不同降雨強度作用下松散堆積體運移試驗研究

李朝模，張 鵬

(長江水利委員會水文局長江上游水文水資源勘測局，重慶 404300)

1 概述

松散堆積體是由不同粒徑大小的土體或碎石塊共同構成的松散巖土介質。由于地震作用，山體的土體和石頭變得松散，破碎，從而形成松散堆積物。在降雨作用下，由于松散堆積體的結構已經發生破壞，大量松散堆積物會以滑坡和泥石流的方式進入河道[1]，通常會淤堵在排洪輸沙能力較差的平緩河段，從而阻礙河道泄洪能力，甚至會直接堵斷河流流路，嚴重影響到了山區河流防洪安全[2- 3]。所以開展不同降雨強度作用下，研究松散堆積體變形失穩特性的研究，對山區丘陵地區的松散堆積體災變機理和防災減災十分重要。

目前，已經有許多學者針對松散堆積體的變形失穩特征做了大量的研究，并取得了頗豐的研究成果。金磊等[4- 5]研究了松散堆積體的力學特性跟隨塊石含量的變化規律。魏學利等[6]研究發現，泥石流不僅堆積在入湖口，還會以濁流的形式移至湖心。王灝等[7]研究了天然狀態和暴雨狀態下滑坡體的應力位移和剪切應變增量之間的關系。余德強等[8]分別對泥石流堆積體隧道施工案例進行分析并提出了相關的防治方法。張小寶等[9]變形體的發展演化過程進行了機理分析，并通過軟件對變形體的發展趨勢進行了預測。茹永生等[10]研究了阿勒泰-干渠滑坡的形成機制以及提出了相應的解決方案。肖坤等[11]利用單因素法研究了大比降強輸沙條件下水位的變化規律。孫一等[12]研究了極端降雨條件下，丘陵地區暴雨山洪的形成及致災機理。邱瀟等[13]研究了縫隙發育對堆積體降雨入滲的影響。

由以上分析不難發現，目前對松散堆積體的影響研究主要圍繞在含石率和降雨強度兩種不同的單一因素進行的，不僅缺乏不同雨強下、不同含石率對松散堆積體失穩影響的研究，還缺乏不同降雨條件與下墊面對松散堆積體失穩影響的研究。因此，本文采用室內人工降雨模擬試驗，研究不同下墊面、不同降雨強度下和不同含石率下松散堆積體位移的變化規律，以期為預測松散堆積體失穩和山洪防治提供理論和技術支持。

2 試驗模型和試驗方案

2.1 試驗模型

為研究不同墊面、不同降雨強度和不同含石率條件松散體堆積體位移變化規律，利用自行組裝的模型試驗平臺開展研究工作，該裝置示意圖如圖1所示。模型平臺的幾何尺寸為4000mm×2500mm×3000mm(長×寬×高)。a、b、c和d為位移測量點。

圖1 裝置示意圖

2.2 試驗方案

為了減小試驗誤差，先去除野外松散堆積體中大于60mm的粗顆粒，再將60mm以下的顆粒塊曬干并混合均勻。

為研究不同含石量、不同雨強和不同墊面對松散堆積體的影響，含石率分別設計為10%、30%，下墊面分別采用草地墊面、松散體墊面和光滑墊面，模擬1、1.5、2mm/min的降雨強度。通過記錄坡體位移和水位變化特征及位移變化規律來分析含石量、雨強和下墊面對松散堆積體滑移的影響規律。

3 試驗結果分析

3.1 不同降雨強度對松散堆積體運移規律的影響

為了研究不同降雨強度對松散堆積體坡面表面水位變化的影響。分別選取降雨量為1、1.5、2mm/min，下墊面為草地、松散堆積體和光滑面，含石率為0%的試驗結果進行分析，得到在當下墊面相同時，不同降雨強度作用下，隨著降雨歷時增加，水位高度變化的規律，如圖2—4所示。

圖2 下墊面為草皮時不同降雨量下的水位變化特性

由圖2—4可得，當下墊面相同時，在不同降雨量的作用下，水位變化特性基本相同，當降雨時間在0～10min時，水位增長較為緩慢，增幅在4%～6%之間；降雨時間在10～30min時，水位增長較塊，增幅在6%～10%之間；降雨時間在30～60min之間時，最大水位相差1mm，水位開始趨于穩定。所以，當下墊面相同時，在不同降雨量的作用下，水位變化規律基本呈現出先緩慢、再劇烈、最終趨于穩定的3個階段。

圖3 下墊面為松散體時不同降雨量下的水位變化特性

圖4 下墊面光滑時不同降雨量下的水位變化特性

當降雨強度歷時相同時，降雨強度為2mm/min時的水位最先達到峰值，在水位達到峰值后又出現降低的情況，并且此后水位趨于穩定沒有再次出現增加的趨勢。分析其原因在于，由于降雨強度較大，所以松散堆積體表面越容易出現裂縫，部分雨水經由裂縫處流出，從而導致水位出現下降的趨勢。由于松散堆積體在水位達到峰值之前就已經發生失穩破壞，所以降雨量在1、1.5mm/min時，松散堆積體的水位并沒有出現下降的趨勢。由以上分析可得，不同的降雨量對松散堆積體的水位有明顯的影響。

3.2 不同墊面對松散堆積體運移規律的影響

為了研究不同降雨強度對松散堆積體坡面表面水位變化的影響。分別選取下墊面為草地、松散堆積體和光滑面，降雨量為1、1.5、2mm/min，含石率為0%的試驗結果進行分析，得到在降雨量相同時，下墊面粗糙程度不同時，隨降雨歷時增加，水位高度變化規律如圖5—7所示。

圖5 降雨量為2mm/min時不同下墊面的水位變化特性

由圖5可得，下墊面為草地和松散堆積體時，降雨歷時在30min～40min之間，水位仍然保持緩慢增加的趨勢，在40min之后趨于穩定；而下墊面為光滑面時，降雨歷時在30min時，水位就已經達到峰值。由圖6可得，降雨歷時在前30min內，下墊面為草地、松散堆積物和光滑面的水位分別增加了11.2、12.7、18.23mm。由圖7可得，當降雨量最小，降雨歷時在前30min內時，下墊層為光滑面的水位增長速率為12.8%，遠高于下墊層為草地和松散堆積物的水位增長率(5%和8.5%)。由以上分析可得，在降雨量相同，下墊層為草地時，水位上升速度最慢，達到水位穩定所需要的降雨歷時最長，松散堆積物越不容易發生破壞。

圖6 降雨量為1.5mm/min時不同下墊面的水位變化特性

圖7 降雨量為1mm/min時時不同下墊面的水位變化特性

3.3 不同含石量對松散堆積體位移變化規律的影響

為了研究不同含石率對松散堆積體坡面表面位移變化的影響。分別選取降雨量為1.5、2mm/min，含石率為10%、30%的試驗結果進行分析，得到在不同雨強、不同含石量下，隨降雨歷時增加，不同標記點下松散堆積體位移的變化規律如圖8—9所示。

圖8 降雨量1.5mm/min、含石量10%時松散堆積體位移隨降雨歷時變化

圖9 降雨量1.5mm/min、含石量30%時松散堆積體位移隨降雨歷時變化

由圖8—9可得，降雨歷時在前10min，松散堆積體的位移較小，位移量均不到1mm，隨著降雨歷時的增加，松散堆積體的位移基本呈現出指數增長的趨勢。降雨歷時在50min之后，a和b位移監測點的位移量基本保持不變，c和d位移監測點的位移量緩慢增加了不到1mm。分析其原因在于，隨著降雨歷時的增加，松散堆積體在b和c兩個位移監測點之間出現張拉裂縫，導致a，b兩點位移監測點沒有在滑動體上，而c，d兩點位移監測點在滑動體上繼續滑動。

對比圖8—9可得，在同一位移觀測點，當降雨量相同時，含石量在30%的松散堆積體比含石量在10%的松散堆積體的位移量減少了0.5～1.8mm，說明降雨量相同時，松散堆積體含石量越大，其累計位移量越小，所以松散堆積體的含石量越大越有利于防止松散堆積體失穩。

4 結語

(1)雨強對松散堆積體滑動運移影響顯著，當降雨量達到2mm/min時，土壤迅速達到飽和，在短時間內形成徑流，洪水攜帶松散體滑動運移速度最快，泥沙沖刷現象最為明顯。當降雨量在1mm/min時，由于水流下滲量大，河道被泥沙淤堵。

(2)下墊面的光滑程度對松散堆積體滑動運移具有較大影響。在相同降雨量下，下墊面為草地時，地表出現產匯流時間最長，水位變化響應速度最慢；而下墊面為光滑面時，地表產匯流歷時最短，且水位變化響應速度最快。

(3)當降雨強度和下墊面相同時，松散堆積體含石率越大，同一檢測點的位移量越小，說明增加松散堆積體碎石塊的含量有利于防治松散堆積體滑動運移。

(4)本試驗對防治松散堆積體失穩造成的泥石流，洪澇等自然災害具有參考價值。但是本試驗僅設置了雨強為1、1.5、2mm/min；下墊面為草皮、松散體和光滑面；含石率為10%、30%的工況。若改變工況，可能會出現不同的試驗結果。