粗、巨顆粒富集位置對堆積體降雨入滲的影響

張雨林，石驚濤，涂國祥，萬 暢，邱 瀟，錢昭宇

(成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

受人類活動、地震及降雨影響，我國西部地區常發生堆積體失穩滑坡，尤以降雨誘發為主[1-2]。研究雨水在土體中的入滲機理，對滑坡等自然災害防治有重大意義。目前國內外學者多采用理論分析[3-5]、數值模擬[6-7]、物理模擬[8-10]等方法對降雨條件下的滑坡機理進行研究，如Lumb等[3]認為降雨入滲會使土體飽和度增加，引起抗剪強度降低而誘發滑坡；Fredlund等[4]研究認為降雨入滲會導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物進而影響坡體穩定；齊信等[5]認為坡體在地形地貌及土層厚度的作用下，短時間內的強降雨入滲會導致孔隙水壓力增大而引發土體滑動。同時，眾多學者從降雨強度[11-12]、時長和累計降雨量[13-15]等方面對堆積體穩定性進行研究，揭示了降雨條件下誘發坡體失穩機理，為降雨入滲與坡體穩定性間的相關性提供了理論依據。

然而當前相關研究結論大多集中于邊坡局部失穩或淺層滑坡失穩機理[16-17]方面，對降雨誘發局部粗、巨顆粒富集型深厚層堆積體滑坡失穩的研究卻相對欠缺。通過實地調查發現，四川省某堆積體局部粗、巨顆粒富集于坡中、坡腳部位，導致出現的大孔隙架空現象為雨水入滲到堆積體深部提供了優勢通道，為其滑坡失穩埋下了隱患。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降雨模型試驗，采集坡體內部孔隙水壓力、基質吸力和體積含水率等數據，研究降雨入滲過程中雨水滲流特征變化，為探索由降雨誘發局部粗、巨顆粒富集型深厚層堆積體滑坡失穩機理提供理論依據及數據支持。

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，地理坐標為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。

據調查發現，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象遠不及坡中和坡腳部位，特別以粗、巨顆粒富集最為典型。同時，顆粒富集區域發育在堆積體不同坡度位置處，據統計，約80%的粗、巨顆粒富集發育在堆積體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域，分布面積達160 m2，這為降雨入滲提供了優勢條件。而其他坡度分布的粗、巨顆粒較為分散且相對較少無法構成大孔隙架空狀態，無法提供雨水入滲優勢通道，對本文研究結果影響較小，故在本次室內降雨模型試驗中不予考慮。

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

2 試驗設計

結合實地調查結果和研究目的，采用坡度為30°的兩組概化模型堆積體進行對照試驗（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透明玻璃板拼裝定制，側面玻璃板上刻有10 cm×10 cm的正方形網格線。

降雨模擬系統包括壓力表、水表、水管、降雨噴頭和支架及防水雨簾。降雨強度需通過調節供水壓力及單位時間供水量來控制在20～25 mm/h范圍內。數據測量及采集儀器：孔隙水壓力采用HC-25傳感器和HCSC-16數據采集儀；基質吸力采用Campbell257傳感器和CR1000數據采集儀；體積含水率采用ECH20-5傳感器和Em50型數據采集儀。

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，在現場選取堆積體不同的4個取樣點對土體進行初步顆分，發現粗顆粒粒徑為20～100 mm，巨顆粒的粒徑最大可達300 mm。因室內模型箱尺寸所限，采用等量替代進行重塑，重塑的碎石土夾粉土的粗、巨顆粒質量分數為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行分層壓實1次，共計5層，壓實程度以土體天然重度為準。將傳感器套入預埋的PVC管中，放置指定位置處，然后繼續壓實土體，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生邊界效應，需要在模型內側四周的邊界處涂上一層防水劑。待傳感器埋設及模型堆筑完成后，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。根據室內模型尺寸，采用粒徑少量在30 mm及大多在38～57 mm范圍內的碎石來模擬粗、巨顆粒局部富集形態。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。兩組試驗堆積體內部埋設3種傳感器各6套，其中孔隙水壓力編號為K1～K6、基質吸力編號為J1～J6、體積含水率編號為T1～T6。兩組試驗模型的顆粒富集部位、坡度及傳感器布設位置見圖4。每天降雨起始時間為11:00，持續1 h后停止，試驗累計降雨直至濕潤鋒觸底即為結束。經實測，降雨有效面積為1.35 m2，降雨平均均勻度為82.9%，每次降雨強度為24.9 mm/h，且保持不變。

圖3 粗、巨顆粒發育位置設計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，且B組比A組曲線波動強烈。B組2號測點在降雨9 h后孔隙水壓力達2.35 kPa，比A組2號測點高1.87 kPa。位于富集區下方的B組4號測點數值急劇上升，而后雨水在均質土體中下滲受阻，數值逐漸回落，在上升-回落過程中其孔隙水壓力差始終穩定在0.94～1.12 kPa。而A組上升-回落幅度較小，其數值在0.15～0.50 kPa內波動。之后由于降雨間歇性補償，2、4號測點的數值呈上升-回落-逐漸穩定的整體趨勢。

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后其數值陡立上升達到1.18 kPa，在之后的24 h內趨于平穩，經歷補償降雨后經跳躍式增長，達到峰值2.19 kPa后基本保持不變，濕潤鋒開始側向遷移?？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1.39 kPa。B組1號測點在降雨84 h出現峰值1.14 kPa，比156 h出現峰值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3.26 kPa，之后兩者小幅度下降。

3.2 基質吸力變化

基質吸力變化情況見圖6。降雨結束后，2、4號測點均在1.1 h內發生響應，其基質吸力值均在24 h內發生斷崖式跌落，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-平穩狀態，由于改變了4號測點埋設位置，導致穩定時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 基質吸力變化Fig.6 Variation of matric suction

隨著雨水持續入滲，3、6號測點均在間隔3 h內發生陡降。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4.83 kPa。6號測點未發生陡降前A組平均峰值比B組高23.07 kPa，而后A組比B組延后50 h發生驟降，速率慢12.27 kPa/h。之后變化趨于穩定，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內呈穩定狀態，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。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。降雨結束后，A組2號測點比B組滯后13 h發生陡升，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，而B組在18～24 h發生短暫性下降，然后陡升至32.9%后整體呈平緩-回落-上升-平緩狀態，其平均值比A組高16.4%。A組4號測點在前49 h內都呈上升狀態，達到峰值24.3%后呈上升-回落交替狀態。而B組在3 h時達到峰值44.9%，而在24 h時跌至谷值19.4%，之后發生跳躍式上升達到40.6%，只在72～84 h內發生小幅度上升，其余時段都呈穩定狀態，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階段內呈上升趨勢，上升階段內含水率平均值A組比B組低11.7%。1、5號測點初始值差在1.8%、0.6%內，A組比B組分別滯后1.2和76 h達到峰值；1號測點兩者波動峰值差在10%內，而5號測點達到峰值時，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、巨顆粒富集區下方入滲未見明顯滲流優勢。隨著雨水持續入滲，A組堆積體逐步呈現中間凹、而兩側入滲慢的特點，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，中部和右側土體的濕潤鋒面基本持平，在之后的77 h 50 min里出現同步下滲情況，其平均下滲深度比左側土體高10 cm。直至127 h 43 min時，中部和右側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。此后，A組堆積體濕潤鋒進入側向入滲階段，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均質土體，在14 h 42 min時其下滲深度比左側土體高5 cm。隨著雨水持續下滲，濕潤鋒在右側土體中呈凹形下滲且速率加快，在40 h 53 min率先觸底，其下滲速率比左側高0.46 cm/h。此后濕潤鋒面呈弧形進行側向入滲，直至118 h 3 min時濕潤鋒完全觸底，其側向入滲速率約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、巨顆粒局部富集區下方及鄰近土體中的入滲速度明顯高于周圍均質土體，粗、巨顆粒富集區形成滲流優勢路徑，雨水能更快達到堆積體深部。粗、巨顆粒不同發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；發生側向入滲也比B組滯后約76 h。A組濕潤鋒形態呈平緩凹形下滲，下滲弧面更寬、范圍更廣；而B組主要集中在右側呈凹形下滲，后期呈弧形側滲。

4 討 論

由于粗、巨顆粒局部富集導致在坡中、坡腳形成架空區域，這會為雨水入滲提供優勢通道，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勢路徑，對其穩定性產生重要影響。結合試驗，發現在粗、巨顆粒富集區下方或鄰近的土體中，雨水會呈現凹形快速下滲，這是由于富集區的架空區域會產生“滯水”現象，當一輪降雨停止后，此區域匯聚的雨水會對下方進行供水，使得雨水持續入滲，導致此區域下方產生凹形鋒面直至觸底，之后開始側向入滲。由此兩組堆積體入滲過程可以分為兩個階段：豎向入滲階段和側向入滲階段。

（1）豎向入滲階段。試驗前期由于雨水在架空區域匯聚，持續供水導致其下方區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，且右側土體比左側分別提前63和21 h觸底。此過程中，由于富集區下方及鄰近土體有充足的雨水供應，濕潤鋒影響區域更廣，在此部分區域遷移速率更快。含水率初期呈快速增長；隨后雨水下滲，數值回落；之后由于補償性降雨下滲，含水率出現波動，但大體保持穩定。因此，豎向入滲呈加速-減速-穩定入滲特征。

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

5 結 語

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

（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象為雨水入滲提供了優勢路徑，其下方及鄰近土體具有明顯滲流優勢，比周圍均質土體入滲更快。

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

（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（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向入滲階段。均為濕潤鋒右側先行觸底，然后向左側遷移。B組比A組提前近87 h發生側滲，且側向入滲速率比A組快1 cm/h，而豎向入滲速率A組比B組慢0.14 cm/h。