发育两类夹层堆积体的降雨入渗试验研究

2023-09-04罗崎峰涂国祥

水利水运工程学报 2023年4期

罗崎峰，唐豪，涂国祥，张鑫，邱潇

(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)

滑坡是一种常见的地质灾害，降雨是诱发滑坡的重要因素。自然界中因降雨诱发的滑坡占比高、分布广。我国西南大部分山区降雨充沛，且发育着多种类型深厚堆积体，具有粒径组成复杂、颗粒间排列紧密、土粒大小不均匀等特点，其内部发育有土粒组分不一的夹层，多见颗粒松散孔隙率大，偶见颗粒密实孔隙率小。这使得夹层与周围土体的物理力学性质有显著差异，尤其是渗透系数的差异，会改变雨水在堆积体中的入渗方式，间接影响土坡的稳定性。众多学者对降雨入渗边坡开展了研究[1]，曾昌禄等[2]以雨强为变量，开展室内黄土边坡降雨入渗模拟试验，发现随着降雨强度增大，雨水入渗深度和速率增大；Tu 等[3]研究认为古滑坡形成的老裂隙为降雨入渗提供了优势路径，导致堆积物内局部孔隙水压增大，触发了古滑坡堆积体的复活；王磊等[4]开展连续降雨下黄土陡坡开裂及稳定性研究，发现裂隙的发育改变了渗流场和孔压场，从而间接影响了整个土坡稳定性。目前多数研究集中在降雨条件改变[2,5-6]、裂隙发育[3]、土体强度[7-10]诱发边坡失稳等方面，对内部土颗粒组分影响土体性质，从而改变降雨入渗方式间接诱发堆积体发生失稳的研究相对欠缺。

为了探索不同夹层对降雨入渗的影响，本文以野外勘察堆积体中发育最多的两种夹层—碎石夹层和黏土夹层为例，开展两组室内降雨渗透物理模拟试验。通过监测堆积体中不同深度的体积含水率、基质吸力、孔隙水压力的变化，探索不同夹层对降雨入渗在时间和空间上的影响。

1 堆积体夹层发育概况

研究堆积体位于汉源市九襄镇东乐村东约150 m，出露长度250~400 m，厚度4~7 m。堆积体整体呈棕黑、黄褐色，以花岗岩、灰岩为主，结构紧密，磨圆较差，其内部发育多条产状复杂的夹层，成层性较明显。碎石夹层以花岗岩、灰岩为主，多具泥质胶结，但胶结程度较低，架空孔隙较多，孔隙最大直径可达4 cm，现场颗粒筛分结果为：粒径大于60 mm 的缺失，60~40 mm 的约占30%，40~20 mm 的约占10%，20~5 mm 约占25%，5~2 mm 约占5%，其余为砂及粉、黏粒；大部分发育在堆积体的中部，长5~8 m，厚0.4~0.6 m，与水平面形成一定角度，少见平行。而黏土夹层发育相对错乱，呈黄褐色、砖红色，长5.0~7.5 m，厚0.3~0.6 m，主要由黏粒和细砂颗粒组成，手搓有滑腻感，遇水软化，粒径一般在2.0~0.5 cm，偶见包夹角砾岩，大多水平发育在堆积体中、底部，少见倾斜发育，堆积体位置及夹层发育特征见图1 和图2（W3 包含2张照片）。

2 室内模拟降雨入渗试验设计

根据野外实际调查情况和研究目的，设计两组以夹层（碎石组和黏土组）为变量的降雨试验。考虑到试验设备的尺寸，室内概化模型比尺取1∶12，野外堆积体出露垂直高度普遍在4~5 m，模型坡顶高75 cm，长150 cm，坡面垂直出露高度约35 cm，夹层厚度控制在6~7 cm，坡度控制在30°~31°，夹层也设置成一定角度的倾斜，尽可能与调查区域堆积体自然形态吻合。

2.1 试验设备

本次室内模型框架箱长150 cm、宽90 cm、高120 cm，主体由钢制材料焊接而成，四周有紧贴的有机透明玻璃便于观察。降雨系统由雾化降雨喷头、水压计、阀门组装成，降雨强度和时间通过阀门和水压计控制。数据采集系统包括基质吸力传感器、含水率传感器、孔隙水压力传感器，每种各6 套埋置于堆积体内，设备组装总体效果见图3。

2.2 试验土样处理

为保证试验结果符合实际情况，试验所用的土样从汉源九襄现场获取。通过室内试验得到土样密度为1.87 kg/m3，含水率3%，孔隙比为0.25~0.28，角砾质量分数为68%，重度为20.31~21.24 kN/m3。将野外土样采用等量代替法重塑处理粒径大于40 mm 的颗粒，原样土和重塑后土的级配见图4。

图4 重塑土粒径累积曲线Fig. 4 Grain size accumulation curve of remolded soil

通过室内渗透试验确定重塑碎石夹层土样渗透系数为1.252×10−1cm/s，重塑基质土样渗透系数为5.7×10−3cm/s。查阅相关文献[11-13]，无论是天然黏土还是改良黏土，渗透系数普遍低于10−6cm/s，远低于基质土体的渗透性，故本次试验将黏土夹层设为弱透水层。

2.3 试验方案

将处理好的土样分层堆筑于模型箱内，每间隔10 cm 用橡胶锤进行压实。为了防止降雨时在玻璃板上凝成的水珠渗入堆积体产生边界效应，在堆积体与玻璃接触的边界涂上防渗材料。碎石组模型夹层埋置在堆积体的中部位置，3 种不同的传感器埋置在同一条线上，该线与模型框架箱的宽边平行。黏土组模型夹层和传感器的埋置位置与碎石组一致（图5）。每组试验经历4 次降雨，降雨时长和强度不变。降雨时间为每日上午10 时开始，11 时结束。经实测降雨均匀度为85.5%，降雨强度为20.14 mm/h，每次降雨间隔24 h，降雨量与时间关系见图6。

图5 传感器埋置示意Fig. 5 Schematic diagram of sensor embedding

图6 累计降雨量与时间关系Fig. 6 Relationship between cumulative rainfall and time

3 试验结果分析

3.1 含水率

试验堆积体的体积含水率变化如图7 所示。首次降雨3 h 内，两组模型浅表测点率先发生同样的陡升后回落，碎石组的整体峰值大于黏土组的4%；同样位于夹层上方，但碎石组2 号点的回落值比黏土组3 号点的大7%。随后的降雨中，碎石组2 号点的含水率虽随降雨发生波动，但始终稳定在8%~9%，而同样位置的黏土组2、3 号点的含水率随降雨呈台阶式大幅度增长，平均每次增幅7%。黏土组1 号点的含水率在前2 次降雨中都呈“上升-回落-平稳”状态，但在降雨51 h 后首次出现“驼峰式”双曲线增长，说明降雨后5 h 内受到降雨下渗与2 号点侧渗的双向补给。碎石组3 号点早于黏土组4 号点18 h 响应，其稳定后平均值大于4 号点3%，3 号点后续雨水补给不足，所以第2 次响应比首次低3%，而4 号点能接受降雨和2 号点双向补给，所以第2 次含水率峰值大于3 号点3%。碎石组4 号点响应时间比黏土组5 号点提前44 h，4 号点能受到碎石夹层的优先补给，每次降雨1 h 内及时响应。碎石组6 号点以0.07%/h 匀速增长至7%，而黏土组的提前碎石组7 h 发生响应，增长速度也快0.26%/h。

图7 体积含水率随降雨时间变化Fig. 7 Variation of volume moisture content with rainfall time

两组试验整体含水率呈现“上升-回落-平稳”台阶式增长的特点，但由于夹层的差异，使得增长的方式与含水率的分布有所差别，从图7 可以明显看出碎石组的水分集中分布在夹层的下方，该组含水率为10%~13%；黏土组的主要分布在夹层的上部，该组含水率为20%~36%。

3.2 基质吸力

试验基质吸力变化如图8 所示，黏土组和碎石组堆积体基质吸力变化趋势整体相当，均表现为响应后断崖式下降并保持在最小值（15±5） kPa，碎石组的基质吸力变化集中在时间节点上，而黏土组的比较分散，同一埋深传感器响应时间碎石组比黏土组提前20~24 h。降雨开始后，离地表最近的监测点首先发生响应，碎石夹层的1、2 号点发生响应，受上部雨水补偿的同时，又受下夹层快速下渗的影响，2 号点吸力在后续的20 h 内有涨落，与附近保持平稳的1 号点形成1~6 kPa 的吸力差。3~5 号点在第3 天降雨中响应，4 号点比3 号点响应时间提前5 h，是所有监测点中的吸力最低值（14 kPa），比黏土组同样位置的5 号点低2 kPa，6 号点在第4 天降雨才发生响应，稳定在26 kPa。

图8 基质吸力随降雨时间变化Fig. 8 Variation of matrix suction with rainfall time

随降雨开始，黏土组的1、3 号点吸力呈断崖式下降，因为埋设原因，1 号点晚于3 号点3 h 响应，随后每次降雨补偿都有小幅度的下降，2 号点在第1 次降雨快结束时发生轻微响应，经历第2 次降雨补偿后才呈断崖式下跌，比碎石组的高2 kPa。4 号点响应时间早于碎石组3 号点4 h，吸力高4 kPa。5 号点在第4 次降雨3 h 后发生响应，远晚于碎石组同位置的4 号点25 h，吸力平均值高4 kPa。

3.3 孔隙水压力

试验孔隙水压力变化如图9 所示，首次降雨开始2 h 内，堆积体浅表测点几乎同时响应，1 号点均表现响应后保持稳定，随后每次降雨的补偿都呈增长-回落-逐渐稳定的趋势，两者孔压相差小于0.2 kPa；碎石组2 号点位于雨水优势下渗补给的路径上，前两次降雨响应后有较明显的下凹型回落，后两次因与夹层下部区域孔压差变小，向下补偿的雨水减少，故孔压有明显增长。黏土组由于夹层的不透水性，雨水难以下渗，夹层上方的2、3 号点孔压呈拱形跃式增长，最快增速可达0.07 kPa/h，3 号点各阶段孔压峰值比2 号点高0.6 kPa，且增长幅度明显大于碎石组2 号点0.5~0.7 kPa。黏土组4 号点先于碎石组3 号点15 h 发生响应，受到降雨间歇性补偿，4 号点峰值达到1.3 kPa，3 号达到1.5 kPa。而在碎石夹层下方的4、5 号点得到降雨的优先补给，提前黏土组5 号点45 h 响应，且在响应后4 h 内孔压以0.13 kPa/h 的速度增长到0.8 kPa 才变慢，但碎石组5 号点仅增长到0.4 kPa 就出现增速变缓的拐点。

图9 孔隙水压力随降雨时间变化Fig. 9 Variation of pore water pressure with rainfall time

两组模型孔压整体呈现增长-回落-逐渐稳定特点，却在夹层处表现差异显著，黏土夹层上部区域孔压呈跳跃式增长，相比碎石组涨幅更大，平均峰值更高，增速更快，特别是坡脚位置，最终峰值孔压比碎石组峰值高1.1 kPa。虽碎石组夹层上部孔压不及黏土组，但下部平均孔压却高1.4 kPa。

3.4 湿润锋

降雨过程中湿润锋变化趋势如图10 和图11 所示。在整个降雨入渗过程中，两组堆积体的初期下渗情况相差不大，湿润锋整体与堆积体的坡形平行，坡脚的入渗速率略慢于坡肩。随着降雨的继续入渗，湿润锋接近夹层时，入渗方式发生了显著改变。由于黏土夹层的存在，30 h 6 min 后湿润锋遇到黏土夹层“阻拦”，难以进一步向下迁移，而两侧的湿润锋继续向下迁移，右侧湿润锋入渗速度明显快于左侧3~4 个方格。随着降雨的继续补偿，直至54 h 52 min，湿润锋右侧雨水先发生触底现象，进入侧向入渗阶段，而左侧湿润锋因为深度较大还未进入触底阶段，湿润锋的形态开始转变成“π”形。随后两侧都进入侧向入渗阶段，最底部侧向入渗速度明显高于上、中部，所以湿润锋底部表现出一个“尖角”，在106 h 7 min 雨水浸透整个堆积体。碎石夹层土体构成大孔隙架空通道，雨水在碎石夹层处入渗速度加快，从27 h 29 min 开始，夹层处的湿润锋迁移明显快于两侧，中部领先两侧平均1 个方格，湿润锋的整体形态变化趋缓。雨水继续从夹层优先入渗，直至54 h 41 min，中间的平均入渗速率约1.16 cm/h，两侧平均入渗速率约0.59 cm/h，湿润锋呈现中间凸两边凹的特点。此后右侧湿润锋率先触底进入侧向入渗阶段，在堆积体左下角形成一个长条状的干燥区，最后在93 h 11 min 浸透整个堆积体。

图10 碎石夹层堆积体湿润锋迁移过程Fig. 10 Wet front migration of crushed stone interlayer accumulation

图11 黏土组夹层堆积体湿润锋迁移过程Fig. 11 Wet front migration of clay interlayer accumulation

4 讨论

结合室内降雨试验监测数据和湿润锋迁移现象，分析认为水分在土中的流动会伴随能量损失，发生渗透两端必然存在能量差，如暂饱和区向半饱和或非饱和区补偿，可以看作水从能量高（高水头）向能量低（低水头）的流动过程。在降雨初期，雨水先在土体表面达到暂态饱和状态，且坡表土各处渗透系数相同，湿润锋整体形态与堆积体表面保持平行匀速下渗（见图12(a)和图13(a)）。随着降雨的补给下渗，雨水在黏土夹层上方受阻，夹层上方土体含水率持续增加，孔压累积增大，在高孔压作用下向低孔压的两侧发生强烈的侧渗补给，这是个暂态饱和补偿低含水的过程，受到充足的雨水补偿，湿润锋表现出下渗速率加快（见图13(b)），因坡脚孔压更高，右侧湿润锋的迁移速率明显快于左侧。降雨停止后各测点数值变化并未停止，高孔压的水分还会向低孔压补偿，使各区域水分达到相对均匀分布，水分迁移速度由快到慢直至停止。碎石夹层颗粒间孔隙相对较大，为雨水提供下渗的优势通道，使得雨水可以更快入渗，深部土体逐渐饱和，但在土体相对密闭的空间内，夹层的基质吸力迅速增大，与上部周围土体形成基质势能差，在能量差的作用下优先向夹层补给，雨水向夹层汇聚形成漏斗流，夹层竖向入渗作用强于横向入渗。如图12(b)，湿润锋在夹层处的入渗速率显著快于两侧，呈现下凸形状的快速迁移。即使降雨停止，夹层下部暂饱和区也能向周围未饱和或干燥区域补偿，这也是碎石组比黏土组更快浸透整个堆积体的原因。