張雨林，石驚濤，涂國祥，萬 暢，邱 瀟，錢昭宇

(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)國家重點實驗室，四川 成都 610059)

受人類活動、地震及降雨影響，我國西部地區(qū)常發(fā)生堆積體失穩(wěn)滑坡，尤以降雨誘發(fā)為主[1-2]。研究雨水在土體中的入滲機(jī)理，對滑坡等自然災(zāi)害防治有重大意義。目前國內(nèi)外學(xué)者多采用理論分析[3-5]、數(shù)值模擬[6-7]、物理模擬[8-10]等方法對降雨條件下的滑坡機(jī)理進(jìn)行研究，如Lumb等[3]認(rèn)為降雨入滲會使土體飽和度增加，引起抗剪強(qiáng)度降低而誘發(fā)滑坡；Fredlund等[4]研究認(rèn)為降雨入滲會導(dǎo)致地下水位升高且增大孔隙水壓力，之后雨水滲流帶走顆粒間的膠結(jié)物進(jìn)而影響坡體穩(wěn)定；齊信等[5]認(rèn)為坡體在地形地貌及土層厚度的作用下，短時間內(nèi)的強(qiáng)降雨入滲會導(dǎo)致孔隙水壓力增大而引發(fā)土體滑動。同時，眾多學(xué)者從降雨強(qiáng)度[11-12]、時長和累計降雨量[13-15]等方面對堆積體穩(wěn)定性進(jìn)行研究，揭示了降雨條件下誘發(fā)坡體失穩(wěn)機(jī)理，為降雨入滲與坡體穩(wěn)定性間的相關(guān)性提供了理論依據(jù)。

然而當(dāng)前相關(guān)研究結(jié)論大多集中于邊坡局部失穩(wěn)或淺層滑坡失穩(wěn)機(jī)理[16-17]方面，對降雨誘發(fā)局部粗、巨顆粒富集型深厚層堆積體滑坡失穩(wěn)的研究卻相對欠缺。通過實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，四川省某堆積體局部粗、巨顆粒富集于坡中、坡腳部位，導(dǎo)致出現(xiàn)的大孔隙架空現(xiàn)象為雨水入滲到堆積體深部提供了優(yōu)勢通道，為其滑坡失穩(wěn)埋下了隱患。因此，本文針對局部粗、巨顆粒不同位置富集型深厚層堆積體展開室內(nèi)降雨模型試驗，采集坡體內(nèi)部孔隙水壓力、基質(zhì)吸力和體積含水率等數(shù)據(jù)，研究降雨入滲過程中雨水滲流特征變化，為探索由降雨誘發(fā)局部粗、巨顆粒富集型深厚層堆積體滑坡失穩(wěn)機(jī)理提供理論依據(jù)及數(shù)據(jù)支持。

1 堆積體概況

研究的滑坡堆積體位于四川省阿壩藏族羌族自治州茂縣東興鄉(xiāng)，地理坐標(biāo)為N31°47′9.9″，E104°7′43.5″，堆積體長度為1 000～1 200 m，寬度為1 500～1 600 m，土層厚8～10 m，坡體前緣和后緣高程分別為962和1 367 m，整體形態(tài)呈倒“V”字形。主要由碎石土及粉土組成，其中碎石成分以石英為主，呈次棱角和棱角狀；粉土主要為灰色，較為松散和干燥。堆積體表面有大量植被覆蓋，以灌木為主?；鶐r表面則植被覆蓋較少，幾乎裸露。

據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該堆積體局部顆粒富集于坡中、坡腳（圖1）及后緣部位，富集范圍較大，但后緣的顆粒富集現(xiàn)象遠(yuǎn)不及坡中和坡腳部位，特別以粗、巨顆粒富集最為典型。同時，顆粒富集區(qū)域發(fā)育在堆積體不同坡度位置處，據(jù)統(tǒng)計，約80%的粗、巨顆粒富集發(fā)育在堆積體10°～40°的坡度部位，分布的粗、巨顆粒巖性主要為砂巖和頁巖，粒徑范圍分別為20～100 mm和200～300 mm，并且磨圓度較好，顆粒之間為粉土充填，膠結(jié)程度高。特別是坡度約為30°的坡中位置粗、巨顆粒富集占65%，形成了范圍較廣的大孔隙架空區(qū)域，分布面積達(dá)160 m2，這為降雨入滲提供了優(yōu)勢條件。而其他坡度分布的粗、巨顆粒較為分散且相對較少無法構(gòu)成大孔隙架空狀態(tài)，無法提供雨水入滲優(yōu)勢通道，對本文研究結(jié)果影響較小，故在本次室內(nèi)降雨模型試驗中不予考慮。

圖1 堆積體粗、巨顆粒富集現(xiàn)象Fig.1 Enrichment of local coarse and giant particles of accumulation body

2 試驗設(shè)計

結(jié)合實地調(diào)查結(jié)果和研究目的，采用坡度為30°的兩組概化模型堆積體進(jìn)行對照試驗（A組坡中粗、巨顆粒富集；B組坡腳粗、巨顆粒富集）。

2.1 試驗裝置

模型箱的長×寬×高為1.5 m×0.9 m×1.2 m，模型箱由角鋼和有機(jī)透明玻璃板拼裝定制，側(cè)面玻璃板上刻有10 cm×10 cm的正方形網(wǎng)格線。

降雨模擬系統(tǒng)包括壓力表、水表、水管、降雨噴頭和支架及防水雨簾。降雨強(qiáng)度需通過調(diào)節(jié)供水壓力及單位時間供水量來控制在20～25 mm/h范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)測量及采集儀器：孔隙水壓力采用HC-25傳感器和HCSC-16數(shù)據(jù)采集儀；基質(zhì)吸力采用Campbell257傳感器和CR1000數(shù)據(jù)采集儀；體積含水率采用ECH20-5傳感器和Em50型數(shù)據(jù)采集儀。

2.2 試驗材料

由于土體堆積體坡中取樣較困難，考慮到其主要成分為碎石土及粉土，與前緣土體成分一致，因此取樣為堆積體前緣土體。為了更好地模擬降雨入滲試驗效果，在現(xiàn)場選取堆積體不同的4個取樣點對土體進(jìn)行初步顆分，發(fā)現(xiàn)粗顆粒粒徑為20～100 mm，巨顆粒的粒徑最大可達(dá)300 mm。因室內(nèi)模型箱尺寸所限，采用等量替代進(jìn)行重塑，重塑的碎石土夾粉土的粗、巨顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.4%，孔隙比為0.13～0.19，含水率3%，天然密度為1.87×103kg/m3，飽和滲透系數(shù)為3.9×10?6m/s，黏聚力為24 kPa，土體顆粒粒徑累計曲線見圖2。

圖2 粒徑顆分曲線Fig.2 Grain size distribution curve

2.3 試驗方案

本次試驗唯一變量為粗、巨顆粒局部富集發(fā)育部位（圖3）。采用人工堆筑模型，每隔15 cm用橡膠錘和木板輔助工具進(jìn)行分層壓實1次，共計5層，壓實程度以土體天然重度為準(zhǔn)。將傳感器套入預(yù)埋的PVC管中，放置指定位置處，然后繼續(xù)壓實土體，待逐層夯實后，從壓實的土體中取出PVC管。同時為防止雨水沿玻璃板滲透而產(chǎn)生邊界效應(yīng)，需要在模型內(nèi)側(cè)四周的邊界處涂上一層防水劑。待傳感器埋設(shè)及模型堆筑完成后，需將模型在重力作用下靜置24 h。模型長1.5 m，寬0.9 m，坡頂和坡腳高分別為0.75和0.50 m，坡頂和坡腳前緣寬度為0.70和0.40 m。根據(jù)室內(nèi)模型尺寸，采用粒徑少量在30 mm及大多在38～57 mm范圍內(nèi)的碎石來模擬粗、巨顆粒局部富集形態(tài)。A組粗、巨顆粒富集于坡中部位，覆蓋面積為0.36 m2，體積約為0.06 m3；B組粗、巨顆粒富集于坡腳部位，覆蓋面積和體積量保持不變。兩組試驗堆積體內(nèi)部埋設(shè)3種傳感器各6套，其中孔隙水壓力編號為K1～K6、基質(zhì)吸力編號為J1～J6、體積含水率編號為T1～T6。兩組試驗?zāi)Ｐ偷念w粒富集部位、坡度及傳感器布設(shè)位置見圖4。每天降雨起始時間為11:00，持續(xù)1 h后停止，試驗累計降雨直至濕潤鋒觸底即為結(jié)束。經(jīng)實測，降雨有效面積為1.35 m2，降雨平均均勻度為82.9%，每次降雨強(qiáng)度為24.9 mm/h，且保持不變。

圖3 粗、巨顆粒發(fā)育位置設(shè)計Fig.3 Development position of coarse and giant particles

圖4 模型正視及俯視圖（單位：mm）Fig.4 Front and top views of model (unit: mm)

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 孔隙水壓力變化

孔隙水壓力變化情況見圖5。降雨2 h后，A、B組堆積體中的2、4號測點率先響應(yīng)，且B組比A組曲線波動強(qiáng)烈。B組2號測點在降雨9 h后孔隙水壓力達(dá)2.35 kPa，比A組2號測點高1.87 kPa。位于富集區(qū)下方的B組4號測點數(shù)值急劇上升，而后雨水在均質(zhì)土體中下滲受阻，數(shù)值逐漸回落，在上升-回落過程中其孔隙水壓力差始終穩(wěn)定在0.94～1.12 kPa。而A組上升-回落幅度較小，其數(shù)值在0.15～0.50 kPa內(nèi)波動。之后由于降雨間歇性補(bǔ)償，2、4號測點的數(shù)值呈上升-回落-逐漸穩(wěn)定的整體趨勢。

圖5 孔隙水壓力變化Fig.5 Variation of pore water pressure

A組位于坡腳的6號測點在降雨70 h后其數(shù)值陡立上升達(dá)到1.18 kPa，在之后的24 h內(nèi)趨于平穩(wěn)，經(jīng)歷補(bǔ)償降雨后經(jīng)跳躍式增長，達(dá)到峰值2.19 kPa后基本保持不變，濕潤鋒開始側(cè)向遷移?？紫端畨毫Ω麟A段平均峰值B組比A組高0.52和0.92 kPa。B組3號測點比A組延后21 h出現(xiàn)第1次峰值，其值比A組高0.39 kPa。尤其在降雨后60 h，峰值最大差可達(dá)1.39 kPa。B組1號測點在降雨84 h出現(xiàn)峰值1.14 kPa，比156 h出現(xiàn)峰值0.6 kPa的A組延遲了72 h，而此時B組堆積體濕潤鋒已觸底。5號測點的兩組數(shù)值開始都呈緩慢增長趨勢，而A組在168 h時突然飆升至2.98 kPa，B組在111 h時達(dá)3.26 kPa，之后兩者小幅度下降。

3.2 基質(zhì)吸力變化

基質(zhì)吸力變化情況見圖6。降雨結(jié)束后，2、4號測點均在1.1 h內(nèi)發(fā)生響應(yīng)，其基質(zhì)吸力值均在24 h內(nèi)發(fā)生斷崖式跌落，B組跌落速率比A組快23.1 kPa/h，谷值比A組小3.47 kPa，之后趨于穩(wěn)定，無較大起伏。A組4號測點回落速率比B組慢4.6 kPa/h，但整體都呈驟降-平穩(wěn)狀態(tài)，由于改變了4號測點埋設(shè)位置，導(dǎo)致穩(wěn)定時A組4號測點吸力值比B組高2.96～3.65 kPa。A組4號測點比2號平均值低3.75 kPa，而B組4號測點比2號平均值高4.95 kPa。

圖6 基質(zhì)吸力變化Fig.6 Variation of matric suction

隨著雨水持續(xù)入滲，3、6號測點均在間隔3 h內(nèi)發(fā)生陡降。A組3號測點比B組延遲19 h，其下降速率比B組慢3.83 kPa/h。而A組吸力值始終比B組高出1.46 kPa，最大時可達(dá)4.83 kPa。6號測點未發(fā)生陡降前A組平均峰值比B組高23.07 kPa，而后A組比B組延后50 h發(fā)生驟降，速率慢12.27 kPa/h。之后變化趨于穩(wěn)定，A組平均值比B組低3.77 kPa。A組1號測點在上升階段平均值比B組高21.02 kPa，在降雨7 h后發(fā)生驟降，比B組提前19 h，下降速率比B組高30.77 kPa/h，之后A組在172 h內(nèi)呈穩(wěn)定狀態(tài)，其平均值比B組低5.28 kPa。在5號測點處，兩組堆積體在前期都呈平緩上升，而后期呈斷崖式跌落狀態(tài)。A組比B組延遲54 h跌落，其下降速率比B組快36.6 kPa/h。之后趨于穩(wěn)定時，A組平均值比B組低12.87 kPa。

3.3 體積含水率變化

體積含水率變化情況見圖7。降雨結(jié)束后，A組2號測點比B組滯后13 h發(fā)生陡升，其上升速率比B組低13.5%/h。之后A組2號測點含水率值在15 h后呈交替式上升-回落狀態(tài)，而B組在18～24 h發(fā)生短暫性下降，然后陡升至32.9%后整體呈平緩-回落-上升-平緩狀態(tài)，其平均值比A組高16.4%。A組4號測點在前49 h內(nèi)都呈上升狀態(tài)，達(dá)到峰值24.3%后呈上升-回落交替狀態(tài)。而B組在3 h時達(dá)到峰值44.9%，而在24 h時跌至谷值19.4%，之后發(fā)生跳躍式上升達(dá)到40.6%，只在72～84 h內(nèi)發(fā)生小幅度上升，其余時段都呈穩(wěn)定狀態(tài)，其含水率平均值比A組高18.1%。

圖7 體積含水率變化Fig.7 Variation of volume water content

A組3號測點陡升前含水率平均值比B組低2.1%，在72 h時開始以0.45%/h的速率陡升，而B組提前14 h以0.53%/h的速率陡升。之后平緩上升至試驗結(jié)束，A組含水率值比B組平均值高2.5%。A、B組6號測點分別在72～96 h、24～84 h階段內(nèi)呈上升趨勢，上升階段內(nèi)含水率平均值A(chǔ)組比B組低11.7%。1、5號測點初始值差在1.8%、0.6%內(nèi)，A組比B組分別滯后1.2和76 h達(dá)到峰值；1號測點兩者波動峰值差在10%內(nèi)，而5號測點達(dá)到峰值時，A組平均值比B組低0.2%。

3.4 入滲變化過程

兩組試驗降雨入滲變化見圖8。從圖8可看出，兩組堆積體在雨水入滲前期，濕潤鋒遷移鋒面與堆積體坡面大致平行，而在粗、巨顆粒富集區(qū)下方入滲未見明顯滲流優(yōu)勢。隨著雨水持續(xù)入滲，A組堆積體逐步呈現(xiàn)中間凹、而兩側(cè)入滲慢的特點，雨水在坡中下方土體中入滲速度明顯高于兩側(cè)土體，在分界處形成一個平滑的凹形鋒面。在49 h 53 min后，中部和右側(cè)土體的濕潤鋒面基本持平，在之后的77 h 50 min里出現(xiàn)同步下滲情況，其平均下滲深度比左側(cè)土體高10 cm。直至127 h 43 min時，中部和右側(cè)土體濕潤鋒提前觸底，而在堆積體左下方逐漸形成一個面積約為1 350 cm2未被雨水侵蝕的三角形干燥區(qū)。此后，A組堆積體濕潤鋒進(jìn)入側(cè)向入滲階段，濕潤鋒遷移速率約為0.5 cm/h，在190 h 30 min時土體濕潤鋒均全部觸底。同時，B組堆積體坡腳下方土體的雨水入滲速度明顯高于左側(cè)均質(zhì)土體，在14 h 42 min時其下滲深度比左側(cè)土體高5 cm。隨著雨水持續(xù)下滲，濕潤鋒在右側(cè)土體中呈凹形下滲且速率加快，在40 h 53 min率先觸底，其下滲速率比左側(cè)高0.46 cm/h。此后濕潤鋒面呈弧形進(jìn)行側(cè)向入滲，直至118 h 3 min時濕潤鋒完全觸底，其側(cè)向入滲速率約1.5 cm/h。

圖8 堆積體入滲變化過程Fig.8 Infiltration process of accumulation body

從圖8可知，由于雨水在坡中和坡腳粗、巨顆粒局部富集區(qū)下方及鄰近土體中的入滲速度明顯高于周圍均質(zhì)土體，粗、巨顆粒富集區(qū)形成滲流優(yōu)勢路徑，雨水能更快達(dá)到堆積體深部。粗、巨顆粒不同發(fā)育位置對濕潤鋒遷移情況造成明顯差異，尤其集中在濕潤鋒遷移速率和形態(tài)上。A組堆積體在降雨190 h 30 min后濕潤鋒才完全觸底，比B組滯后72 h 27 min；發(fā)生側(cè)向入滲也比B組滯后約76 h。A組濕潤鋒形態(tài)呈平緩凹形下滲，下滲弧面更寬、范圍更廣；而B組主要集中在右側(cè)呈凹形下滲，后期呈弧形側(cè)滲。

4 討 論

由于粗、巨顆粒局部富集導(dǎo)致在坡中、坡腳形成架空區(qū)域，這會為雨水入滲提供優(yōu)勢通道，相比周圍土體下滲速率將會更快，成為雨水侵蝕堆積體深部的優(yōu)勢路徑，對其穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。結(jié)合試驗，發(fā)現(xiàn)在粗、巨顆粒富集區(qū)下方或鄰近的土體中，雨水會呈現(xiàn)凹形快速下滲，這是由于富集區(qū)的架空區(qū)域會產(chǎn)生“滯水”現(xiàn)象，當(dāng)一輪降雨停止后，此區(qū)域匯聚的雨水會對下方進(jìn)行供水，使得雨水持續(xù)入滲，導(dǎo)致此區(qū)域下方產(chǎn)生凹形鋒面直至觸底，之后開始側(cè)向入滲。由此兩組堆積體入滲過程可以分為兩個階段：豎向入滲階段和側(cè)向入滲階段。

（1）豎向入滲階段。試驗前期由于雨水在架空區(qū)域匯聚，持續(xù)供水導(dǎo)致其下方區(qū)域入滲速率明顯快于周圍土體，呈凹形下滲。A、B組堆積體整體濕潤鋒面分別在前82和41 h呈豎向遷移狀態(tài)，且右側(cè)土體比左側(cè)分別提前63和21 h觸底。此過程中，由于富集區(qū)下方及鄰近土體有充足的雨水供應(yīng)，濕潤鋒影響區(qū)域更廣，在此部分區(qū)域遷移速率更快。含水率初期呈快速增長；隨后雨水下滲，數(shù)值回落；之后由于補(bǔ)償性降雨下滲，含水率出現(xiàn)波動，但大體保持穩(wěn)定。因此，豎向入滲呈加速-減速-穩(wěn)定入滲特征。

（2）側(cè)向入滲階段。A、B組堆積體濕潤鋒分別在127 h 43 min和40 h 53 min時觸底，隨后由豎向入滲轉(zhuǎn)化為側(cè)向入滲階段。這是由于右側(cè)濕潤鋒觸底后，因持續(xù)性降雨，濕潤鋒面呈弧形開始向左側(cè)干燥區(qū)遷移，當(dāng)所有干燥區(qū)都逐漸被潤濕后，整個降雨入滲過程完成。由于模型底部不透水，右側(cè)濕潤鋒到達(dá)底部時，雨水下滲受阻，匯聚的雨水只能側(cè)向入滲，但左側(cè)的濕潤鋒依然向下遷移，右側(cè)濕潤鋒向左遷移曲線呈連續(xù)平滑弧形。

5 結(jié) 語

本文對不同發(fā)育位置（坡中、坡腳）粗、巨顆粒局部富集型深厚層堆積體進(jìn)行室內(nèi)降雨模型試驗，得到以下研究結(jié)果：

（1）坡中和坡腳粗、巨顆粒富集，在降雨入滲過程中形成大孔隙架空現(xiàn)象為雨水入滲提供了優(yōu)勢路徑，其下方及鄰近土體具有明顯滲流優(yōu)勢，比周圍均質(zhì)土體入滲更快。

（2）由于粗、巨顆粒局部富集的位置不同，導(dǎo)致最終的入滲結(jié)果也不同：入滲深度、濕潤鋒遷移形態(tài)、先期觸底區(qū)域及未侵蝕的干燥區(qū)范圍存在顯著差異。

（3）坡腳比坡中粗、巨顆粒富集堆積體整體下滲速率更快、滲透能力更強(qiáng)（A組比B組整體入滲滯后了72 h），這說明坡腳處粗、巨顆粒富集對坡中富集入滲影響更大。

（4）兩組堆積體降雨入滲過程均可劃分為豎向入滲階段和側(cè)向入滲階段。均為濕潤鋒右側(cè)先行觸底，然后向左側(cè)遷移。B組比A組提前近87 h發(fā)生側(cè)滲，且側(cè)向入滲速率比A組快1 cm/h，而豎向入滲速率A組比B組慢0.14 cm/h。