堆積碎石土斜坡淺表現(xiàn)場入滲試驗研究

李園園， 董　輝， 劉運思

(1.湖南省高速公路管理局， 湖南 長沙　410001；　2.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖南 湘潭　411105；3.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 湘潭　411201)

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堆積碎石土斜坡淺表現(xiàn)場入滲試驗研究

李園園1， 董輝2， 劉運思3

(1.湖南省高速公路管理局， 湖南 長沙410001；2.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖南 湘潭411105；3.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 湘潭411201)

摘要：為探究強(qiáng)降雨下堆積體斜坡淺表入滲規(guī)律，通過自制雙環(huán)入滲儀分別對堆積碎石土飽和導(dǎo)水率和不同深度土層含水率進(jìn)行現(xiàn)場試驗，對堆積碎石土斜坡滲透特性在不同位置的空間變異性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：測試區(qū)碎石土現(xiàn)場入滲過程符合Kostiakov模型；飽和導(dǎo)水率在南北方向(斜坡長軸方向)、東西方向以及坡頂、坡腰、坡腳區(qū)域的空間變異性均屬于中等變異，坡表含水率在空間整體分布下變異系數(shù)相對較大(中等變異)，而在垂直方向水分分布的變異程度相對較小(弱變異)；堆積碎石土入滲速率從坡頂?shù)狡履_呈現(xiàn)出相對減小的趨勢；坡腳、坡腰平均含水率相對較高(12%～15%)，坡頂平均含水率相對較少(9%～10%)，坡表平均含水率沿垂直方向隨著地層深度增加先增加后減小，在距地表10～15 cm深度范圍含水率最大。

關(guān)鍵詞：斜坡； 堆積碎石土； 雙環(huán)入滲試驗； Kostiakov模型； 空間變異

0引言

堆積碎石土是風(fēng)化卸荷等復(fù)雜成因形成的介于土體和破裂巖體間的特殊地質(zhì)體。其作為坡體物質(zhì)分布于我國西北及西南部。在國內(nèi)發(fā)生的滑坡類型中，堆積體滑坡所占比例很大，具有影響范圍廣、爆發(fā)頻率多、持續(xù)危害大等特點[1]。堆積碎石土作為堆積體滑坡的滑體物質(zhì)具有透水性強(qiáng)、大孔隙性、粒徑范圍廣等特點，極易在強(qiáng)降雨條件下誘發(fā)滑坡災(zāi)害[2]。因此，探究土體的入滲規(guī)律對預(yù)防滑坡、泥石流等災(zāi)害研究具有一定理論影響。

由于堆積碎石土物質(zhì)組成復(fù)雜、結(jié)構(gòu)排列無序，其入滲規(guī)律難以確定。目前，國內(nèi)外學(xué)者為探求碎石土入滲規(guī)律，綜合運用了室內(nèi)試驗、理論推導(dǎo)及數(shù)值模擬等方法進(jìn)行了一系列研究。楊艷芬等[3]為研究碎石粒徑大小和碎石率對碎石土入滲規(guī)律的影響，通過室內(nèi)一維入滲試驗，驗證了在碎石土碎石含率中存一個閾值影響濕潤鋒遷移速率以及累積入滲量，且隨碎石土級配的變化閾值發(fā)生改變。董輝等[4]結(jié)合Wang等[5]提出的考慮氣體影響的修改Green-Ampt入滲模型，通過室內(nèi)入滲試驗及數(shù)值模擬分析，考慮了堆積碎石土內(nèi)空氣阻力對其入滲規(guī)律的影響，得到了氣阻作用下堆積碎石土滲流規(guī)律。周中等[6]利用正交實驗的方法，通過自制常水頭滲透儀，測定了土石混合體的滲透系數(shù)，并且分析不同因素(含石量、孔隙比和顆粒形狀)對土石混合體滲透系數(shù)的影響，確定每種因素對土石混合體滲透系數(shù)影響大小。許建聰?shù)萚7]采用數(shù)理統(tǒng)計分析方法對碎石土的滲透特性進(jìn)行研究，得出以粉粒和黏粒為主的細(xì)粒土粒組的含量對碎石土滲透系數(shù)影響最大。由于現(xiàn)場試驗所需耗費太高，試驗開展困難，目前關(guān)于堆積碎石土現(xiàn)場入滲試驗的相關(guān)研究相對較少，但原位入滲試驗?zāi)軠p少對原狀土體擾動，且更真實地反映碎石土的入滲規(guī)律。

為此，本文通過對湘水竹灣隧道出口處堆積碎石土邊坡進(jìn)行實地雙環(huán)入滲試驗，通過對該斜坡處碎石土滲透特性在不同位置和方向的變異進(jìn)行了較系統(tǒng)的分析研究。該結(jié)果不僅對研究降雨引起滑動變形的動態(tài)機(jī)制，還為深入探求滑坡啟動預(yù)報模型提供試驗依據(jù)。

1野外碎石土入滲試驗

1.1儀器研制

為減少原狀土體擾動區(qū)域，同時弱化尺寸效應(yīng)對堆積碎石土斜坡上入滲試驗的影響，本文設(shè)計了自制雙環(huán)入滲儀，分別由恒壓供水裝置、入滲發(fā)生裝置及支撐測量裝置組成(見圖1)。入滲發(fā)生裝置采用大直徑圓環(huán)(內(nèi)外環(huán)直徑分別為35 cm、50 cm)，既保證了合適的內(nèi)外徑比且減少了尺寸效應(yīng)對入滲速率的影響[8]。馬氏瓶作為恒壓供水裝置可分別為內(nèi)外環(huán)供水。設(shè)計通過調(diào)整普通馬氏瓶補水閥、進(jìn)氣閥和加水閥的位置，使供水裝置補水連續(xù)、反應(yīng)靈敏、操作簡單。為了既減少斜坡坡表區(qū)域擾動范圍又確保各測試點供水壓力統(tǒng)一且可調(diào)，本文通過在斜坡上架設(shè)三腳架作為供水裝置的支撐從而減少整平場地的面積，三腳架亦能精確調(diào)節(jié)馬氏瓶的高度，從而保證各試驗點供水壓力統(tǒng)一。同時，試驗還利用電子稱測量馬氏瓶內(nèi)水的含量從而換算出不同時刻環(huán)內(nèi)水的累積入滲量。該方法不但讀數(shù)方便而且較常規(guī)方法提高了累積入滲量的測量精度。

圖1　自制雙環(huán)入滲儀

1.2研究內(nèi)容

試驗區(qū)域為長約40 m寬約6 m的湘潭市水竹灣隧道出口處堆積碎石土邊坡。試驗主要內(nèi)容為：① 通過GPS定位技術(shù)對邊坡進(jìn)行地形測量獲取地形信息，并按照2 m×8 m方格網(wǎng)共18個測試點，即邊坡坡腳、坡腰、坡頂處各布設(shè)6個試驗點(見圖2)； ②根據(jù)試驗規(guī)程[9]對18個試驗點運用自制雙環(huán)入滲儀進(jìn)行碎石土飽和入滲試驗，記錄不同時間環(huán)內(nèi)水的累積入滲量，且測量試驗水溫對入滲率進(jìn)行溫度修正[10]； ③入滲試驗結(jié)束后(歷時90 min)立即用洛陽鏟對試驗點碎石土進(jìn)行采樣，并運用烘干法分別測出試驗點不同深度(0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm、20～25 cm)堆積碎石土的含水率。為了確保含水率測定的精確性，對每個試驗點在不同位置分別取3組樣點求平均值。

圖2　試驗點布置

2結(jié)果與分析

2.1碎石土入滲公式優(yōu)選

據(jù)研究成果[11]可知，Philip模型[12]與Kostiakov模型[13]的實用性強(qiáng)，在入滲計算過程中應(yīng)用廣泛。其中兩個入滲模型公式如下：

Philip模型：

I(t)=St0.5+At

(1)

式中：I為單位面積累積入滲量，cm；t為時間，min；S為土壤吸滲率，cm/min；A為穩(wěn)滲率，cm/min。

Kostiakov模型：

(2)

式中：k為入滲系數(shù)，cm/min；α為經(jīng)驗入滲指數(shù)。

因此，利用上述兩個模型對18個測點入滲數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，將相關(guān)系數(shù)與均方根誤差作為評價依據(jù)進(jìn)行入滲公式優(yōu)選，確定各點入滲速率，結(jié)果見表1。為驗證優(yōu)選模型是否具備普適性，同時在斜坡研究區(qū)域之外隨機(jī)取6個測試點進(jìn)行入滲試驗并將入滲數(shù)據(jù)與研究區(qū)域入滲數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

由表1可知，研究區(qū)域內(nèi)(18個試驗點)各測試點應(yīng)用Philip公式的相關(guān)系數(shù)(R2)均比利用Kostiakov公式擬合要小，而Philip公式的均方根誤差(RMSE)卻比Kostiakov公式要大。同時，在研究區(qū)域外隨機(jī)選取的6個試驗點應(yīng)用Kostiakov公式也比Philip公式更接近實測入滲數(shù)據(jù)曲線。由此可知，對于堆積碎石土而言，采用Kostiakov公式描述其入滲過程效果較好且具有一定普適性，即可將溫度修正后的入滲系數(shù)視為堆積碎石土的入滲率。

表1 不同測點入滲公式擬合結(jié)果比較測點Philip模型Kostiakov模型濕滲率/(cm·min-1)穩(wěn)滲率/(cm·min-1)RMSER2入滲系數(shù)/(cm·min-1)入滲指數(shù)RMSER2溫度/℃入滲速率/(cm·s-1)10.3100.0750.1160.9980.34220.7920.0590.999340.00419220.3020.0490.2140.9880.34190.7430.1650.993350.00410230.1960.0040.1190.9610.29900.5720.1100.966310.00389140.3110.0250.3620.9420.37850.6710.3270.952350.00454250.1750.1000.1160.9980.22400.8840.0940.999320.00285660.1340.0140.1170.9710.15870.6930.1010.979360.00190570.0780.0040.0190.9960.11000.6180.0160.997320.00140380.3780.0050.1380.9820.63000.5460.1260.985370.00756090.2780.0090.1430.9760.40470.5930.1250.982220.006361100.3810.0010.1880.9620.66290.5250.1840.964280.009203110.2070.0330.1820.9820.23410.7390.1470.988370.002809120.0580.0630.0220.9990.03591.0860.0350.999370.000431130.1240.1140.1190.9990.2310.9210.1110.999260.003637140.2490.0540.2610.9820.2620.7820.2770.980270.004746150.0980.0030.0410.9450.1490.4340.0470.927280.004766160.2240.1220.1360.9990.2970.8800.1200.999280.004686170.4750.0030.3440.9340.4650.5480.3320.938340.010395180.2020.0160.1290.9800.2190.6590.1130.984280.0046141#0.2220.0100.1470.9650.32180.6060.1450.966340.0039422#0.0020.0820.0650.9990.08201.0000.0650.999330.0010253#0.0770.0130.0200.9990.08510.7520.0200.999400.0010214#0.2060.0170.2700.9650.26890.6360.1370.972240.0040785#0.3170.0020.8790.9650.58810.5050.8480.965300.0078226#0.2720.0700.1520.9960.30200.7980.0950.998300.004017

2.2碎石土滲透特性不同方向的平均變異與二維平面各向變異比較

由表2可知碎石土飽和導(dǎo)水率在南北方向(斜坡長軸方向)、東西方向以及坡頂、坡腰、坡腳區(qū)域的空間變異性均屬于中等變異性。坡頂與坡腰入滲率的空間變異性相對較大(變異系數(shù)分別為45%、77%)。碎石土水分空間分布在南北方向(斜坡長軸方向)、二維水平面和三維空間上表現(xiàn)為中等變異性，其變異系數(shù)分別為20%、29%、37%，而垂直方向變異系數(shù)為4%，屬弱變異性(見表3)。這說明含水率在空間整體分布下變異系數(shù)相對較大，而在垂直方向水分分布的變異程度相

表2 各方向碎石土入滲率統(tǒng)計特征值類別樣本數(shù)平均數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)南北方向60.0042140.0011750.26東西方向30.0042140.0008760.19坡頂60.0054740.00244880.45坡腰60.0046280.00357360.77坡腳60.0035810.00100010.28

表3 各方向碎石土含水率統(tǒng)計特征值類別樣本數(shù)平均數(shù)/%標(biāo)準(zhǔn)差/%變異系數(shù)南北方向612.522.450.20東西方向312.521.700.14垂直方向512.520.530.04二維方向1812.523.690.29三維方向9012.524.670.37

對較小。

由于以上研究中南北方向的長度遠(yuǎn)大于東西方向，為了合理比較南北和東西兩方向的變異程度，可采用6 m×8 m的“移動窗”由坡頂向坡腳滑動，并計算每個“移動窗”內(nèi)堆積碎石土入滲率與平均含水率在兩個方向上的變異系數(shù)。由表4可知，坡頂與坡腰處入滲率變異系數(shù)表現(xiàn)為東西方向大于南北方向，而在坡腳處入滲率變異系數(shù)表現(xiàn)為東西方向小于南北方向。東西方向入滲率變異系數(shù)隨著海拔的下降呈逐漸減小的趨勢。堆積碎石土含水率東西方向的變異系數(shù)大于南北方向的變異系數(shù)，而碎石土含水率的變異系數(shù)隨海拔變化的規(guī)律不明顯(見表5)。

表4 不同區(qū)域堆積碎石土入滲率在二維平面東西方向和南北方向變異系數(shù)的比較滑動窗口南北方向變異系數(shù)東西方向變異系數(shù)10.36570.415620.16400.576030.14680.230940.34580.272450.28970.2066

表5 不同區(qū)域堆積碎石土含水率在二維平面東西方向和南北方向變異系數(shù)的比較滑動窗口南北方向變異系數(shù)東西方向變異系數(shù)10.01560.224520.30730.307230.00290.196040.16770.162750.12290.2459

2.3碎石土滲透特性在各方向上的變化趨勢

由于斜坡重力、搬運、剝蝕等地質(zhì)作用，坡頂粒徑大于60 mm碎石含量大，導(dǎo)致碎石土之間的空隙相對較大，而坡腳小粒徑碎石(粒徑2～10 mm)含量多，碎石之間的孔隙相對較小。由圖3可見，沿坡長軸線方向從上到下，堆積碎石土入滲速率呈現(xiàn)出相對減小的趨勢，即坡頂入滲速率>坡腰入滲速率>坡腳入滲速率。堆積碎石土水分在坡面的分布呈現(xiàn)坡腳、坡腰含水率相對較高(12%～15%)而坡頂含水率相對較少(9%～10%)的分布情況(見圖4)。這是因為坡頂?shù)牡匦纹露认鄬Χ盖?29°～32°)而坡腳與坡腰的地形坡度相對平緩(22°～24°)，在重力的作用下，雨水順著斜坡方向發(fā)生了斜向遷移，雨水都聚積在坡腰與坡腳處，使得坡腰與坡腳的含水率比坡頂含水率要高。

圖3　沿坡軸線方向碎石土入滲率分布圖

圖4　沿坡軸線方向碎石土含水率分布圖

通過現(xiàn)場試驗可得(見圖5)，碎石土水分含量隨土層深度的增加(0～25 cm)先增加至臨界深度15 cm左右(含水率達(dá)13.27%)后又逐漸緩慢減少(含水率達(dá)11.77%)。在碎石土層之間，不僅碎石土含水率存在差別，且各層之間碎石土含水率的變異程度也不同。由表6可見，各層碎石土含水率變異系數(shù)值在31%～44%之間，屬于中等變異，但是隨著土層深度的增加，變異系數(shù)變化規(guī)律不明顯。

表6 不同深度土壤水分統(tǒng)計特征值深度/cm樣本數(shù)平均值/%標(biāo)準(zhǔn)差/%變異系數(shù)0～51812.464.35310.34945～101812.555.32840.424610～151813.274.72860.356415～201812.545.41480.431920～251811.773.75620.3192

圖5　含水率隨深度變化分布圖

3結(jié)論

1) 對于堆積碎石土而言，采用Kostiakov公式描述其入滲過程效果最好且具有普適性。

2) 飽和導(dǎo)水率在南北方向(斜坡長軸方向)、東西方向以及坡頂、坡腰、坡腳區(qū)域的空間變異性均屬于中等變異性，且坡頂與坡腰入滲率的空間變異性相對較大。坡頂與坡腰處入滲率變異系數(shù)表現(xiàn)為東西方向大于南北方向，而在坡腳處則相反。東西方向入滲率變異系數(shù)隨著海拔的下降呈逐漸減小的趨勢。

3) 碎石土水分空間分布在南北方向(斜坡長軸方向)、二維水平面和三維空間上表現(xiàn)為中等變異性，其變異系數(shù)分別為20%、29%、37%，而垂直方向變異系數(shù)為4%，屬弱變異性。

4) 沿坡長軸線方向從上到下，堆積碎石土入滲速率呈現(xiàn)出相對減小的趨勢，即坡頂入滲速率>坡腰入滲速率>坡腳入滲速率。斜坡坡腳與坡腰的含水率相對較高(12%～15%)而坡頂含水率相對較少(9%～10%)。坡表平均含水率沿垂直方向隨著地層深度增加先增加后減小，在距地表10～15 cm深度范圍含水率最大。

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文章編號：1008-844X(2016)02-0018-05

收稿日期:2016-03-18

作者簡介:李園園( 1980-) ，男，工程師，主要從事高速公路建設(shè)與管理工作。

中圖分類號：U 416.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A