紫色丘陵区堆渣体物理性质变化及边坡稳定性分析

2013-02-05汪三树李叶鑫杜志洋陈正发史东梅

中国水土保持 2013年1期

蒋平，汪三树，李叶鑫，杜志洋，胡青，陈正发，史东梅

(1．西南大学资源环境学院水土保持生态环境研究所，重庆400715;2．中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，云南昆明650051)

随着经济的快速发展，生产建设项目也呈蓬勃发展之势，不可避免地产生了大量的弃土。弃土失去了原土壤结构，土壤侵蚀严重［1］。这些弃土弃渣结构松散，孔隙度大，颗粒较粗，质地结构差，其自然坡度大都在25°～45°之间，一遇暴雨极易形成滑坡和泥石流，造成严重的地质灾害［2］。因此，进一步了解堆渣体边坡稳定性特征，对减少堆渣体水土流失和地质灾害具有重要意义。

1 研究区概况

研究对象为重庆市紫色丘陵区堆渣体。重庆市属亚热带温暖湿润季风气候区，夏热冬暖，春长秋短，四季分明，光、雨、热同季。年均降水量1 173．6 mm，降雨主要集中在5—9月(期间降水量占全年的75%以上)，高温伏旱较严重。地形为典型的川东低山丘陵，土壤以紫色土、水稻土为主［3］。试验研究选取的3 个堆渣体坡面土壤均为中生代侏罗纪沙溪庙组砂泥岩母质及其发育而成的紫色土，堆积形成的自然安息角在40°以上，1 号堆渣体形成时间最长，2 号堆渣体次之，3号堆渣体最短，其中1 号堆渣体形成时间为2年，2 号为7 个月，3 号不足7 个月，3 个堆渣体基本情况见表1。

表1 堆渣体基本情况

2 研究方法

2．1 采样方法

在1、2、3 号堆渣体边坡分上、中、下3 个部位沿坡面纵向采样，在每个采样点分别用铝盒和100 cm3环刀取3 个复样，用抗剪环刀取4 个样品，另采集1 kg土样做其他物理性质分析。

2．2 试验方法

本试验采用野外调查和室内试验相结合的方法，野外调查指标包括堆渣体边坡长度、坡度、植被覆盖度等;室内试验主要测定堆渣体的容重、含水率、饱和含水率、饱和导水率、颗粒组成及抗剪强度等，分析堆渣体物理性质的变化及边坡稳定性特征。容重采用环刀法测定，含水率采用烘干法测定，饱和含水率和饱和导水率采用环刀法测定，土体颗粒组成采用机械筛分法参照《土工试验规程》测定，抗剪强度利用ZJ 型应变控制式直剪仪测定。

3 结果与分析

3．1 堆渣体边坡土体的颗粒组成及特征

受重力自然分选以及降雨径流冲刷的影响，堆渣体边坡上、中、下各部位土体颗粒的粒径分布呈现出差异性，详见表2。从表2 可以看出，1 号边坡不同坡位碎石分布差异显著，坡上部位的碎石含量是14．8%，坡中仅为1．49%;2、3 号边坡的碎石分布比1 号边坡均匀。堆渣体中砾石含量越高，土壤流失强度越大［4］。3 号边坡砾粒含量比1、2 号边坡高，坡中部位砾粒含量达到了70．97%，主要由于3 号堆渣体含大量未风化岩石且无植被覆盖。堆渣体的土体是扰动后的土石混合体，土颗粒比较松散，在降雨和重力作用下3 个边坡的细粒土都主要分布在坡下部位。

表2 不同坡位土体容重及粒级分布

3．2 堆渣体边坡土体的容重变化特征

土壤容重的变化改变了土壤孔隙状况以及土壤导水能力，对土壤饱和含水率和饱和导水率有重大的影响［5］。由表2 可知，土体容重变化范围为1．3～1．7 g/cm3，这个特征与堆渣体主要为岩石矿物一致。1 号边坡各坡位土体容重关系为坡中＜坡上＜坡下，这与其＜0．075 mm 的细粒物质变化趋势一致，表明坡下部位土体由于细粒含量大造成粗颗粒间的孔隙被堵塞得更多，土体更为紧实。坡中部位土体容重最小与1 号边坡发生了强烈的沟蚀有关，坡中部位土体受到的冲刷剧烈，细颗粒土体被带走，所以应在1 号边坡的坡下部位设置挡渣设施［6］，减少土壤流失量。2 号和3 号边坡土体的容重变化与1 号差异较大，坡上的土体容重最大，这是因为2、3 号边坡形成的时间较短，在倾倒渣体的过程中，坡上部位的土体被车辆压实，而坡中与坡下部位的土体则比较松散。2 号堆渣体有10%的植被覆盖，由于植被的作用，使得其坡中和坡下土体的容重较坡上的小很多;3 号边坡坡下部位的容重比坡上与坡中的小很多，是由于其形成时间较短，坡上和坡中土体被压得更紧实，坡下部位表层有较多滑下的松散土体。

3．3 堆渣体边坡的水分变化特征

3．3．1 边坡土体饱和含水率

作为土壤水动力参数的重要影响因子之一，土壤饱和含水率是衡量土体稳定性及其可蚀性的重要指标［1］。由表3 可知，1、2 号堆渣体边坡饱和含水率关系均是坡中＞坡下＞坡上，2 号边坡坡上和坡下部位饱和含水率相差较大，1 号边坡坡上与坡下部位饱和含水率的差异较2 号的小，这主要是因为1 号边坡植被覆盖较2 号的好;3 号边坡自上而下饱和含水率逐渐增大，这与3 号边坡细粒含量变化趋势一致，且坡下部位的饱和含水率高出坡中和坡上很多，主要是因为3 号边坡无植被覆盖，在降雨时细颗粒易向下运移，堆积在坡下部位。结合表2 可知，堆渣体边坡的饱和含水率与容重呈负相关，这与吕殿青等人的研究结果一致，饱和含水率随容重的增加而减小，与容重成负相关［5］。

表3 不同坡位土体水分的变化

3．3．2 边坡土体含水率

土壤初始含水率越高，产流越快，平均入渗率越小，达到稳定的时间也越短［7］，其值对土壤水分沿边坡的分布具有重要的影响。土壤含水率与土壤抗剪强度密切相关，黏聚力随土壤含水率的增加先增大后减小［8］，因此边坡不同坡位土体含水率也是影响边坡抗剪强度的主要因子。由表3 知，3 个边坡不同坡位土体含水率从上至下逐渐升高，尤其是1 号边坡坡下部位的土体含水率是坡上的3 倍多，这主要是因为1 号边坡的植被主要分布在坡下部位，而植物根系有蓄水保土作用。2 号边坡除坡上部位外，坡中、坡下的含水率均比1 号边坡低，且上、中、下坡位分布的也比较均匀，这主要是由于2 号边坡形成时间比1 号边坡短，植被覆盖也比1 号边坡的差;3 号边坡不同坡位土体含水率较2 号边坡低很多，坡上部位的仅为1．68%，这主要是由于3 号边坡无植被覆盖，土体裸露松散固结性差，粗颗粒含量高，保水性能差。

3．3．3 边坡土体饱和导水率

饱和导水率是土壤水分和溶质运移模型的重要参数［9］，影响土壤饱和导水率的主要因素有土壤容重、土壤孔隙度、土壤质地等。饱和导水率直接关系到降雨条件下土壤表面是否产生径流或产流多少，是衡量土壤坡面是否发生面蚀和细沟侵蚀的关键指标。从表3 可看出，1 号边坡的饱和导水率较2、3 号边坡高很多，且1、2 号边坡坡上部位的土体饱和导水率均比坡中和坡下的低，这与两个边坡的植被均覆盖在坡中和坡下部位有关。1 号边坡坡下部位的土体饱和导水率较坡上和坡中高，且坡上和坡中部位的饱和导水率差异很小。2 号边坡的饱和导水率较1 号边坡的低，坡下＞坡中＞坡上，差异小。3 号边坡则是坡中部位最低，主要因为3 号边坡坡中部位砾粒含量最高。

3．4 堆渣体边坡土体的稳定性特征分析

土体的抗剪强度是影响边坡稳定性的主要因子，而影响土体抗剪强度的因素有颗粒组成、容重、含水率等。表4 为不同堆渣体坡面土体内摩擦角和黏聚力的测定结果。

表4 不同堆渣体坡面土体内摩擦角和黏聚力

由表4 知，1 号边坡坡中部位土体的内摩擦角比坡上和坡下的大，与1 号坡面2～20 mm 砾粒、0．075～2 mm 砂粒物质分布、饱和含水率等指标的变化趋势基本一致，说明在一定范围内粗颗粒土体含量越大，内摩擦角越大，所以在堆置弃渣过程中，可适当混匀不同粒径土颗粒，增强堆渣体边坡的稳定性;黏聚力为坡下＞坡上＞坡中，与1 号坡面＜0．075 mm 细粒物质的分布、土体容重变化趋势基本一致，且黏聚力变化显著，说明堆渣体边坡土体黏聚力的变化与土体颗粒组成和容重均有较大关系，容重越大土体越紧实，颗粒接触越紧密，黏聚力就越大，因此在堆积堆渣体时适当进行压实有利于增强堆渣体边坡稳定性。2 号边坡各坡位的内摩擦角均比1 号边坡的小，主要因为2 号边坡植被覆盖比1 号边坡差，植物根系有增强土体内摩擦角的作用。2 号边坡除坡下部位外，坡中、坡上的黏聚力均比1 号的大，这与两边坡含水率存在差异有关，结合表3 可以看出，在一定范围内土体黏聚力与土体的含水率呈负相关，含水量的增加使土颗粒周围的结合水膜变厚，颗粒胶结性能变弱，致使颗粒之间的分子引力变弱，结构性降低，颗粒之间更易分离［10］。3 号边坡平均内摩擦角较1、2 号边坡的大且坡上、坡下、坡中差异不大，这与3 号边坡形成时间不长，2～20 mm 砾粒含量均高于1、2 号边坡有关;3 号边坡的黏聚力为坡下＞坡中＞坡上，这与3 号边坡的含水率、土颗粒组成状况等有很大关系。弃渣场的堆渣坡度小于土体内摩擦角时，坡面稳定。由表4 的数据处理可得，1、2、3 号边坡安全堆渣的临界坡度分别为29．21°、26．13°、32.45°。由于1 号边坡植被覆盖比2 号的好，植被根系与土体形成根土复合体，增强了土体的抗剪强度，使得1 号边坡安全堆渣的临界坡度比2 号边坡的大;3号边坡由于其砂粒和砾粒的含量较1、2 号的大，所以其土体间内摩擦角较大。紫色丘陵区堆渣体边坡土力学参数的这些变化特点可为采用公式法进行生产建设项目土壤侵蚀模数预测提供更为精确的基本参数［10］。