羅崎峰，唐 豪，涂國(guó)祥，張 鑫，邱 瀟

(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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

滑坡是一種常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，降雨是誘發(fā)滑坡的重要因素。自然界中因降雨誘發(fā)的滑坡占比高、分布廣。我國(guó)西南大部分山區(qū)降雨充沛，且發(fā)育著多種類型深厚堆積體，具有粒徑組成復(fù)雜、顆粒間排列緊密、土粒大小不均勻等特點(diǎn)，其內(nèi)部發(fā)育有土粒組分不一的夾層，多見(jiàn)顆粒松散孔隙率大，偶見(jiàn)顆粒密實(shí)孔隙率小。這使得夾層與周圍土體的物理力學(xué)性質(zhì)有顯著差異，尤其是滲透系數(shù)的差異，會(huì)改變雨水在堆積體中的入滲方式，間接影響土坡的穩(wěn)定性。眾多學(xué)者對(duì)降雨入滲邊坡開(kāi)展了研究[1]，曾昌祿等[2]以雨強(qiáng)為變量，開(kāi)展室內(nèi)黃土邊坡降雨入滲模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著降雨強(qiáng)度增大，雨水入滲深度和速率增大；Tu 等[3]研究認(rèn)為古滑坡形成的老裂隙為降雨入滲提供了優(yōu)勢(shì)路徑，導(dǎo)致堆積物內(nèi)局部孔隙水壓增大，觸發(fā)了古滑坡堆積體的復(fù)活；王磊等[4]開(kāi)展連續(xù)降雨下黃土陡坡開(kāi)裂及穩(wěn)定性研究，發(fā)現(xiàn)裂隙的發(fā)育改變了滲流場(chǎng)和孔壓場(chǎng)，從而間接影響了整個(gè)土坡穩(wěn)定性。目前多數(shù)研究集中在降雨條件改變[2,5-6]、裂隙發(fā)育[3]、土體強(qiáng)度[7-10]誘發(fā)邊坡失穩(wěn)等方面，對(duì)內(nèi)部土顆粒組分影響土體性質(zhì)，從而改變降雨入滲方式間接誘發(fā)堆積體發(fā)生失穩(wěn)的研究相對(duì)欠缺。

為了探索不同夾層對(duì)降雨入滲的影響，本文以野外勘察堆積體中發(fā)育最多的兩種夾層—碎石夾層和黏土夾層為例，開(kāi)展兩組室內(nèi)降雨滲透物理模擬試驗(yàn)。通過(guò)監(jiān)測(cè)堆積體中不同深度的體積含水率、基質(zhì)吸力、孔隙水壓力的變化，探索不同夾層對(duì)降雨入滲在時(shí)間和空間上的影響。

1 堆積體夾層發(fā)育概況

研究堆積體位于漢源市九襄鎮(zhèn)東樂(lè)村東約150 m，出露長(zhǎng)度250~400 m，厚度4~7 m。堆積體整體呈棕黑、黃褐色，以花崗巖、灰?guī)r為主，結(jié)構(gòu)緊密，磨圓較差，其內(nèi)部發(fā)育多條產(chǎn)狀復(fù)雜的夾層，成層性較明顯。碎石夾層以花崗巖、灰?guī)r為主，多具泥質(zhì)膠結(jié)，但膠結(jié)程度較低，架空孔隙較多，孔隙最大直徑可達(dá)4 cm，現(xiàn)場(chǎng)顆粒篩分結(jié)果為：粒徑大于60 mm 的缺失，60~40 mm 的約占30%，40~20 mm 的約占10%，20~5 mm 約占25%，5~2 mm 約占5%，其余為砂及粉、黏粒；大部分發(fā)育在堆積體的中部，長(zhǎng)5~8 m，厚0.4~0.6 m，與水平面形成一定角度，少見(jiàn)平行。而黏土夾層發(fā)育相對(duì)錯(cuò)亂，呈黃褐色、磚紅色，長(zhǎng)5.0~7.5 m，厚0.3~0.6 m，主要由黏粒和細(xì)砂顆粒組成，手搓有滑膩感，遇水軟化，粒徑一般在2.0~0.5 cm，偶見(jiàn)包夾角礫巖，大多水平發(fā)育在堆積體中、底部，少見(jiàn)傾斜發(fā)育，堆積體位置及夾層發(fā)育特征見(jiàn)圖1 和圖2（W3 包含2張照片）。

2 室內(nèi)模擬降雨入滲試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)野外實(shí)際調(diào)查情況和研究目的，設(shè)計(jì)兩組以?shī)A層（碎石組和黏土組）為變量的降雨試驗(yàn)?？紤]到試驗(yàn)設(shè)備的尺寸，室內(nèi)概化模型比尺取1∶12，野外堆積體出露垂直高度普遍在4~5 m，模型坡頂高75 cm，長(zhǎng)150 cm，坡面垂直出露高度約35 cm，夾層厚度控制在6~7 cm，坡度控制在30°~31°，夾層也設(shè)置成一定角度的傾斜，盡可能與調(diào)查區(qū)域堆積體自然形態(tài)吻合。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次室內(nèi)模型框架箱長(zhǎng)150 cm、寬90 cm、高120 cm，主體由鋼制材料焊接而成，四周有緊貼的有機(jī)透明玻璃便于觀察。降雨系統(tǒng)由霧化降雨噴頭、水壓計(jì)、閥門組裝成，降雨強(qiáng)度和時(shí)間通過(guò)閥門和水壓計(jì)控制。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括基質(zhì)吸力傳感器、含水率傳感器、孔隙水壓力傳感器，每種各6 套埋置于堆積體內(nèi)，設(shè)備組裝總體效果見(jiàn)圖3。

2.2 試驗(yàn)土樣處理

為保證試驗(yàn)結(jié)果符合實(shí)際情況，試驗(yàn)所用的土樣從漢源九襄現(xiàn)場(chǎng)獲取。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到土樣密度為1.87 kg/m3，含水率3%，孔隙比為0.25~0.28，角礫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68%，重度為20.31~21.24 kN/m3。將野外土樣采用等量代替法重塑處理粒徑大于40 mm 的顆粒，原樣土和重塑后土的級(jí)配見(jiàn)圖4。

圖4 重塑土粒徑累積曲線Fig. 4 Grain size accumulation curve of remolded soil

通過(guò)室內(nèi)滲透試驗(yàn)確定重塑碎石夾層土樣滲透系數(shù)為1.252×10?1cm/s，重塑基質(zhì)土樣滲透系數(shù)為5.7×10?3cm/s。查閱相關(guān)文獻(xiàn)[11-13]，無(wú)論是天然黏土還是改良黏土，滲透系數(shù)普遍低于10?6cm/s，遠(yuǎn)低于基質(zhì)土體的滲透性，故本次試驗(yàn)將黏土夾層設(shè)為弱透水層。

2.3 試驗(yàn)方案

將處理好的土樣分層堆筑于模型箱內(nèi)，每間隔10 cm 用橡膠錘進(jìn)行壓實(shí)。為了防止降雨時(shí)在玻璃板上凝成的水珠滲入堆積體產(chǎn)生邊界效應(yīng)，在堆積體與玻璃接觸的邊界涂上防滲材料。碎石組模型夾層埋置在堆積體的中部位置，3 種不同的傳感器埋置在同一條線上，該線與模型框架箱的寬邊平行。黏土組模型夾層和傳感器的埋置位置與碎石組一致（圖5）。每組試驗(yàn)經(jīng)歷4 次降雨，降雨時(shí)長(zhǎng)和強(qiáng)度不變。降雨時(shí)間為每日上午10 時(shí)開(kāi)始，11 時(shí)結(jié)束。經(jīng)實(shí)測(cè)降雨均勻度為85.5%，降雨強(qiáng)度為20.14 mm/h，每次降雨間隔24 h，降雨量與時(shí)間關(guān)系見(jiàn)圖6。

圖5 傳感器埋置示意Fig. 5 Schematic diagram of sensor embedding

圖6 累計(jì)降雨量與時(shí)間關(guān)系Fig. 6 Relationship between cumulative rainfall and time

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 含 水 率

試驗(yàn)堆積體的體積含水率變化如圖7 所示。首次降雨3 h 內(nèi)，兩組模型淺表測(cè)點(diǎn)率先發(fā)生同樣的陡升后回落，碎石組的整體峰值大于黏土組的4%；同樣位于夾層上方，但碎石組2 號(hào)點(diǎn)的回落值比黏土組3 號(hào)點(diǎn)的大7%。隨后的降雨中，碎石組2 號(hào)點(diǎn)的含水率雖隨降雨發(fā)生波動(dòng)，但始終穩(wěn)定在8%~9%，而同樣位置的黏土組2、3 號(hào)點(diǎn)的含水率隨降雨呈臺(tái)階式大幅度增長(zhǎng)，平均每次增幅7%。黏土組1 號(hào)點(diǎn)的含水率在前2 次降雨中都呈“上升-回落-平穩(wěn)”狀態(tài)，但在降雨51 h 后首次出現(xiàn)“駝峰式”雙曲線增長(zhǎng)，說(shuō)明降雨后5 h 內(nèi)受到降雨下滲與2 號(hào)點(diǎn)側(cè)滲的雙向補(bǔ)給。碎石組3 號(hào)點(diǎn)早于黏土組4 號(hào)點(diǎn)18 h 響應(yīng)，其穩(wěn)定后平均值大于4 號(hào)點(diǎn)3%，3 號(hào)點(diǎn)后續(xù)雨水補(bǔ)給不足，所以第2 次響應(yīng)比首次低3%，而4 號(hào)點(diǎn)能接受降雨和2 號(hào)點(diǎn)雙向補(bǔ)給，所以第2 次含水率峰值大于3 號(hào)點(diǎn)3%。碎石組4 號(hào)點(diǎn)響應(yīng)時(shí)間比黏土組5 號(hào)點(diǎn)提前44 h，4 號(hào)點(diǎn)能受到碎石夾層的優(yōu)先補(bǔ)給，每次降雨1 h 內(nèi)及時(shí)響應(yīng)。碎石組6 號(hào)點(diǎn)以0.07%/h 勻速增長(zhǎng)至7%，而黏土組的提前碎石組7 h 發(fā)生響應(yīng)，增長(zhǎng)速度也快0.26%/h。

圖7 體積含水率隨降雨時(shí)間變化Fig. 7 Variation of volume moisture content with rainfall time

兩組試驗(yàn)整體含水率呈現(xiàn)“上升-回落-平穩(wěn)”臺(tái)階式增長(zhǎng)的特點(diǎn)，但由于夾層的差異，使得增長(zhǎng)的方式與含水率的分布有所差別，從圖7 可以明顯看出碎石組的水分集中分布在夾層的下方，該組含水率為10%~13%；黏土組的主要分布在夾層的上部，該組含水率為20%~36%。

3.2 基質(zhì)吸力

試驗(yàn)基質(zhì)吸力變化如圖8 所示，黏土組和碎石組堆積體基質(zhì)吸力變化趨勢(shì)整體相當(dāng)，均表現(xiàn)為響應(yīng)后斷崖式下降并保持在最小值（15±5） kPa，碎石組的基質(zhì)吸力變化集中在時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，而黏土組的比較分散，同一埋深傳感器響應(yīng)時(shí)間碎石組比黏土組提前20~24 h。降雨開(kāi)始后，離地表最近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)首先發(fā)生響應(yīng)，碎石夾層的1、2 號(hào)點(diǎn)發(fā)生響應(yīng)，受上部雨水補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，又受下夾層快速下滲的影響，2 號(hào)點(diǎn)吸力在后續(xù)的20 h 內(nèi)有漲落，與附近保持平穩(wěn)的1 號(hào)點(diǎn)形成1~6 kPa 的吸力差。3~5 號(hào)點(diǎn)在第3 天降雨中響應(yīng)，4 號(hào)點(diǎn)比3 號(hào)點(diǎn)響應(yīng)時(shí)間提前5 h，是所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)中的吸力最低值（14 kPa），比黏土組同樣位置的5 號(hào)點(diǎn)低2 kPa，6 號(hào)點(diǎn)在第4 天降雨才發(fā)生響應(yīng)，穩(wěn)定在26 kPa。

圖8 基質(zhì)吸力隨降雨時(shí)間變化Fig. 8 Variation of matrix suction with rainfall time

隨降雨開(kāi)始，黏土組的1、3 號(hào)點(diǎn)吸力呈斷崖式下降，因?yàn)槁裨O(shè)原因，1 號(hào)點(diǎn)晚于3 號(hào)點(diǎn)3 h 響應(yīng)，隨后每次降雨補(bǔ)償都有小幅度的下降，2 號(hào)點(diǎn)在第1 次降雨快結(jié)束時(shí)發(fā)生輕微響應(yīng)，經(jīng)歷第2 次降雨補(bǔ)償后才呈斷崖式下跌，比碎石組的高2 kPa。4 號(hào)點(diǎn)響應(yīng)時(shí)間早于碎石組3 號(hào)點(diǎn)4 h，吸力高4 kPa。5 號(hào)點(diǎn)在第4 次降雨3 h 后發(fā)生響應(yīng)，遠(yuǎn)晚于碎石組同位置的4 號(hào)點(diǎn)25 h，吸力平均值高4 kPa。

3.3 孔隙水壓力

試驗(yàn)孔隙水壓力變化如圖9 所示，首次降雨開(kāi)始2 h 內(nèi)，堆積體淺表測(cè)點(diǎn)幾乎同時(shí)響應(yīng)，1 號(hào)點(diǎn)均表現(xiàn)響應(yīng)后保持穩(wěn)定，隨后每次降雨的補(bǔ)償都呈增長(zhǎng)-回落-逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)，兩者孔壓相差小于0.2 kPa；碎石組2 號(hào)點(diǎn)位于雨水優(yōu)勢(shì)下滲補(bǔ)給的路徑上，前兩次降雨響應(yīng)后有較明顯的下凹型回落，后兩次因與夾層下部區(qū)域孔壓差變小，向下補(bǔ)償?shù)挠晁疁p少，故孔壓有明顯增長(zhǎng)。黏土組由于夾層的不透水性，雨水難以下滲，夾層上方的2、3 號(hào)點(diǎn)孔壓呈拱形躍式增長(zhǎng)，最快增速可達(dá)0.07 kPa/h，3 號(hào)點(diǎn)各階段孔壓峰值比2 號(hào)點(diǎn)高0.6 kPa，且增長(zhǎng)幅度明顯大于碎石組2 號(hào)點(diǎn)0.5~0.7 kPa。黏土組4 號(hào)點(diǎn)先于碎石組3 號(hào)點(diǎn)15 h 發(fā)生響應(yīng)，受到降雨間歇性補(bǔ)償，4 號(hào)點(diǎn)峰值達(dá)到1.3 kPa，3 號(hào)達(dá)到1.5 kPa。而在碎石夾層下方的4、5 號(hào)點(diǎn)得到降雨的優(yōu)先補(bǔ)給，提前黏土組5 號(hào)點(diǎn)45 h 響應(yīng)，且在響應(yīng)后4 h 內(nèi)孔壓以0.13 kPa/h 的速度增長(zhǎng)到0.8 kPa 才變慢，但碎石組5 號(hào)點(diǎn)僅增長(zhǎng)到0.4 kPa 就出現(xiàn)增速變緩的拐點(diǎn)。

圖9 孔隙水壓力隨降雨時(shí)間變化Fig. 9 Variation of pore water pressure with rainfall time

兩組模型孔壓整體呈現(xiàn)增長(zhǎng)-回落-逐漸穩(wěn)定特點(diǎn)，卻在夾層處表現(xiàn)差異顯著，黏土夾層上部區(qū)域孔壓呈跳躍式增長(zhǎng)，相比碎石組漲幅更大，平均峰值更高，增速更快，特別是坡腳位置，最終峰值孔壓比碎石組峰值高1.1 kPa。雖碎石組夾層上部孔壓不及黏土組，但下部平均孔壓卻高1.4 kPa。

3.4 濕 潤(rùn) 鋒

降雨過(guò)程中濕潤(rùn)鋒變化趨勢(shì)如圖10 和圖11 所示。在整個(gè)降雨入滲過(guò)程中，兩組堆積體的初期下滲情況相差不大，濕潤(rùn)鋒整體與堆積體的坡形平行，坡腳的入滲速率略慢于坡肩。隨著降雨的繼續(xù)入滲，濕潤(rùn)鋒接近夾層時(shí)，入滲方式發(fā)生了顯著改變。由于黏土夾層的存在，30 h 6 min 后濕潤(rùn)鋒遇到黏土夾層“阻攔”，難以進(jìn)一步向下遷移，而兩側(cè)的濕潤(rùn)鋒繼續(xù)向下遷移，右側(cè)濕潤(rùn)鋒入滲速度明顯快于左側(cè)3~4 個(gè)方格。隨著降雨的繼續(xù)補(bǔ)償，直至54 h 52 min，濕潤(rùn)鋒右側(cè)雨水先發(fā)生觸底現(xiàn)象，進(jìn)入側(cè)向入滲階段，而左側(cè)濕潤(rùn)鋒因?yàn)樯疃容^大還未進(jìn)入觸底階段，濕潤(rùn)鋒的形態(tài)開(kāi)始轉(zhuǎn)變成“π”形。隨后兩側(cè)都進(jìn)入側(cè)向入滲階段，最底部側(cè)向入滲速度明顯高于上、中部，所以濕潤(rùn)鋒底部表現(xiàn)出一個(gè)“尖角”，在106 h 7 min 雨水浸透整個(gè)堆積體。碎石夾層土體構(gòu)成大孔隙架空通道，雨水在碎石夾層處入滲速度加快，從27 h 29 min 開(kāi)始，夾層處的濕潤(rùn)鋒遷移明顯快于兩側(cè)，中部領(lǐng)先兩側(cè)平均1 個(gè)方格，濕潤(rùn)鋒的整體形態(tài)變化趨緩。雨水繼續(xù)從夾層優(yōu)先入滲，直至54 h 41 min，中間的平均入滲速率約1.16 cm/h，兩側(cè)平均入滲速率約0.59 cm/h，濕潤(rùn)鋒呈現(xiàn)中間凸兩邊凹的特點(diǎn)。此后右側(cè)濕潤(rùn)鋒率先觸底進(jìn)入側(cè)向入滲階段，在堆積體左下角形成一個(gè)長(zhǎng)條狀的干燥區(qū)，最后在93 h 11 min 浸透整個(gè)堆積體。

圖10 碎石夾層堆積體濕潤(rùn)鋒遷移過(guò)程Fig. 10 Wet front migration of crushed stone interlayer accumulation

圖11 黏土組夾層堆積體濕潤(rùn)鋒遷移過(guò)程Fig. 11 Wet front migration of clay interlayer accumulation

4 討 論

結(jié)合室內(nèi)降雨試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和濕潤(rùn)鋒遷移現(xiàn)象，分析認(rèn)為水分在土中的流動(dòng)會(huì)伴隨能量損失，發(fā)生滲透兩端必然存在能量差，如暫飽和區(qū)向半飽和或非飽和區(qū)補(bǔ)償，可以看作水從能量高（高水頭）向能量低（低水頭）的流動(dòng)過(guò)程。在降雨初期，雨水先在土體表面達(dá)到暫態(tài)飽和狀態(tài)，且坡表土各處滲透系數(shù)相同，濕潤(rùn)鋒整體形態(tài)與堆積體表面保持平行勻速下滲（見(jiàn)圖12(a)和圖13(a)）。隨著降雨的補(bǔ)給下滲，雨水在黏土夾層上方受阻，夾層上方土體含水率持續(xù)增加，孔壓累積增大，在高孔壓作用下向低孔壓的兩側(cè)發(fā)生強(qiáng)烈的側(cè)滲補(bǔ)給，這是個(gè)暫態(tài)飽和補(bǔ)償?shù)秃倪^(guò)程，受到充足的雨水補(bǔ)償，濕潤(rùn)鋒表現(xiàn)出下滲速率加快（見(jiàn)圖13(b)），因坡腳孔壓更高，右側(cè)濕潤(rùn)鋒的遷移速率明顯快于左側(cè)。降雨停止后各測(cè)點(diǎn)數(shù)值變化并未停止，高孔壓的水分還會(huì)向低孔壓補(bǔ)償，使各區(qū)域水分達(dá)到相對(duì)均勻分布，水分遷移速度由快到慢直至停止。碎石夾層顆粒間孔隙相對(duì)較大，為雨水提供下滲的優(yōu)勢(shì)通道，使得雨水可以更快入滲，深部土體逐漸飽和，但在土體相對(duì)密閉的空間內(nèi)，夾層的基質(zhì)吸力迅速增大，與上部周圍土體形成基質(zhì)勢(shì)能差，在能量差的作用下優(yōu)先向夾層補(bǔ)給，雨水向夾層匯聚形成漏斗流，夾層豎向入滲作用強(qiáng)于橫向入滲。如圖12(b)，濕潤(rùn)鋒在夾層處的入滲速率顯著快于兩側(cè)，呈現(xiàn)下凸形狀的快速遷移。即使降雨停止，夾層下部暫飽和區(qū)也能向周圍未飽和或干燥區(qū)域補(bǔ)償，這也是碎石組比黏土組更快浸透整個(gè)堆積體的原因。

圖13 黏土夾層堆積體雨水遷移分析Fig. 13 Analysis on migration mechanism of wetting peak of clay interlayer accumulation

在整個(gè)降雨期間，黏土組堆積體坡腳孔壓一直維持上升狀態(tài)，實(shí)際工程建設(shè)中若遇到此類發(fā)育有低滲透性的大型土質(zhì)邊坡，如長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)歷降雨，坡腳孔壓持續(xù)增長(zhǎng)，土體有效應(yīng)力減小，坡腳土體有效抗剪強(qiáng)度不足以支撐上部土體重量時(shí)，極易發(fā)生滑動(dòng)破壞，所以高孔壓坡腳的邊坡存在極大的安全隱患。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)發(fā)育碎石夾層和黏土夾層堆積體的室內(nèi)降雨試驗(yàn)對(duì)比分析，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

（1）黏土夾層對(duì)降雨入滲起到阻礙和匯集雨水的作用，整個(gè)降雨過(guò)程中側(cè)向入滲作用強(qiáng)于下滲作用，雨水遷移趨勢(shì)為勻速入滲-橫向擴(kuò)散入滲-觸底浸濕入滲。

（2）碎石夾層起到疏水導(dǎo)水的作用，以匯聚雨水下滲為主導(dǎo)，雨水下滲速度顯著快于兩側(cè)，呈漏斗形下滲路徑，雨水遷移趨勢(shì)表現(xiàn)為勻速入滲-局部加速下滲-觸底浸濕入滲。

（3）兩組堆積體降雨入滲差異顯著，碎石組的下滲作用強(qiáng)于側(cè)向擴(kuò)散，夾層處的下滲速率明顯快于兩側(cè)，而黏土組的側(cè)向擴(kuò)散強(qiáng)于下滲，夾層處下滲接近于零，兩側(cè)速度明顯大于中部。

（4）發(fā)育黏土夾層堆積體出現(xiàn)局部孔壓累增，坡腳孔壓過(guò)高，而碎石夾層堆積體能夠提供優(yōu)先入滲路徑，孔壓消散迅速，故黏土組堆積體整體穩(wěn)定性低于碎石組。