堆積體中局部粗顆粒富集的現象對降雨在堆積體中入滲影響的物理模擬試驗

萬 暢，涂國祥，何源遠

(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)

降雨是滑坡現象的主要誘發因素之一。《中國典型滑坡》[1]列舉了90多個滑坡實例，其中95%以上的滑坡都與降雨有著密切的關系。多年來眾多學者對降雨在坡體內部入滲的機理[2-8]和對坡體穩定性的影響[9-13]有了深入的研究，但多數研究還是集中在淺層滑坡上，關于降雨誘發深厚堆積層滑坡的相關研究較欠缺。

文獻[1]報道了降雨誘發型滑坡中有多起厚度超過20 m的深厚覆蓋層滑坡。陳天健等[14]研究指出滑坡主要發生于土體內飽和度趨近穩定的時段，若邊坡內高飽和度土體的深度較淺時，較可能發生淺層滑坡；若高飽和度土體的深度較深時，則較可能發生深層滑坡，即當足量的雨水入滲至堆積體深部時較可能發生深厚堆積層滑坡。降雨在深厚堆積層斜坡中的入滲過程大多屬于非飽和入滲，自然界中除架空現象明顯的崩塌堆積體外，大多堆積層土體的非飽和滲透系數都很小，若將雨水入滲看作是在均質土體中均勻入滲的過程，則雨水需要經歷較長的時間才能滲入至堆積體的深部土體，但以上說法明顯不符合文獻[15-17]對現實情況的報道“降雨誘發型滑坡(包括深厚覆蓋層滑坡)多發生在降雨期間或略有滯后”，可推測部分深厚堆積層內部存在粗顆粒富集的大孔隙區域給雨水提供了快速下滲至堆積體深部的天然優勢通道。前尚未有針對堆積體中局部粗顆粒富集的現象和降雨入滲之間關系的實驗研究，只有針對堆積層內存在的大孔隙區域和降雨入滲之間聯系的一些分析研究：吳火珍等[18]通過對降雨、穩定性與時間的動態分析，認為堆積層滑坡體物質可能存在的大孔隙區域為雨水的入滲提供了優勢通道；孫建平等[19]認為當邊坡存在大孔隙時,水分會沿大孔隙快速補給地下水。與均質邊坡相比較,明顯增強了對滲流場和孔隙水壓力場的影響,增大了滑坡體的不穩定性, Chen等[20]對中國臺灣省某地區由強降雨誘發的滑坡展開的調查和研究發現，在強降雨的作用下，降雨入滲深度在有空隙發育的坡體內可以下滲至20 m以下，進而誘發深層堆積體滑坡。

基于上述討論，需要對降雨在發育有粗顆粒富集架空區域的堆積體的入滲過程及濕潤鋒的遷移情況做詳細的實驗及研究。

1 試驗背景

1.1 研究對象

在我國西南地區分布著大量的冰川地貌，可在很多地區見到冰水堆積體和冰川侵蝕所遺留下的痕跡。通過對四川省雅安市漢源縣九襄城鎮東側的數條河谷兩岸的冰水堆積體進行現場勘測，通過觀察堆積體出露的剖面，發現在該地區的冰水堆積體中廣泛存在著局部粗顆粒富集的現象，且多出現在堆積體的上部，粗顆粒富集區域的空間結構擁有局部架空、大孔隙等結構特點；粗顆粒富集區域的土體主要由粒徑10 mm～40 mm的碎石乃至粒徑數十厘米的塊石構成；圖1為堆積體中粗顆粒富集區域土體和均質土體的顆粒分析曲線圖，圖2為現場調查時發現的堆積體中存在的局部粗顆粒富集現象。

1.2 試驗裝置概況

實驗是在成都理工大學地質災害防治和地質環境保護重點實驗室中進行的，實驗裝置主要由模型裝置、降雨模擬系統和數據監測采集系統組成。

圖1 粗顆粒富集區域土體和均質土體的顆粒分析曲線圖

圖2 存在粗顆粒富集現象的堆積體剖面圖

(1) 模型箱：模型槽的尺寸為150 cm×90 cm×120 cm，模型槽上方還放置了尺寸為150 cm×90 cm×150 cm的降雨裝置。為方便觀察，模型四壁由透明玻璃組成；側壁玻璃上每10 cm劃一條刻度，以便埋放傳感器和觀測濕潤鋒的運移情況。

(2) 降雨系統：包含降雨噴頭、供水管、水表、壓力表和防水雨簾。降雨強度平均為18.643 mm/h，降雨時間設定為每天的上午10點，共持續4 d，降雨的持續時間為每天2 h；由于實驗槽平面尺寸為150 cm×90 cm，降雨有效面積為1.35 m2,均勻度為82.7%。

(3) 數據監測采集系統：包括三種傳感器(體積含水率傳感器、基質吸力傳感器和孔隙水壓力傳感器)及相應的數據采集系統。測定體積含水率的儀器為Em50型采集儀，量測范圍為0%～100%；測定孔隙水壓力的儀器為HCSC-16數據采集儀，量測范圍為-10 kPa～50 kPa；量測基質吸力的儀器為CR1000數據采集儀，量測范圍為0～200 kPa。

1.3 實驗方案

為了探究降雨在均質堆積體和粗顆粒架空堆積體中不同的入滲現象，本實驗設計了兩種類型的堆積體，實驗土樣采集于四川省雅安市漢源縣九襄某存在局部粗顆粒富集現象的冰水堆積體。試驗用土的基本參數見表1。

表1 試驗用土的基本參數指標

兩組模型的設計和傳感器布置情況如圖3所示。設置有粗顆粒富集架空區域的堆積體模型主體與均質型模型相同，坡度均為27°；為了更好地模擬現實中堆積體局部粗顆粒富集的現象，粗顆粒富集的架空區域從模型坡趾處堆積，高約25 cm，寬約45 cm，長90 cm，由粒徑10 mm～40 mm的碎石構成。

在堆積模型的過程埋入體積含水率傳感器、基質吸力傳感器和孔隙水壓力傳感器，各6個。三種傳感器之間距離為25 cm。堆積完成的模型四周抹上防水劑，從而減小邊際效應對實驗造成的不利影響。當濕潤鋒完全抵達坡底、傳感器數據保持較穩定時實驗即終止。

2 降雨實驗結果的分析與研究

2.1 濕潤鋒的運移形態

圖4是降雨在均質堆積體中濕潤鋒的變化形態組圖。雨水完全滲透土體歷時56 h 49 min。降雨30 min后，濕潤鋒下滲至距坡體表面約10 cm的位置，形態基本與堆積體坡面平行。在降雨2 min后已下滲至30 cm～40 cm的深度，并且形態已開始逐漸與模型底部平行。在降雨停止后，濕潤鋒下移的速度大幅減緩，在降雨結束后的22 h內濕潤鋒僅下移了20 cm；此時濕潤鋒形態變成了下凹圓弧形，中部下凹曲率最大，已下滲至60 cm的深度，這一現象表明雨水從斜坡上的入滲速率比坡頂和坡腳的要快。距降雨31 h 30 min后，濕潤鋒中部已抵達土體底部，但兩側距坡底還有30 cm～40 cm的距離，濕潤鋒下凹的幅度更大。在56 h后，堆積體進入飽和入滲的狀態，土體飽和度達到最大值，坡腳處開始積水。

圖3 堆積體模型傳感器布置圖(單位：cm)

圖5是降雨在局部粗顆粒富集型堆積體的濕潤鋒入滲形態組圖。在降雨30 min后大孔隙架空區域下方的濕潤鋒已經下移到20 cm的深度，而同一時刻雨水從均質土體處入滲的深度僅10 cm，入滲進程只有前者的一半，此時整體濕潤鋒的形態大致與坡體表面平行，但在架空區域下方的濕潤鋒明顯向下凹，在濕潤鋒到達底部前，一直是此處的濕潤鋒下凹的曲率最大，距底部距離也最近，架空區域已明顯成為雨水下滲的優勢通道。降雨24 h 18 min后濕潤鋒接觸底面，52 h后堆積體模型基本完全被滲透，分別比同等條件下的均質堆積體要提前7.0 h、4.5 h。

圖4 均質堆積體濕潤鋒的變化圖

圖5 局部粗顆粒富集型堆積體濕潤鋒的變化圖

2.2 體積含水率分析對比

圖6是降雨條件下均質堆積體和局部粗顆粒富集型堆積體中體積含水率的變化曲線圖。結合濕潤鋒的變化圖分析，可看出均質堆積體中體積含水率傳感器的數值跟濕潤鋒的影響區域密切相關：每當濕潤鋒抵達一個傳感器的位置，該傳感器的體積含水率數值便迅速響應并升高。

而局部粗顆粒富集型堆積體中體積含水率的變化則與均質堆積體中的有較為明顯的三點區別：

(1) 傳感器2的體積含水率比均質堆積體同一位置的體積含水率要低，原因是當降雨強度大于均質土體的入滲速率時，堆積體表層上的雨水不再是均勻向下入滲，而是在坡表形成徑流，徑流在粗顆粒富集的大孔隙架空區域中匯聚并通過優勢通道向坡體下方入滲；而傳感器2位于架空區域的水平側，其上方地表的雨水隨徑流匯聚于架空區域中，導致傳感器2處的含水率較低。

(2) 同樣是架空區域的原因，由于傳感器4處在架空區域的正下方，匯聚在架空區域的部分雨水垂直于架空區域(即朝傳感器4的方向)向下滲透，所以導致傳感器4的體積含水率遠大于均質堆積體中同一位置的體積含水率。

圖6 兩組模型的體積含水率變化曲線圖

(3) 位于模型底部的傳感器5、6的體積含水率在升到了最高值后，并未同均質堆積體同樣位置的體積含水率一樣保持不變，而是在實驗結束前迅速下降至原先最高值的一半水平，原因是粗顆粒富集的大孔隙架空區域的存在為雨水在土體中的下滲提供了優勢滲流通道，大大加快了入滲的進程，同時也加快了土體中雨水的流失。

2.3 基質吸力分析對比

圖7是實驗中均質堆積體、局部粗顆粒富集型堆積體中基質吸力的變化曲線圖。在降雨過程中，當雨水滲透至基質吸力傳感器所在位置時，該處的基質吸力即迅速下降至10 kPa左右，并保持穩定。基質吸力儀器的變化時間基本與體積含水率儀器一致，當濕潤鋒到達一處時，該處土體的體積含水率上升，基質吸力下降。由于入滲進度比均質堆積體快的原因，局部粗顆粒富集型堆積體中多數傳感器的基質吸力值下降的時間比均質堆積體中的略提前。

圖7 基質吸力變化曲線圖

2.4 孔隙水壓力分析對比

圖8是實驗中孔隙水壓力值的變化曲線圖。在均質堆積體中，試驗剛開始時各處的孔隙水壓力較低，都處于0.3 kPa～0.5 kPa之間。當降雨下滲至傳感器所處位置之時，該處的孔隙水壓力值迅速響應并以較快的速率升高；在降雨停止后，各孔壓點的孔壓值都略有下降；從圖中可以看出，各傳感器的孔隙水壓力值在第三天達到了最大值，處于堆積體模型最下層的孔壓點5、6的監測值均達到了4 kPa；孔壓點1、2、3和4的孔隙水壓力值于試驗前兩天升到2.5 kPa～3.0 kPa之后，在第三天和第四天的降雨中變化均不明顯；降雨結束后各傳感器的孔隙水壓力值都保持在2 kPa～3 kPa之間。

局部粗顆粒富集型堆積體的孔壓值的變化趨勢大體上與均質堆積體的類似，以下闡述兩點區別：

(1) 孔壓傳感器2、4最先發生變化，原因為它們較其他的孔壓點更接近架空區域，大孔隙架空區域為雨水提供了優勢滲透通道，所以2、4最先受到雨水滲透的影響；和4號孔壓點處于同一水平線上的3號孔壓點的孔壓值變化時間則要比4號孔壓點晚4 h左右。

圖8 孔隙水壓力變化曲線圖

(2) 在均質堆積體模型中，孔壓點4的孔壓值和孔壓點1、2、3的孔壓值較為接近；而在局部粗顆粒富集型堆積體模型中孔壓點4的孔壓值更接近孔壓點5、6的孔壓值，相比均質模型中同一位置的孔隙水壓力高25%～50%，原因是當雨水在粗顆粒富集架空區域中匯聚后，入滲方式為有壓入滲，導致此區域的孔隙水壓力普遍較大。

3 實驗現象的討論

通過對西南深切河谷地區的實地考察，發現堆積體中局部粗顆粒富集的現象發生在一些冰水堆積體內部，位置較多分布在堆積體的前緣和表層。

在降雨過程中，當降雨強度大于地表土壤入滲率時，坡表開始形成徑流，徑流匯聚于粗顆粒富集的架空區域中，此時架空區域成為雨水下滲的優勢通道，明顯加快雨水滲透至堆積體深部的進程，增強了降雨對坡體內滲流場和坡體穩定性的影響，進而誘發深厚型堆積體滑坡。根據對實驗結果的觀察與分析，在同等的降雨條件下，濕潤鋒在均質堆積體中滲透至模型底部使用了31 h，在局部粗顆粒富集型堆積體中使用了24 h，表明雨水在局部粗顆粒富集架空型堆積體抵達坡體模型深部所用的時間明顯少于在均質堆積體中所用的時間，粗顆粒富集的架空區域的存在明顯加快了降雨入滲至堆積體深部的進程；在降雨過程中，雨水往往會匯聚在粗顆粒富集的架空區域，形成“滯水”現象，匯聚的地表水在架空區域形成瞬態高孔隙水壓力，增大了水分向周圍土體擴散的水力梯度。當降雨停止后，匯聚于粗顆粒富集架空區域的地表水會成為水分入滲至周圍土體的穩定補給源，從而使得雨水持續入滲至深部土體。

4 結 論

(1) 粗顆粒富集的架空區域可以匯聚強降雨過程中形成的坡表徑流。

(2) 匯聚于粗顆粒富集區域的坡表水可形成較高的孔隙水壓力，增大了水分向周圍土體滲透的水力梯度，從而促使水分能夠更快地入滲至堆積體深部。

(3) 匯聚于粗顆粒富集區域的坡表水為水分入滲至土體提供了穩定的補給源，從而使雨水完全滲透深部土體成為可能。