萬 暢，涂國祥，何源遠(yuǎn)

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610059)

降雨是滑坡現(xiàn)象的主要誘發(fā)因素之一?！吨袊湫突隆穂1]列舉了90多個(gè)滑坡實(shí)例，其中95%以上的滑坡都與降雨有著密切的關(guān)系。多年來眾多學(xué)者對(duì)降雨在坡體內(nèi)部入滲的機(jī)理[2-8]和對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響[9-13]有了深入的研究，但多數(shù)研究還是集中在淺層滑坡上，關(guān)于降雨誘發(fā)深厚堆積層滑坡的相關(guān)研究較欠缺。

文獻(xiàn)[1]報(bào)道了降雨誘發(fā)型滑坡中有多起厚度超過20 m的深厚覆蓋層滑坡。陳天健等[14]研究指出滑坡主要發(fā)生于土體內(nèi)飽和度趨近穩(wěn)定的時(shí)段，若邊坡內(nèi)高飽和度土體的深度較淺時(shí)，較可能發(fā)生淺層滑坡；若高飽和度土體的深度較深時(shí)，則較可能發(fā)生深層滑坡，即當(dāng)足量的雨水入滲至堆積體深部時(shí)較可能發(fā)生深厚堆積層滑坡。降雨在深厚堆積層斜坡中的入滲過程大多屬于非飽和入滲，自然界中除架空現(xiàn)象明顯的崩塌堆積體外，大多堆積層土體的非飽和滲透系數(shù)都很小，若將雨水入滲看作是在均質(zhì)土體中均勻入滲的過程，則雨水需要經(jīng)歷較長的時(shí)間才能滲入至堆積體的深部土體，但以上說法明顯不符合文獻(xiàn)[15-17]對(duì)現(xiàn)實(shí)情況的報(bào)道“降雨誘發(fā)型滑坡(包括深厚覆蓋層滑坡)多發(fā)生在降雨期間或略有滯后”，可推測(cè)部分深厚堆積層內(nèi)部存在粗顆粒富集的大孔隙區(qū)域給雨水提供了快速下滲至堆積體深部的天然優(yōu)勢(shì)通道。前尚未有針對(duì)堆積體中局部粗顆粒富集的現(xiàn)象和降雨入滲之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究，只有針對(duì)堆積層內(nèi)存在的大孔隙區(qū)域和降雨入滲之間聯(lián)系的一些分析研究：吳火珍等[18]通過對(duì)降雨、穩(wěn)定性與時(shí)間的動(dòng)態(tài)分析，認(rèn)為堆積層滑坡體物質(zhì)可能存在的大孔隙區(qū)域?yàn)橛晁娜霛B提供了優(yōu)勢(shì)通道；孫建平等[19]認(rèn)為當(dāng)邊坡存在大孔隙時(shí),水分會(huì)沿大孔隙快速補(bǔ)給地下水。與均質(zhì)邊坡相比較,明顯增強(qiáng)了對(duì)滲流場(chǎng)和孔隙水壓力場(chǎng)的影響,增大了滑坡體的不穩(wěn)定性, Chen等[20]對(duì)中國臺(tái)灣省某地區(qū)由強(qiáng)降雨誘發(fā)的滑坡展開的調(diào)查和研究發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)降雨的作用下，降雨入滲深度在有空隙發(fā)育的坡體內(nèi)可以下滲至20 m以下，進(jìn)而誘發(fā)深層堆積體滑坡。

基于上述討論，需要對(duì)降雨在發(fā)育有粗顆粒富集架空區(qū)域的堆積體的入滲過程及濕潤鋒的遷移情況做詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)及研究。

1 試驗(yàn)背景

1.1 研究對(duì)象

在我國西南地區(qū)分布著大量的冰川地貌，可在很多地區(qū)見到冰水堆積體和冰川侵蝕所遺留下的痕跡。通過對(duì)四川省雅安市漢源縣九襄城鎮(zhèn)東側(cè)的數(shù)條河谷兩岸的冰水堆積體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，通過觀察堆積體出露的剖面，發(fā)現(xiàn)在該地區(qū)的冰水堆積體中廣泛存在著局部粗顆粒富集的現(xiàn)象，且多出現(xiàn)在堆積體的上部，粗顆粒富集區(qū)域的空間結(jié)構(gòu)擁有局部架空、大孔隙等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；粗顆粒富集區(qū)域的土體主要由粒徑10 mm～40 mm的碎石乃至粒徑數(shù)十厘米的塊石構(gòu)成；圖1為堆積體中粗顆粒富集區(qū)域土體和均質(zhì)土體的顆粒分析曲線圖，圖2為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)的堆積體中存在的局部粗顆粒富集現(xiàn)象。

1.2 試驗(yàn)裝置概況

實(shí)驗(yàn)是在成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治和地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)裝置主要由模型裝置、降雨模擬系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)組成。

圖1 粗顆粒富集區(qū)域土體和均質(zhì)土體的顆粒分析曲線圖

圖2 存在粗顆粒富集現(xiàn)象的堆積體剖面圖

(1) 模型箱：模型槽的尺寸為150 cm×90 cm×120 cm，模型槽上方還放置了尺寸為150 cm×90 cm×150 cm的降雨裝置。為方便觀察，模型四壁由透明玻璃組成；側(cè)壁玻璃上每10 cm劃一條刻度，以便埋放傳感器和觀測(cè)濕潤鋒的運(yùn)移情況。

(2) 降雨系統(tǒng)：包含降雨噴頭、供水管、水表、壓力表和防水雨簾。降雨強(qiáng)度平均為18.643 mm/h，降雨時(shí)間設(shè)定為每天的上午10點(diǎn)，共持續(xù)4 d，降雨的持續(xù)時(shí)間為每天2 h；由于實(shí)驗(yàn)槽平面尺寸為150 cm×90 cm，降雨有效面積為1.35 m2,均勻度為82.7%。

(3) 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)：包括三種傳感器(體積含水率傳感器、基質(zhì)吸力傳感器和孔隙水壓力傳感器)及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。測(cè)定體積含水率的儀器為Em50型采集儀，量測(cè)范圍為0%～100%；測(cè)定孔隙水壓力的儀器為HCSC-16數(shù)據(jù)采集儀，量測(cè)范圍為-10 kPa～50 kPa；量測(cè)基質(zhì)吸力的儀器為CR1000數(shù)據(jù)采集儀，量測(cè)范圍為0～200 kPa。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

為了探究降雨在均質(zhì)堆積體和粗顆粒架空堆積體中不同的入滲現(xiàn)象，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩種類型的堆積體，實(shí)驗(yàn)土樣采集于四川省雅安市漢源縣九襄某存在局部粗顆粒富集現(xiàn)象的冰水堆積體。試驗(yàn)用土的基本參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)用土的基本參數(shù)指標(biāo)

兩組模型的設(shè)計(jì)和傳感器布置情況如圖3所示。設(shè)置有粗顆粒富集架空區(qū)域的堆積體模型主體與均質(zhì)型模型相同，坡度均為27°；為了更好地模擬現(xiàn)實(shí)中堆積體局部粗顆粒富集的現(xiàn)象，粗顆粒富集的架空區(qū)域從模型坡趾處堆積，高約25 cm，寬約45 cm，長90 cm，由粒徑10 mm～40 mm的碎石構(gòu)成。

在堆積模型的過程埋入體積含水率傳感器、基質(zhì)吸力傳感器和孔隙水壓力傳感器，各6個(gè)。三種傳感器之間距離為25 cm。堆積完成的模型四周抹上防水劑，從而減小邊際效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成的不利影響。當(dāng)濕潤鋒完全抵達(dá)坡底、傳感器數(shù)據(jù)保持較穩(wěn)定時(shí)實(shí)驗(yàn)即終止。

2 降雨實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與研究

2.1 濕潤鋒的運(yùn)移形態(tài)

圖4是降雨在均質(zhì)堆積體中濕潤鋒的變化形態(tài)組圖。雨水完全滲透土體歷時(shí)56 h 49 min。降雨30 min后，濕潤鋒下滲至距坡體表面約10 cm的位置，形態(tài)基本與堆積體坡面平行。在降雨2 min后已下滲至30 cm～40 cm的深度，并且形態(tài)已開始逐漸與模型底部平行。在降雨停止后，濕潤鋒下移的速度大幅減緩，在降雨結(jié)束后的22 h內(nèi)濕潤鋒僅下移了20 cm；此時(shí)濕潤鋒形態(tài)變成了下凹圓弧形，中部下凹曲率最大，已下滲至60 cm的深度，這一現(xiàn)象表明雨水從斜坡上的入滲速率比坡頂和坡腳的要快。距降雨31 h 30 min后，濕潤鋒中部已抵達(dá)土體底部，但兩側(cè)距坡底還有30 cm～40 cm的距離，濕潤鋒下凹的幅度更大。在56 h后，堆積體進(jìn)入飽和入滲的狀態(tài)，土體飽和度達(dá)到最大值，坡腳處開始積水。

圖3 堆積體模型傳感器布置圖(單位：cm)

圖5是降雨在局部粗顆粒富集型堆積體的濕潤鋒入滲形態(tài)組圖。在降雨30 min后大孔隙架空區(qū)域下方的濕潤鋒已經(jīng)下移到20 cm的深度，而同一時(shí)刻雨水從均質(zhì)土體處入滲的深度僅10 cm，入滲進(jìn)程只有前者的一半，此時(shí)整體濕潤鋒的形態(tài)大致與坡體表面平行，但在架空區(qū)域下方的濕潤鋒明顯向下凹，在濕潤鋒到達(dá)底部前，一直是此處的濕潤鋒下凹的曲率最大，距底部距離也最近，架空區(qū)域已明顯成為雨水下滲的優(yōu)勢(shì)通道。降雨24 h 18 min后濕潤鋒接觸底面，52 h后堆積體模型基本完全被滲透，分別比同等條件下的均質(zhì)堆積體要提前7.0 h、4.5 h。

圖4 均質(zhì)堆積體濕潤鋒的變化圖

圖5 局部粗顆粒富集型堆積體濕潤鋒的變化圖

2.2 體積含水率分析對(duì)比

圖6是降雨條件下均質(zhì)堆積體和局部粗顆粒富集型堆積體中體積含水率的變化曲線圖。結(jié)合濕潤鋒的變化圖分析，可看出均質(zhì)堆積體中體積含水率傳感器的數(shù)值跟濕潤鋒的影響區(qū)域密切相關(guān)：每當(dāng)濕潤鋒抵達(dá)一個(gè)傳感器的位置，該傳感器的體積含水率數(shù)值便迅速響應(yīng)并升高。

而局部粗顆粒富集型堆積體中體積含水率的變化則與均質(zhì)堆積體中的有較為明顯的三點(diǎn)區(qū)別：

(1) 傳感器2的體積含水率比均質(zhì)堆積體同一位置的體積含水率要低，原因是當(dāng)降雨強(qiáng)度大于均質(zhì)土體的入滲速率時(shí)，堆積體表層上的雨水不再是均勻向下入滲，而是在坡表形成徑流，徑流在粗顆粒富集的大孔隙架空區(qū)域中匯聚并通過優(yōu)勢(shì)通道向坡體下方入滲；而傳感器2位于架空區(qū)域的水平側(cè)，其上方地表的雨水隨徑流匯聚于架空區(qū)域中，導(dǎo)致傳感器2處的含水率較低。

(2) 同樣是架空區(qū)域的原因，由于傳感器4處在架空區(qū)域的正下方，匯聚在架空區(qū)域的部分雨水垂直于架空區(qū)域(即朝傳感器4的方向)向下滲透，所以導(dǎo)致傳感器4的體積含水率遠(yuǎn)大于均質(zhì)堆積體中同一位置的體積含水率。

圖6 兩組模型的體積含水率變化曲線圖

(3) 位于模型底部的傳感器5、6的體積含水率在升到了最高值后，并未同均質(zhì)堆積體同樣位置的體積含水率一樣保持不變，而是在實(shí)驗(yàn)結(jié)束前迅速下降至原先最高值的一半水平，原因是粗顆粒富集的大孔隙架空區(qū)域的存在為雨水在土體中的下滲提供了優(yōu)勢(shì)滲流通道，大大加快了入滲的進(jìn)程，同時(shí)也加快了土體中雨水的流失。

2.3 基質(zhì)吸力分析對(duì)比

圖7是實(shí)驗(yàn)中均質(zhì)堆積體、局部粗顆粒富集型堆積體中基質(zhì)吸力的變化曲線圖。在降雨過程中，當(dāng)雨水滲透至基質(zhì)吸力傳感器所在位置時(shí)，該處的基質(zhì)吸力即迅速下降至10 kPa左右，并保持穩(wěn)定?；|(zhì)吸力儀器的變化時(shí)間基本與體積含水率儀器一致，當(dāng)濕潤鋒到達(dá)一處時(shí)，該處土體的體積含水率上升，基質(zhì)吸力下降。由于入滲進(jìn)度比均質(zhì)堆積體快的原因，局部粗顆粒富集型堆積體中多數(shù)傳感器的基質(zhì)吸力值下降的時(shí)間比均質(zhì)堆積體中的略提前。

圖7 基質(zhì)吸力變化曲線圖

2.4 孔隙水壓力分析對(duì)比

圖8是實(shí)驗(yàn)中孔隙水壓力值的變化曲線圖。在均質(zhì)堆積體中，試驗(yàn)剛開始時(shí)各處的孔隙水壓力較低，都處于0.3 kPa～0.5 kPa之間。當(dāng)降雨下滲至傳感器所處位置之時(shí)，該處的孔隙水壓力值迅速響應(yīng)并以較快的速率升高；在降雨停止后，各孔壓點(diǎn)的孔壓值都略有下降；從圖中可以看出，各傳感器的孔隙水壓力值在第三天達(dá)到了最大值，處于堆積體模型最下層的孔壓點(diǎn)5、6的監(jiān)測(cè)值均達(dá)到了4 kPa；孔壓點(diǎn)1、2、3和4的孔隙水壓力值于試驗(yàn)前兩天升到2.5 kPa～3.0 kPa之后，在第三天和第四天的降雨中變化均不明顯；降雨結(jié)束后各傳感器的孔隙水壓力值都保持在2 kPa～3 kPa之間。

局部粗顆粒富集型堆積體的孔壓值的變化趨勢(shì)大體上與均質(zhì)堆積體的類似，以下闡述兩點(diǎn)區(qū)別：

(1) 孔壓傳感器2、4最先發(fā)生變化，原因?yàn)樗鼈冚^其他的孔壓點(diǎn)更接近架空區(qū)域，大孔隙架空區(qū)域?yàn)橛晁峁┝藘?yōu)勢(shì)滲透通道，所以2、4最先受到雨水滲透的影響；和4號(hào)孔壓點(diǎn)處于同一水平線上的3號(hào)孔壓點(diǎn)的孔壓值變化時(shí)間則要比4號(hào)孔壓點(diǎn)晚4 h左右。

圖8 孔隙水壓力變化曲線圖

(2) 在均質(zhì)堆積體模型中，孔壓點(diǎn)4的孔壓值和孔壓點(diǎn)1、2、3的孔壓值較為接近；而在局部粗顆粒富集型堆積體模型中孔壓點(diǎn)4的孔壓值更接近孔壓點(diǎn)5、6的孔壓值，相比均質(zhì)模型中同一位置的孔隙水壓力高25%～50%，原因是當(dāng)雨水在粗顆粒富集架空區(qū)域中匯聚后，入滲方式為有壓入滲，導(dǎo)致此區(qū)域的孔隙水壓力普遍較大。

3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的討論

通過對(duì)西南深切河谷地區(qū)的實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)堆積體中局部粗顆粒富集的現(xiàn)象發(fā)生在一些冰水堆積體內(nèi)部，位置較多分布在堆積體的前緣和表層。

在降雨過程中，當(dāng)降雨強(qiáng)度大于地表土壤入滲率時(shí)，坡表開始形成徑流，徑流匯聚于粗顆粒富集的架空區(qū)域中，此時(shí)架空區(qū)域成為雨水下滲的優(yōu)勢(shì)通道，明顯加快雨水滲透至堆積體深部的進(jìn)程，增強(qiáng)了降雨對(duì)坡體內(nèi)滲流場(chǎng)和坡體穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而誘發(fā)深厚型堆積體滑坡。根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察與分析，在同等的降雨條件下，濕潤鋒在均質(zhì)堆積體中滲透至模型底部使用了31 h，在局部粗顆粒富集型堆積體中使用了24 h，表明雨水在局部粗顆粒富集架空型堆積體抵達(dá)坡體模型深部所用的時(shí)間明顯少于在均質(zhì)堆積體中所用的時(shí)間，粗顆粒富集的架空區(qū)域的存在明顯加快了降雨入滲至堆積體深部的進(jìn)程；在降雨過程中，雨水往往會(huì)匯聚在粗顆粒富集的架空區(qū)域，形成“滯水”現(xiàn)象，匯聚的地表水在架空區(qū)域形成瞬態(tài)高孔隙水壓力，增大了水分向周圍土體擴(kuò)散的水力梯度。當(dāng)降雨停止后，匯聚于粗顆粒富集架空區(qū)域的地表水會(huì)成為水分入滲至周圍土體的穩(wěn)定補(bǔ)給源，從而使得雨水持續(xù)入滲至深部土體。

4 結(jié) 論

(1) 粗顆粒富集的架空區(qū)域可以匯聚強(qiáng)降雨過程中形成的坡表徑流。

(2) 匯聚于粗顆粒富集區(qū)域的坡表水可形成較高的孔隙水壓力，增大了水分向周圍土體滲透的水力梯度，從而促使水分能夠更快地入滲至堆積體深部。

(3) 匯聚于粗顆粒富集區(qū)域的坡表水為水分入滲至土體提供了穩(wěn)定的補(bǔ)給源，從而使雨水完全滲透深部土體成為可能。