粗、巨颗粒富集位置对堆积体降雨入渗的影响

2021-11-10张雨林石惊涛涂国祥钱昭宇

水利水运工程学报 2021年5期

张雨林，石惊涛，涂国祥，万畅，邱潇，钱昭宇

(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)

受人类活动、地震及降雨影响，我国西部地区常发生堆积体失稳滑坡，尤以降雨诱发为主[1-2]。研究雨水在土体中的入渗机理，对滑坡等自然灾害防治有重大意义。目前国内外学者多采用理论分析[3-5]、数值模拟[6-7]、物理模拟[8-10]等方法对降雨条件下的滑坡机理进行研究，如Lumb等[3]认为降雨入渗会使土体饱和度增加，引起抗剪强度降低而诱发滑坡；Fredlund等[4]研究认为降雨入渗会导致地下水位升高且增大孔隙水压力，之后雨水渗流带走颗粒间的胶结物进而影响坡体稳定；齐信等[5]认为坡体在地形地貌及土层厚度的作用下，短时间内的强降雨入渗会导致孔隙水压力增大而引发土体滑动。同时，众多学者从降雨强度[11-12]、时长和累计降雨量[13-15]等方面对堆积体稳定性进行研究，揭示了降雨条件下诱发坡体失稳机理，为降雨入渗与坡体稳定性间的相关性提供了理论依据。

然而当前相关研究结论大多集中于边坡局部失稳或浅层滑坡失稳机理[16-17]方面，对降雨诱发局部粗、巨颗粒富集型深厚层堆积体滑坡失稳的研究却相对欠缺。通过实地调查发现，四川省某堆积体局部粗、巨颗粒富集于坡中、坡脚部位，导致出现的大孔隙架空现象为雨水入渗到堆积体深部提供了优势通道，为其滑坡失稳埋下了隐患。因此，本文针对局部粗、巨颗粒不同位置富集型深厚层堆积体展开室内降雨模型试验，采集坡体内部孔隙水压力、基质吸力和体积含水率等数据，研究降雨入渗过程中雨水渗流特征变化，为探索由降雨诱发局部粗、巨颗粒富集型深厚层堆积体滑坡失稳机理提供理论依据及数据支持。

1 堆积体概况

研究的滑坡堆积体位于四川省阿坝藏族羌族自治州茂县东兴乡，地理坐标为N31°47′9.9″，E104°7′43.5″，堆积体长度为1 000～1 200 m，宽度为1 500～1 600 m，土层厚8～10 m，坡体前缘和后缘高程分别为962和1 367 m，整体形态呈倒“V”字形。主要由碎石土及粉土组成，其中碎石成分以石英为主，呈次棱角和棱角状；粉土主要为灰色，较为松散和干燥。堆积体表面有大量植被覆盖，以灌木为主。基岩表面则植被覆盖较少，几乎裸露。

据调查发现，该堆积体局部颗粒富集于坡中、坡脚（图1）及后缘部位，富集范围较大，但后缘的颗粒富集现象远不及坡中和坡脚部位，特别以粗、巨颗粒富集最为典型。同时，颗粒富集区域发育在堆积体不同坡度位置处，据统计，约80%的粗、巨颗粒富集发育在堆积体10°～40°的坡度部位，分布的粗、巨颗粒岩性主要为砂岩和页岩，粒径范围分别为20～100 mm和200～300 mm，并且磨圆度较好，颗粒之间为粉土充填，胶结程度高。特别是坡度约为30°的坡中位置粗、巨颗粒富集占65%，形成了范围较广的大孔隙架空区域，分布面积达160 m2，这为降雨入渗提供了优势条件。而其他坡度分布的粗、巨颗粒较为分散且相对较少无法构成大孔隙架空状态，无法提供雨水入渗优势通道，对本文研究结果影响较小，故在本次室内降雨模型试验中不予考虑。

图1 堆积体粗、巨颗粒富集现象Fig.1 Enrichment of local coarse and giant particles of accumulation body

2 试验设计

结合实地调查结果和研究目的，采用坡度为30°的两组概化模型堆积体进行对照试验（A组坡中粗、巨颗粒富集；B组坡脚粗、巨颗粒富集）。

2.1 试验装置

模型箱的长×宽×高为1.5 m×0.9 m×1.2 m，模型箱由角钢和有机透明玻璃板拼装定制，侧面玻璃板上刻有10 cm×10 cm的正方形网格线。

降雨模拟系统包括压力表、水表、水管、降雨喷头和支架及防水雨帘。降雨强度需通过调节供水压力及单位时间供水量来控制在20～25 mm/h范围内。数据测量及采集仪器：孔隙水压力采用HC-25传感器和HCSC-16数据采集仪；基质吸力采用Campbell257传感器和CR1000数据采集仪；体积含水率采用ECH20-5传感器和Em50型数据采集仪。

2.2 试验材料

由于土体堆积体坡中取样较困难，考虑到其主要成分为碎石土及粉土，与前缘土体成分一致，因此取样为堆积体前缘土体。为了更好地模拟降雨入渗试验效果，在现场选取堆积体不同的4个取样点对土体进行初步颗分，发现粗颗粒粒径为20～100 mm，巨颗粒的粒径最大可达300 mm。因室内模型箱尺寸所限，采用等量替代进行重塑，重塑的碎石土夹粉土的粗、巨颗粒质量分数为19.4%，孔隙比为0.13～0.19，含水率3%，天然密度为1.87×103kg/m3，饱和渗透系数为3.9×10−6m/s，黏聚力为24 kPa，土体颗粒粒径累计曲线见图2。

图2 粒径颗分曲线Fig.2 Grain size distribution curve

2.3 试验方案

本次试验唯一变量为粗、巨颗粒局部富集发育部位（图3）。采用人工堆筑模型，每隔15 cm用橡胶锤和木板辅助工具进行分层压实1次，共计5层，压实程度以土体天然重度为准。将传感器套入预埋的PVC管中，放置指定位置处，然后继续压实土体，待逐层夯实后，从压实的土体中取出PVC管。同时为防止雨水沿玻璃板渗透而产生边界效应，需要在模型内侧四周的边界处涂上一层防水剂。待传感器埋设及模型堆筑完成后，需将模型在重力作用下静置24 h。模型长1.5 m，宽0.9 m，坡顶和坡脚高分别为0.75和0.50 m，坡顶和坡脚前缘宽度为0.70和0.40 m。根据室内模型尺寸，采用粒径少量在30 mm及大多在38～57 mm范围内的碎石来模拟粗、巨颗粒局部富集形态。A组粗、巨颗粒富集于坡中部位，覆盖面积为0.36 m2，体积约为0.06 m3；B组粗、巨颗粒富集于坡脚部位，覆盖面积和体积量保持不变。两组试验堆积体内部埋设3种传感器各6套，其中孔隙水压力编号为K1～K6、基质吸力编号为J1～J6、体积含水率编号为T1～T6。两组试验模型的颗粒富集部位、坡度及传感器布设位置见图4。每天降雨起始时间为11:00，持续1 h后停止，试验累计降雨直至湿润锋触底即为结束。经实测，降雨有效面积为1.35 m2，降雨平均均匀度为82.9%，每次降雨强度为24.9 mm/h，且保持不变。

图3 粗、巨颗粒发育位置设计Fig.3 Development position of coarse and giant particles

图4 模型正视及俯视图（单位：mm）Fig.4 Front and top views of model (unit: mm)

3 试验结果及分析

3.1 孔隙水压力变化

孔隙水压力变化情况见图5。降雨2 h后，A、B组堆积体中的2、4号测点率先响应，且B组比A组曲线波动强烈。B组2号测点在降雨9 h后孔隙水压力达2.35 kPa，比A组2号测点高1.87 kPa。位于富集区下方的B组4号测点数值急剧上升，而后雨水在均质土体中下渗受阻，数值逐渐回落，在上升-回落过程中其孔隙水压力差始终稳定在0.94～1.12 kPa。而A组上升-回落幅度较小，其数值在0.15～0.50 kPa内波动。之后由于降雨间歇性补偿，2、4号测点的数值呈上升-回落-逐渐稳定的整体趋势。

图5 孔隙水压力变化Fig.5 Variation of pore water pressure

A组位于坡脚的6号测点在降雨70 h后其数值陡立上升达到1.18 kPa，在之后的24 h内趋于平稳，经历补偿降雨后经跳跃式增长，达到峰值2.19 kPa后基本保持不变，湿润锋开始侧向迁移。孔隙水压力各阶段平均峰值B组比A组高0.52和0.92 kPa。B组3号测点比A组延后21 h出现第1次峰值，其值比A组高0.39 kPa。尤其在降雨后60 h，峰值最大差可达1.39 kPa。B组1号测点在降雨84 h出现峰值1.14 kPa，比156 h出现峰值0.6 kPa的A组延迟了72 h，而此时B组堆积体湿润锋已触底。5号测点的两组数值开始都呈缓慢增长趋势，而A组在168 h时突然飙升至2.98 kPa，B组在111 h时达3.26 kPa，之后两者小幅度下降。

3.2 基质吸力变化

基质吸力变化情况见图6。降雨结束后，2、4号测点均在1.1 h内发生响应，其基质吸力值均在24 h内发生断崖式跌落，B组跌落速率比A组快23.1 kPa/h，谷值比A组小3.47 kPa，之后趋于稳定，无较大起伏。A组4号测点回落速率比B组慢4.6 kPa/h，但整体都呈骤降-平稳状态，由于改变了4号测点埋设位置，导致稳定时A组4号测点吸力值比B组高2.96～3.65 kPa。A组4号测点比2号平均值低3.75 kPa，而B组4号测点比2号平均值高4.95 kPa。

图6 基质吸力变化Fig.6 Variation of matric suction

随着雨水持续入渗，3、6号测点均在间隔3 h内发生陡降。A组3号测点比B组延迟19 h，其下降速率比B组慢3.83 kPa/h。而A组吸力值始终比B组高出1.46 kPa，最大时可达4.83 kPa。6号测点未发生陡降前A组平均峰值比B组高23.07 kPa，而后A组比B组延后50 h发生骤降，速率慢12.27 kPa/h。之后变化趋于稳定，A组平均值比B组低3.77 kPa。A组1号测点在上升阶段平均值比B组高21.02 kPa，在降雨7 h后发生骤降，比B组提前19 h，下降速率比B组高30.77 kPa/h，之后A组在172 h内呈稳定状态，其平均值比B组低5.28 kPa。在5号测点处，两组堆积体在前期都呈平缓上升，而后期呈断崖式跌落状态。A组比B组延迟54 h跌落，其下降速率比B组快36.6 kPa/h。之后趋于稳定时，A组平均值比B组低12.87 kPa。

3.3 体积含水率变化

体积含水率变化情况见图7。降雨结束后，A组2号测点比B组滞后13 h发生陡升，其上升速率比B组低13.5%/h。之后A组2号测点含水率值在15 h后呈交替式上升-回落状态，而B组在18～24 h发生短暂性下降，然后陡升至32.9%后整体呈平缓-回落-上升-平缓状态，其平均值比A组高16.4%。A组4号测点在前49 h内都呈上升状态，达到峰值24.3%后呈上升-回落交替状态。而B组在3 h时达到峰值44.9%，而在24 h时跌至谷值19.4%，之后发生跳跃式上升达到40.6%，只在72～84 h内发生小幅度上升，其余时段都呈稳定状态，其含水率平均值比A组高18.1%。

图7 体积含水率变化Fig.7 Variation of volume water content

A组3号测点陡升前含水率平均值比B组低2.1%，在72 h时开始以0.45%/h的速率陡升，而B组提前14 h以0.53%/h的速率陡升。之后平缓上升至试验结束，A组含水率值比B组平均值高2.5%。A、B组6号测点分别在72～96 h、24～84 h阶段内呈上升趋势，上升阶段内含水率平均值A组比B组低11.7%。1、5号测点初始值差在1.8%、0.6%内，A组比B组分别滞后1.2和76 h达到峰值；1号测点两者波动峰值差在10%内，而5号测点达到峰值时，A组平均值比B组低0.2%。

3.4 入渗变化过程

两组试验降雨入渗变化见图8。从图8可看出，两组堆积体在雨水入渗前期，湿润锋迁移锋面与堆积体坡面大致平行，而在粗、巨颗粒富集区下方入渗未见明显渗流优势。随着雨水持续入渗，A组堆积体逐步呈现中间凹、而两侧入渗慢的特点，雨水在坡中下方土体中入渗速度明显高于两侧土体，在分界处形成一个平滑的凹形锋面。在49 h 53 min后，中部和右侧土体的湿润锋面基本持平，在之后的77 h 50 min里出现同步下渗情况，其平均下渗深度比左侧土体高10 cm。直至127 h 43 min时，中部和右侧土体湿润锋提前触底，而在堆积体左下方逐渐形成一个面积约为1 350 cm2未被雨水侵蚀的三角形干燥区。此后，A组堆积体湿润锋进入侧向入渗阶段，湿润锋迁移速率约为0.5 cm/h，在190 h 30 min时土体湿润锋均全部触底。同时，B组堆积体坡脚下方土体的雨水入渗速度明显高于左侧均质土体，在14 h 42 min时其下渗深度比左侧土体高5 cm。随着雨水持续下渗，湿润锋在右侧土体中呈凹形下渗且速率加快，在40 h 53 min率先触底，其下渗速率比左侧高0.46 cm/h。此后湿润锋面呈弧形进行侧向入渗，直至118 h 3 min时湿润锋完全触底，其侧向入渗速率约1.5 cm/h。

图8 堆积体入渗变化过程Fig.8 Infiltration process of accumulation body

从图8可知，由于雨水在坡中和坡脚粗、巨颗粒局部富集区下方及邻近土体中的入渗速度明显高于周围均质土体，粗、巨颗粒富集区形成渗流优势路径，雨水能更快达到堆积体深部。粗、巨颗粒不同发育位置对湿润锋迁移情况造成明显差异，尤其集中在湿润锋迁移速率和形态上。A组堆积体在降雨190 h 30 min后湿润锋才完全触底，比B组滞后72 h 27 min；发生侧向入渗也比B组滞后约76 h。A组湿润锋形态呈平缓凹形下渗，下渗弧面更宽、范围更广；而B组主要集中在右侧呈凹形下渗，后期呈弧形侧渗。

4 讨论

由于粗、巨颗粒局部富集导致在坡中、坡脚形成架空区域，这会为雨水入渗提供优势通道，相比周围土体下渗速率将会更快，成为雨水侵蚀堆积体深部的优势路径，对其稳定性产生重要影响。结合试验，发现在粗、巨颗粒富集区下方或邻近的土体中，雨水会呈现凹形快速下渗，这是由于富集区的架空区域会产生“滞水”现象，当一轮降雨停止后，此区域汇聚的雨水会对下方进行供水，使得雨水持续入渗，导致此区域下方产生凹形锋面直至触底，之后开始侧向入渗。由此两组堆积体入渗过程可以分为两个阶段：竖向入渗阶段和侧向入渗阶段。

（1）竖向入渗阶段。试验前期由于雨水在架空区域汇聚，持续供水导致其下方区域入渗速率明显快于周围土体，呈凹形下渗。A、B组堆积体整体湿润锋面分别在前82和41 h呈竖向迁移状态，且右侧土体比左侧分别提前63和21 h触底。此过程中，由于富集区下方及邻近土体有充足的雨水供应，湿润锋影响区域更广，在此部分区域迁移速率更快。含水率初期呈快速增长；随后雨水下渗，数值回落；之后由于补偿性降雨下渗，含水率出现波动，但大体保持稳定。因此，竖向入渗呈加速-减速-稳定入渗特征。

（2）侧向入渗阶段。A、B组堆积体湿润锋分别在127 h 43 min和40 h 53 min时触底，随后由竖向入渗转化为侧向入渗阶段。这是由于右侧湿润锋触底后，因持续性降雨，湿润锋面呈弧形开始向左侧干燥区迁移，当所有干燥区都逐渐被润湿后，整个降雨入渗过程完成。由于模型底部不透水，右侧湿润锋到达底部时，雨水下渗受阻，汇聚的雨水只能侧向入渗，但左侧的湿润锋依然向下迁移，右侧湿润锋向左迁移曲线呈连续平滑弧形。