紫色丘陵區堆渣體物理性質變化及邊坡穩定性分析

蔣 平，汪三樹，李葉鑫，杜志洋，胡 青，陳正發，史東梅

(1．西南大學資源環境學院水土保持生態環境研究所，重慶400715;2．中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院，云南昆明650051)

隨著經濟的快速發展，生產建設項目也呈蓬勃發展之勢，不可避免地產生了大量的棄土。棄土失去了原土壤結構，土壤侵蝕嚴重［1］。這些棄土棄渣結構松散，孔隙度大，顆粒較粗，質地結構差，其自然坡度大都在25°～45°之間，一遇暴雨極易形成滑坡和泥石流，造成嚴重的地質災害［2］。因此，進一步了解堆渣體邊坡穩定性特征，對減少堆渣體水土流失和地質災害具有重要意義。

1 研究區概況

研究對象為重慶市紫色丘陵區堆渣體。重慶市屬亞熱帶溫暖濕潤季風氣候區，夏熱冬暖，春長秋短，四季分明，光、雨、熱同季。年均降水量1 173．6 mm，降雨主要集中在5—9月(期間降水量占全年的75%以上)，高溫伏旱較嚴重。地形為典型的川東低山丘陵，土壤以紫色土、水稻土為主［3］。試驗研究選取的3 個堆渣體坡面土壤均為中生代侏羅紀沙溪廟組砂泥巖母質及其發育而成的紫色土，堆積形成的自然安息角在40°以上，1 號堆渣體形成時間最長，2 號堆渣體次之，3號堆渣體最短，其中1 號堆渣體形成時間為2年，2 號為7 個月，3 號不足7 個月，3 個堆渣體基本情況見表1。

表1 堆渣體基本情況

2 研究方法

2．1 采樣方法

在1、2、3 號堆渣體邊坡分上、中、下3 個部位沿坡面縱向采樣，在每個采樣點分別用鋁盒和100 cm3環刀取3 個復樣，用抗剪環刀取4 個樣品，另采集1 kg土樣做其他物理性質分析。

2．2 試驗方法

本試驗采用野外調查和室內試驗相結合的方法，野外調查指標包括堆渣體邊坡長度、坡度、植被覆蓋度等;室內試驗主要測定堆渣體的容重、含水率、飽和含水率、飽和導水率、顆粒組成及抗剪強度等，分析堆渣體物理性質的變化及邊坡穩定性特征。容重采用環刀法測定，含水率采用烘干法測定，飽和含水率和飽和導水率采用環刀法測定，土體顆粒組成采用機械篩分法參照《土工試驗規程》測定，抗剪強度利用ZJ 型應變控制式直剪儀測定。

3 結果與分析

3．1 堆渣體邊坡土體的顆粒組成及特征

受重力自然分選以及降雨徑流沖刷的影響，堆渣體邊坡上、中、下各部位土體顆粒的粒徑分布呈現出差異性，詳見表2。從表2 可以看出，1 號邊坡不同坡位碎石分布差異顯著，坡上部位的碎石含量是14．8%，坡中僅為1．49%;2、3 號邊坡的碎石分布比1 號邊坡均勻。堆渣體中礫石含量越高，土壤流失強度越大［4］。3 號邊坡礫粒含量比1、2 號邊坡高，坡中部位礫粒含量達到了70．97%，主要由于3 號堆渣體含大量未風化巖石且無植被覆蓋。堆渣體的土體是擾動后的土石混合體，土顆粒比較松散，在降雨和重力作用下3 個邊坡的細粒土都主要分布在坡下部位。

表2 不同坡位土體容重及粒級分布

3．2 堆渣體邊坡土體的容重變化特征

土壤容重的變化改變了土壤孔隙狀況以及土壤導水能力，對土壤飽和含水率和飽和導水率有重大的影響［5］。由表2 可知，土體容重變化范圍為1．3～1．7 g/cm3，這個特征與堆渣體主要為巖石礦物一致。1 號邊坡各坡位土體容重關系為坡中＜坡上＜坡下，這與其＜0．075 mm 的細粒物質變化趨勢一致，表明坡下部位土體由于細粒含量大造成粗顆粒間的孔隙被堵塞得更多，土體更為緊實。坡中部位土體容重最小與1 號邊坡發生了強烈的溝蝕有關，坡中部位土體受到的沖刷劇烈，細顆粒土體被帶走，所以應在1 號邊坡的坡下部位設置擋渣設施［6］，減少土壤流失量。2 號和3 號邊坡土體的容重變化與1 號差異較大，坡上的土體容重最大，這是因為2、3 號邊坡形成的時間較短，在傾倒渣體的過程中，坡上部位的土體被車輛壓實，而坡中與坡下部位的土體則比較松散。2 號堆渣體有10%的植被覆蓋，由于植被的作用，使得其坡中和坡下土體的容重較坡上的小很多;3 號邊坡坡下部位的容重比坡上與坡中的小很多，是由于其形成時間較短，坡上和坡中土體被壓得更緊實，坡下部位表層有較多滑下的松散土體。

3．3 堆渣體邊坡的水分變化特征

3．3．1 邊坡土體飽和含水率

作為土壤水動力參數的重要影響因子之一，土壤飽和含水率是衡量土體穩定性及其可蝕性的重要指標［1］。由表3 可知，1、2 號堆渣體邊坡飽和含水率關系均是坡中＞坡下＞坡上，2 號邊坡坡上和坡下部位飽和含水率相差較大，1 號邊坡坡上與坡下部位飽和含水率的差異較2 號的小，這主要是因為1 號邊坡植被覆蓋較2 號的好;3 號邊坡自上而下飽和含水率逐漸增大，這與3 號邊坡細粒含量變化趨勢一致，且坡下部位的飽和含水率高出坡中和坡上很多，主要是因為3 號邊坡無植被覆蓋，在降雨時細顆粒易向下運移，堆積在坡下部位。結合表2 可知，堆渣體邊坡的飽和含水率與容重呈負相關，這與呂殿青等人的研究結果一致，飽和含水率隨容重的增加而減小，與容重成負相關［5］。

表3 不同坡位土體水分的變化

3．3．2 邊坡土體含水率

土壤初始含水率越高，產流越快，平均入滲率越小，達到穩定的時間也越短［7］，其值對土壤水分沿邊坡的分布具有重要的影響。土壤含水率與土壤抗剪強度密切相關，黏聚力隨土壤含水率的增加先增大后減?。?］，因此邊坡不同坡位土體含水率也是影響邊坡抗剪強度的主要因子。由表3 知，3 個邊坡不同坡位土體含水率從上至下逐漸升高，尤其是1 號邊坡坡下部位的土體含水率是坡上的3 倍多，這主要是因為1 號邊坡的植被主要分布在坡下部位，而植物根系有蓄水保土作用。2 號邊坡除坡上部位外，坡中、坡下的含水率均比1 號邊坡低，且上、中、下坡位分布的也比較均勻，這主要是由于2 號邊坡形成時間比1 號邊坡短，植被覆蓋也比1 號邊坡的差;3 號邊坡不同坡位土體含水率較2 號邊坡低很多，坡上部位的僅為1．68%，這主要是由于3 號邊坡無植被覆蓋，土體裸露松散固結性差，粗顆粒含量高，保水性能差。

3．3．3 邊坡土體飽和導水率

飽和導水率是土壤水分和溶質運移模型的重要參數［9］，影響土壤飽和導水率的主要因素有土壤容重、土壤孔隙度、土壤質地等。飽和導水率直接關系到降雨條件下土壤表面是否產生徑流或產流多少，是衡量土壤坡面是否發生面蝕和細溝侵蝕的關鍵指標。從表3 可看出，1 號邊坡的飽和導水率較2、3 號邊坡高很多，且1、2 號邊坡坡上部位的土體飽和導水率均比坡中和坡下的低，這與兩個邊坡的植被均覆蓋在坡中和坡下部位有關。1 號邊坡坡下部位的土體飽和導水率較坡上和坡中高，且坡上和坡中部位的飽和導水率差異很小。2 號邊坡的飽和導水率較1 號邊坡的低，坡下＞坡中＞坡上，差異小。3 號邊坡則是坡中部位最低，主要因為3 號邊坡坡中部位礫粒含量最高。

3．4 堆渣體邊坡土體的穩定性特征分析

土體的抗剪強度是影響邊坡穩定性的主要因子，而影響土體抗剪強度的因素有顆粒組成、容重、含水率等。表4 為不同堆渣體坡面土體內摩擦角和黏聚力的測定結果。

表4 不同堆渣體坡面土體內摩擦角和黏聚力

由表4 知，1 號邊坡坡中部位土體的內摩擦角比坡上和坡下的大，與1 號坡面2～20 mm 礫粒、0．075～2 mm 砂粒物質分布、飽和含水率等指標的變化趨勢基本一致，說明在一定范圍內粗顆粒土體含量越大，內摩擦角越大，所以在堆置棄渣過程中，可適當混勻不同粒徑土顆粒，增強堆渣體邊坡的穩定性;黏聚力為坡下＞坡上＞坡中，與1 號坡面＜0．075 mm 細粒物質的分布、土體容重變化趨勢基本一致，且黏聚力變化顯著，說明堆渣體邊坡土體黏聚力的變化與土體顆粒組成和容重均有較大關系，容重越大土體越緊實，顆粒接觸越緊密，黏聚力就越大，因此在堆積堆渣體時適當進行壓實有利于增強堆渣體邊坡穩定性。2 號邊坡各坡位的內摩擦角均比1 號邊坡的小，主要因為2 號邊坡植被覆蓋比1 號邊坡差，植物根系有增強土體內摩擦角的作用。2 號邊坡除坡下部位外，坡中、坡上的黏聚力均比1 號的大，這與兩邊坡含水率存在差異有關，結合表3 可以看出，在一定范圍內土體黏聚力與土體的含水率呈負相關，含水量的增加使土顆粒周圍的結合水膜變厚，顆粒膠結性能變弱，致使顆粒之間的分子引力變弱，結構性降低，顆粒之間更易分離［10］。3 號邊坡平均內摩擦角較1、2 號邊坡的大且坡上、坡下、坡中差異不大，這與3 號邊坡形成時間不長，2～20 mm 礫粒含量均高于1、2 號邊坡有關;3 號邊坡的黏聚力為坡下＞坡中＞坡上，這與3 號邊坡的含水率、土顆粒組成狀況等有很大關系。棄渣場的堆渣坡度小于土體內摩擦角時，坡面穩定。由表4 的數據處理可得，1、2、3 號邊坡安全堆渣的臨界坡度分別為29．21°、26．13°、32.45°。由于1 號邊坡植被覆蓋比2 號的好，植被根系與土體形成根土復合體，增強了土體的抗剪強度，使得1 號邊坡安全堆渣的臨界坡度比2 號邊坡的大;3號邊坡由于其砂粒和礫粒的含量較1、2 號的大，所以其土體間內摩擦角較大。紫色丘陵區堆渣體邊坡土力學參數的這些變化特點可為采用公式法進行生產建設項目土壤侵蝕模數預測提供更為精確的基本參數［10］。

4 結 語

(1)堆渣體邊坡土體結構復雜、植被覆蓋很差或者無植被覆蓋的邊坡，從上到下礫粒含量有逐漸增加的趨勢，這主要受重力自然分選和降雨徑流沖刷的作用;土體容重較大，變化范圍為1．3～1．7 g/cm3，這與堆渣體土體主要為巖石礦物有關。

(2)除3 號堆渣體外，堆渣體坡上部位飽和導水率均比坡下和坡中的低;堆渣體邊坡土壤含水率因坡位不同而不同，從上到下呈增大的趨勢，土體在含水率極低時，堆渣體土體的黏聚力與含水率呈正相關。

(3)除了形成時間較短的3 號堆渣體外，堆渣體坡中部位的內摩擦角最大，而黏聚力最小;1、2、3 號堆渣體安全堆渣的臨界坡度分別為29．21°、26．13°、32.45°，結合表1 可知3 個堆渣體邊坡均不穩定，需采取措施防止水土流失。

［1］楊忠發，王榮富，張仕華．我國建設項目棄土場水土流失研究綜述［J］．安徽農業科學，2010，38(4):1935－1936．

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［5］呂殿青，邵明安，劉春平．容重對土壤飽和水分運動參數的影響［J］．水土保持學報，2006，20(3):154－157．

［6］徐永年，田衛賓．開發建設項目堆渣體設計及防洪問題［J］．中國水土保持，2003(2):23－24．

［7］陳洪松，邵明安，王克林．土壤初始含水率對坡面降雨入滲及土壤水分再分布的影響［J］．農業工程學報，2006，22(1):44－47．

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