碎石土斜坡優(yōu)先流滲流特征試驗(yàn)

沈 輝,羅先啟,李顯平

(1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院,上海 200240;2.九江學(xué)院土木與城建學(xué)院,江西九江 332005;3.中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司,湖北武漢 430080)

碎石土是一種非連續(xù)、非均質(zhì)的結(jié)構(gòu)性材料,在我國及世界范圍內(nèi)分布廣泛,尤其在我國西南砂巖、砂頁巖地區(qū)分布更為廣泛[1-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1-2],三峽水庫蓄水后,由崩塌堆積體和第四系松散堆積體組成且前緣高程低于175m的崩塌體共有1190處,總面積約為135.9km2,約占水庫面積的12.5%,體積約為34億m3,約占總庫容的8.7%,庫區(qū)碎石土中碎、礫石最高可達(dá)70%。在國外,美國阿巴拉契山脈地區(qū)分布有大量的崩積層滑坡,其碎石質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%～30%;美國肯塔基州東部煤田有77處露天礦的廢土石邊坡屬于碎石土邊坡,砂礫、漂石均有分布[5]。近年來,隨著我國大型水電工程、鐵路、公路等項(xiàng)目的建設(shè),碎石土的研究再次成為焦點(diǎn)。碎石土斜坡主要成因包括坡積、冰積及人工堆積等,其顆粒組成和結(jié)構(gòu)狀態(tài)十分復(fù)雜,物理力學(xué)性質(zhì)與均質(zhì)的巖土體存在較大差別,有學(xué)者基于碎石土細(xì)觀結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì),從傳統(tǒng)巖土體分類體系中提出“土石混合體”的概念,對(duì)其結(jié)構(gòu)模型、綜合性定量化評(píng)價(jià)指標(biāo)、力學(xué)性能、滲透性能等方面展開研究。

在碎石土結(jié)構(gòu)模型研究方面,Lanaro等[6]使用激光掃描技術(shù)獲得礫石的三維圖像,并利用傅立葉以及幾何分析方法獲得了礫石塊體的具體參數(shù)。Yue等[7]對(duì)數(shù)碼照片進(jìn)行灰度處理,建立了土石混合體的平面幾何模型。Lebourg等[8]通過數(shù)字圖像處理對(duì)冰磧物內(nèi)部塊石的形態(tài)及結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行定量研究,并運(yùn)用多維統(tǒng)計(jì)分析方法建立冰磧物內(nèi)摩擦角與塊石形態(tài)特征參數(shù)的關(guān)系。李曉等[9]基于對(duì)土石混合體結(jié)構(gòu)特征的野外統(tǒng)計(jì)分析,指出其力學(xué)性質(zhì)主要受土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的控制。油新華[10]利用隨機(jī)模擬方法提出了考慮礫石塊體空間位置、大小、方位3個(gè)隨機(jī)變量的隨機(jī)結(jié)構(gòu)模型的自動(dòng)生成技術(shù)。眾多學(xué)者[11-13]通過原位剪切、原位水平推剪試驗(yàn)等手段對(duì)不同含石量、含水狀態(tài)的土石混合體的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。在滲透性能方面,徐文杰等[14]基于自主開發(fā)的土石混合體細(xì)觀結(jié)構(gòu)隨機(jī)生成系統(tǒng),從土石混合體的含石量、空間分布、粒度組成等細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征出發(fā),運(yùn)用數(shù)值試驗(yàn)方法研究了土石混合體的細(xì)觀滲流場(chǎng)特征、滲透破壞機(jī)理及宏觀滲透系數(shù)與細(xì)觀結(jié)構(gòu)的定量關(guān)系。周中等[15]利用自制的常水頭滲透儀測(cè)定了不同含礫量時(shí)土石混合體的滲透系數(shù),研究不同因素對(duì)土石混合體滲透系數(shù)的影響。徐揚(yáng)等[16]通過現(xiàn)場(chǎng)試坑試驗(yàn)方法,研究滲透系數(shù)與平均粒徑、非均勻度的關(guān)系。邱賢德等[17]試驗(yàn)研究了顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與滲透系數(shù)的關(guān)系。

優(yōu)先流最早是由土壤學(xué)家針對(duì)土壤平衡入滲流而提出的[18-19]。在巖土工程領(lǐng)域,針對(duì)這種非平衡流的研究也早已展開。吳永鋒等[20]通過大量的勘察實(shí)踐表明,三峽庫區(qū)大多數(shù)滑坡中的地下水具有管道流或脈狀流的特征,但在勘察成果中一般概化為層狀地下水。黃晏等[21]通過降雨試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),在不飽和狀態(tài)下雨水可以迅速補(bǔ)充地下水供給,由于地形、地質(zhì)條件的原因,降雨結(jié)束后裂縫多的地區(qū)仍會(huì)存在地下徑流增大的可能性。尚岳全等[22]在現(xiàn)場(chǎng)勘察和試驗(yàn)中觀察到含碎石黏性土邊坡和碎石土邊坡中地下水通常具有管網(wǎng)狀滲流特性。以上研究均表明斜坡內(nèi)存在某種能使水分快速運(yùn)移到土體深部和地下水的優(yōu)先流路徑。

本文通過模擬降雨入滲及地下水變化,研究碎石土斜坡優(yōu)先流路徑形成過程,采用染色示蹤及數(shù)字圖像處理技術(shù)觀察碎石土斜坡淺部及深層優(yōu)先流滲流特征。試驗(yàn)結(jié)果表明,采用室內(nèi)模型試驗(yàn)有利于深入研究碎石土斜坡優(yōu)先流的流動(dòng)機(jī)理,是建立優(yōu)先流滲流模型的有效手段。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用自制的室內(nèi)模型試驗(yàn)系統(tǒng),主要由模型槽、地下水模擬裝置、降雨器、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備等組成。模型槽尺寸為150cm×30 cm×80cm(長×寬×高)。地下水模擬裝置利用連通器原理設(shè)計(jì),水分從滲漏管孔內(nèi)流出。降雨器采用針頭式和孔管噴灑式(管網(wǎng)式)相結(jié)合的方式,即在排管上裝置醫(yī)用針頭(孔徑1mm,橫向間距10 cm,縱向間距6 cm)形成管網(wǎng)針頭式降雨裝置。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要包括測(cè)壓管、孔隙水壓力傳感器、集滲管、翻斗式流量計(jì)等,模型設(shè)計(jì)剖面如圖1所示。觀測(cè)項(xiàng)目主要包括優(yōu)先流滲流特征、孔隙水壓力、地表徑流、出流泥沙含量等。優(yōu)先流試驗(yàn)采用染色示蹤技術(shù),染色示蹤劑選用亞甲基藍(lán),其在干燥狀態(tài)下呈古銅色,溶于水稀釋后呈藍(lán)色。

圖1 模型設(shè)計(jì)剖面(單位:cm)

1.2 試驗(yàn)材料

我國 GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》及《工程地質(zhì)手冊(cè)》對(duì)碎石土的定義為粒徑大于2mm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過50%的土。工程上將5mm作為分界粒徑,小于5mm的顆粒稱為細(xì)料,大于5mm的顆粒稱為粗料。郭慶國[23]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到30%～40%后滲透系數(shù)增大明顯。徐文杰等[24]通過對(duì)云南省虎跳峽龍?bào)从野短烊粻顟B(tài)下碎石土粒度分布的分形結(jié)構(gòu)分析,將20mm作為研究尺度內(nèi)土石混合體的特征值。綜合考慮以上研究成果,將粒徑大于或等于2mm,5mm及20mm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)P2,P5,P20作為試驗(yàn)材料特征粒徑。試驗(yàn)土樣有TY1(P2=64%,P5=50%,P20=15%)和TY2(P2=50%,P5=30%,P20=10%)2種。表1為試驗(yàn)土樣粒徑分布及級(jí)配參數(shù),由表1可知,TY1土樣3個(gè)特征粒徑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于TY2土樣。

1.3 試驗(yàn)流程

按土樣控制干密度分7次制作土樣,按照各粒組質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱取土樣并充分混合。土樣分層填筑,每層厚10cm,水平均勻填土后采用4.5 kg擊錘擊實(shí),落距45 cm,底板墊木質(zhì)墊塊,同一位置錘擊5次,層間接觸面用鋼刷處理。

為了在常規(guī)試驗(yàn)條件下能夠較好地觀察到碎石土優(yōu)先流在降雨及地下水作用下的滲流特征,將試驗(yàn)過程分為2個(gè)階段:第1階段為碎石土斜坡優(yōu)先流路徑形成模擬,分為4個(gè)步驟(表2);第2階段為染色示蹤試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)土樣粒徑分布及級(jí)配參數(shù)

表2 第1階段試驗(yàn)步驟及控制條件

試驗(yàn)第1階段的步驟1模擬第1次雨水淋濾作用,試驗(yàn)時(shí)間為6d,采用間歇性降雨方式,試驗(yàn)?zāi)M降雨前3d日降雨量均為50.0mm,后3d降雨歷時(shí)均為6h,6d累積降雨量為237.5mm。步驟2模擬地下水作用,試驗(yàn)歷時(shí)216h,通過水分水平滲透使坡體內(nèi)部生成管道網(wǎng)絡(luò),水頭保持21.5cm直至試驗(yàn)結(jié)束。其后進(jìn)行為期6 d的坡面表層土脫水試驗(yàn)(步驟3),采用PTC陶瓷發(fā)熱管(功率1100W)在距坡體表面30cm處每天加熱6h,待土層表面裂隙形成后再次模擬降雨入滲過程。

第1階段試驗(yàn)結(jié)束后待模型自然干燥6d后進(jìn)行第2階段示蹤試驗(yàn)。在降雨器內(nèi)部及后部水箱(水頭21.5cm)里添加染色劑,降雨強(qiáng)度為20mm/d,降雨歷時(shí)為24h,再次自然干燥6d后觀察土樣優(yōu)先流特征。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 碎石土優(yōu)先流路徑形成

優(yōu)先流路徑的成因和過程非常復(fù)雜,植物根系穿插、動(dòng)物活動(dòng)、土壤季節(jié)性干濕和凍融交替,地下水的運(yùn)移波動(dòng)成為深層土體中形成流動(dòng)管道的重要成因。針對(duì)降雨及地下水變化作用因素,通過優(yōu)先流路徑形成前后孔隙水壓力傳感器的響應(yīng)特征對(duì)比,結(jié)合土體表面、內(nèi)部徑流量及泥沙量,綜合判定優(yōu)先流路徑的形成。

圖2為TY1土樣初次降雨壓力水頭響應(yīng)曲線,TY1土樣降雨開始后降雨傳感器反應(yīng)平緩,試驗(yàn)歷時(shí)84h后大幅增加,并連續(xù)出現(xiàn)4個(gè)明顯峰值,出現(xiàn)峰值的時(shí)間間隔逐漸縮短,且峰值逐步減小。TY1土樣粒徑大于或等于2mm的粗粒及礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于TY2土樣,水流彎曲度隨碎石增大而增加,過水?dāng)嗝鏈p小。降雨初期雨水入滲量及滲流速度較小,孔隙內(nèi)水分連通后,孔隙水壓快速增長,隨著細(xì)顆粒的流失,孔隙內(nèi)水分快速排出,孔隙水壓快速下降。TY2土樣黏粒含量較多,排水能力弱,首個(gè)壓力水頭峰值為11cm,隨著水分持續(xù)入滲,孔隙水壓呈臺(tái)階形升高,降雨結(jié)束后仍保持較高孔隙水壓,見圖3。圖3孔隙水壓力傳感器PS1反應(yīng)明顯滯后于PS2和PS3,主要因?yàn)镻S1上部土層較厚,填土過密實(shí)。

圖2 TY1土樣初次降雨壓力水頭響應(yīng)曲線

試驗(yàn)利用模型后部水箱補(bǔ)水,采用逐步提升水頭的方式使水分在試驗(yàn)土樣內(nèi)水平滲透,從而在坡體內(nèi)部生成管道網(wǎng)絡(luò)。補(bǔ)給水頭維持21.5 cm,歷時(shí)36h;維持水頭40.0cm,歷時(shí)36h;維持水頭60.0cm,歷時(shí)72h;最后補(bǔ)給水頭回落至21.5 cm,歷時(shí)72h,見表2。圖4為地下水變化時(shí)TY2土樣壓力水頭響應(yīng)曲線,由圖4可看出,水平滲透作用使得土樣內(nèi)部孔隙內(nèi)顆粒被大量帶出,水頭變化時(shí)孔隙水壓力響應(yīng)迅速,當(dāng)水頭回落至21.5cm時(shí),土樣內(nèi)水分同時(shí)快速排出,孔隙水壓快速下降。圖5為TY2土樣第2次降雨壓力水頭響應(yīng)曲線。對(duì)比圖3及圖5可以看出,TY2土樣在經(jīng)過初次降雨淋濾及地下水的長時(shí)間作用后,地表入滲通道及地下管道網(wǎng)絡(luò)連通。第2次降雨時(shí)孔隙水壓的響應(yīng)速度及規(guī)律與初次降雨過程相似,水分入滲及排出保持平衡。

圖3 TY2土樣初次降雨壓力水頭響應(yīng)曲線

圖4 地下水變化時(shí)TY2土樣壓力水頭響應(yīng)曲線

圖5 TY2土樣第2次降雨壓力水頭響應(yīng)曲線

表3為TY1土樣初次降雨特性及土體入滲特性。TY1降雨入滲初期降雨強(qiáng)度為50mm/d,降雨歷時(shí)為24h,土樣表面較干燥。隨著降雨強(qiáng)度及歷時(shí)的增加,土樣平均入滲率逐漸增大,而后土樣表面逐漸飽和,平均入滲率又出現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。坡體表面受到雨水沖刷,淺部土層受到淋濾侵蝕作用,泥沙被排出坡體外,形成淺部連通孔隙。

表3 TY1土樣初次降雨特性及土體入滲特性

TY1及TY2土樣模擬地下水作用過程中后箱水頭與坡體內(nèi)部徑流量的關(guān)系見表4。由表4可以看出,模型后箱水頭變化時(shí),TY1土樣的坡內(nèi)徑流量遠(yuǎn)大于TY2土樣的徑流量。這主要是由于TY1土樣孔隙內(nèi)細(xì)顆粒被快速帶走后,坡體內(nèi)部流量基本穩(wěn)定。同等水頭情況下,隨著滲透時(shí)間的增長,TY1土樣坡內(nèi)徑流量有所減小,主要是因?yàn)榧?xì)顆粒在坡底附近富集,堵塞部分通道。TY2土樣在補(bǔ)給水頭提高后,內(nèi)部徑流量增長四五倍,同時(shí)泥沙量也有大幅度增長。由此看出地下水的水平向滲透侵蝕使得坡體內(nèi)部形成滲流管路,產(chǎn)生優(yōu)先流路徑。

表4 后箱水頭與坡體內(nèi)部徑流量的關(guān)系

2.2 碎石土優(yōu)先流滲流特征

試驗(yàn)采用染色示蹤技術(shù),使用高分辨率的CCD相機(jī)采集圖像,將染色區(qū)域與未染色區(qū)域圖像分割轉(zhuǎn)化成二值圖像。圖6為TY2土樣整體染色特征,土樣內(nèi)部水平方向滲透通道與地表垂直方向滲流通道局部連通,雨水通過地表快速入滲到坡體深部,通過深部水平管道系統(tǒng)在坡體前端快速排出,這與圖5中壓力水頭響應(yīng)曲線的特征非常吻合。

圖7為局部區(qū)域染色特征,圖中黑色區(qū)域代表優(yōu)先流路徑。降雨淋濾作用造成地表出現(xiàn)不同程度的內(nèi)部侵蝕,由圖7(a)～(c)可知土樣表層滲流通道深度及密集程度存在差異;由圖7(d)可知垂直孔隙與水平孔隙相交時(shí),水分會(huì)迅速向側(cè)向擴(kuò)散,如在水平側(cè)向擴(kuò)散過程中與其他垂直孔隙貫通,則會(huì)形成“Щ”形的連通孔隙,水分越過周邊土體,加速入滲到坡體深部;圖7(e)展示了坡體內(nèi)部染色特征,土樣表層以下20cm處呈倒置漏斗狀,在漏斗尖處存在大量礫石堆積體,孔隙水沿礫石表面流動(dòng),在礫石堆底部富集。富集水分在重力作用下朝土體深部倒置漏斗狀處擴(kuò)散。

圖6 TY2土樣整體染色特征

圖7 局部區(qū)域染色特征

3 結(jié) 論

a.在同等降雨強(qiáng)度下,礫石含量高的碎石土過水?dāng)嗝嫘?降雨初期入滲量及滲流速度較小,隨著累計(jì)入滲量的增加,地表附近土體逐漸飽和,平均入滲率減小。雨水淋濾作用使得地表及坡體內(nèi)部細(xì)顆粒被帶出,易于形成優(yōu)先流路徑。

b.優(yōu)先流路徑的形成是一個(gè)孕育發(fā)展、趨于穩(wěn)定、逐漸破壞的循環(huán)過程。整個(gè)過程受到生物因素、環(huán)境因素特別是降雨因素的影響,使得坡體內(nèi)部與外界保持著水分動(dòng)態(tài)交換,整體保持平衡狀態(tài)。地表淺層優(yōu)先流使大氣降水能夠快速進(jìn)入坡體內(nèi)部,地下水位大幅度上升,造成坡體穩(wěn)定性降低,而坡體深層的優(yōu)先流管道網(wǎng)絡(luò)使水分能夠快速排出,有利于坡體穩(wěn)定,因而坡體存在著自我平衡調(diào)節(jié)的功能。c.染色示蹤試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地表現(xiàn)碎石土斜坡中優(yōu)先流的滲流特征,這種可以重復(fù)進(jìn)行的模型試驗(yàn)可以避免野外田間試驗(yàn)土樣隨機(jī)的問題。因而,

對(duì)于碎石土斜坡內(nèi)優(yōu)先流綜合量化描述及判定、斜坡內(nèi)水分非均勻流動(dòng)模型等的建立是一種非常有效的手段。

[1]廖秋林,李曉,郝釗,等.土石混合體的研究現(xiàn)狀及研究展望[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2006,14(6):800-807.

[2]劉文平,時(shí)衛(wèi)民,孔位學(xué),等.水對(duì)三峽庫區(qū)碎石土的弱化作用[J].巖土力學(xué),2005,26(11):1857-1861.

[3]尚彥軍,楊志法,廖秋林,等.雅魯藏布江大拐彎北段地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律及防治對(duì)策[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2001,12(4):30-40.

[4]許建聰.碎石土滑坡變形解體破壞機(jī)理及穩(wěn)定性研究[D].杭州:浙江大學(xué),2005.

[5]徐文杰,胡瑞林,曾如意.水下土石混合體的原位大型水平推剪試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2006,28(7):814-818.

[6]LANARO F,TOLPPANEN P.3D characterization of coarse aggregate[J].Engineering Geology,2002,65(1):17-30.

[7]YUE Z Q,CHEN S,THAM L G.Finite element modeling of geomaterials using digital image processing[J].Computers and Geotechnics,2003,30(5):375-397.

[8]LEBOURG T,RISS J,PIR ARD E.Influence of morphological characteristics of heterogeneous moraine formations on their mechanical behaviour using image and statistical analysis[J].Engineering Geology,2004,73(1):37-50.

[9]李曉,廖秋林,赫建明,等.土石混合體力學(xué)特性的原位試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(12):2377-2384.

[10]油新華.土石混合體的隨機(jī)結(jié)構(gòu)模型及其應(yīng)用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(11):1748.

[11]吳 碩,李曉,赫健明.土石混合體原位水平推剪試驗(yàn)[J].巖土工程技術(shù),2007,21(4):184-189.

[12]李維樹,丁秀麗,鄔愛清,等.蓄水對(duì)三峽庫區(qū)土石混合體直剪強(qiáng)度參數(shù)的弱化程度研究[J].巖土力學(xué),2007,28(7):1338-1342.

[13]馮俊德,李建國,汪稔,等.云南某鐵路冰磧土大型直剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2008,29(12):3205-3210.

[14]徐文杰,胡瑞林,岳中崎.土-石混合體隨機(jī)細(xì)觀結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)的研發(fā)及其細(xì)觀結(jié)構(gòu)力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(8):1652-1665.

[15]周中,傅鶴林,劉寶琛,等.土石混合體滲透性能的試驗(yàn)研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,33(6):25-28.

[16]徐揚(yáng),高謙,李欣,等.土石混合體滲透性現(xiàn)場(chǎng)試坑試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2009,30(3):855-858.

[17]邱賢德,閻宗嶺,劉立,等.堆石體粒徑特征對(duì)其滲透性的影響[J].巖土力學(xué),2004,25(6):950-954.

[18]FLURY M,FLUHLER H,JURY W A.Susceptibility of soils to preferentialflow of water:a field study[J].Water Resources Research,1994,30(7):1945-1954.

[19]DEKKER L W,RITSEMA C J,WENDROTH O.Moisture distributions andwetting rates of soils at experimental fieldsin the Netherlands[J].Journal of Hydrolog,1999,215(1):4-22.

[20]吳永鋒,石林,吳銘遠(yuǎn),等.三峽庫區(qū)滑坡中的地下水若干問題初探[J].湖北地礦,2002,16(4):9-14.

[21]黃晏,相群.關(guān)于降雨結(jié)構(gòu)對(duì)巖基水流影響的試驗(yàn)研究[J].水土保持科技情報(bào),2003(3):11-13.

[22]尚岳全,孫紅月,侯利國,等.管網(wǎng)滲流系統(tǒng)對(duì)含碎石黏性土邊坡的穩(wěn)定作用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(8):1371-1375.

[23]郭慶國.粗粒土的工程特性及應(yīng)用[M].鄭州:黃河水利出版社,1998.

[24]徐文杰,胡瑞林.虎跳峽龍?bào)从野锻潦旌象w粒度分形特征研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2006,14(4):496-501.