風(fēng)化砂質(zhì)板巖豎向滲透特性試驗(yàn)研究

銀明鋒，胡毅夫

（中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院， 湖南長沙 410083）

風(fēng)化砂質(zhì)板巖豎向滲透特性試驗(yàn)研究

銀明鋒，胡毅夫

（中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院， 湖南長沙 410083）

為揭示通平高速公路土質(zhì)邊坡降雨條件下的滑坡機(jī)理，進(jìn)行了全風(fēng)化砂質(zhì)板巖土柱的人工模擬降雨試驗(yàn)，研究了其非飽和豎向滲透特性，分析了土柱的干密度、初始含水率和降雨強(qiáng)度等因素對豎向入滲特性的影響，得出了不同因素條件下土柱的豎向滲透系數(shù)、積水時間和積水量的分布特性，以及土柱吸水量和吸水能力的變化。

風(fēng)化砂質(zhì)板巖；非飽和滲透；豎向滲透系數(shù)；土柱吸水；積水時間

0 前 言

通平高速公路地處丘陵地帶，氣候濕潤、降雨量豐富。本次研究的土樣來自通平高速公路K38＋560～K38＋680m路塹邊坡，最大邊坡高度38.1 m。該邊坡位于區(qū)域構(gòu)造帶的復(fù)合部位，場地巖體破碎，節(jié)理裂隙非常發(fā)育，形成厚大強(qiáng)風(fēng)化層。邊坡巖層從上至下為全（強(qiáng)）風(fēng)化砂質(zhì)板巖、強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁巖、中風(fēng)化砂質(zhì)板巖，其中全（強(qiáng)）風(fēng)化砂質(zhì)板巖平均厚度3m。在降雨條件下，雨水滲入全（強(qiáng)）風(fēng)化砂質(zhì)板巖，易產(chǎn)生降雨型淺層滑坡。

降雨條件下土壤水分的入滲過程主要是非飽和土壤水分的運(yùn)動過程［1］。粘性土中的重力水、毛細(xì)水和結(jié)合水在土中滲透運(yùn)動并相互轉(zhuǎn)化，水氣相互作用，土體從非飽和滲透場過渡到飽和滲透場。在此過程中，土體的工程穩(wěn)定性會急劇降低，很多降雨型滑坡都發(fā)生在非飽和入滲階段。

土壤降雨條件下非飽和入滲特性研究主要有3種方法：理論推導(dǎo)、數(shù)據(jù)模擬和試驗(yàn)方法。土壤降雨入滲是一個復(fù)雜的過程，其入滲特性與降雨條件、土體物理特性等密切相關(guān)。目前對土壤非飽和入滲理論的研究取得很多成果但并沒成熟，主要原因是土體物理特性復(fù)雜，理論推導(dǎo)結(jié)果并不能很好地反映出實(shí)際狀況；其二，數(shù)值模擬方面對滲透場的變化參數(shù)描述過于簡單，某些情況下不能反映實(shí)際情況，因而試驗(yàn)方法更能反映土體的實(shí)際降雨滲透特性。

本文中項(xiàng)目組對課題邊坡降雨條件下的豎向滲透特性進(jìn)行室內(nèi)土柱試驗(yàn)研究，為淺層滑坡的最大深度確定、坡體坡面雨水分布和排水設(shè)計等提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)計

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示。該裝置由雙層鋼架、儲水器、醫(yī)用輸液器、透明塑料瓶（直徑10cm，主體高20cm）及高精度電子天平（精度0.02g）等組成。通過醫(yī)用輸液器將上部壓力水導(dǎo)入單個土柱內(nèi)，模擬降雨。降雨強(qiáng)度通過調(diào)節(jié)輸液器調(diào)節(jié)閥及保持儲水器水位實(shí)現(xiàn)。土柱上部開口，用于降雨積水的收集，下部開口用于滲出水的收集。在降雨條件下，通過高精度電子天平測量不同時段從試件底部滲出的水量，試件上部的積水量可以校正底部滲出量。

圖1 降雨實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)原理

滲透系數(shù)描述多空介質(zhì)輸送流體的能力，是多孔介質(zhì)傳導(dǎo)流體的性能［2］。測定滲透系數(shù)是此次土柱豎向滲透特性試驗(yàn)研究的主要目標(biāo)之一。試驗(yàn)對不同土樣條件下（干密度ρ、初始含水率w和不同降雨強(qiáng)度q）土柱的豎向滲透特性進(jìn)行對比分析。

Darcy通過砂土的滲水試驗(yàn)得出了經(jīng)典的Dar－cy定理，使得計算滲透系數(shù)成為可能。Richard和國內(nèi)學(xué)者的研究表明，在流速不大的情況下，大多數(shù)非飽和多孔介質(zhì)的滲流都適合Darcy定理。模擬降雨滲透系數(shù)的計算適用Darcy定理：

式中，Q為時間段內(nèi)通過土柱的流量；A為土柱頂部受雨截面積；I為水力坡度，數(shù)值為1。

由Darcy定理可知，入滲速率V＝KI，在數(shù)值上V＝K。

1.3 土樣選取與試件制作

全風(fēng)化砂質(zhì)板巖土樣來自通平高速公路K38＋560～K38＋680m路塹邊坡，粘性土樣選取地點(diǎn)具有代表性。

試件制作時通過控制干密度的辦法控制試件孔隙率。在干土料中加定量水，拌和均勻以控制土料初始含水率。

1.4 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)方案

降雨強(qiáng)度Q根據(jù)岳陽市氣象局資料，境內(nèi)10 min最大降雨強(qiáng)度為2.53mm／min，1h最大降雨強(qiáng)度為1.36mm／min，24h最大降雨強(qiáng)度為1.65 mm／min。

土壤初始含水率W選取含水率為8.0%，13.0%，15.5%，便于土柱制作，以免土壤過軟或過硬。

試驗(yàn)土樣干密度ρ選取該坡不同深度的全強(qiáng)風(fēng)化層土壤平均干密度，見表2。

表2 試驗(yàn)土樣的干密度

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 降雨入滲邊界條件

如圖2所示，降雨強(qiáng)度為1.65mm／min時，關(guān)系曲線可以分3階段。第一階段從開始降雨到產(chǎn)生積水點(diǎn)，稱為降雨強(qiáng)度控制入滲階段，此時土柱含水率低、吸水能力大、孔隙多、氣體運(yùn)動阻力小、入滲能力大于降雨強(qiáng)度，入滲率由降雨強(qiáng)度控制；第二階段從積水點(diǎn)到曲線后部平穩(wěn)段起點(diǎn)，稱為非飽和入滲段，此時水流排擠孔隙中的空氣，并填充孔隙，過水面積減少，孔隙內(nèi)氣壓增大，水流阻力增大，因而土柱入滲能力越來越小，當(dāng)小于降雨強(qiáng)度時，地表出現(xiàn)積水；第三段為飽和入滲段，土柱入滲能力始終小于降雨強(qiáng)度，土柱已經(jīng)飽和，土柱內(nèi)的氣體大量被排出，水氣相互作用基本保持平衡，土柱入滲能力趨于平穩(wěn)，此時入滲速率數(shù)值上等于飽和滲透系數(shù)［3］。降雨強(qiáng)度為0.5m／min時，關(guān)系曲線為一水平直線，土柱入滲能力始終大于降雨強(qiáng)度，無積水產(chǎn)生。

圖2 邊界對比組入滲率與時間關(guān)系

根據(jù)入滲過程中是否出現(xiàn)積水將降雨入滲條件分為2類邊界條件［4］。降雨強(qiáng)度為1.65mm／min的土柱對應(yīng)第一類邊界條件，此情況下土柱降雨經(jīng)歷了3個入滲階段；降雨強(qiáng)度為0.5mm／min的土柱對應(yīng)第二類邊界條件，入滲始終停留在降雨強(qiáng)度控制階段。

2.2 降雨強(qiáng)度對入滲的影響

圖3為降雨強(qiáng)度比較組的試驗(yàn)結(jié)果。雖然3條入滲率曲線路徑不同，但最終取得相同的飽和滲透系數(shù)。此試驗(yàn)說明降雨強(qiáng)度可以改變?nèi)霛B速率路徑，并不能改變飽和滲透系數(shù)，飽和滲透系數(shù)是由土體自身特性決定。此外降雨強(qiáng)度依次增大時，土柱積水時間依次為30，27和25min，表明降雨強(qiáng)度增大使積水點(diǎn)提前出現(xiàn)。隨著降雨強(qiáng)度依次增大，土柱飽和時間為105，85和75min，表現(xiàn)為土體飽和點(diǎn)提前。

圖3 降雨強(qiáng)度比較組入滲率與時間關(guān)系

2.3 干密度對入滲的影響

圖4為干密度比較組的試驗(yàn)結(jié)果，表明干密度對土柱滲透特性影響顯著。積水點(diǎn)隨著干密度的增大而提前，在干密度為1.51g／cm3時幾乎沒有降雨強(qiáng)度控制階段出現(xiàn)；干密度大時積水時間提前但積水量增長緩慢，干密度小時積水時間推遲但積水量增長迅速；非飽和滲透階段曲線的整體斜率隨干密度增大而減少，表現(xiàn)為入滲阻力越大，飽和滲透系數(shù)隨干密度的增大而減少。

圖4 干密度比較組入滲率與時間關(guān)系

圖5為土柱吸水量Q隨土柱干密度和時間的變化關(guān)系曲線。根據(jù)土柱吸水能力從開始吸水到飽和大致可以分為2個階段：穩(wěn)定段和減弱段。穩(wěn)定段位曲線前部的陡峭段，減弱段為曲線后部的平緩段。穩(wěn)定段內(nèi)土柱吸水能力穩(wěn)定，吸水量穩(wěn)定增加，減弱段內(nèi)土柱吸水能力逐漸衰減，吸水量逐漸趨于零。由圖5可知：穩(wěn)定段與減弱段的分界點(diǎn)多分布在土柱入滲第二階段的后期，即土柱開始出現(xiàn)最大積水量附近；干密度越大，穩(wěn)定段斜率越小，反映降雨前期土柱吸水能力與土柱密度成反比，減弱段曲線呈現(xiàn)干密度越大斜率越大的關(guān)系，反映出干密度越大土柱吸水能力衰減越慢的趨勢。

圖5 干密度比較組吸水量與時間關(guān)系

2.4 初始含水率對降雨入滲的影響

圖6為初始含水率比較組的試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)土樣含水率為15.5%的土柱積水時間為17min，初始含水率13.0%的土柱積水時間為25min，初始含水率8.0%的土柱積水時間為30min，呈現(xiàn)積水時間的快慢與初始含水率大小成正比的關(guān)系。土柱的飽和滲透系數(shù)不隨初始含水率的改變而改變。

圖6 含水率比較組入滲率與時間關(guān)系

3 結(jié) 論

（1）根據(jù)降雨邊界條件不同，全風(fēng)化砂質(zhì)板巖土柱人工模擬降雨入滲分為第一入滲邊界條件和第二邊界條件。第一邊界條件下出現(xiàn)積水，其入滲過程經(jīng)歷3個階段：降雨強(qiáng)度控制入滲段、非飽和入滲階段和飽和入滲階段。第二類邊界條件下，土柱降雨入滲不出現(xiàn)積水，入滲始終處在降雨強(qiáng)度控制階段。

（2）土柱的滲透系數(shù)受很多因數(shù)影響。劉光堯認(rèn)為滲透系數(shù)K不是常數(shù)，而是介質(zhì)粘滯度、密度和顆粒結(jié)構(gòu)的函數(shù)［5］。試驗(yàn)表明：降雨強(qiáng)度可以改變?nèi)霛B速率路徑，并不能改變飽和滲透系數(shù)；飽和滲透系數(shù)隨干密度的增大而減少；土柱的飽和滲透系數(shù)不隨初始含水率的改變而改變。

（3）土柱積水時間受干密度、降雨強(qiáng)度和初始含水率的影響。試驗(yàn)表明：隨著降雨強(qiáng)度依次增大，土體積水點(diǎn)提前；積水時間點(diǎn)隨干密度的增大而提前；積水時間的快慢與初始含水率大小成正比關(guān)系。

（4）同一初始含水率和降雨強(qiáng)度下，土柱干密度大時積水時間提前但積水量增長緩慢，干密度小時積水時間推遲但積水量增長迅速。

（5）同一初始含水率和降雨強(qiáng)度下，土柱吸水可以分為2個階段：穩(wěn)定段和減弱段。穩(wěn)定段與減弱段的分界點(diǎn)多分布在土柱入滲第二階段的后期，即土柱開始出現(xiàn)最大積水量時間點(diǎn)附近。試驗(yàn)還表明，降雨初期土柱吸水能力與土柱密度成反比，降雨后期干密度越大土柱吸水能力衰減越慢。

［1］梁愛民.非飽和土滲透特性及飽和機(jī)理試驗(yàn)研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2008：15.

［2］劉昌軍.非飽和水－氣兩相滲流數(shù)值模擬研究與應(yīng)用［D］.南京：河海大學(xué)，2005：9.

［3］李生林，王正宏.我國細(xì)顆粒土在塑性圖上的分布特征［J］.巖土工程學(xué)報，1985，7（3）：84－89.

［4］武 麗.降雨入滲對邊坡滲流特性及穩(wěn)定的影響研究［D］.南京：河海大學(xué)，2005：20－24.

［5］劉光堯.滲透系數(shù)概念發(fā)展的回顧［J］.工程勘察，1997（2）：35.

2011－11－08）

銀明鋒（1984－），男，湖南邵陽人，在讀碩士研究生，主要從事邊坡穩(wěn)定性研究，Email：ymf8849014＠163.com。