紫色丘陵區(qū)堆渣體物理性質(zhì)變化及邊坡穩(wěn)定性分析

蔣 平，汪三樹，李葉鑫，杜志洋，胡 青，陳正發(fā)，史東梅

(1．西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院水土保持生態(tài)環(huán)境研究所，重慶400715;2．中國(guó)水電顧問集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南昆明650051)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目也呈蓬勃發(fā)展之勢(shì)，不可避免地產(chǎn)生了大量的棄土。棄土失去了原土壤結(jié)構(gòu)，土壤侵蝕嚴(yán)重［1］。這些棄土棄渣結(jié)構(gòu)松散，孔隙度大，顆粒較粗，質(zhì)地結(jié)構(gòu)差，其自然坡度大都在25°～45°之間，一遇暴雨極易形成滑坡和泥石流，造成嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害［2］。因此，進(jìn)一步了解堆渣體邊坡穩(wěn)定性特征，對(duì)減少堆渣體水土流失和地質(zhì)災(zāi)害具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究對(duì)象為重慶市紫色丘陵區(qū)堆渣體。重慶市屬亞熱帶溫暖濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，夏熱冬暖，春長(zhǎng)秋短，四季分明，光、雨、熱同季。年均降水量1 173．6 mm，降雨主要集中在5—9月(期間降水量占全年的75%以上)，高溫伏旱較嚴(yán)重。地形為典型的川東低山丘陵，土壤以紫色土、水稻土為主［3］。試驗(yàn)研究選取的3 個(gè)堆渣體坡面土壤均為中生代侏羅紀(jì)沙溪廟組砂泥巖母質(zhì)及其發(fā)育而成的紫色土，堆積形成的自然安息角在40°以上，1 號(hào)堆渣體形成時(shí)間最長(zhǎng)，2 號(hào)堆渣體次之，3號(hào)堆渣體最短，其中1 號(hào)堆渣體形成時(shí)間為2年，2 號(hào)為7 個(gè)月，3 號(hào)不足7 個(gè)月，3 個(gè)堆渣體基本情況見表1。

表1 堆渣體基本情況

2 研究方法

2．1 采樣方法

在1、2、3 號(hào)堆渣體邊坡分上、中、下3 個(gè)部位沿坡面縱向采樣，在每個(gè)采樣點(diǎn)分別用鋁盒和100 cm3環(huán)刀取3 個(gè)復(fù)樣，用抗剪環(huán)刀取4 個(gè)樣品，另采集1 kg土樣做其他物理性質(zhì)分析。

2．2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用野外調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，野外調(diào)查指標(biāo)包括堆渣體邊坡長(zhǎng)度、坡度、植被覆蓋度等;室內(nèi)試驗(yàn)主要測(cè)定堆渣體的容重、含水率、飽和含水率、飽和導(dǎo)水率、顆粒組成及抗剪強(qiáng)度等，分析堆渣體物理性質(zhì)的變化及邊坡穩(wěn)定性特征。容重采用環(huán)刀法測(cè)定，含水率采用烘干法測(cè)定，飽和含水率和飽和導(dǎo)水率采用環(huán)刀法測(cè)定，土體顆粒組成采用機(jī)械篩分法參照《土工試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)定，抗剪強(qiáng)度利用ZJ 型應(yīng)變控制式直剪儀測(cè)定。

3 結(jié)果與分析

3．1 堆渣體邊坡土體的顆粒組成及特征

受重力自然分選以及降雨徑流沖刷的影響，堆渣體邊坡上、中、下各部位土體顆粒的粒徑分布呈現(xiàn)出差異性，詳見表2。從表2 可以看出，1 號(hào)邊坡不同坡位碎石分布差異顯著，坡上部位的碎石含量是14．8%，坡中僅為1．49%;2、3 號(hào)邊坡的碎石分布比1 號(hào)邊坡均勻。堆渣體中礫石含量越高，土壤流失強(qiáng)度越大［4］。3 號(hào)邊坡礫粒含量比1、2 號(hào)邊坡高，坡中部位礫粒含量達(dá)到了70．97%，主要由于3 號(hào)堆渣體含大量未風(fēng)化巖石且無植被覆蓋。堆渣體的土體是擾動(dòng)后的土石混合體，土顆粒比較松散，在降雨和重力作用下3 個(gè)邊坡的細(xì)粒土都主要分布在坡下部位。

表2 不同坡位土體容重及粒級(jí)分布

3．2 堆渣體邊坡土體的容重變化特征

土壤容重的變化改變了土壤孔隙狀況以及土壤導(dǎo)水能力，對(duì)土壤飽和含水率和飽和導(dǎo)水率有重大的影響［5］。由表2 可知，土體容重變化范圍為1．3～1．7 g/cm3，這個(gè)特征與堆渣體主要為巖石礦物一致。1 號(hào)邊坡各坡位土體容重關(guān)系為坡中＜坡上＜坡下，這與其＜0．075 mm 的細(xì)粒物質(zhì)變化趨勢(shì)一致，表明坡下部位土體由于細(xì)粒含量大造成粗顆粒間的孔隙被堵塞得更多，土體更為緊實(shí)。坡中部位土體容重最小與1 號(hào)邊坡發(fā)生了強(qiáng)烈的溝蝕有關(guān)，坡中部位土體受到的沖刷劇烈，細(xì)顆粒土體被帶走，所以應(yīng)在1 號(hào)邊坡的坡下部位設(shè)置擋渣設(shè)施［6］，減少土壤流失量。2 號(hào)和3 號(hào)邊坡土體的容重變化與1 號(hào)差異較大，坡上的土體容重最大，這是因?yàn)?、3 號(hào)邊坡形成的時(shí)間較短，在傾倒渣體的過程中，坡上部位的土體被車輛壓實(shí)，而坡中與坡下部位的土體則比較松散。2 號(hào)堆渣體有10%的植被覆蓋，由于植被的作用，使得其坡中和坡下土體的容重較坡上的小很多;3 號(hào)邊坡坡下部位的容重比坡上與坡中的小很多，是由于其形成時(shí)間較短，坡上和坡中土體被壓得更緊實(shí)，坡下部位表層有較多滑下的松散土體。

3．3 堆渣體邊坡的水分變化特征

3．3．1 邊坡土體飽和含水率

作為土壤水動(dòng)力參數(shù)的重要影響因子之一，土壤飽和含水率是衡量土體穩(wěn)定性及其可蝕性的重要指標(biāo)［1］。由表3 可知，1、2 號(hào)堆渣體邊坡飽和含水率關(guān)系均是坡中＞坡下＞坡上，2 號(hào)邊坡坡上和坡下部位飽和含水率相差較大，1 號(hào)邊坡坡上與坡下部位飽和含水率的差異較2 號(hào)的小，這主要是因?yàn)? 號(hào)邊坡植被覆蓋較2 號(hào)的好;3 號(hào)邊坡自上而下飽和含水率逐漸增大，這與3 號(hào)邊坡細(xì)粒含量變化趨勢(shì)一致，且坡下部位的飽和含水率高出坡中和坡上很多，主要是因?yàn)? 號(hào)邊坡無植被覆蓋，在降雨時(shí)細(xì)顆粒易向下運(yùn)移，堆積在坡下部位。結(jié)合表2 可知，堆渣體邊坡的飽和含水率與容重呈負(fù)相關(guān)，這與呂殿青等人的研究結(jié)果一致，飽和含水率隨容重的增加而減小，與容重成負(fù)相關(guān)［5］。

表3 不同坡位土體水分的變化

3．3．2 邊坡土體含水率

土壤初始含水率越高，產(chǎn)流越快，平均入滲率越小，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也越短［7］，其值對(duì)土壤水分沿邊坡的分布具有重要的影響。土壤含水率與土壤抗剪強(qiáng)度密切相關(guān)，黏聚力隨土壤含水率的增加先增大后減?。?］，因此邊坡不同坡位土體含水率也是影響邊坡抗剪強(qiáng)度的主要因子。由表3 知，3 個(gè)邊坡不同坡位土體含水率從上至下逐漸升高，尤其是1 號(hào)邊坡坡下部位的土體含水率是坡上的3 倍多，這主要是因?yàn)? 號(hào)邊坡的植被主要分布在坡下部位，而植物根系有蓄水保土作用。2 號(hào)邊坡除坡上部位外，坡中、坡下的含水率均比1 號(hào)邊坡低，且上、中、下坡位分布的也比較均勻，這主要是由于2 號(hào)邊坡形成時(shí)間比1 號(hào)邊坡短，植被覆蓋也比1 號(hào)邊坡的差;3 號(hào)邊坡不同坡位土體含水率較2 號(hào)邊坡低很多，坡上部位的僅為1．68%，這主要是由于3 號(hào)邊坡無植被覆蓋，土體裸露松散固結(jié)性差，粗顆粒含量高，保水性能差。

3．3．3 邊坡土體飽和導(dǎo)水率

飽和導(dǎo)水率是土壤水分和溶質(zhì)運(yùn)移模型的重要參數(shù)［9］，影響土壤飽和導(dǎo)水率的主要因素有土壤容重、土壤孔隙度、土壤質(zhì)地等。飽和導(dǎo)水率直接關(guān)系到降雨條件下土壤表面是否產(chǎn)生徑流或產(chǎn)流多少，是衡量土壤坡面是否發(fā)生面蝕和細(xì)溝侵蝕的關(guān)鍵指標(biāo)。從表3 可看出，1 號(hào)邊坡的飽和導(dǎo)水率較2、3 號(hào)邊坡高很多，且1、2 號(hào)邊坡坡上部位的土體飽和導(dǎo)水率均比坡中和坡下的低，這與兩個(gè)邊坡的植被均覆蓋在坡中和坡下部位有關(guān)。1 號(hào)邊坡坡下部位的土體飽和導(dǎo)水率較坡上和坡中高，且坡上和坡中部位的飽和導(dǎo)水率差異很小。2 號(hào)邊坡的飽和導(dǎo)水率較1 號(hào)邊坡的低，坡下＞坡中＞坡上，差異小。3 號(hào)邊坡則是坡中部位最低，主要因?yàn)? 號(hào)邊坡坡中部位礫粒含量最高。

3．4 堆渣體邊坡土體的穩(wěn)定性特征分析

土體的抗剪強(qiáng)度是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因子，而影響土體抗剪強(qiáng)度的因素有顆粒組成、容重、含水率等。表4 為不同堆渣體坡面土體內(nèi)摩擦角和黏聚力的測(cè)定結(jié)果。

表4 不同堆渣體坡面土體內(nèi)摩擦角和黏聚力

由表4 知，1 號(hào)邊坡坡中部位土體的內(nèi)摩擦角比坡上和坡下的大，與1 號(hào)坡面2～20 mm 礫粒、0．075～2 mm 砂粒物質(zhì)分布、飽和含水率等指標(biāo)的變化趨勢(shì)基本一致，說明在一定范圍內(nèi)粗顆粒土體含量越大，內(nèi)摩擦角越大，所以在堆置棄渣過程中，可適當(dāng)混勻不同粒徑土顆粒，增強(qiáng)堆渣體邊坡的穩(wěn)定性;黏聚力為坡下＞坡上＞坡中，與1 號(hào)坡面＜0．075 mm 細(xì)粒物質(zhì)的分布、土體容重變化趨勢(shì)基本一致，且黏聚力變化顯著，說明堆渣體邊坡土體黏聚力的變化與土體顆粒組成和容重均有較大關(guān)系，容重越大土體越緊實(shí)，顆粒接觸越緊密，黏聚力就越大，因此在堆積堆渣體時(shí)適當(dāng)進(jìn)行壓實(shí)有利于增強(qiáng)堆渣體邊坡穩(wěn)定性。2 號(hào)邊坡各坡位的內(nèi)摩擦角均比1 號(hào)邊坡的小，主要因?yàn)? 號(hào)邊坡植被覆蓋比1 號(hào)邊坡差，植物根系有增強(qiáng)土體內(nèi)摩擦角的作用。2 號(hào)邊坡除坡下部位外，坡中、坡上的黏聚力均比1 號(hào)的大，這與兩邊坡含水率存在差異有關(guān)，結(jié)合表3 可以看出，在一定范圍內(nèi)土體黏聚力與土體的含水率呈負(fù)相關(guān)，含水量的增加使土顆粒周圍的結(jié)合水膜變厚，顆粒膠結(jié)性能變?nèi)酰率诡w粒之間的分子引力變?nèi)?，結(jié)構(gòu)性降低，顆粒之間更易分離［10］。3 號(hào)邊坡平均內(nèi)摩擦角較1、2 號(hào)邊坡的大且坡上、坡下、坡中差異不大，這與3 號(hào)邊坡形成時(shí)間不長(zhǎng)，2～20 mm 礫粒含量均高于1、2 號(hào)邊坡有關(guān);3 號(hào)邊坡的黏聚力為坡下＞坡中＞坡上，這與3 號(hào)邊坡的含水率、土顆粒組成狀況等有很大關(guān)系。棄渣場(chǎng)的堆渣坡度小于土體內(nèi)摩擦角時(shí)，坡面穩(wěn)定。由表4 的數(shù)據(jù)處理可得，1、2、3 號(hào)邊坡安全堆渣的臨界坡度分別為29．21°、26．13°、32.45°。由于1 號(hào)邊坡植被覆蓋比2 號(hào)的好，植被根系與土體形成根土復(fù)合體，增強(qiáng)了土體的抗剪強(qiáng)度，使得1 號(hào)邊坡安全堆渣的臨界坡度比2 號(hào)邊坡的大;3號(hào)邊坡由于其砂粒和礫粒的含量較1、2 號(hào)的大，所以其土體間內(nèi)摩擦角較大。紫色丘陵區(qū)堆渣體邊坡土力學(xué)參數(shù)的這些變化特點(diǎn)可為采用公式法進(jìn)行生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤侵蝕模數(shù)預(yù)測(cè)提供更為精確的基本參數(shù)［10］。

4 結(jié) 語

(1)堆渣體邊坡土體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、植被覆蓋很差或者無植被覆蓋的邊坡，從上到下礫粒含量有逐漸增加的趨勢(shì)，這主要受重力自然分選和降雨徑流沖刷的作用;土體容重較大，變化范圍為1．3～1．7 g/cm3，這與堆渣體土體主要為巖石礦物有關(guān)。

(2)除3 號(hào)堆渣體外，堆渣體坡上部位飽和導(dǎo)水率均比坡下和坡中的低;堆渣體邊坡土壤含水率因坡位不同而不同，從上到下呈增大的趨勢(shì)，土體在含水率極低時(shí)，堆渣體土體的黏聚力與含水率呈正相關(guān)。

(3)除了形成時(shí)間較短的3 號(hào)堆渣體外，堆渣體坡中部位的內(nèi)摩擦角最大，而黏聚力最小;1、2、3 號(hào)堆渣體安全堆渣的臨界坡度分別為29．21°、26．13°、32.45°，結(jié)合表1 可知3 個(gè)堆渣體邊坡均不穩(wěn)定，需采取措施防止水土流失。

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