大渡河中游某古冰水堆積體降雨入滲特征試驗研究

趙石力， 何源遠

(1. 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；2.廣東省水利電力勘測設計研究院重慶分院， 重慶 401147)

我國西南地區，山高谷深，地質運動活躍，水流作用明顯，經過漫長的地質作用常形成深切河谷，這些深切河谷地區廣泛分布著第四紀更新世以來的堆積體滑坡，該類堆積體通常物質成分較為豐富，內部的結構組成也紛繁復雜，在降雨因素的影響之下呈現出較高的爆發頻率及持續性危害的特點，在我國滑坡災害類型中占有較大比例。

隨著國家西部大開發的需要，該地區內大批工程建設項目興起，這些堆積體復雜的結構和巨大的規模成為了制約工程建設的重要因素[1-3]，而這些非飽和狀態的冰水沉積物所構成的斜坡在降雨及地震等不利條件下極易誘發滑坡失穩[4-5]。因此開展降雨在這類堆積體中的入滲過程研究具有現實的工程意義。

目前，對于堆積體的研究主要集中在一般的松散堆積體上，對西南地區的冰水堆積體在連續降雨條件下的入滲情況研究的較少。周中等[6]選取貴州某堆積層邊坡進行了人工降雨模擬實驗，研究了堆積層滑坡的失穩機理及邊坡性狀隨時間變化的特性。張丁[7]結合室內試驗，考慮滲透時間、含水率、干密度等因素，研究了云南紅土的入滲問題；詹良通等[8]通過對非飽和膨脹土邊坡原位監測認為降雨入滲會導致土體的水平應力和豎向應力之比變大，從而近似于理論上極限狀態的應力比。張碩等[9]通過對黃土高填方邊坡進行裂縫存在條件暫態非飽和滲流及飽和黃土力學特性分析的基礎上，對降雨誘發黃土高填方支擋邊坡失穩機理進行了研究。Bishop等[10]和Fredlund等[11]分別提出了非飽和土的抗剪強度公式，認為其強度和基質吸力的大小有著密切的關系。Alonso等[12]認為降雨入滲的因素包括降雨時間、降雨強度、土壤類型、滲透性，通過極限平衡法分析得出降雨對邊坡影響具有滯后性。Li等[13]探究了在不同邊坡角度的情況下降雨入滲的規律、積水時間，并對穩定和不穩定兩種情況下的入滲規律做了探討。孫萍等[14]開展了降雨型現場滑坡試驗，研究了不同雨強條件下黃土邊坡的入滲規律及變形破壞模式。周楊等[15]針對降雨誘發滑坡失穩破壞機理和演化特征開展了人工降雨條件下的黃土滑坡室內研究。張景生[16]以洛川縣黃土滑坡為例，通過實地調查和現場鉆探分析探討了長期間斷性的水分入滲黃土滑坡的機制。董建軍等[17]基于土質邊坡非飽和-飽和滲流模型和DP5本構模型進行了非飽和-飽和滲流場和應力場耦合的邊坡穩定性數值分析， 得出滑坡的破壞從淺層漸近想深層發展。

以往對降雨入滲的研究雖多，但研究重點主要集中于膨脹土和黃土邊坡，針對降雨在冰水堆積體中的入滲過程研究甚少。且多數以室內試驗為主，試驗結果與邊坡的實際變形有較大差別，為了客觀反映邊坡在實際條件下的滲透和變形情況，本文以大渡河支流——流沙河流域內某冰水堆積體為研究對象，基于現場原位滲透試驗測得實際滲透系數，并通過現場降雨深入研究堆積體在降雨條件下孔隙水壓力、含水率和基質吸力的相關變化情況，旨在探究堆積體邊坡的滲透過程和模式，揭示其變形破壞機理。

1 研究區概況

試驗場地位于流沙河東側冰水堆積體前緣,最大厚度超過100 m，分布高程700 m～1 500 m。國道108從堆積體中部穿過，試驗區內蘊藏豐富的水資源，交通便利，取水方便，多年平均降水量為740.10 mm，降水期主要集中在7月—9月，占全年平均降雨量的71%以上，具有量大而集中的特點；年平均蒸發量為124.26 mm (見表1)，蒸發較為強烈，屬于半濕潤區。試驗區內植被分布茂密，多為喬木和灌木交雜。

表1 九襄鎮多年平均降水量及蒸發量統計表

2 現場試驗

2.1 原位滲流試驗

運用試坑單環法可確定地下水位以上土體的豎向滲透系數，裝置見圖1。試驗時在環底填入2 cm厚細砂并向環內持續性注水，使水位高度保持為10 cm。本文采用該方法對冰水堆積體前緣不同位置的4個試驗點開展滲透試驗，根據試驗結果繪制出單位時間注入量-時間關系曲線，見圖2。

圖1 單環法裝置示意圖

由圖2可知，4個試驗點在注水后0～60 min時間段內曲線波動起伏較大，最大單位時間注入量可達1.976 L/min，在注水90 min后，各點入滲基本進入穩定滲流階段，圖像曲線逐漸趨于穩定。1號、2號、3號點穩定后入滲量相差不大，最終值范圍約在0.23 L/min～0.28 L/min內，4號點單位入滲量遠大于1號～3號點，入滲過程中可以發現10 min～50 min時間段內，單次入滲量差異起伏比較明顯，相差幅度最大可達1.1 L/min左右，整個入滲過程到中后期起伏逐漸減小，最終值約為1.12 L/min,分析認為4號試驗點底部可能存在較大塊石導致土體架空，形成諸多大孔隙，在入滲時提供水流入滲的優先通道，促使入滲初期速度快，滲透系數高。

圖2 各點單位時間注入量-時間關系曲線

在本次試驗中，根據四個試驗點實測數據值，假設滲流過程地下水屬于單一層流狀態，則基于達西定律，由式(1)估算可得，試驗點滲透系數在0.002 4 cm/s左右。

(1)

式中：K為滲透系數，cm/s；Q為單位時間流量，L/min；F為注水坑底面積，cm2。

涂國祥[18]在分析了眾多冰水堆積體顆粒組成及滲透試驗結果，提出冰水堆積體的滲透系數可按下式進行計算：

(2)

式中：K為滲透系數，cm/s；Cc為曲率系數；Cu為不均勻系數；e為孔隙比。

根據式(2)計算結果，滲透系數大約為0.00239 cm/s左右，這與式(1)估算結果相差無異。

2.2 現場降雨試驗

基于現場測得的滲透系數開展現場降雨試驗，降雨場地選在滲透試驗旁側，保證土體特性一致。降雨范圍如圖3、圖4所示，為4 m×4 m的平地。試驗裝置包括水表、控制閥、供水管、增壓泵、噴頭等。試驗器材包括孔隙水壓力計、含水率傳感器、負壓計，其具體量測范圍及精度見表2。

圖3 儀器鉆孔平面布置圖

圖4 降雨現場圖

表2 傳感器相關量測參數

在試驗區域內選取剖面R1和剖面R2，每組剖面儀器埋深分別為0.3 m、0.6 m、1.0 m、1.4 m、1.9m、2.4 m、4.0 m，試驗時每個剖面上埋設2組孔隙水壓計，1組含水率傳感器，1組張力計，以監測現場降雨過程中不同深度部位相關參數的變化。

3 試驗方案

降雨系統由水源、增壓泵、水表、閥門和噴頭組成。降雨區域上方加裝4排降雨管道，通過閥門和增壓泵組合來控制雨強和歷時。本次降雨共歷時10 d，試驗設計了小雨(10 mm/d)、中雨(20 mm/ d)、大雨(50 mm/ d)三種雨型，三場降雨分別歷時50 min、1 h 45 min、2 h，降雨后雨水有足夠時間充分入滲，降雨量分別對應為0.13 m3、0.56 m3、1.6 m3。為了防止雨停后水分流失同時減少蒸發量，在每次降雨后用塑料膜覆蓋土體表層。試驗前將場地修整成平地，不考慮蒸發和地表徑流，只考慮豎向方向上為完全入滲。試驗用土基本參數見表3，其顆粒級配曲線見圖5。

表3 試驗用土基本參數指標

圖5 顆分累積曲線

4 試驗結果與分析

4.1 體積含水率變化

圖6為三次降雨后不同深度體積含水率隨時間的變化曲線。距首次降雨(雨強10 mm/d)后18 h 40 min，只有表層0.3 m和0.6 m處含水率增加，雨停后21 h含水率開始趨于平穩，0.3 m和0.6 m兩處的峰值時刻含水量約為20.7%。降雨后20 h 29 min，實施第二次降雨(雨強20 mm/d)。雨后19 h 13 min，0.3 m位置測點達到第二次峰值35.8%，之后逐漸降低，穩定后含水率數值約為26.4%左右；0.6 m深處測點在降雨結束后數值達到約28.3%，隨后監測值緩慢升高，前后漲幅約10.72%，穩定后含水率數值約在31.7%。根據監測數值顯示，1 m深度處數值在第二次降雨歷時44 h 40 min后才開始增加，但比0.3 m和0.6 m處滯后了約21 h，不難看出，隨著深度的加大，雨水的入滲逐漸變緩，該點首輪峰值時刻數值約為9.8%，而1.4 m處含水率幾乎不變。隨著監測數值的逐漸穩定實施第三次降雨(雨強50 mm/d)，雨停后約5 h，0.3 m和0.6 m及1.4 m處逐漸達到峰值，形成短時間內的高含水率，峰值時刻含水率范圍為46.7%～48.3%，達峰值后19 h，以上三處點含水率回落降低，最大跌幅超過20%(于0.6 m處)，同時1 m和1.9 m兩處含水率才開始增加并達到最大值，約為26.4%～28.5%，隨后，1 m處數值略有回落而1.9 m處數值幾乎不變，造成這樣的現象分析認為是降雨后上部土體均已潤濕，雨水在土體內部無法長時間滯留，多余水分繼續下滲，并積攢于該時刻入滲所到達的最低處，形成較高的含水率。第三次降雨后71 h，2.4 m處的數值出現首輪增大，表明入滲已基本到達該處位置。整個降雨過程中4 m深度無任何波動變化。含水率監測結果表明，測點響應時間隨深度的增大而逐漸滯后，并且表現為深度越深滯后時間越長，且變化幅度越小。

圖6 含水率隨時間的變化曲線圖

4.2 孔隙水壓力變化

圖7為三次降雨后不同深度土體孔隙水壓力隨時間變化曲線。首次降雨后(雨強10 mm/d)，0.3 m和0.6 m處立即發生明顯的上升，峰值時候數值為14.8 kPa和15.2 kPa，對于1.0 m和1.4 m處，分別滯后約21 h 22 min和45 h 15 min開始變化，1.4 m以下深度則并無響應。第二次降雨后(雨強20 mm/d)，0.3 m、0.6 m、1.4 m處數值呈階梯狀上升，表層位置峰值可達21.5 kPa，后續隨著雨水下滲數值逐漸回落減小；對于中層位置，在第二次降雨后接收到來自表層雨水下滲的補給作用，數值呈現為緩慢升高，與上層比較而言，1.4 m處滯后約22 h 25 min開始變化，增大到21.9 kPa后幾乎保持不變，而1m處數值響應幾乎與表層同時刻變化，峰值時刻數值為19.7 kPa。隨著第三次降雨進行(雨強50 mm/d)，雨水在土層中依次下滲，歷時3 h 53 min后，0.3 m、0.6 m、1.0 m監測點數據發生突增，增長幅度遠超前兩次降雨，峰值對應分別為47.6 kPa、36.8 kPa、28.3 kPa；隨著表層土體內雨水逐漸下滲，在前三個測點數值達到峰值時，1.4 m、1.9 m、2.4 m處的孔隙水壓力才開始增加，中下層峰值出現時間滯后上層約23 h，其孔壓的峰值分別為28.3 kPa、17.4 kPa、16.8 kPa。最終6個點的孔壓值范圍穩定在6.8 kPa ～13.2 kPa之間。在整個降雨過程中，入滲并未到達4 m處，其孔壓值一直保持不變。三次降雨比較而言，隨著雨強逐漸加大，下滲速率逐漸縮短，單位時間內雨水遷移能力加強。

圖7 孔隙水壓力隨時間的變化曲線圖

4.3 基質吸力變化

圖8為三次降雨后不同深度位置基質吸力隨時間的變化情況。第一次降雨后(雨強10 mm/d)，表層吸力值均有小幅度降低，波動范圍在3 kPa～5 kPa之間。隨著第二次降雨實施(雨強20 mm/d)，表層吸力減小更為明顯，0.3 m處吸力值從51.3 kPa減小到40.5 kPa，特別是在降雨后22 h 15 min，吸力值達到本時段內最低值32.8 kPa；0.6 m處吸力值呈逐漸降低的趨勢，由49.7 kPa變化為40.1 kPa。該降雨時段內中層測點吸力值幾乎不變，維持在40 kPa左右，下部位置只有2.4 m處波動較大，最低值達22.4 kPa，且變化趨勢和響應時間與0.6 m處情況一致，分析認為可能是雨水下滲過程中土體存在擾動，致使同側0.6 m和2.4 m儀器數值發生同類型波動狀況。距二次降雨后67 h實施第三次降雨(雨強50 mm/d)，此降雨時段內0.3 m和1 m處變化趨勢相同，呈現為先增大后減小再逐漸回升的趨勢，兩處吸力變化過程分別為43.7 kPa→10.2 kPa→19.8 kPa和28.3 kPa→14.4 kPa→19.7 kPa；0.6 m處吸力值表現為先降低后回升，之后保持不變，終值時刻吸力值約為30.8 kPa；其他1.4 m、1.9 m、2.4 m吸力值，表現為逐級降低，降低幅度隨埋深影響而減小，終值時刻數值分別為19.6 kPa、28.6 kPa、22.7 kPa。埋深4 m處吸力值在三次降雨過程中未見明顯變化，基本保持在8.3 kPa左右，表明入滲并未到達4 m處。總體來看，基質吸力表現出隨降雨強度增加而逐漸減小的特性，且雨強越大，吸力值減小的幅度越大，變化時間越短。

圖8 基質吸力隨時間的變化曲線圖

5 討 論

結合含水率、基質吸力和孔隙水壓力三種數據的變化情況分析，總結出該堆積體內降雨入滲特征如下：

(1) 含水率：降雨后，表層土體不斷被雨水浸濕，短時間內體積含水率迅速升高。隨著三次雨強逐漸加大，測點響應時間明顯縮短，到達峰值的時間隨埋深增大而出現不同程度的滯后。前兩次降雨入滲基本能到達中下層部位，其影響深度可達2.1 m～2.9 m。當第三輪降雨開始時，土體中的雨水再次接受來自上層雨水的補給作用，其向下遷移的速度明顯加快，持續時間約6 h左右，隨著下滲深度逐漸增大，速度逐漸變緩，含水率數值則略有減小。試驗監測結果表明，多次降雨后含水率表現為累進式增大，增大程度與雨強呈正相關。

(2) 孔隙水壓力：非飽和狀態存在于降雨初期，此時土體未被雨水潤濕。當降雨開始后，雨水入滲速率大于土體內下滲速率，導致多余水分累積在土體表層，使得土體內所產生的孔隙水壓力逐漸增大，由于前兩輪降雨強度小，孔壓值減小幅度在5%～9%范圍內。經歷第三次降雨后，上層多余雨水補給下滲，雨水下遷能力得到加強，孔壓迅速增大，中下層土體孔壓值隨深度而遞減，中后期由于體積含水率逐漸達到飽和狀態，使得下滲能力反而減弱，孔壓略有降低。

(3) 基質吸力：基質吸力的變化趨勢與含水率和孔壓相反，隨著水分的向下運移，含水率和孔壓逐漸增加的時刻，基質吸力卻在相應的減小。在雨強為10 mm/d和20 mm/d時，基質吸力減小只是存在于表層土體，其減小幅度不超過5%，當雨強增大為50 mm/d時，尤以0.3 m和1 m處跌幅最大，各自最大跌幅分別可達到76.6%和49.1%，其持續時間達7 h左右，在此期間基質吸力大幅度下降。在三場降雨結束以后，入滲仍然保持下滲，其吸力值會有小范圍回升，分析認為數值改變是因為雨水下滲后導致濕潤部分進一步擴散，含水程度在這一情況下減小，部分水分被土體吸收，提高了土體內部粘合力從而表現為吸力增大。

現場原位滲透試驗測得滲透系數K=2.39×10-3cm/s,結果表明此類堆積體滲透能力普遍較弱，而現場三種數據監測結果也表明降雨在該堆積體中入滲深度遠不足4 m，表明降雨誘發該類堆積體失穩破壞應該只局限于淺表層。可實際情況是，一場強降雨下來后卻可以誘發堆積層斜坡出現深層滑坡，實驗過程中根據4號點早期滲透波動范圍較大的特點，推測該點下部土體可能存在使雨水下滲能力變強的入滲通道(如土骨架架空、裂隙發育)，那么是否存在入滲通道使雨水進入堆積體深部從而誘發深層滑坡呢？該問題有待作者進一步研究論證。

6 結 論

本文通過現場試驗，研究了大渡河某古冰水堆積體的降雨入滲特征。得到以下結論：

(1) 現場原位滲透試驗結果表明，該冰水堆積體滲透系數K=2.39×10-3cm/s。

(2) 降雨試驗結果表明，該堆積體中入滲影響深度遠小于4 m，雨水下滲存在明顯的滯后效應，超過1.4 m以后，滯后效應隨深度的增加而增加。

(3) 增大雨強可有效提高其雨水入滲深度和下滲效率，小雨(10 mm/d)、中雨(20 mm/ d)、大雨(50 mm/ d)三種雨強的影響深度分別為0.6 m、1.4 m、2.9 m。