，手搓滑腻感强，浸水呈湿陷性，坡体4.5 m深处有少量粒径小于2 cm的钙质结核块体。埋深5 m处的含水率为12.1%，表明地下水位远低于坡脚。测试边坡土体的基本物性参数如表 1所示。另外，在标准压力200 kPa下测得场地土样湿陷系数为0.114，为强湿陷性黄土。

1.2 降雨边界处理

人工模拟降雨现场试验一般在有限范围实施，这往往会导致人工降雨边坡的渗流和力学响应等与自然降雨不同，主要表现为：其一，人工降雨侧向边界附近的水分入渗产生侧向渗透散失，导致入渗数据失真；其二，降雨物理边界范围内、外的土体变形不协调，导致降雨范围外基本未变形边坡对降雨范围内的入渗变形区域形成钳制和拖曳作用，最终使得边坡整体变形失真。因此，人工模拟降雨范围的有限性导致侧向边界土体渗透和钳制约束作用，对边坡的安全与稳定影响不容忽视。为了准确模拟降雨区与临近非降雨区土体不发生水交换的侧向约束条件，在现场试验中采用具有不透水性且降阻作用良好的土工布作为边坡侧向边界的处理材料，采取在边坡侧向边界处开挖宽0.15 m、深5 m的隔离槽并埋设双层土工布的方法^[16]实现边界条件，主要工序包括人工修坡、开挖隔离槽、铺设土工布、回填密实等(图 3)。

2 降雨方案设计及测试设备布置 2.1 降雨方案设计

考虑试验地区汛期降雨强度大且持时较长的特点，本研究对试验场地坡顶长5 m、宽2.5 m、坡高5 m的两个边坡进行削坡处理，形成坡比为1:0.5(坡度为63°)的陡峭测试边坡，分别实施模拟24 h中雨和144 h大雨降雨试验。根据当地7-8月份的平均降雨量并参照降雨强度等级规定设计了降雨方案(表 2)。

2.2 测试设备布置

边坡内部土压力变化是表征坡体稳定性的重要参数之一。在进行现场降雨试验时，为了监测降雨过程中边坡不同深度处的竖向土压力变化情况，在坡面及坡脚不同部位(埋深均为0.25 m)共埋设了4个土压力盒，均采取受力面向上的水平放置方式，并且回填密实。为了准确测定陡坡在强降雨作用下的含水率变化，在坡顶、坡面及坡脚部位共埋设了6个土壤水分传感器。中雨和大雨雨强下测试设备布置情况分别见图 4、5。

为了实现准确高效地降雨条件，课题组自行研发了一套由供水模块(水箱、潜水泵、电机)、控制模块(分流器、稳压阀、压力表)以及喷水模块(便携式带锚支架、扇形喷头)等组成的人工模拟降雨装置系统。降雨系统及降雨现场如图 6所示。试验前对雾化喷头进行了标定(图 7)，标定结果显示降雨均匀性达85%，满足现场试验要求。

3 试验结果分析 3.1 24 h中雨边坡体积含水率及土压力响应分析

测试边坡在24 h中雨雨强下的体积含水率变化(图 8)。由图 8可知，埋深20 cm的W₃、W₄及W₅的体积含水率在降雨6 h左右相继快速增大，埋深40 cm的W₂和W₆的体积含水率在降雨至13 h左右逐步开始增大，而最大埋深点W₁直到降雨结束后的2 h左右才发生微弱变化，说明在中雨雨强下水分很快入渗至20 cm处，而随着入渗深度的增大，入渗速率逐步降低，最终入渗深度约60 cm。从体积含水率的峰值可以看出，浅埋各测点的最大含水率为20%左右，未达到饱和状态。另外，对比坡顶、坡面和坡底的3个测试点可以看出，坡顶入渗速率最高，坡面和坡底次之。

从图 9的24h中雨雨强下边坡土压力变化曲线可以看出：降雨初期土压力无变化，降雨至10 h左右各测点土压力陆续开始变化，降雨结束时各测点土压力增幅均稳定在1.3 kPa左右，表明随着水分的持续入渗，土的重度逐渐增大，这种动态加荷直至降雨结束才完成，对边坡的稳定性产生了不利影响；其次，除了坡面产生径流后位于坡脚水平段的P₄土压力才开始发生变化外，其他测点的土压力起始变化时间及变化幅值均相差不大，说明边坡相同埋深而不同位置的土压力变化规律相同。另外，降雨结束后所有测点土压力均减小，这可能与水分的继续下渗和表面蒸发有关。

综合以上分析可知，24 h中雨条件下测试边坡表层土体未达到饱和状态且土压力变化较小，边坡整体呈稳定状态。

3.2 144 h大雨边坡体积含水率及土压力响应分析

测试边坡在144 h大雨雨强下的边坡体积含水率(图 10)，这一变化规律与24 h中雨相似。另外还可看出：大雨条件下浅层测点W₃在大雨持续到30 h左右、W₄及W₅在大雨持续到50 h左右、埋深90 cm的W₁和埋深80 cm的W₆在大雨持续到80 h左右体积含水率均达到约35%的临近饱和状态，而降雨结束后各测点含水率均有不同程度降低，说明在强降雨条件下的降雨总量一旦达到边坡表层土体的临界饱水量，便在坡体表面迅速形成临近饱和区，降雨完成后边坡内的水分多向渗透散失作用明显，临近饱和区逐步消除；埋深60 cm的W₂体积含水率变化起始时刻较埋深30 cm的W₃延后了10 h左右，而埋深90 cm的W₁比W₂延后了18 h左右，进一步说明随着深度的增大，水分入渗的速率大大降低。

从图 11的144 h大雨雨强下边坡土压力变化曲线可以看出：降雨边坡的土压力变化幅值为4~5 kPa，坡面测点的土压力变化稍大于坡脚测点；降雨5 h左右坡面测点P₁、P₂及P₃的土压力集中快速增大，表明浅层土体饱和前雨强越大水分入渗的速率越高，从而边坡浅层土压力的变化越剧烈；在降雨持续至11 h左右时布设于坡脚水平段测点P₄的土压力也开始迅速增长，说明大雨条件下在降雨早期已形成坡面径流，并导致坡底土体应力发生变化；各测点土压力的增长过程曲线表现为先快后缓的规律，尤其在降雨50 h之后，土压力的增长速度趋于稳定，表明此时的雨水入渗速率较低。此外，测试边坡的地下水位远低于5 m，而人工模拟降雨的入渗影响深度明显位于地下水位以上，可见在强降雨过程中边坡表层形成的临近饱和区以及边坡表面的暂态水荷载对土体应力的变化具有较大贡献。

综合以上分析可知，测试边坡在144 h大雨条件下水分入渗深度达1 m以上且形成表层临近饱和区，加之水分入渗造成的土体力学性能大幅度降低，最终使得边坡表层局部达到极限平衡状态，导致失稳破坏。

4 边坡开裂及隔离槽效应分析 4.1 边坡开裂特征分析

在24 h中雨条件下，测试边坡表面发生了轻微剥皮流泥现象，边坡未产生其他破坏。而大雨降雨持续到44 h时，边坡表面的流泥和冲沟现象已较为明显，坡肩右侧形成冲沟破坏，同时坡腰形成浅坑；当降雨到85 h时，距离坡肩30 cm左右的坡顶表面出现多条不规则裂纹，宽约1 mm，深度小于2 mm，长度为10~30 cm；随着降雨持续到115 h左右，不规则裂纹发展成一条从左侧距坡肩35 cm处坡顶至右侧坡肩边缘的水平贯穿裂隙，宽约4 mm; 累计降雨量达125 h时，测得坡肩左侧开裂深度25 cm，中部深35 cm、右侧深15 cm，裂隙宽1~2cm，同时观测到沿坡面距离坡顶146 cm的坡腰处发生明显鼓胀现象，并且平行于鼓胀区下缘分布着多条横向微裂纹；144h持续大雨结束时，随着坡顶裂隙已剧烈发育为深56 cm、宽5 cm的深大裂缝，同时开裂部位两侧已形成2 cm的沉降差，坡腰鼓胀更加明显，被裂缝分割形成的坡肩及鼓胀土体下滑趋势明显(图 12)。

根据降雨过程中测得的边坡开裂宽度结果，绘制了坡顶裂缝开裂宽度随降雨时间的变化曲线(图 13)。可见，坡顶起裂后并非均匀发育，呈现先缓后快的变化特征。经分析，在边坡开裂初期，裂缝内的饱水量以及雨水入渗深度有限导致边坡起裂后发展缓慢，而降雨后期雨水入渗深度增大致使坡顶裂缝前缘土体自重显著增大，以及边坡的临空面条件造成了坡体开裂加速。

结合前文强降雨边坡的体积含水率和土压力变化规律分析上述裂缝发育过程可知，降雨初期雨水高效入渗导致表层土体自重迅速增大，同时土的抗剪强度显著弱化，边坡浅层尤其是具有垂直入渗优势的坡顶部位成为边坡安全稳定的薄弱区。另外，随着表层土体达到临近饱和状态，大量雨水沿坡面以径流方式排泄，由此形成坡体表面水平推力，因此坡顶表面径流汇集区土颗粒连接较弱部位被拉裂，从而出现表面裂纹。随着降雨入渗持续深入，边坡土体抗剪强度继续减小，表层一定深度处的坡体产生剪切破坏，随即沿表层拉裂纹向深部形成剪切裂缝，最终形成坡顶拉裂缝至坡面鼓胀剪出口的裂缝贯通面。

降雨过程中的入渗水分在边坡临空面处汇流排泄，由此引起的位移矢量方向指向临空面一侧，同时降雨期间坡面的稳定径流也平行作用于临空面，以及裂缝形成后的深部水分入渗造成的土体蠕变变形等，均表明土体向临空面方向的变形发展成为必然趋势。另外，测试边坡为强烈湿陷性黄土，在表层水压和土体自重压力共同作用下边坡土体湿陷下沉变形严重，从而土体容重进一步增大，在临空面条件下这一变形特性更不利于边坡稳定。

4.2 边坡开裂模式分析

由上节分析可知，坡肩裂缝比坡面处发育良好并发展迅速，导致坡体呈“头重脚轻”状态并具有向下滑动趋势，易造成边坡失稳破坏，并且坡面处的裂纹和鼓胀变形等滞后于坡顶开裂。由此可知，强降雨条件下测试陡坡的破坏顺序可归结为坡顶开裂-坡面鼓胀-局部滑动贯通，并且坡顶开裂在降雨边坡失稳过程中具有易发性和先导性。另外，降雨范围内坡体为均质无裂隙黄土，强降雨条件下滑坡开裂破坏演化过程中，首先在坡体后缘产生变形积累，随着后缘变形的增大，前缘坡面逐渐形成变形区，最终沿裂缝产生塑性贯通区。因此, 强降雨条件下黄土陡坡的破坏是由坡顶开裂引发的从坡顶至坡面的贯通式破坏(图 14)。

边坡土体的强烈湿陷性和良好的陡坡临空面，使得坡体内部水分向坡面的渗流路径变短，易造成水分渗出坡面，致使边坡浅层土体饱和程度高而强度低。另外，测试边坡地下水位较低、降雨入渗深度有限、地表水分入渗补给地下水从而形成深层滑坡破坏的可能性较小，加之坡顶张拉破坏作为先导形成的坡体内部剪切破坏位于坡面上部，表明强降雨引发的陡坡破坏多为浅层滑坡。综合以上分析可知，强降雨诱发陡坡形成自坡顶至坡面的贯通破坏模式，并且以浅层滑坡为主。

边坡坡体以及降雨条件具有对称性，坡顶应产生左右对称破坏，实际试验中坡顶右侧的起裂位置为坡肩而左侧为距坡肩35 cm处(图 12，14)。经初步分析，造成这一破坏行为的主要原因是在布设隔离槽过程中，坡肩右侧的土工布铺设完毕之后的土体回填不够密实导致在坡肩处形成薄弱点，强降雨导致坡体从这一薄弱点开始变形破坏。

4.3 隔离槽效应分析

本文利用自主研发的隔离边界技术将试验场地阻隔为一个独立降雨区域。由试验结果可知，测试陡坡的局部破坏从坡顶和坡肩的失稳开始，这一局部失稳更符合自然降雨条件下黄土陡坡的破坏特征。表明在边坡侧向边界设置具有隔渗减阻效应的土工布隔离槽能够消除降雨边坡的局部边界约束因素，弱化边坡侧向约束作用，使得整体边坡天然降雨的三维破坏效应得以合理体现，局部降雨的边坡响应趋于真实。因此，隔离边界的设置为获得更加准确的降雨边坡测试数据提供了技术保障，改善了人工模拟降雨边坡的边界条件，提高了试验准确性，从而边坡响应更接近天然降雨。

5 结论

本研究在陕北黄土高原边坡开展了人工模拟强降雨试验研究，实现了降雨至边坡开裂破坏的全过程，研究了强降雨条件下含水率变化和土压力响应，总结了边坡开裂变形特征、破坏模式以及隔离槽的工程效应。

1) 在24 h中雨条件下测试边坡含水率和土压力上升幅度有限，而在144 h大雨条件下边坡表层形成较大厚度的临近饱和区且土压力增大明显，对边坡的安全稳定造成了较大影响。

2) 强降雨条件下测试黄土陡坡的破坏顺序为坡顶开裂-坡面鼓胀-局部滑动贯通，坡顶开裂具有易发性和先导性。强降雨诱发陡坡开裂失稳破坏模式为自坡顶至坡面的贯通破坏，主要为浅层滑坡。

3) 由于人工模拟降雨是在局部范围内实施的，在人工模拟降雨的测试边坡侧向边界设置隔离槽，能够消除非降雨区域边坡对待测区域边坡的侧向约束作用和侧向渗透水分流失，从而使得人工降雨测试边坡响应更加接近天然降雨边坡。

本次现场强降雨试验结束时边坡的浅层滑坡体已经形成，虽然滑体体积较小，但滑体从陡坡顶部崩落翻滚至坡脚必定对坡底的建构筑物造成严重影响。本研究为强降雨陡坡破坏及采取相关工程措施提供了参考。