碎石土的顆粒特征及其優先流研究進展

李顯平

中冶集團武漢勘察研究院有限公司上海分公司，上海 201900

碎石土的顆粒特征及其優先流研究進展

李顯平

中冶集團武漢勘察研究院有限公司上海分公司，上海 201900

描述了碎石土的顆粒特征，從土壤優先流形成的內因入手，分析了碎石土優先流形成的客觀條件。辯證地分析了碎石土與一般田間土體的異同，結合碎石土的特性分析，介紹能量理論以及優先流二域模型中的運動波模型和管流模型。最后，結合碎石土斜坡優先流的研究進展，對碎石土斜坡優先流研究提出展望，并指出開展碎石土優先流機理研究存在的一些問題。

碎石土；優先流；機理

debris; preferential flow; mechanism

引言

碎石土滑坡是山區滑坡的主要類型之一，在我國南方地區，碎石土滑坡是最主要的滑坡類型，如浙江省80%的滑坡是碎石滑坡[1]。三峽庫區表層是第四系松散堆積體，主要由滑坡堆積物、殘坡積物、沖洪積物、強風化物等組成，因此三峽庫區存在大量的碎石土滑坡。據統計[2]，在三峽庫區宜昌至萬州區段（包括長江干流和支流）的177個滑坡中，有32個滑坡為第四系松散堆積類，占滑坡總數的18.1%；另據中國地質環境監測院地質災害防治中心資料顯示，三峽庫區重慶市巫山縣所調查的189個滑坡均為松散土石滑坡[3]。對于不同類型的滑坡，其變形失穩的特征不能一概而論，碎石土斜坡變形失穩也必有其特有的規律，值得深入研究。

碎石土斜坡堆積體結構松散，顆粒粒徑變化范圍特別大，級配在空間的分布也很不均勻，土體中粗粒比較集中之部位容易形成細粒充填不足的架空結構，即大孔隙。這種大孔隙既是可能的集中滲流通道，又是容易產生變形的薄弱環節，它們對水分流動阻力影響小，水分在碎石土中會順著這些阻力最小的方向流動，即所謂“短路現象”，形成優先流。由于優先流的存在，降雨誘發碎石土斜坡產生變形破壞的模式和機理必有其特定的規律，且比降雨入滲引起一般非飽和土坡變形破壞的情況要復雜得多。因此，搞清碎石土優先流形成的機理是研究碎石土斜坡產生變形破壞模式和機理的關鍵和難點。文章從碎石土的顆粒特征入手，分析碎石土優先流的研究依據，結合優先流相關理論以及碎石土優先流的研究現狀，對碎石土優先流研究提出展望。

1 碎石土的顆粒特征

1.1 碎石土的定義和分類

土石混合體是一種由顆粒比較小的土和顆粒比較大的碎石組成的非勻質土，工程上一般稱作碎石土。碎石土沒有確切的定義，按我國建設部主編的《巖土工程勘察規范》[3]的分類標準，碎石土是指粒徑大于2mm的干土顆粒超過全重50%的土。碎石土根據其顆粒級配及形狀可按表1分為漂石、塊石、卵石、碎石、圓礫和角礫如表1所示。

表1 碎石土的分類

1.2 碎石土的顆粒組成

由碎石土的定義和分類可以看出，碎石土既不同于一般的巖體，又不同于一般的土體，而是介于土體和巖體之間的一種非常特殊的地質體。碎石土的物質成分以土夾碎石或碎塊石組成，其物理力學特性會由于碎石、漂石、卵石、塊石、粉粒和粘粒的含量、土的含水量、飽和度等變化而變化。

人們根據其顆粒組成特點，把碎石土看作粗粒碎石和細粒土兩部分。認為碎石形成骨架，細粒土充填孔隙，充填愈好，土體的密度愈大，抗剪強度愈高，沉陷變形愈小，顆粒組成是決定碎石土工程特性的主要因素。

碎石土的顆粒組成特點是粒徑變化范圍特別大，級配在空間的分布很不均勻，往往缺乏中間粒徑。例如，山區洪坡積層中常見以角礫、碎石或塊石作為骨架或包含物，以黏性土為充填的碎石土于河床沖積層中常見以圓礫、卵石作為骨架或包含物，以砂土為充填的碎石土。這類土的級配特點是有一段近似水平線，該直線區段的顆粒極少，如圖1。

圖1 碎石土的級配特點

2 碎石土優先流的研究依據

優先流是一種較為常見的土壤水分運動形式，是用于描述在多種環境條件下發生的非平衡流過程的術語[1]。它的表現形式較多，主要有大孔隙流、環繞流、管流、指流、漏斗流等，其運移過程一般具有環繞性和非平衡性兩個重要特征。

優先流的研究，最早是從土壤大空隙流開始的。早在1864年土壤學家們就已經注意到了大孔隙在非飽和土壤水分運動過程中的作用。首先提出大孔隙作用的是 Schumachar（1864）[2]，他指出“在毛管力的影響下，當毛管的吸持作用不大時，入滲期間土壤的入滲率主要受大孔隙的控制”。

土壤大孔隙的幾何形狀多樣，空間分布復雜，形成因素也較多，因此很難給出嚴格的定義。研究者們根據研究目的和方法的不同，從不同的角度來定義大孔隙[5]。但從廣義上講，不論孔徑大小、形狀如何，能夠導致水分和溶質的優先遷移的任何孔隙都可稱之為大孔隙。

Beven[9]等將土壤大孔隙的成因歸結為生物因素、物理因素和化學因素三個方面，土壤中的大孔隙包括土壤團粒間較大的孔隙、植物根痕樣的管狀孔、小動物的洞穴、干燥收縮而產生的裂隙、化學風化溶解而產生的空洞、耕作形成的暗洞以及產生于破碎心土層的孔隙等。

從大孔隙的定義和成因來看，碎石土也必然存在著大空隙以及由此產生的優先流。大量的地質勘查結果表明[12,13]，在碎石土邊坡中地下水的流動通常具有管道流的特點，管狀地下水的出口一般為大空隙或滑移巖體的裂隙，而在出水口周圍巖土體卻未飽和。因此，碎石土斜坡優先流主要體現為大孔隙流和管流兩種形態。

3 碎石土優先流研究的理論基礎

碎石土是自然界許多種土體中的一種，它和一般田間土體是普遍和特殊的關系。由普遍和特殊的辯證關系可知，作為個體，碎石土既有同于一般土體的共性，又有區別于一般土體的特性。所以，區分碎石土與一般土體的共性與特性是研究碎石土優先流的關鍵之一。

土壤優先流產生的根本原因是存在導致水分和溶質優先遷移的大孔隙。首先，一般田間土體的大孔隙主要是由生物、物理、化學等外界因素造成的，真正由土體本身結構性和土壤團粒之間形成的大孔隙較少；而這里研究的碎石土，其大孔隙則主要是由于碎石細粒充填不足而形成的，因而碎石土的大孔隙是碎石土本身所固有的。這種大孔隙形成原因的不同，是碎石土有別于一般土體的地方之一。其次，自然的碎石土邊坡中往往碎石巨大，大的碎塊石粒徑達幾十到幾百毫米，這些大粒徑的碎石間由于細粒充填不足所形成的大孔隙比田間沙壤土中的大孔隙要大得多。

然而，大孔隙的存在是優先流產生的根本原因之一，不論碎石土與一般田間土體的大孔隙成因和大小如何不同，在碎石土和一般性土壤中都存在由大孔隙所引起的優先流。能量守恒定律在自然界是普遍適用的，土水勢作為表示土壤能量的物理量，在碎石土中也必然適用。土壤優先流中的二域模型把土壤分為基質域和大孔隙域，碎石土作為一種多孔介質，也存在著基質，只不過在碎石含量較大級配較差的碎石土中大孔隙域占優，在碎石含量較小級配良好的碎石土中，基質域占優。因此，土壤優先流中的二域模型也必然適用于碎石土。下面介紹一下能量理論和優先流二域模型。

3.1 能量理論

將能量觀點融入土壤水分入滲規律是土壤物理學研究的飛躍。土水勢是表示土壤能量的物理量，一般由重力勢、壓力勢、基質勢和溶質勢等分勢構成。從土水勢是土壤水分運動的主要決定因素及土壤水分運動的能量角度出發，可知土壤優先流作為非平衡和快速流，存在土水勢的高度不平衡性。

3.2 優先流模型

雖然土壤優先流定量研究難度大，起步也比較晚，但人們還是提出了許多方法來模擬它，常用的模型有二域模型、多域模型、數值模型、兩階段模型、混合模型和隨機模型等。其中比較熱門的研究是在結構性多孔介質流體的流動和傳輸中所使用的二域模型（Two-Region Model），也稱為雙重孔隙度模型（Dual- Porosity Model或Double-Porosity Model）。

二域模型假定土壤由兩個域構成，一個域代表土壤基質，稱為基質域，另一個域代表土壤中的優先路徑，稱為大孔隙域。根據水及溶質在兩域中的運移和兩區域之間水及溶質交換的不同，可分為流動一非流動型和流動一流動型，其中流動一流動型又分為雙重孔隙度（Dual Porosity）型，運動波（Kinematical Wave）型，邊界層流動理論（Boundary Layer Flow Theory）型和管流（Channeling or Tube Flow）型。下面對二域模型中研究比較多的運動波型和管流型作簡要介紹。

3.2.1 運動波（Kinematical Wave）型[16]

Beven等對土壤基質域運用達西定律，對土壤中的大孔隙域運用質量守恒原理，建立非飽和大孔隙域運動波水流方程。Germane等指出，對于土壤中的大孔隙域，水只在重力作用下通過該區，且水流速度和強度取決于土壤含水量，則大孔隙域中非穩定流可用運動波理論來解決。運動波理論包括一個與大孔隙流有關的匯函數，在入滲期間，水從大孔隙域滲入到土壤基質域中，大孔隙域周圍的土壤基質域起著吸附邊界的作用。假設土壤中優先路徑均勻分布，且濕潤鋒的運動可用活塞式流動來描述。該模型的預測結果與所觀測的出流過程很接近，但由于模型假定的均勻優先路徑系統，其中濕潤鋒的運移被認為是活塞流，使模型的出流體積通量密度與觀測值存在差異，而且模型中大孔隙域中的體積通量密度、水分含量以及所涉及到的參數的確定都很困難。

3.2.2 管流（Channeling or Tube Flow）型[8,17,18]

Chen和Wangenet將土壤分為基質域和大孔隙域兩域，基質域中的水流方程采用Richard方程，大孔隙域中的水流近似看成管流，采用管流的Hagen Poiseuille公式和Chezy Manning公式來描述，采用Philip入滲公式計算從大孔隙域到基質域的水流速度。該二域模型可以相當精確地進行預測，但僅適用于自由排水條件下。Beven和Germann使用Hagen Poiseuille公式得到了描述大孔隙流的非線性運動波方程，并得到了飽和優先路徑體積通量密度和優先路徑度的關系。Beven等將Green Ampt方程與Hagen Poiseuille公式結合起來，描述從優先路徑到土壤基質的輻射滲透。Workman等使用Hagen Poiseuill公式來描述土壤積水入滲條件下的大孔隙流，采用達西定律以壓力差為驅動力定量描述側向滲透。

4 碎石土斜坡優先流的研究現狀

目前關于碎石土邊坡優先流機理的研究文獻不多，少量成果研究到了碎石土優先流，但沒有明確提出碎石土邊坡優先流這一概念。比如，浙江大學的尚岳全，俞伯汀，許建聰等[13,19-23]對碎石土斜坡滲流特征進行系統研究所強調的碎石土管網狀滲流系統就是一種優先流。他們通過工程實地考察，發現了碎石土邊坡管網狀滲流系統的存在，并通過較為系統的模型試驗再現了碎石土邊坡管道排泄系統的形成過程，驗證了碎石土邊坡管網狀滲流通道對碎石土邊坡穩定性的影響，最后還將這套管網狀滲透理論應用于指導工程實際。在碎石土優先流機理研究問題上，浙江大學的研究者只是在恒定水頭差的條件下模擬研究粘粒含量、碎礫石含量以及大粒徑碎石對碎石土邊坡管道排泄系統的形成的影響，而沒有對碎石土的級配組成、顆粒形狀等影響因素作相關研究。并且，上述因素都是內因，水是碎石土優先流通道的形成主要外因，水的施加方式（水平、垂直），以及地下水位的變化、雨強、降雨持時將直接影響碎石土優先流通道的形成，這些因素也是碎石土優先流機理研究的重點。

碎石土優先流受各種內外因素的影響，只有全面的考慮這些因素，才能深入揭示碎石土優先流發生的機理。浙大的研究者只是對粘粒含量、碎礫石含量以及大粒徑碎石對碎石土邊坡管道排泄系統形成的影響做了定性分析，而并沒有做定量研究，碎石土優先流的定量研究是今后要努力的重點和難點。

5 展望及存在的問題

雖然碎石土優先流對邊坡的影響和作用已經被許多專家學者注意到，但系統的機理研究還沒有展開，一些零星的研究也只停留在定性分析上。因此，碎石土優先流機理研究大有文章可做，建立符合碎石土優先流一般規律的分析模型，需要進行大量的實驗和數值模擬。碎石土優先流分析模型的建立不但能為揭示碎石土斜坡變形破壞機理提供理論基礎，而且也是對土壤優先流理論研究的完善和補充。

實驗是研究碎石土優先流機理最有效、最可靠的方法之一。由于碎石土自然邊坡環境比較惡劣，要進行系統的室外現場實驗不太現實，因而，室內模擬實驗是唯一比較可行的途徑。設計實驗進行碎石土優先流的模擬需要相關理論來指導，而目前還沒有完全適用于碎石土優先流的理論和模型，因此，如何修正已有的優先流模型或者建立新的適合碎石土的優先流模型是問題的切入點和難點。雖然人們提出了許多模型來模擬土壤優先流，但這些模型都是建立在Darcy定律的基礎上，其中研究較多的二域模型，在基質域方面運用Darcy定律來研究比較成熟，但對于大空隙域的研究則不夠完善，存在參數難于測定，邊界條件處理復雜等缺陷。因此，發展和采用適宜的測量參數的技術和方法是急需解決的問題。

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The Characteristic of Debris’ Grain Composition and Study on Debris Preferential Flow

Li Xianping

The characteristic of debris’ grain composition was generally described. Began with the immanent cause of formative soil preferential flow, the objective factor of formative debris preferential flow was analyzed .The common and difference between debris and general soil were dialectically analyzed. Kinematical Wave Model and Channeling Flow Model among Two-Region Model were introduced. At last, combined with present condition of preferential flow of debris slope, put forward some vistas to the study of debris preferential flow, what’s more, some existing problems of recent research of debris preferential flow were point out.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.06.020

李顯平（1982-），男，湖北紅安人，巖土工程碩士研究生，助理工程師，中冶集團武漢勘察研究院有限公司，主要從事巖土工程勘察工作。