碎石土斜坡優先流滲流特征試驗

沈 輝,羅先啟,李顯平

(1.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院,上海 200240;2.九江學院土木與城建學院,江西九江 332005;3.中冶集團武漢勘察研究院有限公司,湖北武漢 430080)

碎石土是一種非連續、非均質的結構性材料,在我國及世界范圍內分布廣泛,尤其在我國西南砂巖、砂頁巖地區分布更為廣泛[1-4]。據統計[1-2],三峽水庫蓄水后,由崩塌堆積體和第四系松散堆積體組成且前緣高程低于175m的崩塌體共有1190處,總面積約為135.9km2,約占水庫面積的12.5%,體積約為34億m3,約占總庫容的8.7%,庫區碎石土中碎、礫石最高可達70%。在國外,美國阿巴拉契山脈地區分布有大量的崩積層滑坡,其碎石質量分數在10%～30%;美國肯塔基州東部煤田有77處露天礦的廢土石邊坡屬于碎石土邊坡,砂礫、漂石均有分布[5]。近年來,隨著我國大型水電工程、鐵路、公路等項目的建設,碎石土的研究再次成為焦點。碎石土斜坡主要成因包括坡積、冰積及人工堆積等,其顆粒組成和結構狀態十分復雜,物理力學性質與均質的巖土體存在較大差別,有學者基于碎石土細觀結構和物理力學性質,從傳統巖土體分類體系中提出“土石混合體”的概念,對其結構模型、綜合性定量化評價指標、力學性能、滲透性能等方面展開研究。

在碎石土結構模型研究方面,Lanaro等[6]使用激光掃描技術獲得礫石的三維圖像,并利用傅立葉以及幾何分析方法獲得了礫石塊體的具體參數。Yue等[7]對數碼照片進行灰度處理,建立了土石混合體的平面幾何模型。Lebourg等[8]通過數字圖像處理對冰磧物內部塊石的形態及結構特征進行定量研究,并運用多維統計分析方法建立冰磧物內摩擦角與塊石形態特征參數的關系。李曉等[9]基于對土石混合體結構特征的野外統計分析,指出其力學性質主要受土體內部結構的控制。油新華[10]利用隨機模擬方法提出了考慮礫石塊體空間位置、大小、方位3個隨機變量的隨機結構模型的自動生成技術。眾多學者[11-13]通過原位剪切、原位水平推剪試驗等手段對不同含石量、含水狀態的土石混合體的力學性質進行了研究。在滲透性能方面,徐文杰等[14]基于自主開發的土石混合體細觀結構隨機生成系統,從土石混合體的含石量、空間分布、粒度組成等細觀結構特征出發,運用數值試驗方法研究了土石混合體的細觀滲流場特征、滲透破壞機理及宏觀滲透系數與細觀結構的定量關系。周中等[15]利用自制的常水頭滲透儀測定了不同含礫量時土石混合體的滲透系數,研究不同因素對土石混合體滲透系數的影響。徐揚等[16]通過現場試坑試驗方法,研究滲透系數與平均粒徑、非均勻度的關系。邱賢德等[17]試驗研究了顆粒質量分數與滲透系數的關系。

優先流最早是由土壤學家針對土壤平衡入滲流而提出的[18-19]。在巖土工程領域,針對這種非平衡流的研究也早已展開。吳永鋒等[20]通過大量的勘察實踐表明,三峽庫區大多數滑坡中的地下水具有管道流或脈狀流的特征,但在勘察成果中一般概化為層狀地下水。黃晏等[21]通過降雨試驗研究發現,在不飽和狀態下雨水可以迅速補充地下水供給,由于地形、地質條件的原因,降雨結束后裂縫多的地區仍會存在地下徑流增大的可能性。尚岳全等[22]在現場勘察和試驗中觀察到含碎石黏性土邊坡和碎石土邊坡中地下水通常具有管網狀滲流特性。以上研究均表明斜坡內存在某種能使水分快速運移到土體深部和地下水的優先流路徑。

本文通過模擬降雨入滲及地下水變化,研究碎石土斜坡優先流路徑形成過程,采用染色示蹤及數字圖像處理技術觀察碎石土斜坡淺部及深層優先流滲流特征。試驗結果表明,采用室內模型試驗有利于深入研究碎石土斜坡優先流的流動機理,是建立優先流滲流模型的有效手段。

1 試驗設計

1.1 試驗設備

試驗采用自制的室內模型試驗系統,主要由模型槽、地下水模擬裝置、降雨器、試驗數據采集設備等組成。模型槽尺寸為150cm×30 cm×80cm(長×寬×高)。地下水模擬裝置利用連通器原理設計,水分從滲漏管孔內流出。降雨器采用針頭式和孔管噴灑式(管網式)相結合的方式,即在排管上裝置醫用針頭(孔徑1mm,橫向間距10 cm,縱向間距6 cm)形成管網針頭式降雨裝置。試驗數據采集設備主要包括測壓管、孔隙水壓力傳感器、集滲管、翻斗式流量計等,模型設計剖面如圖1所示。觀測項目主要包括優先流滲流特征、孔隙水壓力、地表徑流、出流泥沙含量等。優先流試驗采用染色示蹤技術,染色示蹤劑選用亞甲基藍,其在干燥狀態下呈古銅色,溶于水稀釋后呈藍色。

圖1 模型設計剖面(單位:cm)

1.2 試驗材料

我國 GB 50021—2001《巖土工程勘察規范》及《工程地質手冊》對碎石土的定義為粒徑大于2mm的顆粒質量分數超過50%的土。工程上將5mm作為分界粒徑,小于5mm的顆粒稱為細料,大于5mm的顆粒稱為粗料。郭慶國[23]通過試驗發現粗粒質量分數增加到30%～40%后滲透系數增大明顯。徐文杰等[24]通過對云南省虎跳峽龍蟠右岸天然狀態下碎石土粒度分布的分形結構分析,將20mm作為研究尺度內土石混合體的特征值。綜合考慮以上研究成果,將粒徑大于或等于2mm,5mm及20mm的顆粒質量分數P2,P5,P20作為試驗材料特征粒徑。試驗土樣有TY1(P2=64%,P5=50%,P20=15%)和TY2(P2=50%,P5=30%,P20=10%)2種。表1為試驗土樣粒徑分布及級配參數,由表1可知,TY1土樣3個特征粒徑的質量分數均高于TY2土樣。

1.3 試驗流程

按土樣控制干密度分7次制作土樣,按照各粒組質量分數稱取土樣并充分混合。土樣分層填筑,每層厚10cm,水平均勻填土后采用4.5 kg擊錘擊實,落距45 cm,底板墊木質墊塊,同一位置錘擊5次,層間接觸面用鋼刷處理。

為了在常規試驗條件下能夠較好地觀察到碎石土優先流在降雨及地下水作用下的滲流特征,將試驗過程分為2個階段:第1階段為碎石土斜坡優先流路徑形成模擬,分為4個步驟(表2);第2階段為染色示蹤試驗。

表1 試驗土樣粒徑分布及級配參數

表2 第1階段試驗步驟及控制條件

試驗第1階段的步驟1模擬第1次雨水淋濾作用,試驗時間為6d,采用間歇性降雨方式,試驗模擬降雨前3d日降雨量均為50.0mm,后3d降雨歷時均為6h,6d累積降雨量為237.5mm。步驟2模擬地下水作用,試驗歷時216h,通過水分水平滲透使坡體內部生成管道網絡,水頭保持21.5cm直至試驗結束。其后進行為期6 d的坡面表層土脫水試驗(步驟3),采用PTC陶瓷發熱管(功率1100W)在距坡體表面30cm處每天加熱6h,待土層表面裂隙形成后再次模擬降雨入滲過程。

第1階段試驗結束后待模型自然干燥6d后進行第2階段示蹤試驗。在降雨器內部及后部水箱(水頭21.5cm)里添加染色劑,降雨強度為20mm/d,降雨歷時為24h,再次自然干燥6d后觀察土樣優先流特征。

2 試驗結果與分析

2.1 碎石土優先流路徑形成

優先流路徑的成因和過程非常復雜,植物根系穿插、動物活動、土壤季節性干濕和凍融交替,地下水的運移波動成為深層土體中形成流動管道的重要成因。針對降雨及地下水變化作用因素,通過優先流路徑形成前后孔隙水壓力傳感器的響應特征對比,結合土體表面、內部徑流量及泥沙量,綜合判定優先流路徑的形成。

圖2為TY1土樣初次降雨壓力水頭響應曲線,TY1土樣降雨開始后降雨傳感器反應平緩,試驗歷時84h后大幅增加,并連續出現4個明顯峰值,出現峰值的時間間隔逐漸縮短,且峰值逐步減小。TY1土樣粒徑大于或等于2mm的粗粒及礫石質量分數均高于TY2土樣,水流彎曲度隨碎石增大而增加,過水斷面減小。降雨初期雨水入滲量及滲流速度較小,孔隙內水分連通后,孔隙水壓快速增長,隨著細顆粒的流失,孔隙內水分快速排出,孔隙水壓快速下降。TY2土樣黏粒含量較多,排水能力弱,首個壓力水頭峰值為11cm,隨著水分持續入滲,孔隙水壓呈臺階形升高,降雨結束后仍保持較高孔隙水壓,見圖3。圖3孔隙水壓力傳感器PS1反應明顯滯后于PS2和PS3,主要因為PS1上部土層較厚,填土過密實。

圖2 TY1土樣初次降雨壓力水頭響應曲線

試驗利用模型后部水箱補水,采用逐步提升水頭的方式使水分在試驗土樣內水平滲透,從而在坡體內部生成管道網絡。補給水頭維持21.5 cm,歷時36h;維持水頭40.0cm,歷時36h;維持水頭60.0cm,歷時72h;最后補給水頭回落至21.5 cm,歷時72h,見表2。圖4為地下水變化時TY2土樣壓力水頭響應曲線,由圖4可看出,水平滲透作用使得土樣內部孔隙內顆粒被大量帶出,水頭變化時孔隙水壓力響應迅速,當水頭回落至21.5cm時,土樣內水分同時快速排出,孔隙水壓快速下降。圖5為TY2土樣第2次降雨壓力水頭響應曲線。對比圖3及圖5可以看出,TY2土樣在經過初次降雨淋濾及地下水的長時間作用后,地表入滲通道及地下管道網絡連通。第2次降雨時孔隙水壓的響應速度及規律與初次降雨過程相似,水分入滲及排出保持平衡。

圖3 TY2土樣初次降雨壓力水頭響應曲線

圖4 地下水變化時TY2土樣壓力水頭響應曲線

圖5 TY2土樣第2次降雨壓力水頭響應曲線

表3為TY1土樣初次降雨特性及土體入滲特性。TY1降雨入滲初期降雨強度為50mm/d,降雨歷時為24h,土樣表面較干燥。隨著降雨強度及歷時的增加,土樣平均入滲率逐漸增大,而后土樣表面逐漸飽和,平均入滲率又出現逐漸減小的趨勢。坡體表面受到雨水沖刷,淺部土層受到淋濾侵蝕作用,泥沙被排出坡體外,形成淺部連通孔隙。

表3 TY1土樣初次降雨特性及土體入滲特性

TY1及TY2土樣模擬地下水作用過程中后箱水頭與坡體內部徑流量的關系見表4。由表4可以看出,模型后箱水頭變化時,TY1土樣的坡內徑流量遠大于TY2土樣的徑流量。這主要是由于TY1土樣孔隙內細顆粒被快速帶走后,坡體內部流量基本穩定。同等水頭情況下,隨著滲透時間的增長,TY1土樣坡內徑流量有所減小,主要是因為細顆粒在坡底附近富集,堵塞部分通道。TY2土樣在補給水頭提高后,內部徑流量增長四五倍,同時泥沙量也有大幅度增長。由此看出地下水的水平向滲透侵蝕使得坡體內部形成滲流管路,產生優先流路徑。

表4 后箱水頭與坡體內部徑流量的關系

2.2 碎石土優先流滲流特征

試驗采用染色示蹤技術,使用高分辨率的CCD相機采集圖像,將染色區域與未染色區域圖像分割轉化成二值圖像。圖6為TY2土樣整體染色特征,土樣內部水平方向滲透通道與地表垂直方向滲流通道局部連通,雨水通過地表快速入滲到坡體深部,通過深部水平管道系統在坡體前端快速排出,這與圖5中壓力水頭響應曲線的特征非常吻合。

圖7為局部區域染色特征,圖中黑色區域代表優先流路徑。降雨淋濾作用造成地表出現不同程度的內部侵蝕,由圖7(a)～(c)可知土樣表層滲流通道深度及密集程度存在差異;由圖7(d)可知垂直孔隙與水平孔隙相交時,水分會迅速向側向擴散,如在水平側向擴散過程中與其他垂直孔隙貫通,則會形成“Щ”形的連通孔隙,水分越過周邊土體,加速入滲到坡體深部;圖7(e)展示了坡體內部染色特征,土樣表層以下20cm處呈倒置漏斗狀,在漏斗尖處存在大量礫石堆積體,孔隙水沿礫石表面流動,在礫石堆底部富集。富集水分在重力作用下朝土體深部倒置漏斗狀處擴散。

圖6 TY2土樣整體染色特征

圖7 局部區域染色特征

3 結 論

a.在同等降雨強度下,礫石含量高的碎石土過水斷面小,降雨初期入滲量及滲流速度較小,隨著累計入滲量的增加,地表附近土體逐漸飽和,平均入滲率減小。雨水淋濾作用使得地表及坡體內部細顆粒被帶出,易于形成優先流路徑。

b.優先流路徑的形成是一個孕育發展、趨于穩定、逐漸破壞的循環過程。整個過程受到生物因素、環境因素特別是降雨因素的影響,使得坡體內部與外界保持著水分動態交換,整體保持平衡狀態。地表淺層優先流使大氣降水能夠快速進入坡體內部,地下水位大幅度上升,造成坡體穩定性降低,而坡體深層的優先流管道網絡使水分能夠快速排出,有利于坡體穩定,因而坡體存在著自我平衡調節的功能。c.染色示蹤試驗能夠較好地表現碎石土斜坡中優先流的滲流特征,這種可以重復進行的模型試驗可以避免野外田間試驗土樣隨機的問題。因而,

對于碎石土斜坡內優先流綜合量化描述及判定、斜坡內水分非均勻流動模型等的建立是一種非常有效的手段。

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