X、Y狀裂隙對(duì)堆積體降雨入滲的差異性影響研究

錢昭宇，涂國祥，趙石力，李 明

(1.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059；2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

0 引 言

誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的因素眾多，但降雨仍為主要誘發(fā)因素。據(jù)薛凱喜[1]等統(tǒng)計(jì)表明，中國近10年90%地質(zhì)災(zāi)害都是由降雨直接或間接引起，滑坡發(fā)生率占50%以上。雨水入滲會(huì)讓巖土體經(jīng)歷一個(gè)非飽和到飽和的過程，期間形成暫態(tài)滲流場，導(dǎo)致體積含水率和孔隙水壓力上升，具有軟化作用并造成結(jié)構(gòu)損傷，并使土體容重增加，造成邊坡剪應(yīng)力增大，抗剪強(qiáng)度減少，基質(zhì)吸力也相應(yīng)降低，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響[2-7]。史振寧[8]、宿文姬[9]、王一兆[10]等通過數(shù)值模擬總結(jié)出坡體含水率隨降雨歷時(shí)的分布變化規(guī)律，得到降雨強(qiáng)度和時(shí)間對(duì)雨水入滲深度和邊坡穩(wěn)定性的影響程度，并對(duì)相應(yīng)滲透系數(shù)和孔隙水壓力變化對(duì)坡體淺層滑動(dòng)面的影響規(guī)律進(jìn)行了探究。但在眾多滑坡類型中，堆積體滑坡因其大孔隙性、強(qiáng)滲透性、各向異變性，所占比例一直居高不下[11-12]，并且堆積體內(nèi)裂隙或局部富集粗顆粒的大孔隙常?？梢姡錆B透特性與周圍土體具有明顯差別，為雨水的差異化入滲提供了優(yōu)勢路徑[13-15]。涂國祥[16]等以云南某滑坡為研究對(duì)象發(fā)現(xiàn)，降雨入滲在局部堆積的碎石土內(nèi)形成高孔壓，造成高水力傳導(dǎo)率，對(duì)雨水的“快滲入，深滲透”起著關(guān)鍵作用。許多研究人員基于非飽和滲流理論并建立相應(yīng)的數(shù)值模型，分別就堆積體內(nèi)裂隙的長度、寬度、數(shù)量[17-18]、深度、位置、角度[19-20]等概化特征展開定量研究，為邊坡穩(wěn)定性與裂隙中雨水入滲過程的緊密相關(guān)性提供了有利的論據(jù)。

然而，滑坡堆積體裂隙種類眾多，發(fā)育程度各異，相應(yīng)的性質(zhì)也存在較大差別，目前，關(guān)于裂隙具體展布形態(tài)對(duì)降雨入滲影響的物理試驗(yàn)研究還相對(duì)欠缺。筆者實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，某巨型古滑坡堆積體上裂隙多樣且廣泛分布，不僅弱化了堆積體結(jié)構(gòu)，還形成了雨水優(yōu)勢流的天然通道，為古滑坡的復(fù)活演化提供了重要的外部因素。為此，本文針對(duì)該堆積體中典型發(fā)育的X、Y狀裂隙(見圖1)開展較為深入的室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，分析了X、Y狀裂隙在降雨作用下滲流特性及入滲階段的差異，并對(duì)其運(yùn)移規(guī)律和影響機(jī)理進(jìn)行了探討。

圖1 X、Y狀裂隙

1 研究區(qū)域裂隙概況

滑坡堆積體位于瀾滄江流域上游的左岸，高程為2 700～3 200 m，平均坡度為30° ，前后緣相對(duì)于中部平臺(tái)較陡，整體形態(tài)似倒“V”字形。古滑坡邊界見圖2。據(jù)筆者現(xiàn)場調(diào)查，90%的坡表裂隙延伸長度為10～60 m，裂隙內(nèi)有碎塊石充填，膠結(jié)程度差，且周圍臨近裂隙發(fā)育處常伴隨土體垮塌，形成高低錯(cuò)臺(tái)、陡坎。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，裂隙發(fā)育數(shù)量在百條以上，主要以剪切裂隙和張拉裂隙為主，坡體中部的裂隙發(fā)育數(shù)量不及前后緣，但裂隙發(fā)育范圍遍布整個(gè)研究區(qū)域，且各種成因的大小裂隙常以交匯形態(tài)出現(xiàn)，其中形態(tài)類似X、Y狀裂隙尤為典型。

相關(guān)氣象資料顯示，該地區(qū)歷來少雨，而在2012年10月下旬連續(xù)暴雨，降雨總量達(dá)到350 mm。該滑坡堆積體在此次降雨入滲后發(fā)生強(qiáng)烈蠕動(dòng)，加之堆積層內(nèi)水分蒸發(fā)不均，導(dǎo)致土粒重新分離和結(jié)合，促使局部垮塌和新裂隙產(chǎn)生，原有裂隙也進(jìn)一步發(fā)育，對(duì)土體完整性造成二次破壞，加速其結(jié)構(gòu)的劣化。為具體探明坡體局部變形程度，對(duì)后緣位置的2個(gè)平硐(PD2003和PD2004，相對(duì)高差約100 m)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2個(gè)平硐(深度分別為47～58 m、61～76 m處)滑帶土相對(duì)于周圍堆積層明顯濕潤，并且局部有少量滲水，說明已經(jīng)有水分從廣泛發(fā)育的裂隙滲入到滑坡堆積體深部，古滑坡局部已經(jīng)出現(xiàn)了復(fù)活演化跡象。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)裝置

(1)室內(nèi)模型箱。模型箱體長1.5 m、寬0.9 m、高1.2 m，由透明有機(jī)玻璃和定制角鋼拼裝而成，間距10 cm正方形網(wǎng)格劃分表面，底板為不透水鋼板。

(2)降雨模擬系統(tǒng)。由固定鋼架、降雨噴頭、流量表和壓力表構(gòu)成。降雨強(qiáng)度可通過供水壓力與流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制范圍15～20 mm/h。

(3)監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集儀器。①體積含水率。EC-5傳感器和Em50數(shù)采儀。②基質(zhì)吸力。Campbell-257傳感器和CR1000數(shù)采儀。③孔隙水壓力。HC-25傳感器和HCSC-16數(shù)采儀。

2.2 試驗(yàn)方案

2.2.1試驗(yàn)土指標(biāo)

本試驗(yàn)用土取樣于研究區(qū)域的堆積體前緣，主要為粘土質(zhì)礫石土，礫石磨圓度差，風(fēng)化程度一般，泥質(zhì)膠結(jié)程度均較好。為較好反映野外堆積體的降雨入滲現(xiàn)象，在現(xiàn)場從上到下，選取4個(gè)取樣點(diǎn)(①～④)并進(jìn)行初步顆分，分為8個(gè)粒組，顆粒分析見圖3。試驗(yàn)時(shí)對(duì)超徑粒(200～80 mm)進(jìn)行等量替代處理，對(duì)比粒徑累計(jì)曲線見圖4。在土工試驗(yàn)制備土樣時(shí)，按照土體天然密度、天然含水率均值進(jìn)行配比。土樣物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

圖3 野外顆粒分析

圖4 粒徑累計(jì)

表1 土樣物理力學(xué)指標(biāo)

圖5 X、Y狀裂隙試驗(yàn)設(shè)計(jì)(單位：cm)

2.2.2模型設(shè)置及降雨方案

根據(jù)研究目的，設(shè)計(jì)X、Y狀2種裂隙堆積體試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見圖5。坡體堆筑以10 cm為界分層壓實(shí)(共8層)，壓實(shí)程度以土樣天然容重19 kN/m3為標(biāo)準(zhǔn)。傳感器放入預(yù)埋的PVC管中，逐層壓實(shí)后，將PVC管抽離土體。堆筑完成后，模型靜置6 h。為減少邊界效應(yīng)，在土坡表面周圍涂抹一圈防水涂料。裂隙布設(shè)位置均在坡頂(隙口碎石為防變形)，為模擬野外情況，2種裂隙底部均未貫通，展布形態(tài)特征為唯一變量，其他試驗(yàn)條件相同，3種監(jiān)測儀器各6個(gè)，編號(hào)從坡頂至坡腳位置分別為1～6號(hào)(體積含水率為W1～W6，孔隙水壓力為P1～P6，基質(zhì)吸力為M1～M6)。X、Y狀裂隙堆積體模型見圖6。試驗(yàn)共2組，每組進(jìn)行4輪間歇性降雨，每輪時(shí)長為1 h，起始時(shí)間為10∶00，持續(xù)降雨1 h后停止，觀察并監(jiān)測其入滲過程至濕潤鋒觸底為止。經(jīng)實(shí)際測算，降雨覆蓋有效面積為1.26 m2，降雨均勻度為82.3%，降雨強(qiáng)度為17.8 mm/h。累計(jì)降雨量見圖7。

圖6 模型正視及俯視模型(單位：mm)

圖7 累計(jì)降雨量

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

基于體積含水率、基質(zhì)吸力、孔隙水壓力等3項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)比X、Y狀裂隙的變化，得到X、Y狀裂隙滲透特性變化見圖8。

3.1 體積含水率變化對(duì)比

從圖8可知，X、Y狀裂隙1、2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)均在第1輪降雨結(jié)束2 h內(nèi)迅速響應(yīng)，X狀分別比Y狀提前1.7、1.2 h。變化先期的X狀近直立上升，上升速率較Y狀快5.9%/h，隨后都平緩上升至本輪含水率峰值，未見有回落趨勢。2個(gè)測點(diǎn)X狀初始含水率平均比Y狀高0.8%，峰值也大3.2%。其后的3輪降雨，兩者曲線形態(tài)均呈陡升陡降，同時(shí)以直立式增長達(dá)該輪峰值，而后快速回落，其過程較平緩。2個(gè)測點(diǎn)在響應(yīng)時(shí)間上X狀均比Y狀提前1.1 h，但Y狀峰值卻始終分別大于X狀峰值6.1%～11%、2%～3.7%，在回落過程中X狀與Y狀差距均在0.8%內(nèi)。

X、Y狀裂隙3、4號(hào)監(jiān)測點(diǎn)則在第2輪降雨后3 h內(nèi)響應(yīng)，兩者曲線形態(tài)隨總時(shí)間均呈三級(jí)階梯型。每輪降雨后2個(gè)測點(diǎn)X狀均分別比Y狀提前響應(yīng)1.2、1.8 h，初始值差距在0.3%內(nèi)，但各級(jí)平均峰值Y狀分別比X狀大2.9%、3.5%。5、6號(hào)監(jiān)測點(diǎn)第三輪降雨后7 h時(shí)響應(yīng)，X狀2個(gè)測點(diǎn)分別比Y狀滯后4.8、5.6 h，初始值差距均在0.5%內(nèi)，但Y狀峰值卻始終大于X狀(平均6%)，尤其在第4輪降雨后，兩者峰值最大相差達(dá)到15%，但Y狀回落的劇烈程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過X狀。

3.2 基質(zhì)吸力變化對(duì)比

第1輪降雨后，X、Y狀裂隙1、2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)在4.5 h內(nèi)均響應(yīng)，2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)X狀比Y 狀提前1.1 h，但由于儀器埋設(shè)原因，導(dǎo)致1號(hào)測點(diǎn)響應(yīng)時(shí)間上比Y狀提前2.8 h。兩者開始響應(yīng)時(shí)，吸力均出現(xiàn)陡降，下降速率Y狀比X狀慢1.76 kPa/h，隨后都跌落至本輪吸力谷值。2個(gè)測點(diǎn)上X狀的初始吸力平均比Y狀大10 kPa，但谷值上Y狀卻分別比X狀小2.1、8.3 kPa。在10 h時(shí)，X狀出現(xiàn)明顯回升，Y狀則繼續(xù)輕微跌落。其后的第3輪降雨，兩者重復(fù)第1輪降雨變化趨勢，但X狀下降和回升幅度越來越小，兩者最終都穩(wěn)定在8 kPa左右。

圖8 X、Y狀裂隙滲透特性變化

X、Y狀裂隙3、4號(hào)測點(diǎn)均只在第1輪降雨期間出現(xiàn)波動(dòng)跳躍急增段，而后直至第2輪降雨后2 h內(nèi)響應(yīng)，并出現(xiàn)斷崖式驟降。X狀2個(gè)測點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)間分別比Y狀 提前1、1.5 h，增后吸力也平均比Y狀大20 kPa，但Y狀谷值卻平均比X狀小4.2 kPa。后2輪降雨，兩者響應(yīng)后下降，但響應(yīng)時(shí)間X狀均比Y狀快約1 h，Y狀谷值卻平均比X狀小2 kPa，最終兩者吸力值分別穩(wěn)定在11.2、6.5 kPa。5、6號(hào)測點(diǎn)曲線變化趨勢與3、4號(hào)相似，但X狀的波動(dòng)幅度較前更劇烈，2個(gè)測點(diǎn)均在降雨后6 h內(nèi)響應(yīng)，X狀響應(yīng)時(shí)間分別比Y狀 滯后2.9、3.8 h，增后吸力平均比Y狀大30 kPa，但Y狀谷值平均比X狀小5.2 kPa，最終兩者吸力值分別穩(wěn)定在15.3、10.2 kPa。

3.3 孔隙水壓力變化對(duì)比

第1輪降雨結(jié)束2 h內(nèi)，X、Y狀裂隙1、2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)均響應(yīng)，X狀分別比Y狀提前2、1.3 h。變化先期的X狀上升速率較Y狀快0.5 kPa/h，但因X狀2條裂隙側(cè)的水分對(duì)向擴(kuò)散，造成孔壓在上升中受阻，數(shù)值稍有回落。其后的3輪降雨，兩者響應(yīng)同時(shí)，以直立式增長達(dá)該輪峰值，而后逐漸回落，回落過程中，X狀與Y狀吸力差距均在0.08 kPa內(nèi)。2個(gè)測點(diǎn)X狀均分別比Y狀提前1.8、1.4 h響應(yīng)，而在峰值上Y狀卻始終分別比X狀高 0.2～0.3、0.4～0.7 kPa。

第2輪降雨后3 h內(nèi)，X、Y狀裂隙3、4號(hào)監(jiān)測點(diǎn)響應(yīng)，兩者曲線形態(tài)隨總時(shí)間均大致為三級(jí)階梯型。每輪降雨后，2個(gè)測點(diǎn)X狀均分別比Y狀提前響應(yīng)1.1、1.4 h，初始值差距在0.02 kPa內(nèi)，但各級(jí)平均峰值Y狀分別比X狀高0.32、0.24 kPa。5、6號(hào)監(jiān)測點(diǎn)第3輪降雨后8 h時(shí)響應(yīng)，X狀2個(gè)測點(diǎn)分別比Y狀滯后4.8、6.2 h，初始值差距均在0.1 kPa內(nèi)，但Y狀平均峰值卻始終比X狀高1 kPa，尤其在第4輪降雨后，兩者峰值最大相差達(dá)到1.6 kPa。

3.4 入滲階段變化

X、Y狀裂隙堆積體入滲變化階段見圖9。從圖9可知，第1輪降雨剛結(jié)束時(shí)，X、Y狀裂隙坡表土體被潤濕，濕潤鋒顯現(xiàn)且鋒面與坡表大致平行，裂隙底部濕潤區(qū)不明顯。雨水入滲2 h時(shí)，裂隙底部濕潤區(qū)均顯現(xiàn)，濕潤鋒形態(tài)在此突變，裂隙處入滲深度平均比周圍土體深20 cm。隨著雨水持續(xù)下滲，水分差異性運(yùn)移導(dǎo)致X、Y狀裂隙濕潤鋒形態(tài)逐漸出現(xiàn)差別。在27 h時(shí)，X狀底部2處獨(dú)立濕潤區(qū)由于前期的擴(kuò)散，已匯合形成平緩下凹鋒面，而Y狀底部鋒面下凹更深，面寬更窄。伴隨濕潤鋒向下推移，X、Y狀裂隙內(nèi)外濕潤區(qū)也均連通，平均入滲深度比周圍土體大10 cm。到55 h時(shí)，X、Y狀裂隙濕潤鋒隨雨水入滲的進(jìn)行進(jìn)一步連通和擴(kuò)大，總體均呈“W”形，而Y狀底部鋒面下凹程度比前期更深，且入滲深度實(shí)現(xiàn)對(duì)X狀的反超。兩者坡腳處濕潤鋒均已觸底并向兩側(cè)發(fā)生水平滲透。歷時(shí)至84 h，X狀基本已被完全潤濕，而Y狀兩側(cè)還留有少許干燥區(qū)待完全潤濕。

從上述入滲過程的外部現(xiàn)象可看出，裂隙相對(duì)于周圍均質(zhì)土體形成明顯的優(yōu)勢路徑，更快到達(dá)較深位置。X、Y狀裂隙不同的展布形態(tài)對(duì)濕潤鋒的運(yùn)移情況也造成顯著影響，明顯差異主要集中在裂隙底部的濕潤鋒形態(tài)上，X狀底部因2處裂隙相近，隨雨水入滲的進(jìn)行，濕潤區(qū)逐漸連通，匯合成寬緩弧面，從而加大側(cè)滲范圍。而雨水在Y狀底部單獨(dú)入滲，形成弧面更窄陡，下滲范圍更大。

3.5 結(jié)果討論

裂隙作為堆積體中的天然通道，加強(qiáng)了該處土體滲透性，促使雨水更快進(jìn)入土體深部，相對(duì)于周圍均質(zhì)土體來說入滲更快。在降雨后期，土體逐漸飽和速率開始減緩，但也快于均質(zhì)體。堆積體入滲全過程受到含水率、基質(zhì)吸力、孔壓的共同影響，最終會(huì)減弱其抗剪強(qiáng)度，可能造成該滑坡體的失穩(wěn)破壞。根據(jù)輪次降雨順序，對(duì)2種裂隙堆積體入滲的相應(yīng)階段進(jìn)行觀察，并結(jié)合滲透特性分析對(duì)比總結(jié)出其入滲機(jī)理，可概括為2個(gè)階段：

(1)強(qiáng)烈入滲階段。前期降雨大量匯集的雨水通過裂隙快速入滲，儀器響應(yīng)迅速且滲透特性相應(yīng)產(chǎn)生變化。X、Y狀裂隙均在裂隙底部形成暫態(tài)飽和區(qū)，同時(shí)由于區(qū)內(nèi)孔壓激增，濕潤鋒不但向下遷移還逐漸與周圍連通，最終形成橢圓形態(tài)。但2種裂隙發(fā)育不同的展布形態(tài)，導(dǎo)致X狀優(yōu)勢路徑作用更加突出，在堆積體的中上部具有更快的入滲速率，影響區(qū)域范圍更大，相應(yīng)橢圓區(qū)域也更寬緩，水平側(cè)向滲透能力更強(qiáng)。而Y狀匯水體積占優(yōu)且獨(dú)立集聚雨水，短時(shí)內(nèi)水分豎向運(yùn)移更多，造成滲透特性的變化程度更為強(qiáng)烈，相應(yīng)橢圓區(qū)域更窄陡，垂直豎向滲透能力更強(qiáng)。

(2)穩(wěn)定入滲階段。后期降雨的水分不斷累積，裂隙的存在使其底部的入滲速率明顯快于坡體其他部分，體現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢入滲效果。X、Y狀裂隙整體濕潤鋒依舊跟隨前階段趨勢變化，濕潤鋒遷移速率卻逐漸減緩，但受更高水力梯度影響，Y狀底部的動(dòng)水壓力突增，直貫入滲突破下方土體，在堆積體的下部入滲速率較X狀更快，造成兩者橢圓區(qū)域形態(tài)差距也更為明顯。

由于底板不透水，當(dāng)坡腳位置濕潤鋒面到達(dá)箱底時(shí)，雨水豎向下滲受阻，只能向兩側(cè)擴(kuò)散，2種裂隙底部水平側(cè)向與垂直豎向滲透的差異依然如上階段，但濕潤鋒仍持續(xù)下移，直到所有干燥區(qū)被潤濕后，整個(gè)降雨入滲過程完成。

4 結(jié) 語

本文通過模型試驗(yàn)，對(duì)比研究古滑坡堆積體中的X、Y狀裂隙對(duì)降雨入滲過程的差異性影響，得出以下結(jié)論：

(1)X、Y狀裂隙在降雨入滲過程中均形成優(yōu)勢路徑，具有明顯的雨水優(yōu)勢流效應(yīng)，其底部的暫態(tài)飽和區(qū)產(chǎn)生顯著下凹，縮短了雨水入滲時(shí)間，并促使同期入滲速率比坡面坡腳處的均質(zhì)土體更快。

(2)裂隙展布形態(tài)的差異性對(duì)堆積體入滲機(jī)理有重要影響。在總降雨歷時(shí)中，X狀在堆積體的中上部入滲速率快于Y狀，而在堆積體的底部入滲速率卻遠(yuǎn)比Y狀裂隙慢，且Y狀裂隙體積含水率、基質(zhì)吸力、孔隙水壓力變化程度相較于X狀更高。

(3)X、Y狀裂隙堆積體降雨入滲階段均可劃分為強(qiáng)烈入滲階段和穩(wěn)定入滲階段，但2種裂隙底部的運(yùn)移規(guī)律存在顯著差異，X狀的水平側(cè)滲強(qiáng)于垂直下滲，而Y狀的垂直下滲強(qiáng)于水平側(cè)滲。