堆积体中局部粗颗粒富集的现象对降雨在堆积体中入渗影响的物理模拟试验

万 畅，涂国祥，何源远

(成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室， 四川 成都 610059)

降雨是滑坡现象的主要诱发因素之一。《中国典型滑坡》[1]列举了90多个滑坡实例，其中95%以上的滑坡都与降雨有着密切的关系。多年来众多学者对降雨在坡体内部入渗的机理[2-8]和对坡体稳定性的影响[9-13]有了深入的研究，但多数研究还是集中在浅层滑坡上，关于降雨诱发深厚堆积层滑坡的相关研究较欠缺。

文献[1]报道了降雨诱发型滑坡中有多起厚度超过20 m的深厚覆盖层滑坡。陈天健等[14]研究指出滑坡主要发生于土体内饱和度趋近稳定的时段，若边坡内高饱和度土体的深度较浅时，较可能发生浅层滑坡；若高饱和度土体的深度较深时，则较可能发生深层滑坡，即当足量的雨水入渗至堆积体深部时较可能发生深厚堆积层滑坡。降雨在深厚堆积层斜坡中的入渗过程大多属于非饱和入渗，自然界中除架空现象明显的崩塌堆积体外，大多堆积层土体的非饱和渗透系数都很小，若将雨水入渗看作是在均质土体中均匀入渗的过程，则雨水需要经历较长的时间才能渗入至堆积体的深部土体，但以上说法明显不符合文献[15-17]对现实情况的报道“降雨诱发型滑坡(包括深厚覆盖层滑坡)多发生在降雨期间或略有滞后”，可推测部分深厚堆积层内部存在粗颗粒富集的大孔隙区域给雨水提供了快速下渗至堆积体深部的天然优势通道。前尚未有针对堆积体中局部粗颗粒富集的现象和降雨入渗之间关系的实验研究，只有针对堆积层内存在的大孔隙区域和降雨入渗之间联系的一些分析研究：吴火珍等[18]通过对降雨、稳定性与时间的动态分析，认为堆积层滑坡体物质可能存在的大孔隙区域为雨水的入渗提供了优势通道；孙建平等[19]认为当边坡存在大孔隙时,水分会沿大孔隙快速补给地下水。与均质边坡相比较,明显增强了对渗流场和孔隙水压力场的影响,增大了滑坡体的不稳定性, Chen等[20]对中国台湾省某地区由强降雨诱发的滑坡展开的调查和研究发现，在强降雨的作用下，降雨入渗深度在有空隙发育的坡体内可以下渗至20 m以下，进而诱发深层堆积体滑坡。

基于上述讨论，需要对降雨在发育有粗颗粒富集架空区域的堆积体的入渗过程及湿润锋的迁移情况做详细的实验及研究。

1 试验背景

1.1 研究对象

在我国西南地区分布着大量的冰川地貌，可在很多地区见到冰水堆积体和冰川侵蚀所遗留下的痕迹。通过对四川省雅安市汉源县九襄城镇东侧的数条河谷两岸的冰水堆积体进行现场勘测，通过观察堆积体出露的剖面，发现在该地区的冰水堆积体中广泛存在着局部粗颗粒富集的现象，且多出现在堆积体的上部，粗颗粒富集区域的空间结构拥有局部架空、大孔隙等结构特点；粗颗粒富集区域的土体主要由粒径10 mm～40 mm的碎石乃至粒径数十厘米的块石构成；图1为堆积体中粗颗粒富集区域土体和均质土体的颗粒分析曲线图，图2为现场调查时发现的堆积体中存在的局部粗颗粒富集现象。

1.2 试验装置概况

实验是在成都理工大学地质灾害防治和地质环境保护重点实验室中进行的，实验装置主要由模型装置、降雨模拟系统和数据监测采集系统组成。

图1 粗颗粒富集区域土体和均质土体的颗粒分析曲线图

图2 存在粗颗粒富集现象的堆积体剖面图

(1) 模型箱：模型槽的尺寸为150 cm×90 cm×120 cm，模型槽上方还放置了尺寸为150 cm×90 cm×150 cm的降雨装置。为方便观察，模型四壁由透明玻璃组成；侧壁玻璃上每10 cm划一条刻度，以便埋放传感器和观测湿润锋的运移情况。

(2) 降雨系统：包含降雨喷头、供水管、水表、压力表和防水雨帘。降雨强度平均为18.643 mm/h，降雨时间设定为每天的上午10点，共持续4 d，降雨的持续时间为每天2 h；由于实验槽平面尺寸为150 cm×90 cm，降雨有效面积为1.35 m2,均匀度为82.7%。

(3) 数据监测采集系统：包括三种传感器(体积含水率传感器、基质吸力传感器和孔隙水压力传感器)及相应的数据采集系统。测定体积含水率的仪器为Em50型采集仪，量测范围为0%～100%；测定孔隙水压力的仪器为HCSC-16数据采集仪，量测范围为-10 kPa～50 kPa；量测基质吸力的仪器为CR1000数据采集仪，量测范围为0～200 kPa。

1.3 实验方案

为了探究降雨在均质堆积体和粗颗粒架空堆积体中不同的入渗现象，本实验设计了两种类型的堆积体，实验土样采集于四川省雅安市汉源县九襄某存在局部粗颗粒富集现象的冰水堆积体。试验用土的基本参数见表1。

表1 试验用土的基本参数指标

两组模型的设计和传感器布置情况如图3所示。设置有粗颗粒富集架空区域的堆积体模型主体与均质型模型相同，坡度均为27°；为了更好地模拟现实中堆积体局部粗颗粒富集的现象，粗颗粒富集的架空区域从模型坡趾处堆积，高约25 cm，宽约45 cm，长90 cm，由粒径10 mm～40 mm的碎石构成。

在堆积模型的过程埋入体积含水率传感器、基质吸力传感器和孔隙水压力传感器，各6个。三种传感器之间距离为25 cm。堆积完成的模型四周抹上防水剂，从而减小边际效应对实验造成的不利影响。当湿润锋完全抵达坡底、传感器数据保持较稳定时实验即终止。

2 降雨实验结果的分析与研究

2.1 湿润锋的运移形态

图4是降雨在均质堆积体中湿润锋的变化形态组图。雨水完全渗透土体历时56 h 49 min。降雨30 min后，湿润锋下渗至距坡体表面约10 cm的位置，形态基本与堆积体坡面平行。在降雨2 min后已下渗至30 cm～40 cm的深度，并且形态已开始逐渐与模型底部平行。在降雨停止后，湿润锋下移的速度大幅减缓，在降雨结束后的22 h内湿润锋仅下移了20 cm；此时湿润锋形态变成了下凹圆弧形，中部下凹曲率最大，已下渗至60 cm的深度，这一现象表明雨水从斜坡上的入渗速率比坡顶和坡脚的要快。距降雨31 h 30 min后，湿润锋中部已抵达土体底部，但两侧距坡底还有30 cm～40 cm的距离，湿润锋下凹的幅度更大。在56 h后，堆积体进入饱和入渗的状态，土体饱和度达到最大值，坡脚处开始积水。

图3 堆积体模型传感器布置图(单位：cm)

图5是降雨在局部粗颗粒富集型堆积体的湿润锋入渗形态组图。在降雨30 min后大孔隙架空区域下方的湿润锋已经下移到20 cm的深度，而同一时刻雨水从均质土体处入渗的深度仅10 cm，入渗进程只有前者的一半，此时整体湿润锋的形态大致与坡体表面平行，但在架空区域下方的湿润锋明显向下凹，在湿润锋到达底部前，一直是此处的湿润锋下凹的曲率最大，距底部距离也最近，架空区域已明显成为雨水下渗的优势通道。降雨24 h 18 min后湿润锋接触底面，52 h后堆积体模型基本完全被渗透，分别比同等条件下的均质堆积体要提前7.0 h、4.5 h。

图4 均质堆积体湿润锋的变化图

图5 局部粗颗粒富集型堆积体湿润锋的变化图

2.2 体积含水率分析对比

图6是降雨条件下均质堆积体和局部粗颗粒富集型堆积体中体积含水率的变化曲线图。结合湿润锋的变化图分析，可看出均质堆积体中体积含水率传感器的数值跟湿润锋的影响区域密切相关：每当湿润锋抵达一个传感器的位置，该传感器的体积含水率数值便迅速响应并升高。

而局部粗颗粒富集型堆积体中体积含水率的变化则与均质堆积体中的有较为明显的三点区别：

(1) 传感器2的体积含水率比均质堆积体同一位置的体积含水率要低，原因是当降雨强度大于均质土体的入渗速率时，堆积体表层上的雨水不再是均匀向下入渗，而是在坡表形成径流，径流在粗颗粒富集的大孔隙架空区域中汇聚并通过优势通道向坡体下方入渗；而传感器2位于架空区域的水平侧，其上方地表的雨水随径流汇聚于架空区域中，导致传感器2处的含水率较低。

(2) 同样是架空区域的原因，由于传感器4处在架空区域的正下方，汇聚在架空区域的部分雨水垂直于架空区域(即朝传感器4的方向)向下渗透，所以导致传感器4的体积含水率远大于均质堆积体中同一位置的体积含水率。

图6 两组模型的体积含水率变化曲线图

(3) 位于模型底部的传感器5、6的体积含水率在升到了最高值后，并未同均质堆积体同样位置的体积含水率一样保持不变，而是在实验结束前迅速下降至原先最高值的一半水平，原因是粗颗粒富集的大孔隙架空区域的存在为雨水在土体中的下渗提供了优势渗流通道，大大加快了入渗的进程，同时也加快了土体中雨水的流失。

2.3 基质吸力分析对比

图7是实验中均质堆积体、局部粗颗粒富集型堆积体中基质吸力的变化曲线图。在降雨过程中，当雨水渗透至基质吸力传感器所在位置时，该处的基质吸力即迅速下降至10 kPa左右，并保持稳定。基质吸力仪器的变化时间基本与体积含水率仪器一致，当湿润锋到达一处时，该处土体的体积含水率上升，基质吸力下降。由于入渗进度比均质堆积体快的原因，局部粗颗粒富集型堆积体中多数传感器的基质吸力值下降的时间比均质堆积体中的略提前。

图7 基质吸力变化曲线图

2.4 孔隙水压力分析对比

图8是实验中孔隙水压力值的变化曲线图。在均质堆积体中，试验刚开始时各处的孔隙水压力较低，都处于0.3 kPa～0.5 kPa之间。当降雨下渗至传感器所处位置之时，该处的孔隙水压力值迅速响应并以较快的速率升高；在降雨停止后，各孔压点的孔压值都略有下降；从图中可以看出，各传感器的孔隙水压力值在第三天达到了最大值，处于堆积体模型最下层的孔压点5、6的监测值均达到了4 kPa；孔压点1、2、3和4的孔隙水压力值于试验前两天升到2.5 kPa～3.0 kPa之后，在第三天和第四天的降雨中变化均不明显；降雨结束后各传感器的孔隙水压力值都保持在2 kPa～3 kPa之间。

局部粗颗粒富集型堆积体的孔压值的变化趋势大体上与均质堆积体的类似，以下阐述两点区别：

(1) 孔压传感器2、4最先发生变化，原因为它们较其他的孔压点更接近架空区域，大孔隙架空区域为雨水提供了优势渗透通道，所以2、4最先受到雨水渗透的影响；和4号孔压点处于同一水平线上的3号孔压点的孔压值变化时间则要比4号孔压点晚4 h左右。

图8 孔隙水压力变化曲线图

(2) 在均质堆积体模型中，孔压点4的孔压值和孔压点1、2、3的孔压值较为接近；而在局部粗颗粒富集型堆积体模型中孔压点4的孔压值更接近孔压点5、6的孔压值，相比均质模型中同一位置的孔隙水压力高25%～50%，原因是当雨水在粗颗粒富集架空区域中汇聚后，入渗方式为有压入渗，导致此区域的孔隙水压力普遍较大。

3 实验现象的讨论

通过对西南深切河谷地区的实地考察，发现堆积体中局部粗颗粒富集的现象发生在一些冰水堆积体内部，位置较多分布在堆积体的前缘和表层。

在降雨过程中，当降雨强度大于地表土壤入渗率时，坡表开始形成径流，径流汇聚于粗颗粒富集的架空区域中，此时架空区域成为雨水下渗的优势通道，明显加快雨水渗透至堆积体深部的进程，增强了降雨对坡体内渗流场和坡体稳定性的影响，进而诱发深厚型堆积体滑坡。根据对实验结果的观察与分析，在同等的降雨条件下，湿润锋在均质堆积体中渗透至模型底部使用了31 h，在局部粗颗粒富集型堆积体中使用了24 h，表明雨水在局部粗颗粒富集架空型堆积体抵达坡体模型深部所用的时间明显少于在均质堆积体中所用的时间，粗颗粒富集的架空区域的存在明显加快了降雨入渗至堆积体深部的进程；在降雨过程中，雨水往往会汇聚在粗颗粒富集的架空区域，形成“滞水”现象，汇聚的地表水在架空区域形成瞬态高孔隙水压力，增大了水分向周围土体扩散的水力梯度。当降雨停止后，汇聚于粗颗粒富集架空区域的地表水会成为水分入渗至周围土体的稳定补给源，从而使得雨水持续入渗至深部土体。

4 结 论

(1) 粗颗粒富集的架空区域可以汇聚强降雨过程中形成的坡表径流。

(2) 汇聚于粗颗粒富集区域的坡表水可形成较高的孔隙水压力，增大了水分向周围土体渗透的水力梯度，从而促使水分能够更快地入渗至堆积体深部。

(3) 汇聚于粗颗粒富集区域的坡表水为水分入渗至土体提供了稳定的补给源，从而使雨水完全渗透深部土体成为可能。