不同降雨强度作用下松散堆积体运移试验研究

李朝模，张 鹏

(长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局，重庆 404300)

1 概述

松散堆积体是由不同粒径大小的土体或碎石块共同构成的松散岩土介质。由于地震作用，山体的土体和石头变得松散，破碎，从而形成松散堆积物。在降雨作用下，由于松散堆积体的结构已经发生破坏，大量松散堆积物会以滑坡和泥石流的方式进入河道[1]，通常会淤堵在排洪输沙能力较差的平缓河段，从而阻碍河道泄洪能力，甚至会直接堵断河流流路，严重影响到了山区河流防洪安全[2- 3]。所以开展不同降雨强度作用下，研究松散堆积体变形失稳特性的研究，对山区丘陵地区的松散堆积体灾变机理和防灾减灾十分重要。

目前，已经有许多学者针对松散堆积体的变形失稳特征做了大量的研究，并取得了颇丰的研究成果。金磊等[4- 5]研究了松散堆积体的力学特性跟随块石含量的变化规律。魏学利等[6]研究发现，泥石流不仅堆积在入湖口，还会以浊流的形式移至湖心。王灏等[7]研究了天然状态和暴雨状态下滑坡体的应力位移和剪切应变增量之间的关系。余德强等[8]分别对泥石流堆积体隧道施工案例进行分析并提出了相关的防治方法。张小宝等[9]变形体的发展演化过程进行了机理分析，并通过软件对变形体的发展趋势进行了预测。茹永生等[10]研究了阿勒泰-干渠滑坡的形成机制以及提出了相应的解决方案。肖坤等[11]利用单因素法研究了大比降强输沙条件下水位的变化规律。孙一等[12]研究了极端降雨条件下，丘陵地区暴雨山洪的形成及致灾机理。邱潇等[13]研究了缝隙发育对堆积体降雨入渗的影响。

由以上分析不难发现，目前对松散堆积体的影响研究主要围绕在含石率和降雨强度两种不同的单一因素进行的，不仅缺乏不同雨强下、不同含石率对松散堆积体失稳影响的研究，还缺乏不同降雨条件与下垫面对松散堆积体失稳影响的研究。因此，本文采用室内人工降雨模拟试验，研究不同下垫面、不同降雨强度下和不同含石率下松散堆积体位移的变化规律，以期为预测松散堆积体失稳和山洪防治提供理论和技术支持。

2 试验模型和试验方案

2.1 试验模型

为研究不同垫面、不同降雨强度和不同含石率条件松散体堆积体位移变化规律，利用自行组装的模型试验平台开展研究工作，该装置示意图如图1所示。模型平台的几何尺寸为4000mm×2500mm×3000mm(长×宽×高)。a、b、c和d为位移测量点。

图1 装置示意图

2.2 试验方案

为了减小试验误差，先去除野外松散堆积体中大于60mm的粗颗粒，再将60mm以下的颗粒块晒干并混合均匀。

为研究不同含石量、不同雨强和不同垫面对松散堆积体的影响，含石率分别设计为10%、30%，下垫面分别采用草地垫面、松散体垫面和光滑垫面，模拟1、1.5、2mm/min的降雨强度。通过记录坡体位移和水位变化特征及位移变化规律来分析含石量、雨强和下垫面对松散堆积体滑移的影响规律。

3 试验结果分析

3.1 不同降雨强度对松散堆积体运移规律的影响

为了研究不同降雨强度对松散堆积体坡面表面水位变化的影响。分别选取降雨量为1、1.5、2mm/min，下垫面为草地、松散堆积体和光滑面，含石率为0%的试验结果进行分析，得到在当下垫面相同时，不同降雨强度作用下，随着降雨历时增加，水位高度变化的规律，如图2—4所示。

图2 下垫面为草皮时不同降雨量下的水位变化特性

由图2—4可得，当下垫面相同时，在不同降雨量的作用下，水位变化特性基本相同，当降雨时间在0～10min时，水位增长较为缓慢，增幅在4%～6%之间；降雨时间在10～30min时，水位增长较块，增幅在6%～10%之间；降雨时间在30～60min之间时，最大水位相差1mm，水位开始趋于稳定。所以，当下垫面相同时，在不同降雨量的作用下，水位变化规律基本呈现出先缓慢、再剧烈、最终趋于稳定的3个阶段。

图3 下垫面为松散体时不同降雨量下的水位变化特性

图4 下垫面光滑时不同降雨量下的水位变化特性

当降雨强度历时相同时，降雨强度为2mm/min时的水位最先达到峰值，在水位达到峰值后又出现降低的情况，并且此后水位趋于稳定没有再次出现增加的趋势。分析其原因在于，由于降雨强度较大，所以松散堆积体表面越容易出现裂缝，部分雨水经由裂缝处流出，从而导致水位出现下降的趋势。由于松散堆积体在水位达到峰值之前就已经发生失稳破坏，所以降雨量在1、1.5mm/min时，松散堆积体的水位并没有出现下降的趋势。由以上分析可得，不同的降雨量对松散堆积体的水位有明显的影响。

3.2 不同垫面对松散堆积体运移规律的影响

为了研究不同降雨强度对松散堆积体坡面表面水位变化的影响。分别选取下垫面为草地、松散堆积体和光滑面，降雨量为1、1.5、2mm/min，含石率为0%的试验结果进行分析，得到在降雨量相同时，下垫面粗糙程度不同时，随降雨历时增加，水位高度变化规律如图5—7所示。

图5 降雨量为2mm/min时不同下垫面的水位变化特性

由图5可得，下垫面为草地和松散堆积体时，降雨历时在30min～40min之间，水位仍然保持缓慢增加的趋势，在40min之后趋于稳定；而下垫面为光滑面时，降雨历时在30min时，水位就已经达到峰值。由图6可得，降雨历时在前30min内，下垫面为草地、松散堆积物和光滑面的水位分别增加了11.2、12.7、18.23mm。由图7可得，当降雨量最小，降雨历时在前30min内时，下垫层为光滑面的水位增长速率为12.8%，远高于下垫层为草地和松散堆积物的水位增长率(5%和8.5%)。由以上分析可得，在降雨量相同，下垫层为草地时，水位上升速度最慢，达到水位稳定所需要的降雨历时最长，松散堆积物越不容易发生破坏。

图6 降雨量为1.5mm/min时不同下垫面的水位变化特性

图7 降雨量为1mm/min时时不同下垫面的水位变化特性

3.3 不同含石量对松散堆积体位移变化规律的影响

为了研究不同含石率对松散堆积体坡面表面位移变化的影响。分别选取降雨量为1.5、2mm/min，含石率为10%、30%的试验结果进行分析，得到在不同雨强、不同含石量下，随降雨历时增加，不同标记点下松散堆积体位移的变化规律如图8—9所示。

图8 降雨量1.5mm/min、含石量10%时松散堆积体位移随降雨历时变化

图9 降雨量1.5mm/min、含石量30%时松散堆积体位移随降雨历时变化

由图8—9可得，降雨历时在前10min，松散堆积体的位移较小，位移量均不到1mm，随着降雨历时的增加，松散堆积体的位移基本呈现出指数增长的趋势。降雨历时在50min之后，a和b位移监测点的位移量基本保持不变，c和d位移监测点的位移量缓慢增加了不到1mm。分析其原因在于，随着降雨历时的增加，松散堆积体在b和c两个位移监测点之间出现张拉裂缝，导致a，b两点位移监测点没有在滑动体上，而c，d两点位移监测点在滑动体上继续滑动。

对比图8—9可得，在同一位移观测点，当降雨量相同时，含石量在30%的松散堆积体比含石量在10%的松散堆积体的位移量减少了0.5～1.8mm，说明降雨量相同时，松散堆积体含石量越大，其累计位移量越小，所以松散堆积体的含石量越大越有利于防止松散堆积体失稳。

4 结语

(1)雨强对松散堆积体滑动运移影响显著，当降雨量达到2mm/min时，土壤迅速达到饱和，在短时间内形成径流，洪水携带松散体滑动运移速度最快，泥沙冲刷现象最为明显。当降雨量在1mm/min时，由于水流下渗量大，河道被泥沙淤堵。

(2)下垫面的光滑程度对松散堆积体滑动运移具有较大影响。在相同降雨量下，下垫面为草地时，地表出现产汇流时间最长，水位变化响应速度最慢；而下垫面为光滑面时，地表产汇流历时最短，且水位变化响应速度最快。

(3)当降雨强度和下垫面相同时，松散堆积体含石率越大，同一检测点的位移量越小，说明增加松散堆积体碎石块的含量有利于防治松散堆积体滑动运移。

(4)本试验对防治松散堆积体失稳造成的泥石流，洪涝等自然灾害具有参考价值。但是本试验仅设置了雨强为1、1.5、2mm/min；下垫面为草皮、松散体和光滑面；含石率为10%、30%的工况。若改变工况，可能会出现不同的试验结果。