堆積體內(nèi)部裂隙對降雨入滲的影響

邱 瀟，涂國祥，趙石力，侯孝東

(成都理工大學(xué) 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，成都 610059)

1 研究背景

由堆積體構(gòu)成的邊坡在我國廣泛分布，該類坡體具有結(jié)構(gòu)松散、滲透性大、可變性強(qiáng)等特點(diǎn)[1-2]。強(qiáng)降雨作用下，邊坡易發(fā)生失穩(wěn)破壞，將會給人民生命財產(chǎn)帶來巨大損失。研究[3-4]表明，降雨入滲會使土體內(nèi)部孔隙水壓力升高，飽和度增加，抗剪強(qiáng)度降低。因而研究雨水在堆積體內(nèi)部滲流規(guī)律對評估降雨條件下邊坡穩(wěn)定性至關(guān)重要。目前眾多學(xué)者對此展開了深入的研究。左自波等[5]對不同級配堆積體進(jìn)行室內(nèi)降雨試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)濕潤鋒到達(dá)后，土體體積含水率及孔隙水壓力逐漸增加，而基質(zhì)吸力持續(xù)降低。李煥強(qiáng)等[6]利用人工模擬降雨試驗(yàn)，對不同坡角邊坡進(jìn)行研究，得出含水率及邊坡變形的變化規(guī)律。董輝等[7]通過對堆積碎石土入滲規(guī)律研究，發(fā)現(xiàn)濕潤鋒遷移速率隨雨強(qiáng)增加趨于線性增長。徐光明等[8]、Huang等[9]、王一兆等[10]通過改變土體密實(shí)度、水位、降雨與停雨時長來探索邊坡含水率、孔隙水壓力的變化規(guī)律。

表1 部分裂隙發(fā)育情況Table 1 Development of fissures

上述研究考慮了多種因素對降雨入滲的影響，然而在自然界中，由于自然風(fēng)化及滑坡蠕動等因素作用，坡體表面會產(chǎn)生不同發(fā)育程度的裂隙。降雨過程中，雨水通過裂隙很快到達(dá)土體內(nèi)部，其入滲規(guī)律會發(fā)生顯著的改變。一些學(xué)者對此做了一定研究，如姚海林等[11]、鄭少河等[12]對裂隙性膨脹土降雨入滲規(guī)律進(jìn)行了研究。劉登生等[13]通過Geo-studio軟件進(jìn)行研究，認(rèn)為坡體表面發(fā)育的裂隙長短及角度對降雨入滲過程有較大影響。但是自然界中裂隙的發(fā)育形態(tài)各異，且人們對裂隙對邊坡入滲的影響還未形成統(tǒng)一認(rèn)識，尤其是在降雨過程中還需考慮長短裂隙之間的相互影響。

自然界中，深厚型堆積體發(fā)育各種類型的裂縫是一種常見的現(xiàn)象，這些裂縫可以為降雨入滲提供良好的入滲通道。這可能是降雨入滲誘發(fā)深厚型堆積體失穩(wěn)破壞、形成深層滑坡的重要原因。但對于降雨在裂隙型深厚堆積體中的入滲-運(yùn)移機(jī)理以及觸發(fā)堆積體失穩(wěn)破壞的機(jī)理仍需要深入探索。

瀾滄江上游河谷的右岸發(fā)育一高位巨型古滑坡。目前該滑坡處于蠕動變形階段，滑坡體上發(fā)育大量張開型裂縫，這些裂縫延伸長度一般在數(shù)米至百余米不等，張開寬度一般約2～50 cm，個別寬度可達(dá)數(shù)米。這些裂縫的存在，為后續(xù)降雨提供了良好的通道，從而加速該滑坡的復(fù)活過程。基于此，本文采用物理模擬和數(shù)值模擬的手段，探索降雨在裂隙型堆積體中的入滲-運(yùn)移機(jī)理，以期為后續(xù)的滑坡復(fù)活機(jī)理研究和穩(wěn)定性評價提供參考。

2 滑坡體裂隙發(fā)育特征

研究的堆積體為瀾滄江某巨型古滑坡，分布高程2 620～3 060 m，據(jù)勘探資料，滑坡體體積約400萬m3，覆蓋層厚度約25～70 m，平均厚度35 m左右，以角礫質(zhì)碎石土為主，成分主要為砂巖、板巖，全-強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，結(jié)構(gòu)松散。堆積體地表分布大量形狀各異、大小不一的拉張裂隙和剪切裂隙，整體上裂隙形態(tài)以主-次平行裂隙為主，滑坡體范圍及部分裂隙情況詳見表1和圖1。

圖1 滑坡邊界特征Fig.1 Characteristics of landslide boundary

3 試驗(yàn)設(shè)計

針對以上滑坡堆積體裂隙發(fā)育特征，本文設(shè)計2組試驗(yàn)(均質(zhì)型堆積體及裂隙型堆積體,均質(zhì)型作為參考，模型尺寸為理想化，僅考慮實(shí)際堆積體中裂隙形狀特征)來探究主-次裂隙對堆積體降雨入滲的影響。

3.1 試驗(yàn)裝置

裝置主要包括降雨系統(tǒng)、含刻度模型箱、攝相機(jī)及測量系統(tǒng)，其空間布置如圖2所示。具體如下所述。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭DFig.2 Schematic diagram of test models

(1)降雨系統(tǒng)：包括水管、壓力表、水表及降雨噴頭。通過改變水壓及單位時間水流量來控制降雨強(qiáng)度。實(shí)測降雨有效面積為1.1 m2，雨強(qiáng)為18.6 mm/h。平均均勻度為80.1%。

(2)模型箱：長×寬×高為1.5 m×0.9 m×1.2 m。側(cè)壁標(biāo)有正方形網(wǎng)格(0.01 m×0.01 m)。

(3)測量系統(tǒng)：主要包括基質(zhì)吸力采集系統(tǒng)及體積含水率采集系統(tǒng)各6套，分別為Campbel11257與CR1000數(shù)采儀及HCH2O-(EC-5)與Em50型自動數(shù)采儀。

3.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土體的選取至關(guān)重要，為使結(jié)果更符合實(shí)際情況，土體材料選自坡體后緣裂隙旁的堆積體?？紤]到物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽纾玫攘刻娲▽⒘?4 cm的土粒重塑，其基本物理指標(biāo)及粒徑累計曲線見表2和圖3。

表2 土體基本物理指標(biāo)Table 2 Basic physical parameters of soil

3.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分為2組(均質(zhì)型堆積體和裂隙型堆積體)，裂隙是唯一控制變量。根據(jù)實(shí)地裂隙的整體發(fā)育尺寸及形態(tài)，本次試驗(yàn)主、次裂縫由帶孔有機(jī)玻璃板替代，利用1∶100的相似比將主裂隙和次裂隙簡化為“倒三棱柱”形狀：主裂隙底寬3 cm，底長30 cm，高度25 cm，次裂隙底寬、底長和高分別為2、15、10 cm(圖4)。2組試驗(yàn)坡體內(nèi)部各布置6套體積含水率傳感器(編號W1—W6)、基質(zhì)吸力傳感器(C1—C6)，布置位置見圖2，裂隙中W1和C1位置稍有調(diào)整，其坐標(biāo)為W1(40，20，50)、C1(40，25，50)，其余點(diǎn)位置相同。每組試驗(yàn)共經(jīng)歷4次降雨，每次降雨強(qiáng)度18.2 mm/h，累計降雨量與時間的關(guān)系見圖5。試驗(yàn)過程中每間隔5 min對模型拍照，再結(jié)合模型箱上的刻度尺寸，讀取濕潤鋒在各剖面上的遷移位置(圖6)，最后整理出堆積體在降雨過程中濕潤鋒的運(yùn)移速率及深度。

圖3 粒徑累計曲線Fig.3 Curves of cumulative particle size distribution

圖4 土坡及裂隙布置Fig.4 Soil slope and crack layout

圖5 累計降雨量與時間的關(guān)系Fig.5 Cumulative rainfall versus time

圖6 濕潤鋒遷移位置Fig.6 Migration position of wetting front

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 降雨過程中含水率的變化

由圖7可見，降雨開始70 min后，均質(zhì)型堆積體中W1、W2(深度20 cm)測點(diǎn)迅速響應(yīng)，含水率從0.055增加到0.18左右，隨后由快至慢持續(xù)降低。而裂隙型堆積體中W1(深度30 cm)測點(diǎn)處含水率在降雨后50 min就快速增加到0.26，且與均質(zhì)型堆積體埋設(shè)位置相同的W2測點(diǎn)也較均質(zhì)型提前20 min響應(yīng)。第2天降雨后，均質(zhì)型與裂隙型堆積體中W3、W4(深度40 cm)也開始響應(yīng)，但兩者響應(yīng)時間間隔約40 min，且最大含水率均較堆積體淺層(深度20 cm)小，裂隙型表現(xiàn)更加明顯，相差0.14左右，降雨結(jié)束后，淺層堆積體的含水率消散速度比堆積體中部(深度40 cm)快。第3天，2種堆積體中W5、W6測點(diǎn)(深度60 cm)含水率也逐漸變大，裂隙堆積體中含水率達(dá)到峰值的時間較均質(zhì)型快約1 h。第4天，均質(zhì)型堆積體中底部測點(diǎn)含水率在降雨后幾乎未有變化，與第3天降雨后一致，而裂隙型堆積體中同位置測點(diǎn)處繼續(xù)增加，且達(dá)到最大值后降低幅度減小。值得注意的是，在裂隙型堆積體中，主裂隙正下方測點(diǎn)W1、W3、W5整體上均較次裂隙下方測點(diǎn)含水率增減趨勢明顯。

圖7 體積含水率隨降雨過程的變化Fig.7 Volumetric water content versus time

4.2 降雨過程中基質(zhì)吸力的變化

均質(zhì)型堆積體與裂隙型堆積體基質(zhì)吸力變化整體趨勢相當(dāng)，均表現(xiàn)為雨水到達(dá)各測點(diǎn)后基質(zhì)吸力迅速降低，隨后保持不變，穩(wěn)定在最小值。但是，由于裂隙的存在，每次降雨后2種堆積體所對應(yīng)測點(diǎn)的響應(yīng)時間有較大差異。第1次降雨后，均質(zhì)型堆積體淺層測點(diǎn)C1、C2(深度20 cm)基質(zhì)吸力變化響應(yīng)較裂隙型堆積體C1(深度30 cm)、C2(深度20 cm)分別晚30 min及20 min。第2—第4天，裂隙型中部測點(diǎn)C3、C4(深度40cm)和底部測點(diǎn)C5、C6(深度60 cm)均較均質(zhì)型快約30 min響應(yīng)，且同一深度主裂隙正下方測點(diǎn)較次裂隙響應(yīng)更快，如圖8所示。

圖8 基質(zhì)吸力隨降雨過程的變化Fig.8 Matrix suction versus time

4.3 入滲速率、深度與時間的關(guān)系

為了全面探索主-次裂隙對降雨過程中堆積體中濕潤鋒遷移速率與深度的影響，本次試驗(yàn)在均質(zhì)型堆積體中選取3個截面進(jìn)行觀察，分別是L30(坡頂)、L90(坡腰)、L130(坡腳)，對裂隙型堆積體選取6個截面，分別是L10(次裂隙旁)、L20(次裂隙下方)、L30(主-次裂隙間)、L40(主裂隙下方)、L90(坡腰)、L130(坡腳)。其立面圖及第1次降雨濕潤鋒的位置如圖9所示，并根據(jù)圖6所示的讀取方式，整理出濕潤鋒的入滲速率及深度與時間的關(guān)系(見圖10)。由于第3次降雨濕潤鋒已到模型箱底部，因此只討論前2次降雨濕潤鋒的運(yùn)移速率、深度。

圖9 濕潤鋒觀測截面Fig.9 Observed positions of wetting fronts

圖10 堆積體入滲速率及入滲深度Fig.10 Rates and depths of infiltration in accumulation body models

(1)L10截面：降雨初期，裂隙型堆積體在L10截面入滲速率急劇增長，達(dá)到峰值30 cm/h。隨著降雨的停止，速率迅速降低，期間個別時間段入滲速率上下起伏，整體趨勢為入滲加速→峰值→入滲減速→趨向于0。第2次降雨較第1次明顯不同，遷移速率最高僅為6.5 cm/h且上下浮動，降雨后9 h趨近于0；入滲深度規(guī)律與入滲速率完全吻合，第1次降雨入滲深度多達(dá)36 cm，但第2次降雨入滲僅16 cm。

(2)L20截面：該截面位于次裂隙正下方，降雨開始后10 min，底部已形成橢圓狀濕潤鋒，前3 h的入滲速率較L10慢，峰值為12 cm/h。第2次降雨最大入滲速率較快，可達(dá)7.5 cm/h。2次降雨的入滲深度較為平均，每次約為27 cm。

(3)L30截面：對于均質(zhì)型堆積體，降雨開始后，雨水入滲速率近直線上升，達(dá)到峰值20 cm/h后逐漸降低，8 h后趨于0，雨水入滲深度僅為27 cm。而對于裂隙型堆積體，該截面位于主-次裂隙之間，濕潤鋒最大入滲速率顯著增加，為30 cm/h。但第2次降雨對其速率影響較小，最大值為6 cm/h。由于主、次裂隙底部濕潤鋒擴(kuò)散的影響，8 h時，濕潤鋒深度達(dá)到35 cm。

(4)L40截面：截面位于主裂隙正下方，最大入滲速率為24 cm/h，降雨停止后，速率急速降低，8 h后雨水到達(dá)位置距坡表近40 cm，較未發(fā)育裂隙的土體入滲深度大。

(5)L90截面：該截面位于坡腰，均質(zhì)型堆積體及裂隙型堆積體在第1次降雨中最大入滲速率均很高，達(dá)37 cm/h，最終入滲深度均質(zhì)型較裂隙型多約8 cm。

(6)L130截面:該截面位于坡腳，裂隙型堆積體最大入滲速率為30 cm/h，而均質(zhì)型堆積體僅18 cm/h，且到達(dá)箱底的時間不一致，裂隙型快約3 h。

5 數(shù)值模擬

5.1 數(shù)值計算方法

本文利用Geo-studio軟件中Seep/W模塊對裂隙型堆積體的降雨入滲過程進(jìn)一步分析來探索裂隙對降雨入滲的影響。研究表明，土-水特征曲線是非飽和土入滲數(shù)值模擬的關(guān)鍵，徐紹輝等[14]認(rèn)為Van Genuchten模型[15]無論是對黏質(zhì)土還是對粗質(zhì)土體均有較好的擬合效果。因此，根據(jù)實(shí)測的體積含水率及基質(zhì)吸力和表達(dá)式(式(1))對土-水特征曲線進(jìn)行擬合，其中土體的殘余含水率參照涂國祥等[16]對角礫質(zhì)碎石土的研究,擬合出的參數(shù)見表3。Van Genuchten模型表達(dá)式為

(1)

式中：θ為體積含水率；θs和θr分別為飽和含水率和殘余含水率；α、n、m為模型參數(shù)；h為負(fù)壓，取正值。

表3 堆積體土-水特征曲線參數(shù)Table 3 Parameters of soil-water characteristic curveof accumulation body

數(shù)值模型尺寸與室內(nèi)降雨試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵恢?，長、寬、高分別為1.5、0.9、0.8 m，坡度為23.2°。降雨條件通過對土體表層施加單位流量來實(shí)現(xiàn)，模型共2 712個節(jié)點(diǎn)和2 625個單元，單元類型以四邊形和三角形為主。常見的裂隙的處理辦法目前有3種：一是將裂隙視為邊界條件，其滲透性遠(yuǎn)大于周圍土體，降雨時裂隙快速飽和[17]；二是將裂隙視為不同于土體的另一種均質(zhì)材料，其滲透性較大且豎向滲透能力比水平方向大[18-19]；三是前2種方法的綜合應(yīng)用，裂隙深寬較大采用第1種處理，反之采用第2種[17-18]。考慮室內(nèi)試驗(yàn)的情況，本文采用第2種方法，即將裂隙和土體分別賦值。由物理試驗(yàn)可得，4次降雨中，第1次降雨土體內(nèi)部水分的運(yùn)移最為典型，并且降雨持續(xù)階段濕潤鋒遷移較明顯，因此僅模擬1 d的降雨入滲過程，分析步時長為48 h，共48步，分析步時間采用指數(shù)增長。

5.2 數(shù)值模擬結(jié)果

數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)所得部分濕潤鋒見圖11，考慮到底部W5和W6測點(diǎn)第1天不會響應(yīng)，因此僅布置4個監(jiān)測點(diǎn)，所測的體積含水率見圖7。

圖11 室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值計算典型濕潤鋒Fig.11 Laboratory test and numerical calculationresults of typical wetting fronts

數(shù)值分析結(jié)果顯示，降雨開始后，主裂隙正下方測點(diǎn)(距坡表深度30 cm)體積含水率50 min左右迅速增加，達(dá)到峰值0.16后由快至慢降低，而次裂隙正下方監(jiān)測點(diǎn)(深度20 cm)體積含水率較主裂隙晚30 min響應(yīng)，表明主裂隙的存在使雨水在相同時間入滲的深度更大。中部測點(diǎn)(深度40 cm)體積含水率在第2天降雨后60 min也逐漸增加，與室內(nèi)試驗(yàn)增減趨勢基本吻合。從濕潤鋒隨時間的變化可知，降雨開始20 min，雨水通過裂隙快速到達(dá)土體深部，在裂隙底部周圍形成橢圓狀濕潤鋒，且越靠近裂隙其含水率越大。隨降雨歷程雨水持續(xù)下滲，且水平側(cè)滲也逐漸加強(qiáng)，導(dǎo)致濕潤峰擴(kuò)散區(qū)域增大(50 min)。降雨開始后120 min，次裂隙下方與裂隙間土體濕潤鋒融會貫通，主裂隙上部兩側(cè)與下部周圍土體濕潤鋒區(qū)域擴(kuò)大，而中間兩側(cè)土體未受到雨水的浸濕。由于降雨結(jié)束，裂隙下方含水率較高區(qū)域的雨水繼續(xù)入滲，補(bǔ)償含水率較低的干土，受總降雨量的限制，入滲速度快速降低。12 h時，主、次裂隙濕潤鋒在土體中連成一片，且裂隙下方濕潤鋒深度較無裂隙處更大。室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值計算所得的濕潤鋒曲線雖有所出入，但整體趨勢相同。

圖12 典型濕潤鋒Fig.12 Typical wetting fronts

6 討 論

結(jié)合室內(nèi)降雨試驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果，降雨初始階段，雨水不僅在土體表層入滲，且能通過裂隙到達(dá)土體內(nèi)部，在裂隙周圍形成橢圓狀濕潤鋒，見圖12(a)。降雨結(jié)束后，雨水在土體內(nèi)部由快至慢繼續(xù)運(yùn)移。分析認(rèn)為，裂隙的存在可以為雨水更快地滲透到土體深部提供優(yōu)先路徑，雨水使深層土壤含水率持續(xù)增加。當(dāng)降雨持續(xù)一段時間后，靠近裂隙周圍土體逐漸飽和，一旦降雨結(jié)束，暫態(tài)飽和區(qū)雨水繼續(xù)滲入到周圍干土中，補(bǔ)償含水率較低區(qū)域，使土體中含水率均勻分布。第2次降雨后，部分土體中含水率較初始值高，對雨水下滲形成阻礙作用，再加上雨水繼續(xù)補(bǔ)償?shù)?次降雨后含水率增加但未飽和區(qū)域，使雨水到達(dá)各測點(diǎn)的時間滯后，且除了主裂隙下方(L40)大部分截面的入滲速率明顯下降。原因在于第2次降雨的雨水在裂隙中形成“水柱”(見圖11)，在高水壓力的作用下使裂隙下方土體加速下滲。值得注意的是第1次降雨后，裂隙中部兩側(cè)土體很長一段時間未受到雨水的浸濕，而僅在上部裂隙兩側(cè)和裂隙底部下滲，如圖12(b)，結(jié)合均質(zhì)型與裂隙型堆積體在L30截面(圖10)的入滲速率和深度可知，裂隙具有一定角度，部分雨水沿裂隙壁往兩側(cè)水平入滲，使得在此截面入滲深度較大。

7 結(jié) 論

通過對均質(zhì)型與裂隙型堆積體進(jìn)行室內(nèi)降雨試驗(yàn)和數(shù)值計算，并結(jié)合土體內(nèi)部體積含水率、基質(zhì)吸力及濕潤鋒的遷移速率的變化趨勢，得到以下成果：

(1)裂隙型堆積體在降雨1 h和觀測23 h的整個時間段內(nèi)，其濕潤鋒遷移變化趨勢可歸納為入滲加速→峰值→入滲減速→趨向于0。

(2)主-次裂隙的存在為降雨入滲提供了有利的滲流路徑，雨水可快速滲透到土體深部，在裂隙周圍形成暫態(tài)飽和區(qū)，降雨一旦停止，飽和區(qū)雨水將繼續(xù)入滲，補(bǔ)償其他區(qū)域。

(3)主、次裂隙之間在降雨過程中會相互影響，表現(xiàn)為裂隙間土體受兩側(cè)裂隙壁雨水的擴(kuò)散其入滲速度和深度較大。裂隙下方和裂隙間土體濕潤鋒會相互貫通，在土體內(nèi)連成一片。一次降雨后，內(nèi)部含水量存在一個最大影響深度，達(dá)到該深度后入滲速率趨于0。

(4)降雨在裂隙型發(fā)育的堆積體中的入滲過程可分為4個階段，即前期完全入滲(降雨開始1 h內(nèi))、裂隙下方強(qiáng)烈入滲(1～24 h)、補(bǔ)償加速入滲(第2次降雨期間)及水平側(cè)滲(6 h—試驗(yàn)結(jié)束)。

本文僅考慮了裂隙發(fā)育形態(tài)對降雨入滲的影響，成果可為進(jìn)一步探討在強(qiáng)降雨作用下堆積體中裂隙發(fā)育是否會誘發(fā)深層滑坡提供參考。