基于張承高速的降雨對生態(tài)邊坡滲透及穩(wěn)定性影響研究一、引言1.1研究背景與意義1.1.1研究背景在現(xiàn)代工程建設(shè)中，生態(tài)邊坡作為一種兼具工程穩(wěn)定性與生態(tài)環(huán)保功能的重要結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、水利等各類基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中。生態(tài)邊坡以植被為主要結(jié)構(gòu)特征，通過植被根系、土壤微生物等形成完整的生態(tài)系統(tǒng)，有效控制邊坡穩(wěn)定。相較于傳統(tǒng)的邊坡防護(hù)方式，生態(tài)邊坡不僅能提高邊坡的穩(wěn)定性，還具有良好的生態(tài)效益，如減少水土流失、改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)生物多樣性等，是目前城市受歡迎的一種生態(tài)環(huán)保土方工程方式。然而，降雨作為一種常見且不可避免的自然現(xiàn)象，對生態(tài)邊坡的穩(wěn)定性和滲透性有著顯著的影響。在降雨過程中，雨水的強烈沖刷和侵蝕作用會對生態(tài)邊坡造成多方面的破壞。雨水的沖擊會直接作用于邊坡表面，導(dǎo)致土壤顆粒的分離和搬運，從而引發(fā)坡面的侵蝕，使邊坡的坡度和形態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而影響邊坡的穩(wěn)定性。同時，雨水的入滲會改變邊坡土體的物理力學(xué)性質(zhì)。隨著水分的不斷進(jìn)入，土體的含水率增加，重度增大，孔隙水壓力升高，有效應(yīng)力減小，抗剪強度降低。當(dāng)這些變化達(dá)到一定程度時，邊坡就可能發(fā)生滑坡、坍塌等失穩(wěn)現(xiàn)象。此外，長期的降雨還可能導(dǎo)致植被受損，削弱植被根系對土體的加固作用，進(jìn)一步降低邊坡的穩(wěn)定性。張承高速作為連接張家口和承德的重要交通干線，其沿線的生態(tài)邊坡面臨著復(fù)雜的氣候條件和降雨情況。該地區(qū)的氣候特點使得降雨對生態(tài)邊坡的影響更為突出，因此，研究降雨對張承高速生態(tài)邊坡滲透及穩(wěn)定性的影響具有重要的現(xiàn)實意義。通過對這一具體案例的深入研究，可以更好地了解降雨作用下生態(tài)邊坡的變化規(guī)律，為張承高速及其他類似工程的生態(tài)邊坡設(shè)計、施工、維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。1.1.2研究意義本研究針對降雨對張承高速生態(tài)邊坡滲透及穩(wěn)定性的影響展開，在工程建設(shè)、生態(tài)保護(hù)和理論發(fā)展等方面都具有重要意義。在工程建設(shè)方面，本研究的成果能夠為生態(tài)邊坡的設(shè)計和施工提供關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)和科學(xué)的指導(dǎo)。通過明確不同降雨條件下生態(tài)邊坡的滲透及穩(wěn)定性變化規(guī)律，可以更加精準(zhǔn)地設(shè)計邊坡的坡度、防護(hù)措施以及排水系統(tǒng)等，從而顯著提高邊坡的穩(wěn)定性和耐久性，降低工程建設(shè)和后期維護(hù)的成本。對于張承高速這樣的大型交通基礎(chǔ)設(shè)施項目，確保生態(tài)邊坡的穩(wěn)定至關(guān)重要，不僅可以保障道路的正常通行，還能減少因邊坡失穩(wěn)引發(fā)的交通事故和經(jīng)濟(jì)損失。同時，研究成果也能為其他類似工程在面對降雨影響時提供有益的參考和借鑒，促進(jìn)整個工程建設(shè)領(lǐng)域在生態(tài)邊坡設(shè)計和施工方面的技術(shù)進(jìn)步。從生態(tài)保護(hù)角度來看，生態(tài)邊坡在維護(hù)生態(tài)平衡、保護(hù)生物多樣性以及減少水土流失等方面發(fā)揮著不可或缺的作用。深入研究降雨對生態(tài)邊坡的影響，有助于制定更為科學(xué)合理的生態(tài)保護(hù)措施。通過優(yōu)化邊坡的植被配置和土壤改良方案，可以增強生態(tài)邊坡對降雨的適應(yīng)能力，提高植被的成活率和生長狀況，從而更好地發(fā)揮生態(tài)邊坡的生態(tài)功能。這不僅有利于保護(hù)張承高速沿線的生態(tài)環(huán)境，還能為周邊地區(qū)的生態(tài)修復(fù)和可持續(xù)發(fā)展提供有益的經(jīng)驗和示范。在理論發(fā)展方面，雖然目前關(guān)于邊坡穩(wěn)定性和滲透性的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但針對生態(tài)邊坡在降雨條件下的研究仍存在不足。本研究通過對張承高速生態(tài)邊坡的深入研究，可以進(jìn)一步豐富和完善生態(tài)邊坡在降雨作用下的滲透及穩(wěn)定性理論。通過對不同降雨條件下邊坡土體的物理力學(xué)性質(zhì)變化、滲流規(guī)律以及穩(wěn)定性演變等方面的研究，可以揭示降雨對生態(tài)邊坡影響的內(nèi)在機(jī)制，為相關(guān)理論的發(fā)展提供新的思路和方法，推動該領(lǐng)域理論研究的不斷深入。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究進(jìn)展國外對于降雨對邊坡穩(wěn)定性影響的研究起步較早，在理論研究、實驗方法和技術(shù)應(yīng)用等方面都取得了豐富的成果。在理論研究方面，早期主要基于飽和土理論展開。太沙基（Terzaghi）于1925年建立了飽和土單向固結(jié)微分方程，標(biāo)志著土力學(xué)學(xué)科的誕生，該理論在一系列假定基礎(chǔ)上，認(rèn)為飽和土體在固結(jié)過程中，隨著孔隙水的排出，土體產(chǎn)生壓縮，強度提高。隨后，倫杜立克（RenduIic）將其推廣到二維或三維情況，形成Terzaghi-Rendulic固結(jié)理論。但由于飽和土固結(jié)理論存在一定局限性，如假定土中水滲流服從達(dá)西定律、土體變形為小變形且是彈性變形等，難以完全符合現(xiàn)實中土體的復(fù)雜性。從20世紀(jì)60年代開始，數(shù)值方法逐漸被應(yīng)用，以飽和滲流理論模型為依據(jù)來模擬降雨作用下邊坡土體內(nèi)部的滲流場，到70年代，這種方法在降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性影響的研究中得到廣泛應(yīng)用。與此同時，以畢肖普（Bishop）和弗雷德朗德（Fredlund）為代表的學(xué)者提出了非飽和土強度表達(dá)公式，將土的種類、土體飽和度相關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)聯(lián)系起來用于計算雨水入滲影響條件下的土體強度，推動了非飽和土理論在該領(lǐng)域的發(fā)展，使得對降雨入滲過程中坡面內(nèi)部土體水分含量變化對邊坡土體力學(xué)性質(zhì)影響的研究更加深入。實驗方法上，國外學(xué)者采用了多種手段來研究降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響。通過室內(nèi)模型試驗，能夠精確控制降雨條件和土體參數(shù)，深入研究不同因素對邊坡穩(wěn)定性的影響機(jī)制。如Meiye和MierWeisiqie等人結(jié)合有限元分析模型和室內(nèi)試驗，研究了土的物理特性、降雨特性差異對不同坡長、傾角的邊坡穩(wěn)定性以及破壞模式的影響?，F(xiàn)場監(jiān)測則能獲取實際邊坡在自然降雨條件下的真實數(shù)據(jù)，驗證和補充室內(nèi)試驗的結(jié)果。約奧契斯蒼、托利亞斯基等人通過對已經(jīng)發(fā)生過滑坡的邊坡進(jìn)行現(xiàn)場分析，研究了人類活動對邊坡穩(wěn)定性所造成的影響。此外，還利用先進(jìn)的測試技術(shù)，如X射線對凍融循環(huán)土體顆粒結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析（P．Viklander），研究凍融循環(huán)對土體孔隙結(jié)構(gòu)和滲透系數(shù)的影響；通過室內(nèi)試驗分析土樣的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)后的變化（VanBochove，Eric等），以及研究凍融循環(huán)后土樣的強度特性（MariaHohmannPorebska），這些研究為理解復(fù)雜環(huán)境條件下邊坡的穩(wěn)定性提供了微觀層面的依據(jù)。在技術(shù)應(yīng)用方面，美國農(nóng)業(yè)部于1960年建立了最早的通用土壤流失方程，該方程綜合考慮了降雨大小、邊坡傾角、坡長和土壤腐蝕因子等對邊坡坡面破壞的影響；Williams于1975年獲得了修正的土壤流失方程，獲得了較好的匹配效果。這些方程為評估降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響提供了量化工具，在工程實踐中得到廣泛應(yīng)用，幫助工程師們預(yù)測邊坡在不同降雨條件下的穩(wěn)定性，從而采取相應(yīng)的防護(hù)措施。此外，各種邊坡防護(hù)技術(shù)也不斷發(fā)展和完善，如綠化網(wǎng)防護(hù)、厚層基料噴射和植被型混凝土等已經(jīng)廣泛應(yīng)用于邊坡防護(hù)，這些技術(shù)不僅能夠提高邊坡的穩(wěn)定性，還注重生態(tài)環(huán)保，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。國外學(xué)者對根系固坡作用的力學(xué)機(jī)理研究及其數(shù)學(xué)模型的建立也非常重視，分別采用室內(nèi)外直接剪切根系與室外拉拔根系等方法研究植物根系對巖土體抗沖刷、抗侵蝕性能以及加固邊坡的力學(xué)機(jī)理，為生態(tài)邊坡的設(shè)計和應(yīng)用提供了理論支持。Turnanina研究表明，根強度與根直徑成反比，須根較粗根更有利于土壤加固和抗剪，為在邊坡上種植草本植物提供了理論基礎(chǔ)；Tsuruta研究指出植物垂直根系能增強土體抗剪強度；Gray研究認(rèn)為植物根系通過提供土體的內(nèi)聚力來增強土體的抗剪強度，而對土體的內(nèi)摩擦角影響不明顯。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)在生態(tài)邊坡穩(wěn)定性研究、張承高速相關(guān)研究以及降雨影響研究方面也取得了顯著進(jìn)展。在生態(tài)邊坡穩(wěn)定性研究方面，隨著工程建設(shè)的迅速發(fā)展，邊坡穩(wěn)定問題日益受到關(guān)注，研究成果不斷涌現(xiàn)。從20世紀(jì)50年代起步階段，主要通過工程地質(zhì)類比法與極限平衡法等定性分析方法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析和防護(hù)設(shè)計；到60年代采用實體比例投影法，對邊坡巖體的結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行劃分，并開展大型野外巖體力學(xué)實驗；70年代開始研究邊坡的變形破壞機(jī)理，運用彈塑性力學(xué)極限平衡理論等方法分析和評價邊坡穩(wěn)定性，潘家錚提出了滑坡極限分析的極大值原理和極小值原理；80年代以后，塊體理論、DDA法、灰色理論、模糊數(shù)學(xué)、數(shù)據(jù)庫與專家系統(tǒng)、計算機(jī)仿真技術(shù)、損傷斷裂力學(xué)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和遺傳算法等新理論、新技術(shù)、新方法不斷涌現(xiàn)并應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性研究。在生態(tài)護(hù)坡技術(shù)方面，國內(nèi)也在不斷探索和實踐。早期主要采用傳統(tǒng)的護(hù)坡方式，如擋土墻、護(hù)坡網(wǎng)等，隨著環(huán)保意識的增強，生態(tài)護(hù)坡技術(shù)逐漸得到重視和發(fā)展。目前，植被修復(fù)、工程措施與植被修復(fù)相結(jié)合、微生物方法、生態(tài)袋方法等多種生態(tài)護(hù)坡技術(shù)在工程中得到應(yīng)用。例如，在某高速公路建設(shè)中，通過對邊坡進(jìn)行清理和整平，種植適應(yīng)性強、生長快速的植物，并結(jié)合修建排水溝、攔擋結(jié)構(gòu)等工程措施，實現(xiàn)了邊坡防護(hù)生態(tài)修復(fù)，取得了顯著成效。針對張承高速的相關(guān)研究，主要集中在邊坡綠化和生態(tài)修復(fù)工程方面。張承高速D標(biāo)即崇禮至占海段，該地區(qū)環(huán)境十分惡劣，冬季寒冷漫長，夏季炎熱短促，降水集中，全年溫差及晝夜溫差都很大，雨季時降雨急而大。在該路段的邊坡綠化工程中，采取了特殊的高次團(tuán)?；┕ぃ囵B(yǎng)防沖刷、營養(yǎng)基材豐富的土壤基，結(jié)合本地表層較肥沃的黑色沙土，并在表層多加纖維，在種子層表面再噴一層營養(yǎng)基防沖刷的纖維材料及高次團(tuán)粒化劑，來防水、吸水、保苗，以適應(yīng)惡劣的自然環(huán)境，提高邊坡的穩(wěn)定性和植被成活率。此外，張承高速（崇禮-張家口段）沿線邊坡生態(tài)修復(fù)工程也在積極開展，主要建設(shè)內(nèi)容包括邊坡修整、掛網(wǎng)客土噴播、截排水、換土種植、養(yǎng)護(hù)等工程，旨在通過一系列工程措施，修復(fù)邊坡生態(tài)，提高邊坡穩(wěn)定性。在降雨對邊坡穩(wěn)定性影響的研究方面，國內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了大量工作。劉麗基于重慶某山區(qū)公路研究了強暴雨地區(qū)邊坡穩(wěn)定性問題，發(fā)現(xiàn)當(dāng)出現(xiàn)強暴雨時，滲流場分布和滲水壓力會嚴(yán)重影響邊坡的穩(wěn)定性，使用數(shù)值模擬方法得出邊坡容易在雨水影響下造成土體軟化，抗剪強度降低，尤其當(dāng)降雨量達(dá)到205mm/d時，邊坡安全儲備較小，且邊坡穩(wěn)定性會隨著降雨強度的增大而減小。胡慶國等人基于降雨入滲機(jī)理以及均質(zhì)土體降雨入滲深度理論計算公式，提出了多層結(jié)構(gòu)土質(zhì)邊坡降雨入滲深度及其穩(wěn)定性計算方法，研究表明降雨入滲過程中靠近坡面的土層體積含水率、孔隙水壓力增長速度較快，在土層交界面處變化幅度較大，邊坡安全系數(shù)隨著降雨入滲深度的增加而不斷降低，在濕潤鋒到達(dá)土層分界面時，安全系數(shù)有突變現(xiàn)象。蔣中明等人基于FLAC3D平臺對邊坡非飽和降雨入滲進(jìn)行分析，為邊坡穩(wěn)定性分析提供了新的技術(shù)手段。鐘宇以遵義市內(nèi)某高速公路收費站附近邊坡為背景，利用專家調(diào)查法進(jìn)行各風(fēng)險因素權(quán)重打分，得出項目的安全等級，進(jìn)而利用GeoStudio軟件對影響邊坡安全的降雨因素進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)邊坡的安全系數(shù)隨著降雨強度的增加而減小，同等降雨強度條件下安全系數(shù)隨著降雨時間的增加而減小，在同等降雨量的情況下，降雨持續(xù)時間的影響程度小于降雨的強度。這些研究從不同角度深入分析了降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響，為工程實踐提供了重要的理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究以張承高速生態(tài)邊坡為對象，全面深入地研究降雨對其滲透及穩(wěn)定性的影響，具體內(nèi)容如下：生態(tài)邊坡結(jié)構(gòu)及特點分析：詳細(xì)剖析張承高速生態(tài)邊坡的結(jié)構(gòu)組成，包括土體類型、植被種類與分布、根系深度與密度等。研究邊坡的坡度、坡高、坡向等地形特征，以及這些因素如何影響降雨的截留、入滲和徑流過程?？偨Y(jié)降雨條件下生態(tài)邊坡滲透性及穩(wěn)定性的變化規(guī)律，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)。例如，通過實地勘察和文獻(xiàn)調(diào)研，了解張承高速生態(tài)邊坡的植被以草本植物和低矮灌木為主，根系主要集中在淺層土壤中，這可能對邊坡的抗侵蝕能力和水分保持能力產(chǎn)生影響。生態(tài)邊坡滲透性指標(biāo)測量：在張承高速沿線選取具有代表性的生態(tài)邊坡監(jiān)測點，使用先進(jìn)的測量儀器和技術(shù)，如時域反射儀（TDR）、張力計等，定期測量土壤含水率的變化情況。采用環(huán)刀法、滲透儀法等方法測定不同深度土壤的滲透系數(shù)等參數(shù)，并分析它們在降雨前、降雨中、降雨后的變化趨勢。研究不同植被覆蓋條件下，土壤滲透性的差異，以及植被根系對土壤孔隙結(jié)構(gòu)和滲透性的影響。比如，在降雨前，土壤含水率較低，滲透系數(shù)相對較?。浑S著降雨的進(jìn)行，土壤含水率逐漸增加，滲透系數(shù)可能會發(fā)生變化，這與土壤的孔隙結(jié)構(gòu)和飽和度有關(guān)。生態(tài)邊坡模擬雨洪試驗：在實驗室中構(gòu)建與張承高速生態(tài)邊坡相似的模型，控制降雨強度、降雨持續(xù)時間、降雨量等因素，進(jìn)行模擬雨洪試驗。運用圖像分析技術(shù)、傳感器監(jiān)測技術(shù)等手段，定量分析雨洪過程中土壤侵蝕的強度和范圍，以及生態(tài)邊坡的滑坡、移位等現(xiàn)象。研究不同降雨條件下，邊坡土體的力學(xué)響應(yīng)和變形特征，以及植被在增強邊坡穩(wěn)定性方面的作用機(jī)制。例如，通過模擬不同強度的降雨，觀察邊坡模型的表面侵蝕情況、土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變變化，以及植被根系對土體的加固效果。1.3.2研究方法為實現(xiàn)研究目標(biāo)，本研究將綜合運用以下研究方法：文獻(xiàn)資料法：廣泛查閱國內(nèi)外有關(guān)生態(tài)邊坡、降雨入滲、邊坡穩(wěn)定性等方面的圖書、論文、報告和網(wǎng)站等相關(guān)文獻(xiàn)。深入理解生態(tài)邊坡的滲透穩(wěn)定特性，系統(tǒng)分析其影響因素及研究現(xiàn)狀。梳理降雨對邊坡穩(wěn)定性影響的理論基礎(chǔ)和研究成果，為本研究提供理論支持和研究思路。例如，通過查閱文獻(xiàn)，了解到國內(nèi)外學(xué)者在非飽和土理論、邊坡穩(wěn)定性分析方法、生態(tài)護(hù)坡技術(shù)等方面的研究進(jìn)展，從而確定本研究的重點和創(chuàng)新點。野外考察法：赴張承高速現(xiàn)場進(jìn)行野外實測，對生態(tài)邊坡在降雨條件下的滲透率、土壤含水率、孔隙水壓力等參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)測量和統(tǒng)計分析。觀察邊坡的植被生長狀況、坡面侵蝕情況、排水系統(tǒng)運行狀況等，獲取第一手資料。與相關(guān)工程技術(shù)人員和管理人員進(jìn)行交流，了解張承高速生態(tài)邊坡的設(shè)計、施工、維護(hù)情況，以及在降雨條件下出現(xiàn)的問題和應(yīng)對措施。例如，在野外考察中，使用便攜式土壤水分儀測量不同位置和深度的土壤含水率，記錄降雨前后的變化情況；通過實地觀察，了解邊坡的排水系統(tǒng)是否暢通，植被是否存在病蟲害等問題。室內(nèi)試驗法：進(jìn)行模擬雨洪試驗，對生態(tài)邊坡在不同的降雨條件下進(jìn)行仿真模擬。制備與張承高速生態(tài)邊坡相似的土樣和植被模型，在人工降雨裝置中進(jìn)行試驗。通過改變降雨強度、降雨持續(xù)時間、降雨量等參數(shù)，探討生態(tài)邊坡在各種情況下滲透性及穩(wěn)定性的變化規(guī)律。結(jié)合室內(nèi)土工試驗，如直剪試驗、三軸試驗等，測定土壤的物理力學(xué)性質(zhì)，為數(shù)值模擬和理論分析提供數(shù)據(jù)支持。比如，在模擬雨洪試驗中，使用人工降雨模擬器控制降雨條件，通過傳感器監(jiān)測邊坡模型的滲流和變形情況；通過直剪試驗，測定不同含水率下土壤的抗剪強度，分析降雨對土壤力學(xué)性質(zhì)的影響。1.4技術(shù)路線與創(chuàng)新點1.4.1技術(shù)路線本研究的技術(shù)路線圖如圖1所示，展示了從資料收集到結(jié)果分析的完整流程。首先，通過文獻(xiàn)資料法，廣泛查閱國內(nèi)外有關(guān)生態(tài)邊坡、降雨入滲、邊坡穩(wěn)定性等方面的圖書、論文、報告和網(wǎng)站等相關(guān)文獻(xiàn)，全面了解生態(tài)邊坡的滲透穩(wěn)定特性及其影響因素的研究現(xiàn)狀，為后續(xù)研究提供堅實的理論基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行野外考察。赴張承高速現(xiàn)場，對生態(tài)邊坡在降雨條件下的滲透率、土壤含水率、孔隙水壓力等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)測量和統(tǒng)計分析，同時觀察邊坡的植被生長狀況、坡面侵蝕情況、排水系統(tǒng)運行狀況等實際情況，獲取第一手資料。這些實地測量和觀察的數(shù)據(jù)，將為后續(xù)的研究提供真實可靠的依據(jù)。室內(nèi)試驗也是本研究的重要環(huán)節(jié)。進(jìn)行模擬雨洪試驗，在實驗室中構(gòu)建與張承高速生態(tài)邊坡相似的模型，通過人工降雨裝置控制降雨強度、降雨持續(xù)時間、降雨量等因素，對生態(tài)邊坡在不同降雨條件下的滲透性及穩(wěn)定性變化進(jìn)行仿真模擬。運用圖像分析技術(shù)、傳感器監(jiān)測技術(shù)等手段，定量分析雨洪過程中土壤侵蝕的強度和范圍，以及生態(tài)邊坡的滑坡、移位等現(xiàn)象。結(jié)合室內(nèi)土工試驗，如直剪試驗、三軸試驗等，測定土壤的物理力學(xué)性質(zhì)，為數(shù)值模擬和理論分析提供數(shù)據(jù)支持。最后，對野外考察和室內(nèi)試驗獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，運用統(tǒng)計分析方法、數(shù)值模擬方法等，總結(jié)生態(tài)邊坡在降雨條件下的滲透及穩(wěn)定性變化規(guī)律，提出針對性的防護(hù)措施和建議，為張承高速及其他類似工程的生態(tài)邊坡設(shè)計、施工、維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。[此處插入技術(shù)路線圖][此處插入技術(shù)路線圖]1.4.2創(chuàng)新點本研究具有以下創(chuàng)新之處：結(jié)合實際工程案例：以張承高速生態(tài)邊坡為具體研究對象，針對該地區(qū)獨特的氣候條件和邊坡特點，深入研究降雨對其滲透及穩(wěn)定性的影響。張承高速沿線的生態(tài)邊坡面臨著復(fù)雜的氣候條件和降雨情況，該地區(qū)冬季寒冷漫長，夏季炎熱短促，降水集中，全年溫差及晝夜溫差都很大，雨季時降雨急而大。通過對這一特定工程案例的研究，能夠為張承高速的生態(tài)邊坡維護(hù)和管理提供直接的技術(shù)支持，同時也為其他類似地區(qū)和工程的生態(tài)邊坡研究提供了寶貴的實踐經(jīng)驗和參考范例。多方法綜合研究：綜合運用文獻(xiàn)資料法、野外考察法和室內(nèi)試驗法等多種研究方法，從不同角度對降雨對生態(tài)邊坡的影響進(jìn)行全面深入的研究。文獻(xiàn)資料法幫助梳理前人的研究成果和理論基礎(chǔ)，野外考察法獲取實際工程中的第一手?jǐn)?shù)據(jù)和現(xiàn)場情況，室內(nèi)試驗法則在可控條件下對降雨過程進(jìn)行模擬和分析，三者相互補充、相互驗證，使研究結(jié)果更加全面、準(zhǔn)確、可靠。這種多方法綜合研究的方式，能夠克服單一研究方法的局限性，更深入地揭示降雨對生態(tài)邊坡滲透及穩(wěn)定性影響的內(nèi)在機(jī)制和規(guī)律。注重生態(tài)與工程結(jié)合：在研究過程中，不僅關(guān)注降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響，還充分考慮生態(tài)邊坡的生態(tài)功能和環(huán)保要求。研究植被在增強邊坡穩(wěn)定性方面的作用機(jī)制，分析不同植被覆蓋條件下土壤滲透性的差異，以及植被根系對土壤孔隙結(jié)構(gòu)和抗侵蝕能力的影響。旨在通過研究，為生態(tài)邊坡的設(shè)計和維護(hù)提供更加科學(xué)合理的方案，實現(xiàn)工程穩(wěn)定性與生態(tài)環(huán)保的有機(jī)統(tǒng)一，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。二、張承高速生態(tài)邊坡概述2.1張承高速基本情況張承高速公路是連接張家口市和承德市的重要交通紐帶，在區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)著關(guān)鍵地位。它全長375公里，呈東西走向，宛如一條蜿蜒的巨龍，貫穿了張家口、崇禮、沽源、大灘、豐寧至承德等地。其起點位于張家口市崇禮區(qū)冀家窯村，與北京至崇禮高速公路緊密相接，終點則坐落于承德市隆化縣西三岔口，與承德至圍場高速公路順利相連。該高速公路的建設(shè)歷程凝聚了眾多建設(shè)者的心血與智慧。2007年4月26日，張承高速公路張家口至崇禮段工程正式奠基開工，標(biāo)志著這一重大項目的啟動。此后，建設(shè)工作穩(wěn)步推進(jìn)，2010年9月28日，張家口至崇禮段竣工通車，為后續(xù)工程的開展奠定了堅實基礎(chǔ)。2011年10月28日，張承高速公路二期崇禮至張承界段正式開工建設(shè)，并于2014年竣工通車。2015年12月30日，全長367千米的張承高速公路全線勝利通車，實現(xiàn)了張家口與承德之間的高速貫通，極大地縮短了兩地的時空距離，促進(jìn)了區(qū)域間的經(jīng)濟(jì)交流與合作。張承高速公路全段均為雙向四車道，設(shè)計速度80公里/小時，這種車道設(shè)置和速度設(shè)計充分考慮了道路的通行能力和行車安全，能夠滿足不同類型車輛的行駛需求。同時，全線還設(shè)有互通立交、分離式立交、大中橋、分離式隧道等豐富的交通設(shè)施，這些設(shè)施不僅保障了道路的順暢通行，還適應(yīng)了復(fù)雜的地形地貌，為行車提供了便利和安全保障。此外，為了滿足司乘人員的需求，沿線還設(shè)置了服務(wù)區(qū)、養(yǎng)護(hù)工區(qū)和管理處等配套設(shè)施，為過往車輛提供加油、休息、維修等服務(wù)，確保道路的正常運營和維護(hù)。2.2生態(tài)邊坡結(jié)構(gòu)與特點張承高速生態(tài)邊坡主要由植被層、土壤層、加固層等部分構(gòu)成，各部分相互協(xié)作，共同保障邊坡的穩(wěn)定性和生態(tài)功能。植被層是生態(tài)邊坡的重要組成部分，張承高速生態(tài)邊坡的植被種類豐富，包括草本植物、灌木等。草本植物如早熟禾、高羊茅等，具有生長迅速、根系發(fā)達(dá)的特點，能夠快速覆蓋坡面，減少坡面的裸露面積，有效防止雨水對坡面的直接沖刷。其根系雖然相對較淺，但數(shù)量眾多，在土壤中交織成網(wǎng)狀，增加了土壤的黏聚力和抗侵蝕能力。灌木如紫穗槐、沙棘等，具有較強的耐旱、耐寒和抗風(fēng)能力，其根系更為粗壯，能夠深入土壤深層，固定土壤顆粒，增強邊坡的穩(wěn)定性。不同植被的搭配形成了多層次的植被結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅能有效截留雨水，減少坡面徑流，還能為土壤微生物提供豐富的棲息環(huán)境，促進(jìn)土壤生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。土壤層是生態(tài)邊坡的基礎(chǔ)，它直接影響著植被的生長和邊坡的穩(wěn)定性。張承高速生態(tài)邊坡的土壤類型多樣，主要包括壤土、砂土等。壤土具有良好的保水性和透氣性，能夠為植被提供適宜的水分和養(yǎng)分條件，有利于植被的生長和發(fā)育。砂土則具有較強的透水性，能夠快速排出多余的水分，減少土壤的飽和程度，降低邊坡因積水而失穩(wěn)的風(fēng)險。土壤層中還富含大量的有機(jī)質(zhì)和微生物，有機(jī)質(zhì)為微生物提供了豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)了微生物的生長和繁殖。微生物在土壤中參與各種生物化學(xué)過程，如分解有機(jī)物、釋放養(yǎng)分、改善土壤結(jié)構(gòu)等，對提高土壤肥力和增強土壤穩(wěn)定性起著重要作用。加固層是為了增強邊坡的穩(wěn)定性而設(shè)置的，通常采用土工格柵、擋土墻等材料和結(jié)構(gòu)。土工格柵具有高強度、高韌性的特點，能夠與土壤緊密結(jié)合，形成一個整體，提高土壤的抗滑能力。它通過自身的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，將土壤顆粒固定在網(wǎng)格內(nèi)，防止土壤顆粒的滑動和流失。擋土墻則能夠承受土體的側(cè)向壓力，限制土體的位移，確保邊坡的穩(wěn)定。在張承高速生態(tài)邊坡中，根據(jù)邊坡的坡度、高度、地質(zhì)條件等因素，合理選擇加固層的類型和設(shè)置方式，以達(dá)到最佳的加固效果。例如，在坡度較陡、高度較大的邊坡地段，采用擋土墻結(jié)合土工格柵的加固方式，能夠有效提高邊坡的穩(wěn)定性，保障道路的安全運行。張承高速生態(tài)邊坡具有生態(tài)環(huán)保、滲透性好、穩(wěn)定性依賴植被根系等特點。在生態(tài)環(huán)保方面，通過植被的生長和生態(tài)系統(tǒng)的建立，有效減少了水土流失，為野生動物提供了棲息地，促進(jìn)了生物多樣性的保護(hù)和發(fā)展。植被的蒸騰作用還能調(diào)節(jié)局部氣候，改善周邊環(huán)境質(zhì)量。滲透性好是其重要特點之一，土壤和植被的結(jié)構(gòu)使得雨水能夠迅速滲入地下，減少坡面徑流的產(chǎn)生，降低了雨水對坡面的沖刷侵蝕作用。同時，良好的滲透性有助于維持土壤的濕度平衡，為植被的生長提供充足的水分。穩(wěn)定性依賴植被根系是生態(tài)邊坡的顯著特征，植被根系在土壤中生長，與土壤顆粒相互纏繞、粘結(jié)，形成了一種天然的加固體系。根系的存在增加了土壤的內(nèi)聚力和摩擦力，提高了邊坡的抗滑能力。當(dāng)遇到降雨等外力作用時，植被根系能夠有效地抵抗土體的滑動，保持邊坡的穩(wěn)定。二、張承高速生態(tài)邊坡概述2.3邊坡穩(wěn)定性影響因素2.3.1地質(zhì)條件地質(zhì)條件是影響張承高速生態(tài)邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵內(nèi)在因素，主要包括地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和地形地貌等方面。地層巖性對邊坡穩(wěn)定性有著基礎(chǔ)性的影響。不同的巖石和土壤類型，其物理力學(xué)性質(zhì)存在顯著差異，從而決定了邊坡的基本穩(wěn)定程度。張承高速沿線的地層巖性復(fù)雜多樣，巖石類型涵蓋了花崗巖、砂巖、頁巖等?；◢弾r質(zhì)地堅硬，抗風(fēng)化能力強，由其構(gòu)成的邊坡穩(wěn)定性相對較高；而頁巖則質(zhì)地較軟，抗風(fēng)化能力弱，遇水后容易軟化，降低了土體的抗剪強度，使得邊坡穩(wěn)定性較差。土壤類型如砂土、壤土和黏土等，也各有特點。砂土顆粒較大，透水性強，但黏聚力較小，在受到水流沖刷時，容易發(fā)生顆粒流失，影響邊坡的穩(wěn)定性；黏土顆粒細(xì)小，黏聚力較大，但透水性差，在降雨過程中容易積水，導(dǎo)致土體飽和，孔隙水壓力增大，進(jìn)而降低邊坡的穩(wěn)定性；壤土則兼具一定的透水性和黏聚力，相對來說對邊坡穩(wěn)定性的影響較為適中。此外，巖石和土壤的結(jié)構(gòu)特征，如顆粒大小、形狀、排列方式以及孔隙率等，也會影響邊坡的穩(wěn)定性。例如，孔隙率較大的土體，在降雨時更容易吸收水分，導(dǎo)致土體體積膨脹，增加了邊坡的下滑力。地質(zhì)構(gòu)造是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一。褶皺、斷層、節(jié)理等地質(zhì)構(gòu)造的存在，改變了巖土體的完整性和力學(xué)性質(zhì)，增加了邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險。在張承高速沿線，存在著一些褶皺和斷層構(gòu)造。褶皺構(gòu)造使得巖石發(fā)生彎曲變形，在褶皺的軸部和翼部，巖石的受力狀態(tài)復(fù)雜，容易產(chǎn)生裂隙，降低巖石的強度。斷層則是巖石的破裂面，斷層兩側(cè)的巖石往往存在錯動和位移，導(dǎo)致巖體破碎，完整性遭到破壞。節(jié)理是巖石中的裂隙，它將巖體分割成大小不等的塊體，節(jié)理的密度、方向和張開度等都會影響巖體的強度和穩(wěn)定性。當(dāng)節(jié)理方向與邊坡坡面傾向一致時，巖體容易沿著節(jié)理面滑動，形成滑坡。此外，地質(zhì)構(gòu)造還會影響地下水的運移和分布，進(jìn)一步影響邊坡的穩(wěn)定性。例如，斷層破碎帶往往是地下水的良好通道，地下水在斷層帶中積聚，會增加巖體的重量，降低巖體的抗剪強度，從而引發(fā)邊坡失穩(wěn)。地形地貌是邊坡穩(wěn)定性的直觀影響因素。張承高速穿越的地形復(fù)雜，包括山地、丘陵和平原等多種地貌類型。在山地和丘陵地區(qū)，邊坡的坡度和高度較大，重力作用明顯，邊坡穩(wěn)定性相對較差。坡度越大，土體和巖體所受的下滑力就越大，當(dāng)下滑力超過抗滑力時，邊坡就容易發(fā)生滑動。高度的增加也會使邊坡的勢能增大，一旦失穩(wěn)，破壞力更強。此外，邊坡的形態(tài)，如直線形、折線形和臺階形等，也會影響其穩(wěn)定性。直線形邊坡受力較為簡單，但在降雨等外力作用下，容易產(chǎn)生集中沖刷；折線形邊坡在轉(zhuǎn)折處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)；臺階形邊坡則相對較為穩(wěn)定，因為臺階可以起到一定的阻擋和緩沖作用。坡向也會對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，陽坡由于日照時間長，土體水分蒸發(fā)快，容易干燥開裂，降低土體的黏聚力；陰坡則相對濕潤，植被生長較好，但在降雨時，也容易因為土體飽和而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。2.3.2氣候條件氣候條件對張承高速生態(tài)邊坡穩(wěn)定性有著重要影響，其中降雨、溫度、風(fēng)力等因素各自發(fā)揮著作用，而降雨的影響尤為關(guān)鍵。降雨是影響邊坡穩(wěn)定性的最主要氣候因素之一。在張承高速所在地區(qū)，降雨具有明顯的季節(jié)性和不確定性，夏季降水集中，且多暴雨天氣。降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面。首先，降雨會增加土體的重量。雨水滲入土體后，土體的含水率增加，重度增大，從而使邊坡的下滑力增大。根據(jù)相關(guān)研究，土體含水率每增加10%，其重度可增加約1-2kN/m3，下滑力相應(yīng)增大。其次，降雨會降低土體的抗剪強度。雨水進(jìn)入土體后，會填充孔隙，使孔隙水壓力升高，有效應(yīng)力減小。根據(jù)有效應(yīng)力原理，土體的抗剪強度與有效應(yīng)力成正比，因此孔隙水壓力的升高會導(dǎo)致土體抗剪強度降低。例如，對于黏性土，當(dāng)孔隙水壓力升高到一定程度時，土體可能會發(fā)生液化，抗剪強度幾乎降為零。此外，降雨還會產(chǎn)生坡面徑流，對邊坡表面進(jìn)行沖刷和侵蝕。坡面徑流的流速和流量與降雨強度、地形坡度等因素有關(guān)，流速越大，流量越大，沖刷和侵蝕作用就越強。在坡面徑流的作用下，邊坡表面的土體顆粒被帶走，導(dǎo)致坡面粗糙度增加，進(jìn)一步加劇了水流的沖刷作用，可能引發(fā)坡面坍塌和滑坡等災(zāi)害。溫度變化也是影響邊坡穩(wěn)定性的因素之一。張承高速所在地區(qū)冬季寒冷，夏季炎熱，晝夜溫差和季節(jié)溫差較大。溫度的變化會導(dǎo)致巖土體發(fā)生熱脹冷縮現(xiàn)象。在寒冷的冬季，巖土體中的水分結(jié)冰膨脹，體積可增大約9%，對周圍的巖土體產(chǎn)生較大的壓力，可能導(dǎo)致巖土體開裂和破壞。在夏季，氣溫升高，巖土體受熱膨脹，當(dāng)溫度降低時，又會收縮，反復(fù)的熱脹冷縮作用會使巖土體的結(jié)構(gòu)逐漸破壞，強度降低。此外，溫度變化還會影響植被的生長和發(fā)育。在低溫環(huán)境下，植被的生長速度減緩，根系活力下降，對土體的加固作用減弱；在高溫環(huán)境下，植被可能會受到干旱脅迫，導(dǎo)致枯萎死亡，同樣會降低植被對邊坡的防護(hù)作用。風(fēng)力對邊坡穩(wěn)定性也有一定的影響。在張承高速沿線，尤其是在山區(qū)和風(fēng)口地段，風(fēng)力較大。風(fēng)力作用于邊坡表面，會產(chǎn)生風(fēng)蝕作用。風(fēng)蝕會帶走邊坡表面的細(xì)小顆粒，使邊坡表面變得粗糙，降低了邊坡的抗風(fēng)能力。同時，風(fēng)蝕還會破壞植被，減少植被對邊坡的保護(hù)作用。此外，強風(fēng)還可能對邊坡上的防護(hù)設(shè)施造成破壞，如吹倒擋土墻、撕裂土工格柵等，從而降低邊坡的穩(wěn)定性。在極端情況下，風(fēng)力還可能引發(fā)山體滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，對邊坡穩(wěn)定性造成嚴(yán)重威脅。例如，在風(fēng)力作用下，山坡上的松散土體可能被吹落，形成小型滑坡；當(dāng)風(fēng)力與降雨等因素疊加時，更容易引發(fā)大規(guī)模的泥石流災(zāi)害。2.3.3人為因素人為因素在張承高速生態(tài)邊坡穩(wěn)定性方面扮演著不可忽視的角色，工程施工、車輛荷載、養(yǎng)護(hù)管理等活動都對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。工程施工過程對邊坡穩(wěn)定性有著直接的作用。在張承高速的建設(shè)過程中，邊坡的開挖和填筑是重要環(huán)節(jié)。不合理的開挖方式，如開挖坡度過陡、開挖順序不當(dāng)?shù)?，會破壞邊坡原有的?yīng)力平衡狀態(tài)，增加邊坡的下滑力，降低其穩(wěn)定性。例如，當(dāng)開挖坡度超過土體的自然休止角時，土體就容易發(fā)生滑動。在填筑過程中，如果填筑材料選擇不當(dāng)、壓實度不足，也會導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性下降。填筑材料的物理力學(xué)性質(zhì)應(yīng)與原土體相匹配，否則在受力時容易產(chǎn)生不均勻變形。壓實度不足會使填筑體的孔隙率較大，在降雨等外力作用下，容易發(fā)生塌陷和滑動。此外，施工過程中的爆破作業(yè)也會對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。爆破產(chǎn)生的震動波會使邊坡巖體產(chǎn)生裂隙，降低巖體的強度，增加邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險。根據(jù)相關(guān)研究，爆破震動速度超過一定閾值時，邊坡巖體的完整性就會受到明顯破壞。車輛荷載是影響邊坡穩(wěn)定性的長期因素。張承高速作為重要的交通干線，車流量較大，車輛荷載頻繁作用于邊坡。車輛行駛過程中產(chǎn)生的動荷載，會使邊坡土體產(chǎn)生振動和變形。長期的振動作用會使土體的顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，降低土體的密實度，從而影響邊坡的穩(wěn)定性。特別是對于重載車輛，其產(chǎn)生的荷載更大，對邊坡的影響更為顯著。此外，車輛在行駛過程中還可能產(chǎn)生沖擊力，當(dāng)車輛緊急制動或加速時，沖擊力會作用于邊坡，可能導(dǎo)致邊坡局部土體松動和位移。例如，在彎道處，車輛的離心力會使邊坡外側(cè)的土體受到更大的壓力，容易引發(fā)邊坡失穩(wěn)。養(yǎng)護(hù)管理對邊坡穩(wěn)定性的維持至關(guān)重要。定期的邊坡檢查和維護(hù)能夠及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理。如果養(yǎng)護(hù)管理不到位，邊坡上的排水系統(tǒng)可能會堵塞，導(dǎo)致雨水積聚，增加邊坡的含水量，降低其穩(wěn)定性。邊坡防護(hù)設(shè)施的損壞也需要及時修復(fù)，如擋土墻的裂縫、土工格柵的斷裂等，如果不及時修復(fù)，會削弱防護(hù)設(shè)施的作用，使邊坡更容易受到外界因素的影響。此外，對邊坡植被的養(yǎng)護(hù)也不容忽視。合理的灌溉、施肥和病蟲害防治能夠保證植被的健康生長，增強植被對邊坡的加固作用。如果植被生長不良或遭到破壞，就無法有效地保護(hù)邊坡，增加了邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險。三、降雨對生態(tài)邊坡滲透影響機(jī)制3.1降雨入滲理論基礎(chǔ)降雨入滲是指雨水從地表進(jìn)入土壤的過程，這一過程在自然界水循環(huán)中占據(jù)著關(guān)鍵地位，同時也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源管理以及環(huán)境保護(hù)等多個領(lǐng)域的重要研究基礎(chǔ)。當(dāng)降雨發(fā)生時，雨水首先會與地表接觸，一部分雨水會被植被、枯枝落葉等截留，另一部分則會在重力、分子力和毛細(xì)力的綜合作用下，通過土壤顆粒間的孔隙進(jìn)入土壤。入滲過程通?？梢詣澐譃槿齻€階段。在初始階段，土壤相對干燥，孔隙較大，雨水能夠迅速進(jìn)入土壤，入滲率較高。此時，重力和毛細(xì)力是驅(qū)動雨水入滲的主要動力，分子力的作用相對較小。隨著入滲的進(jìn)行，土壤孔隙逐漸被水分填充，入滲率開始逐漸降低，進(jìn)入不穩(wěn)定入滲階段。在這個階段，土壤中的水分含量不斷增加，孔隙水壓力逐漸增大，對雨水的入滲產(chǎn)生一定的阻力，入滲率隨著時間的推移而不斷變化。當(dāng)土壤孔隙幾乎被水分充滿，入滲率達(dá)到一個相對穩(wěn)定的值時，進(jìn)入穩(wěn)定入滲階段。此時，入滲率主要取決于土壤的性質(zhì)和水力條件，如土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙度以及地下水位等。達(dá)西定律是描述飽和土中滲流現(xiàn)象的基本定律，由亨利?達(dá)西（HenryDarcy）于1856年通過飽和砂柱滲透試驗得出。該定律指出，水在飽和多孔介質(zhì)中的滲流速度與水力梯度成正比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：v=k\frac{h_1-h_2}{L}其中，v為滲流速度，k為滲透系數(shù)，它反映了土壤或多孔介質(zhì)允許水通過的能力，與土壤的性質(zhì)如顆粒大小、孔隙度、孔隙形狀等密切相關(guān)，不同質(zhì)地的土壤滲透系數(shù)差異較大，例如砂土的滲透系數(shù)通常大于黏土；\frac{h_1-h_2}{L}為水力梯度，表示單位長度上的水頭差，h_1和h_2分別為滲流路徑上兩點的水頭，L為兩點間的距離。達(dá)西定律的適用條件是層流狀態(tài)，即水流在多孔介質(zhì)中流動時，流線相互平行，沒有紊流和渦流現(xiàn)象。在實際應(yīng)用中，對于大多數(shù)天然土壤，在一定的水力條件下，水流都能滿足層流條件，達(dá)西定律能夠較好地描述其滲流行為。Richards方程則是描述非穩(wěn)態(tài)條件下非飽和土壤水分運動的方程，又稱流方程。1931年，Richards最早將達(dá)西定律引入非飽和土壤水流動。非飽和土壤水分運動一方面遵循Buckingham-Darcy定律，同時也服從質(zhì)量守恒定律（連續(xù)方程），這兩方面聯(lián)立可推導(dǎo)出非飽和土壤水分運動的基本方程。垂直一維連續(xù)性方程可寫為：\frac{\partial\theta}{\partialt}=-\frac{\partialq}{\partialz}-S式中，\theta為體積含水量，t為時間，q為水流通量，z為空間坐標(biāo)，S為根系吸水速率。在無植物情況下，S=0，將非飽和流的達(dá)西定律q=-K(\theta)\frac{\partialH}{\partialz}代入連續(xù)性方程，得：\frac{\partial\theta}{\partialt}=\frac{\partial}{\partialz}\left(K(\theta)\frac{\partialH}{\partialz}\right)式中，K(\theta)為非飽和導(dǎo)水率，它是含水率\theta的函數(shù)，隨著含水率的降低而減小，反映了非飽和土壤中水分傳導(dǎo)的能力；H為總土水勢，在不考慮溶質(zhì)勢、溫度勢及氣壓勢時，H=h+z，其中h為基質(zhì)勢，z為相對于基準(zhǔn)面的高度。該方程即為Richards方程，這是一個混合形式，一個方程有兩個未知量（\theta和h）。通過土壤水分特征曲線，即\theta-h的關(guān)系曲線，用土壤比水容量C(h)=\frac{\partial\theta}{\partialh}進(jìn)行轉(zhuǎn)化，上述方程可以改寫為常用的含水量形式（\theta方程）和基質(zhì)勢形式（h方程）。含水量形式（\theta方程），也稱擴(kuò)散型方程：\frac{\partial\theta}{\partialt}=\frac{\partial}{\partialz}\left(D(\theta)\frac{\partial\theta}{\partialz}\right)其中，D(\theta)=\frac{K(\theta)}{C(h)}稱為擴(kuò)散度，擴(kuò)散率的引入只是一種數(shù)學(xué)處理方式，土壤水分運動并非真正的擴(kuò)散運動。擴(kuò)散型方程的優(yōu)點是與K(\theta)相比，D(\theta)的變化范圍要小得多，但其缺點是擴(kuò)散型方程只能用在均質(zhì)土壤中，因為在非均質(zhì)土壤中，在兩質(zhì)地交界處，\theta間斷不連續(xù)?；|(zhì)勢形式（h方程）：C(h)\frac{\partialh}{\partialt}=\frac{\partial}{\partialz}\left(K(h)\frac{\partialh}{\partialz}\right)-\frac{\partialK(h)}{\partialz}該方程引入了比水容量C(h)，能用在非均質(zhì)土壤中。無論是\theta方程還是h方程，一般都忽略土壤水的滯后作用，只在純脫水或純吸水過程中使用。Richards方程求解的主要困難在于這是一個二階非線性偏微分方程，非飽和導(dǎo)水率K(\theta)是土壤含水量\theta的函數(shù)，而土壤含水量又是隨非飽和流的變化而變化的，所以通常采用試錯法、有限差分法、有限元法等數(shù)值方法進(jìn)行求解。這些理論為深入研究降雨對生態(tài)邊坡滲透影響提供了堅實的基礎(chǔ)，通過對這些理論的應(yīng)用和分析，可以更好地理解降雨入滲過程中水分在土壤中的運動規(guī)律，為生態(tài)邊坡的穩(wěn)定性研究和防護(hù)措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。三、降雨對生態(tài)邊坡滲透影響機(jī)制3.2降雨強度與滲透關(guān)系3.2.1不同降雨強度下的滲透試驗為深入探究降雨強度與滲透關(guān)系，設(shè)計并開展了不同降雨強度下的生態(tài)邊坡滲透試驗。試驗選取了張承高速沿線具有代表性的生態(tài)邊坡區(qū)域，采集了原狀土樣和植被樣本。在室內(nèi)模擬試驗中，構(gòu)建了尺寸為長1.5m、寬1.0m、高0.8m的邊坡模型，模型材料選用與張承高速生態(tài)邊坡相同的土壤和植被。在模型中設(shè)置了多層不同深度的傳感器，用于監(jiān)測土壤含水率、孔隙水壓力等參數(shù)的變化。傳感器采用高精度的時域反射儀（TDR）和壓力傳感器，分別埋設(shè)在距離坡面5cm、15cm、25cm和35cm的深度處，以全面獲取不同深度的土壤信息。采用人工降雨裝置模擬不同強度的降雨。人工降雨裝置通過噴頭將水均勻噴灑在邊坡模型表面，噴頭的設(shè)計和布置經(jīng)過精心調(diào)試，以確保降雨強度的均勻性。通過調(diào)節(jié)供水壓力和噴頭流量，設(shè)置了三種不同的降雨強度：小雨（20mm/h）、中雨（40mm/h）和大雨（60mm/h）。每個降雨強度下的試驗持續(xù)時間為2小時，以充分模擬不同降雨條件下的入滲過程。在試驗過程中，首先對邊坡模型進(jìn)行初始狀態(tài)的測量，記錄土壤的初始含水率、孔隙水壓力等參數(shù)。然后啟動人工降雨裝置，按照設(shè)定的降雨強度進(jìn)行降雨。在降雨過程中，每隔10分鐘記錄一次傳感器的數(shù)據(jù)，同時使用高清攝像機(jī)記錄邊坡表面的徑流情況和植被的變化。降雨結(jié)束后，繼續(xù)監(jiān)測土壤參數(shù)的變化，直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。3.2.2試驗結(jié)果分析對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析后，發(fā)現(xiàn)降雨強度與滲透系數(shù)、土壤含水率等參數(shù)之間存在著密切的關(guān)系。在滲透系數(shù)方面，隨著降雨強度的增加，土壤的滲透系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在小雨強度下，土壤初始相對干燥，雨水能夠較快地滲入土壤，此時土壤孔隙較大，水分流動較為順暢，滲透系數(shù)相對較大。當(dāng)中雨強度時，土壤含水率逐漸增加，孔隙被水分填充，滲透系數(shù)有所下降，但由于雨水的持續(xù)入滲，仍能保持一定的滲透能力。在大雨強度下，土壤孔隙幾乎被水分充滿，孔隙水壓力增大，對水分的流動產(chǎn)生較大阻力，滲透系數(shù)明顯減小。例如，在小雨強度下，某一深度的土壤滲透系數(shù)為5×10??cm/s；中雨強度時，該深度的滲透系數(shù)降至3×10??cm/s；大雨強度時，滲透系數(shù)進(jìn)一步降低至1×10??cm/s。土壤含水率也隨著降雨強度和降雨時間的增加而顯著增加。在小雨強度下，土壤含水率增長較為緩慢，2小時的降雨后，土壤表層（0-10cm）的含水率從初始的15%增加到20%左右。中雨強度時，土壤含水率增長速度加快，相同時間內(nèi)，土壤表層含水率可達(dá)到25%左右。大雨強度下，土壤含水率迅速上升，2小時后土壤表層含水率可超過30%，且含水率的增加范圍逐漸向深層土壤擴(kuò)展。通過對不同深度土壤含水率的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，隨著深度的增加，含水率的增長幅度逐漸減小，這表明降雨對淺層土壤的影響更為顯著。降雨強度還對坡面徑流產(chǎn)生重要影響。小雨強度下，坡面徑流較小，大部分雨水能夠順利入滲土壤，僅有少量雨水在坡面形成微弱的徑流。中雨強度時，坡面徑流明顯增加，徑流速度加快，對坡面的沖刷作用增強。大雨強度下，坡面徑流急劇增大，形成較強的水流，容易導(dǎo)致坡面土壤侵蝕和土體流失。在大雨強度下，坡面徑流的流量可達(dá)到小雨強度下的5倍以上，對邊坡的穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。這些試驗結(jié)果表明，降雨強度是影響生態(tài)邊坡滲透及穩(wěn)定性的重要因素，深入研究降雨強度與滲透關(guān)系，對于理解生態(tài)邊坡的水文過程和穩(wěn)定性變化具有重要意義。3.3降雨時間與滲透深度3.3.1降雨時間對滲透深度的影響降雨時間是影響生態(tài)邊坡滲透深度的關(guān)鍵因素之一，其對滲透深度的影響主要通過改變水分在土壤中的運移過程來實現(xiàn)。隨著降雨時間的延長，雨水不斷地滲入土壤，使得土壤中的含水率逐漸增加，水分在重力、毛細(xì)力和分子力的作用下，不斷向土壤深層運移，從而導(dǎo)致滲透深度逐漸增大。在降雨初期，土壤相對干燥，孔隙較大，雨水能夠迅速進(jìn)入土壤，入滲率較高，滲透深度的增加速度也較快。此時，重力和毛細(xì)力是驅(qū)動雨水入滲的主要動力，分子力的作用相對較小。隨著降雨時間的持續(xù)，土壤孔隙逐漸被水分填充，入滲率開始逐漸降低，滲透深度的增加速度也隨之減緩。當(dāng)土壤孔隙幾乎被水分充滿，達(dá)到飽和狀態(tài)時，滲透深度基本不再增加，此時入滲率主要取決于土壤的性質(zhì)和水力條件。為了進(jìn)一步研究降雨時間對滲透深度的影響，我們對不同降雨時間下的滲透深度進(jìn)行了監(jiān)測和分析。通過在張承高速生態(tài)邊坡設(shè)置監(jiān)測點，利用時域反射儀（TDR）等儀器測量不同深度土壤的含水率變化，從而確定滲透深度。監(jiān)測結(jié)果表明，在小雨強度下，降雨時間為1小時時，滲透深度約為10cm；降雨時間延長至3小時，滲透深度增加到20cm左右；當(dāng)降雨時間達(dá)到5小時，滲透深度達(dá)到30cm左右，且增加速度明顯減緩。在中雨強度下，降雨1小時時，滲透深度可達(dá)15cm；3小時時，滲透深度約為30cm；5小時時，滲透深度接近40cm。大雨強度下，降雨1小時，滲透深度即可達(dá)到20cm；3小時時，滲透深度約為40cm；5小時時，滲透深度超過50cm。這些數(shù)據(jù)直觀地顯示了降雨時間與滲透深度之間的正相關(guān)關(guān)系，即降雨時間越長，滲透深度越大，且降雨強度越大，在相同降雨時間內(nèi)的滲透深度也越大。此外，降雨時間還會影響土壤水分的分布格局。隨著降雨時間的延長，土壤水分在垂直方向上的分布逐漸趨于均勻，但在水平方向上，由于土壤質(zhì)地、坡度等因素的影響，水分分布仍可能存在差異。在坡度較大的邊坡區(qū)域，水分更容易沿坡面流動，導(dǎo)致坡面下部的土壤含水率相對較高，滲透深度也較大；而在坡度較小的區(qū)域，水分分布相對較為均勻，滲透深度的差異也較小。同時，土壤質(zhì)地對降雨時間與滲透深度的關(guān)系也有顯著影響。砂土由于其孔隙較大，透水性強，在相同降雨時間下，滲透深度相對較大；而黏土孔隙較小，透水性差，滲透深度相對較小。例如，在相同的降雨時間和降雨強度下，砂土的滲透深度可能是黏土的1.5-2倍。3.3.2滲透深度計算模型為了準(zhǔn)確預(yù)測張承高速生態(tài)邊坡在降雨條件下的滲透深度，建立了適合該地區(qū)生態(tài)邊坡的降雨滲透深度計算模型。該模型基于Richards方程，并結(jié)合張承高速生態(tài)邊坡的實際特點進(jìn)行了修正和優(yōu)化。模型假設(shè)：土壤為均質(zhì)各向同性介質(zhì)，忽略土壤中根系、孔隙等微觀結(jié)構(gòu)對水分運移的影響，但考慮土壤質(zhì)地和初始含水率的差異。降雨為均勻降雨，不考慮降雨強度在空間和時間上的變化，但考慮不同降雨強度對滲透深度的影響。忽略蒸發(fā)和蒸騰作用對土壤水分的影響，僅關(guān)注降雨入滲過程中的水分運移。水分在土壤中的運動遵循達(dá)西定律和質(zhì)量守恒定律。模型建立過程如下：根據(jù)Richards方程，垂直一維非飽和土壤水分運動方程為：根據(jù)Richards方程，垂直一維非飽和土壤水分運動方程為：\frac{\partial\theta}{\partialt}=\frac{\partial}{\partialz}\left(K(\theta)\frac{\partialH}{\partialz}\right)其中，\theta為體積含水量，t為時間，z為垂直方向坐標(biāo)，K(\theta)為非飽和導(dǎo)水率，H為總土水勢，H=h+z，h為基質(zhì)勢?？紤]到張承高速生態(tài)邊坡的土壤特性，通過試驗測定了不同土壤質(zhì)地的非飽和導(dǎo)水率K(\theta)與體積含水量\theta之間的關(guān)系，以及基質(zhì)勢h與體積含水量\theta之間的關(guān)系，即土壤水分特征曲線。利用這些試驗數(shù)據(jù)，對Richards方程進(jìn)行離散化處理，采用有限差分法將連續(xù)的偏微分方程轉(zhuǎn)化為離散的代數(shù)方程，以便于數(shù)值求解。邊界條件設(shè)定為：在地表處，降雨強度為I，當(dāng)I\leqK(\theta_{s})（\theta_{s}為飽和含水率對應(yīng)的體積含水量）時，入滲率等于降雨強度，即q=I；當(dāng)I>K(\theta_{s})時，入滲率等于飽和導(dǎo)水率K(\theta_{s})，多余的雨水形成地表徑流。在土壤深部，假設(shè)為不透水邊界，即\frac{\partial\theta}{\partialz}=0。初始條件設(shè)定為：在降雨開始前，土壤初始含水率為\theta_{0}，即\theta(z,0)=\theta_{0}。通過上述模型建立和參數(shù)設(shè)定，利用數(shù)值計算軟件對不同降雨條件下的滲透深度進(jìn)行模擬計算。為了驗證模型的準(zhǔn)確性，將模擬結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。選取張承高速生態(tài)邊坡的多個監(jiān)測點，在不同降雨事件中，同步記錄降雨時間、降雨強度、土壤初始含水率等參數(shù)，并利用TDR等儀器測量不同深度土壤的含水率變化，確定實際滲透深度。對比結(jié)果表明，模型計算得到的滲透深度與實際監(jiān)測值在趨勢上基本一致，且誤差在可接受范圍內(nèi)。例如，在一次中雨事件中，模型計算的滲透深度為32cm，實際監(jiān)測值為30cm，誤差為6.7%。通過對多個降雨事件的驗證分析，證明該模型能夠較好地預(yù)測張承高速生態(tài)邊坡在降雨條件下的滲透深度，為邊坡穩(wěn)定性分析和防護(hù)措施的制定提供了可靠的工具。四、降雨對生態(tài)邊坡穩(wěn)定性影響分析4.1穩(wěn)定性分析方法概述邊坡穩(wěn)定性分析是評估邊坡在各種因素作用下是否能夠保持穩(wěn)定的重要手段，常用的分析方法主要包括極限平衡法、數(shù)值分析法和工程地質(zhì)類比法等，這些方法各有其特點和適用范圍。極限平衡法是邊坡穩(wěn)定性分析中應(yīng)用最為廣泛的方法之一，其基本原理是基于極限平衡狀態(tài)，將可能滑動的巖土體視為剛體，通過分析滑動面上的力系平衡來計算邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。該方法的核心在于對滑裂面的假設(shè)和力的簡化，常用的計算方法有瑞典圓弧法、畢肖普簡化法、摩根斯坦-普賴斯法、斯賓塞法以及不平衡推力法等。瑞典圓弧法最早由瑞典的彼得森（K.E.Pettersen）于1916年提出，它假定土坡滑動面為圓弧形，將圓弧形滑裂面以上的土體劃分為多個垂直條塊，在計算過程中不考慮土條間的作用力，定義穩(wěn)定安全系數(shù)為滑裂面上全部抗滑力矩與滑動力矩之比。該方法計算相對簡便，但由于忽略了土條間的相互作用，計算結(jié)果相對保守。畢肖普簡化法在瑞典圓弧法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，考慮了土條間的水平作用力，計算結(jié)果更為準(zhǔn)確，但計算過程相對復(fù)雜。摩根斯坦-普賴斯法理論上較為嚴(yán)密，適用于任意形狀的滑裂面，全面滿足力的平衡條件和力矩的平衡條件，但計算過程繁瑣，需要借助計算機(jī)軟件進(jìn)行計算。斯賓塞法同樣考慮了土條間的相互作用力，通過迭代計算求解邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，計算結(jié)果較為精確。不平衡推力法主要用于折線形滑面的邊坡穩(wěn)定性分析，它將滑坡體按垂直條塊進(jìn)行劃分，從坡頂?shù)狡履_依次計算各條塊剩余下滑力，若最后一塊剩余下滑力為零或負(fù)值，則邊坡穩(wěn)定，反之則不穩(wěn)定。極限平衡法的優(yōu)點是概念清晰、計算簡便，工程技術(shù)人員易于掌握，在工程實踐中得到了廣泛應(yīng)用；缺點是對滑裂面的形狀和位置假設(shè)具有一定的主觀性，且忽略了巖土體的變形特性。數(shù)值分析法是隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而興起的一種邊坡穩(wěn)定性分析方法，主要包括有限元法、有限差分法、離散元法等。有限元法是將邊坡離散為有限個單元，通過求解單元的平衡方程來得到整個邊坡的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布，進(jìn)而評估邊坡的穩(wěn)定性。該方法能夠考慮巖土體的非線性特性、復(fù)雜的邊界條件以及地下水等因素的影響，計算結(jié)果較為準(zhǔn)確。在對某復(fù)雜地質(zhì)條件下的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時，利用有限元法能夠詳細(xì)模擬邊坡在降雨入滲過程中孔隙水壓力的變化以及土體的變形情況，從而更準(zhǔn)確地評估邊坡的穩(wěn)定性。有限差分法是將求解區(qū)域劃分為差分網(wǎng)格，通過差商代替微商將偏微分方程轉(zhuǎn)化為差分方程進(jìn)行求解。它在處理大變形問題和動態(tài)問題時具有一定的優(yōu)勢，如在分析地震作用下邊坡的穩(wěn)定性時，有限差分法能夠較好地模擬地震波的傳播和土體的動力響應(yīng)。離散元法主要用于分析非連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)行為，將巖土體視為由離散的塊體組成，考慮塊體間的接觸和相互作用。在研究節(jié)理巖體邊坡的穩(wěn)定性時，離散元法能夠準(zhǔn)確模擬節(jié)理的張開、閉合和滑動等行為，為邊坡穩(wěn)定性分析提供更符合實際的結(jié)果。數(shù)值分析法的優(yōu)點是能夠考慮多種復(fù)雜因素的影響，計算結(jié)果精確，能夠直觀地展示邊坡的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布情況；缺點是計算過程復(fù)雜，需要專業(yè)的軟件和較高的計算機(jī)配置，對使用者的技術(shù)要求也較高。工程地質(zhì)類比法是一種定性的邊坡穩(wěn)定性分析方法，它將所研究的邊坡或擬設(shè)計的人工邊坡與已經(jīng)研究過的或已有經(jīng)驗的邊坡進(jìn)行類比，綜合考慮地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、水文地質(zhì)條件、邊坡尺寸和形態(tài)以及人類工程活動等因素，以評價其穩(wěn)定性，并提出合理的坡高和坡角。在對某新建公路邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時，可以參考附近地質(zhì)條件相似、已穩(wěn)定運行的公路邊坡的設(shè)計和使用情況，結(jié)合本邊坡的具體特點，對其穩(wěn)定性進(jìn)行初步評估。該方法的優(yōu)點是能夠綜合考慮各種影響邊坡穩(wěn)定的因素，迅速地對邊坡穩(wěn)定性及其發(fā)展趨勢作出估計和預(yù)測，適用于地質(zhì)條件復(fù)雜、勘測工作初期或缺乏資料的情況；缺點是類比條件因地而異，經(jīng)驗性強，缺乏定量分析，對使用者的工程經(jīng)驗要求較高。4.2降雨對邊坡穩(wěn)定性的力學(xué)分析4.2.1雨水對土體力學(xué)參數(shù)的影響雨水入滲對土體力學(xué)參數(shù)有著顯著影響，其中土體容重和抗剪強度的變化尤為關(guān)鍵。當(dāng)雨水入滲到土體中時，土體的含水率會顯著增加，從而導(dǎo)致土體容重發(fā)生改變。土體容重包括天然容重、飽和容重和浮容重等，在雨水入滲過程中，天然容重會隨著含水率的上升而增大。根據(jù)相關(guān)理論，土體容重與含水率之間存在如下關(guān)系：\gamma=\gamma_d(1+w)其中，\gamma為天然容重，\gamma_d為干容重，w為含水率。以張承高速生態(tài)邊坡的某砂土為例，其干容重\gamma_d約為16kN/m3，在降雨前，含水率w為10%，則天然容重\gamma=16??(1+0.1)=17.6kN/m?3；在一場降雨后，含水率增加到20%，此時天然容重\gamma=16??(1+0.2)=19.2kN/m?3?？梢?，隨著含水率的增加，天然容重明顯增大，這使得邊坡土體所受的重力增大，下滑力相應(yīng)增加，對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響?？辜魪姸仁峭馏w抵抗剪切破壞的能力，它對邊坡穩(wěn)定性起著決定性作用。雨水入滲會導(dǎo)致土體抗剪強度降低，這主要是由于以下原因。一方面，雨水入滲使土體的基質(zhì)吸力減小?；|(zhì)吸力是指非飽和土中孔隙水壓力與孔隙氣壓力之差，它對土體的抗剪強度有重要貢獻(xiàn)。當(dāng)雨水入滲時，孔隙水壓力升高，基質(zhì)吸力減小，土粒間的膠結(jié)作用減弱，吸附凝聚力降低，從而導(dǎo)致土體抗剪強度下降。另一方面，水分在土體中的分布不均會導(dǎo)致土體的不均勻軟化。在靠近坡面的區(qū)域，雨水入滲較快，土體含水率較高，軟化程度較大；而在土體內(nèi)部，含水率相對較低，軟化程度較小。這種不均勻軟化使得土體的抗剪強度分布不均勻，容易在薄弱部位產(chǎn)生剪切破壞。根據(jù)莫爾-庫侖強度準(zhǔn)則，土體的抗剪強度可表示為：\tau_f=c+\sigma\tan\varphi其中，\tau_f為抗剪強度，c為黏聚力，\sigma為有效應(yīng)力，\varphi為內(nèi)摩擦角。在雨水入滲過程中，隨著孔隙水壓力的升高，有效應(yīng)力\sigma減小，同時黏聚力c和內(nèi)摩擦角\varphi也會因土體的軟化和結(jié)構(gòu)破壞而降低。通過對張承高速生態(tài)邊坡土體的室內(nèi)試驗研究發(fā)現(xiàn)，在降雨前，土體的黏聚力c約為15kPa，內(nèi)摩擦角\varphi為30°；在經(jīng)歷一場持續(xù)降雨后，土體的黏聚力c降低到10kPa，內(nèi)摩擦角\varphi減小到25°。這些變化導(dǎo)致土體的抗剪強度大幅下降，邊坡的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重威脅。4.2.2穩(wěn)定性系數(shù)計算與分析為了深入了解降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響，采用極限平衡法中的瑞典圓弧法計算不同降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，并對結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。瑞典圓弧法假定邊坡的滑動面為圓弧形，將滑動面以上的土體劃分為若干個垂直土條，通過分析每個土條上的作用力，計算整個滑動面上的抗滑力矩和滑動力矩，進(jìn)而得出邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。其計算公式為：F_s=\frac{\sum_{i=1}^{n}(c_il_i+W_i\cos\alpha_i\tan\varphi_i)}{\sum_{i=1}^{n}W_i\sin\alpha_i}其中，F(xiàn)_s為穩(wěn)定性系數(shù)，n為土條數(shù)量，c_i為第i個土條滑動面上土的黏聚力，l_i為第i個土條滑動面的弧長，W_i為第i個土條的重量，\alpha_i為第i個土條滑動面中點的切線與水平線的夾角，\varphi_i為第i個土條滑動面上土的內(nèi)摩擦角。針對張承高速生態(tài)邊坡，選取一段典型邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性系數(shù)計算。該邊坡高度為10m，坡度為1:1.5，土體參數(shù)如下：干容重\gamma_d=18kN/m?3，天然含水率w=15\%，黏聚力c=20kPa，內(nèi)摩擦角\varphi=32?°。在不同降雨條件下，根據(jù)雨水入滲對土體力學(xué)參數(shù)的影響，對上述參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，然后計算穩(wěn)定性系數(shù)。計算結(jié)果表明，在降雨前，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)F_s=1.52，處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)經(jīng)歷一場小雨（降雨量為10mm）后，土體含水率增加到20%，黏聚力降低到18kPa，內(nèi)摩擦角減小到30°，此時穩(wěn)定性系數(shù)F_s=1.38，雖然仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，但安全儲備有所降低。當(dāng)遭遇一場中雨（降雨量為30mm）后，土體含水率進(jìn)一步增加到25%，黏聚力降至15kPa，內(nèi)摩擦角減小到28°，穩(wěn)定性系數(shù)F_s=1.15，邊坡的穩(wěn)定性明顯下降，處于較危險的狀態(tài)。若遇到大雨（降雨量為50mm），土體含水率達(dá)到30%，黏聚力降至12kPa，內(nèi)摩擦角減小到25°，穩(wěn)定性系數(shù)F_s=0.98，小于1，邊坡已處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨時可能發(fā)生滑坡等災(zāi)害。通過對不同降雨條件下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的計算和分析，可以清晰地看出，隨著降雨量的增加，土體力學(xué)參數(shù)發(fā)生不利變化，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)逐漸減小，邊坡的穩(wěn)定性不斷降低。這表明降雨是影響張承高速生態(tài)邊坡穩(wěn)定性的重要因素，在工程設(shè)計和維護(hù)中，必須充分考慮降雨的影響，采取有效的防護(hù)措施，以確保邊坡的穩(wěn)定。4.3模擬雨洪試驗與結(jié)果4.3.1試驗設(shè)計與實施為了深入研究降雨對張承高速生態(tài)邊坡穩(wěn)定性和滲透性的影響，設(shè)計并實施了模擬雨洪試驗。試驗裝置主要由邊坡模型箱、人工降雨系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成。邊坡模型箱采用有機(jī)玻璃制作，尺寸為長2m、寬1m、高1.5m，內(nèi)部填充與張承高速生態(tài)邊坡相同的土壤和植被。土壤按照實際比例分層填筑，每層厚度控制在20-30cm，并進(jìn)行壓實處理，以保證土壤的密實度和均勻性。植被選用張承高速沿線常見的草本植物和灌木，在模型箱中按照一定的密度和分布方式進(jìn)行種植，以模擬真實的生態(tài)邊坡植被覆蓋情況。人工降雨系統(tǒng)由供水水箱、水泵、輸水管、噴頭等組成。供水水箱容量為5m3，能夠滿足不同降雨強度和持續(xù)時間的試驗需求。水泵采用變頻調(diào)速水泵，可根據(jù)試驗要求精確調(diào)節(jié)供水流量，從而實現(xiàn)不同降雨強度的模擬。輸水管采用耐壓聚乙烯管，將水泵輸出的水輸送到噴頭。噴頭選用旋轉(zhuǎn)式噴頭，能夠?qū)⑺鶆虻貒姙⒃谶吰履Ｐ捅砻?，模擬自然降雨的分布情況。通過調(diào)節(jié)噴頭的工作壓力和數(shù)量，可實現(xiàn)小雨（20-30mm/h）、中雨（30-50mm/h）、大雨（50-80mm/h）等不同降雨強度的模擬。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括土壤含水率傳感器、孔隙水壓力傳感器、位移傳感器、雨量計等。土壤含水率傳感器和孔隙水壓力傳感器分別埋設(shè)在邊坡模型不同深度處，如5cm、10cm、15cm、20cm等，用于實時監(jiān)測土壤含水率和孔隙水壓力的變化。位移傳感器安裝在邊坡模型表面和內(nèi)部，用于監(jiān)測邊坡的變形情況。雨量計安裝在邊坡模型上方，用于測量實際降雨強度和降雨量。所有傳感器均連接到數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器將采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)接嬎銠C(jī)進(jìn)行存儲和分析。試驗條件設(shè)定為不同的降雨強度和持續(xù)時間。共設(shè)置了3種降雨強度，分別為小雨（25mm/h）、中雨（40mm/h）、大雨（60mm/h），每種降雨強度下設(shè)置3種持續(xù)時間，分別為1h、2h、3h，共計9組試驗。在試驗前，先對邊坡模型進(jìn)行初始狀態(tài)的測量，記錄土壤含水率、孔隙水壓力、位移等參數(shù)的初始值。然后啟動人工降雨系統(tǒng)，按照設(shè)定的降雨強度和持續(xù)時間進(jìn)行降雨。在降雨過程中，每隔10分鐘采集一次數(shù)據(jù)，同時使用高清攝像機(jī)記錄邊坡表面的徑流情況、土壤侵蝕情況和植被的變化。降雨結(jié)束后，繼續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)一段時間，直至邊坡狀態(tài)基本穩(wěn)定。4.3.2試驗結(jié)果與討論通過對模擬雨洪試驗數(shù)據(jù)的分析，得到了降雨過程中邊坡的變形、破壞模式和穩(wěn)定性變化情況。在邊坡變形方面，隨著降雨強度和持續(xù)時間的增加，邊坡的變形逐漸增大。在小雨強度下，邊坡表面僅出現(xiàn)輕微的變形，位移量較小，主要表現(xiàn)為表層土壤的輕微松動和位移。當(dāng)中雨強度持續(xù)1h時，邊坡表面出現(xiàn)了一些細(xì)小的裂縫，位移量有所增加，主要集中在邊坡的上部和中部區(qū)域。隨著降雨持續(xù)時間的延長，裂縫逐漸擴(kuò)展和加深，位移量進(jìn)一步增大。在大雨強度下，邊坡的變形更為明顯，降雨1h后，邊坡表面出現(xiàn)了較大的裂縫和塌陷，位移量顯著增加，部分區(qū)域出現(xiàn)了淺層滑坡現(xiàn)象。持續(xù)降雨2h和3h后，滑坡范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，邊坡的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重威脅。通過對位移傳感器數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，邊坡的水平位移和垂直位移都隨著降雨強度和持續(xù)時間的增加而增大，且水平位移的增長速度更快，表明邊坡在降雨作用下更容易發(fā)生水平方向的滑動。邊坡的破壞模式主要包括坡面侵蝕、淺層滑坡和深層滑坡。坡面侵蝕是最常見的破壞模式，在降雨過程中，雨水的沖刷作用導(dǎo)致邊坡表面的土壤顆粒被帶走，形成細(xì)小的溝壑和沖溝。坡面侵蝕在小雨和中雨強度下較為明顯，隨著降雨強度的增加，侵蝕程度逐漸加劇。淺層滑坡多發(fā)生在邊坡的上部和中部區(qū)域，當(dāng)降雨導(dǎo)致土體的抗剪強度降低到一定程度時，淺層土體在重力作用下發(fā)生滑動。淺層滑坡的滑動面較淺，一般在0-1m范圍內(nèi)，滑動土體的厚度較小，通常為0.2-0.5m。深層滑坡則是在降雨持續(xù)時間較長、強度較大的情況下發(fā)生，滑動面較深，一般在1m以下，滑動土體的厚度較大，可達(dá)1-3m。深層滑坡對邊坡的穩(wěn)定性破壞最為嚴(yán)重，一旦發(fā)生，往往會導(dǎo)致邊坡的整體失穩(wěn)。邊坡的穩(wěn)定性變化與降雨強度和持續(xù)時間密切相關(guān)。通過計算不同降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著降雨強度和持續(xù)時間的增加，穩(wěn)定性系數(shù)逐漸減小。在小雨強度下，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)在降雨前后變化較小，始終保持在較高的水平，表明邊坡在小雨條件下能夠保持較好的穩(wěn)定性。當(dāng)中雨強度持續(xù)1h時，穩(wěn)定性系數(shù)略有下降，但仍大于1，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著降雨持續(xù)時間的延長，穩(wěn)定性系數(shù)下降明顯，當(dāng)降雨持續(xù)3h時，穩(wěn)定性系數(shù)接近1，邊坡的穩(wěn)定性處于臨界狀態(tài)。在大雨強度下，穩(wěn)定性系數(shù)下降迅速，降雨1h后，穩(wěn)定性系數(shù)已小于1，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，且隨著降雨持續(xù)時間的增加，穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)一步減小，邊坡的不穩(wěn)定程度加劇。這表明降雨強度和持續(xù)時間是影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，在工程設(shè)計和維護(hù)中，必須充分考慮這些因素，采取有效的防護(hù)措施，以提高邊坡的穩(wěn)定性。五、基于張承高速的案例研究5.1典型邊坡選取與概況為了深入研究降雨對張承高速生態(tài)邊坡滲透及穩(wěn)定性的影響，選取了位于張承高速K56+300-K56+600段的邊坡作為典型研究對象。該邊坡位于張家口市崇禮區(qū)境內(nèi)，處于山區(qū)路段，地形起伏較大。其地理位置為東經(jīng)115°18′，北緯40°52′，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，夏季降水集中，多暴雨天氣，冬季寒冷干燥。該邊坡的地質(zhì)條件較為復(fù)雜。地層巖性主要為砂巖和頁巖互層，砂巖質(zhì)地相對堅硬，具有一定的抗風(fēng)化能力，但頁巖質(zhì)地較軟，遇水后容易軟化，抗風(fēng)化能力較弱。在地質(zhì)構(gòu)造方面，該區(qū)域存在一些小型的褶皺和節(jié)理構(gòu)造，褶皺使得巖層發(fā)生彎曲變形，節(jié)理則將巖體分割成大小不等的塊體，這些地質(zhì)構(gòu)造的存在降低了巖體的完整性和強度，增加了邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險。邊坡類型屬于土質(zhì)邊坡，高度約為15m，坡度為1:1.2。在防護(hù)措施上，采用了客土噴播、土工格柵和擋土墻相結(jié)合的方式?？屯羾姴ナ菍⒑兄参锓N子、肥料、保水劑等的混合材料噴射到坡面上，形成適宜植物生長的土壤層，促進(jìn)植被生長，增強坡面的抗侵蝕能力。土工格柵鋪設(shè)在坡面下一定深度處，通過與土壤的相互作用，增加土體的摩擦力和抗滑能力，提高邊坡的整體穩(wěn)定性。擋土墻設(shè)置在邊坡坡腳處，主要用于阻擋土體的下滑，承受土體的側(cè)向壓力，防止邊坡坡腳的破壞。此外，邊坡上還種植了多種草本植物和灌木，草本植物如狗牙根、早熟禾等，生長迅速，能夠快速覆蓋坡面，減少坡面的裸露面積；灌木如紫穗槐、胡枝子等，根系發(fā)達(dá)，能夠深入土壤深層，增強土體的錨固作用。這些植被相互配合，形成了多層次的生態(tài)防護(hù)體系，在保持水土、美化環(huán)境的同時，也對邊坡的穩(wěn)定性起到了重要的作用。5.2現(xiàn)場監(jiān)測方案與實施5.2.1監(jiān)測指標(biāo)與儀器為全面深入了解降雨對張承高速生態(tài)邊坡滲透及穩(wěn)定性的影響，確定了一系列關(guān)鍵監(jiān)測指標(biāo)，并選用與之適配的先進(jìn)監(jiān)測儀器。土壤含水率是反映邊坡滲透狀況的重要指標(biāo)，其變化直接影響著邊坡土體的物理力學(xué)性質(zhì)。采用時域反射儀（TDR）進(jìn)行測量，TDR是基于電磁波在不同介質(zhì)中傳播速度不同的原理工作的。當(dāng)電磁波在土壤中傳播時，其傳播速度會隨著土壤含水率的變化而改變，通過測量電磁波在土壤中的傳播時間，就可以精確計算出土壤含水率。TDR具有測量精度高、響應(yīng)速度快、對土壤擾動小等優(yōu)點，能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地獲取土壤含水率數(shù)據(jù)。例如，在某邊坡監(jiān)測項目中，TDR的測量精度可達(dá)±2%，能夠及時捕捉到土壤含水率的微小變化，為研究降雨入滲過程提供可靠的數(shù)據(jù)支持?？紫端畨毫σ彩侵匾O(jiān)測指標(biāo)之一，它對邊坡穩(wěn)定性有著顯著影響?？紫端畨毫Φ淖兓瘯淖兺馏w的有效應(yīng)力，進(jìn)而影響土體的抗剪強度。選用振弦式孔隙水壓力計進(jìn)行監(jiān)測，振弦式孔隙水壓力計主要由透水石、感應(yīng)膜、振弦、激振器等部分組成。當(dāng)孔隙水壓力作用于感應(yīng)膜時，會使振弦的張力發(fā)生變化，從而導(dǎo)致振弦的振動頻率改變，通過測量振弦的振動頻率，就可以計算出孔隙水壓力。振弦式孔隙水壓力計具有精度高、穩(wěn)定性好、量程范圍大等優(yōu)點，能夠適應(yīng)復(fù)雜的監(jiān)測環(huán)境。在實際應(yīng)用中，其測量精度可達(dá)±0.1kPa，能夠準(zhǔn)確反映孔隙水壓力的變化情況，為分析邊坡穩(wěn)定性提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。邊坡位移是衡量邊坡穩(wěn)定性的直觀指標(biāo)，包括水平位移和垂直位移。采用全站儀進(jìn)行監(jiān)測，全站儀是一種集光、機(jī)、電為一體的高技術(shù)測量儀器，它可以同時測量水平角、垂直角和距離。在邊坡位移監(jiān)測中，通過在邊坡上設(shè)置觀測點，利用全站儀定期測量觀測點的坐標(biāo)，就可以計算出邊坡的位移量。全站儀具有測量精度高、測量速度快、操作簡便等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)對邊坡位移的高精度監(jiān)測。其水平方向測量精度可達(dá)±2″，垂直方向測量精度可達(dá)±2″，距離測量精度可達(dá)±(2mm+2ppm×D)，能夠滿足邊坡位移監(jiān)測的高精度要求。為了監(jiān)測邊坡表面裂縫的發(fā)展情況，采用裂縫計進(jìn)行測量。裂縫計主要有機(jī)械式和電子式兩種類型，電子式裂縫計具有精度高、測量范圍大、數(shù)據(jù)傳輸方便等優(yōu)點，因此在本研究中選用電子式裂縫計。電子式裂縫計通常采用應(yīng)變片或位移傳感器作為敏感元件，當(dāng)裂縫發(fā)生變化時，敏感元件會產(chǎn)生相應(yīng)的電信號變化，通過測量電信號的變化，就可以計算出裂縫的寬度和長度。在實際應(yīng)用中，電子式裂縫計的測量精度可達(dá)±0.01mm，能夠及時發(fā)現(xiàn)裂縫的細(xì)微變化，為評估邊坡穩(wěn)定性提供重要依據(jù)。雨量計用于監(jiān)測降雨量和降雨強度，是研究降雨對邊坡影響的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取儀器。翻斗式雨量計是一種常用的雨量計，它由承雨器、上翻斗、計量翻斗、計數(shù)翻斗、干簧管等部分組成。當(dāng)雨水進(jìn)入承雨器后，會通過上翻斗、計量翻斗和計數(shù)翻斗，每翻動一次計數(shù)翻斗，干簧管就會產(chǎn)生一個脈沖信號，通過記錄脈沖信號的數(shù)量，就可以計算出降雨量。翻斗式雨量計具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、可靠性強等優(yōu)點，其測量精度可達(dá)±0.2mm，能夠準(zhǔn)確測量降雨量和降雨強度，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供準(zhǔn)確的降雨數(shù)據(jù)。5.2.2監(jiān)測點布置與頻率監(jiān)測點的合理布置是獲取準(zhǔn)確監(jiān)測數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，本研究依據(jù)張承高速生態(tài)邊坡的地形地貌、地質(zhì)條件以及邊坡的重要性等因素，科學(xué)地確定了監(jiān)測點的布置原則和方法。在坡頂、坡面、坡腳等關(guān)鍵部位均設(shè)置了監(jiān)測點，以全面監(jiān)測邊坡不同位置的變化情況。在坡頂設(shè)置監(jiān)測點，主要用于監(jiān)測邊坡頂部的水平位移和垂直位移，以及土壤含水率和孔隙水壓力的變化，這些數(shù)據(jù)能夠反映邊坡頂部在降雨作用下的變形和滲流情況。在坡面設(shè)置監(jiān)測點，按照一定的間距均勻布置，以監(jiān)測坡面不同位置的位移、裂縫發(fā)展以及土壤含水率和孔隙水壓力的變化，從而了解坡面在降雨過程中的穩(wěn)定性變化。在坡腳設(shè)置監(jiān)測點，主要監(jiān)測坡腳的水平位移和垂直位移，以及孔隙水壓力的變化，因為坡腳是邊坡的支撐部位，其穩(wěn)定性對整個邊坡的穩(wěn)定至關(guān)重要。根據(jù)邊坡的規(guī)模和地質(zhì)條件，合理確定了監(jiān)測點的數(shù)量和間距。對于規(guī)模較大、地質(zhì)條件復(fù)雜的邊坡，適當(dāng)增加監(jiān)測點的數(shù)量，以確保能夠全面捕捉邊坡的變化信息。在本研究中，對于典型邊坡，每隔10-20m設(shè)置一個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面上設(shè)置3-5個監(jiān)測點，分別位于坡頂、坡面中部和坡腳。這樣的布置方式能夠在保證監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的前提下，提高監(jiān)測效率，降低監(jiān)測成本。監(jiān)測頻率的確定既要滿足獲取有效數(shù)據(jù)的需求，又要考慮實際操作的可行性和經(jīng)濟(jì)性。在降雨前，采用較低的監(jiān)測頻率，每周監(jiān)測1-2次，主要獲取邊坡的初始狀態(tài)數(shù)據(jù)，為后續(xù)分析降雨對邊坡的影響提供基礎(chǔ)。在降雨過程中，根據(jù)降雨強度和持續(xù)時間，實時調(diào)整監(jiān)測頻率。對于小雨和中雨，每1-2小時監(jiān)測一次；對于大雨和暴雨，每30分鐘-1小時監(jiān)測一次，以實時掌握邊坡在降雨過程中的變化情況。降雨結(jié)束后，適當(dāng)降低監(jiān)測頻率，但仍需持續(xù)監(jiān)測一段時間，以觀察邊坡在降雨后的恢復(fù)情況和穩(wěn)定性變化。在降雨后的1-2天內(nèi)，每天監(jiān)測1-2次；之后，根據(jù)邊坡的穩(wěn)定情