浙江飛云江流域玄武巖殘積土滑坡降雨入滲柱狀實驗研究

張?zhí)?孫 強,李紹鵬,伍劍波,張 明,張晨陽

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心,江蘇 南京 210016;2.貴州能源產(chǎn)業(yè)研究院有限公司,貴州 貴陽 550025;3.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院,湖北 武漢 430074)

飛云江流域位于浙江省東南沿海地區(qū),常年遭受臺風暴雨襲擊,引發(fā)大量的地質(zhì)災害[1],造成嚴重的財產(chǎn)損失和人員傷亡。2004年,第14號“云娜”臺風在浙江樂清引發(fā)21處地質(zhì)災害,造成42人死亡, 288間房屋倒塌[2-3];2005年,“泰利”臺風在浙江省引發(fā)20處地質(zhì)災害,導致17人死亡,經(jīng)濟損失高達2 000萬元[4-5];2015年,13號臺風“蘇迪羅”在浙江省引發(fā)200多處地質(zhì)災害,造成4人死亡,臺風伴隨的暴雨是誘發(fā)滑坡災害的主要因素[6-7]。因此,基于降雨入滲規(guī)律研究飛云江流域滑坡災害特征,對相關管理部門防災減災工作具有重要的指導意義[8-10]。

飛云江流域廣泛發(fā)育玄武巖殘積土,該類土體松散,具有膨脹性、可塑性[11],在人類工程活動及強降雨作用下極易引發(fā)滑坡災害[12]。近年來,隨著極端氣候頻發(fā)和基礎設施的快速建設,玄武巖殘積層滑坡災害風險與日俱增。我國玄武巖滑坡研究始于20世紀90年代,目前,針對臺風暴雨引發(fā)的玄武巖殘積土滑坡災害相關研究較少[13]。為掌握玄武巖殘積土滑坡的成災機理,本文選擇玄武巖殘積土典型滑坡——馬濟頭滑坡,設計了降雨入滲柱狀實驗,模擬ABA和BAA不同降雨工況條件下土體內(nèi)地下水的入滲規(guī)律[14],對此類滑坡的防治及預警預報具有重要意義。

1 馬濟頭滑坡概況

馬濟頭滑坡位于浙江省溫州市文成縣大峃鎮(zhèn)城中村,受2014年9月“鳳凰”臺風影響,誘發(fā)群發(fā)性的滑坡3處。該滑坡前緣高程476 m,后緣高程500 m,高差約24 m,水平投影長約52 m,寬18～20 m,厚2～3 m,規(guī)模約3 010 m3,主滑方向67°?；碌匦紊暇徬露?坡度約27°,滑坡前后緣均為民房?；w物質(zhì)主要為呈散裂結構和碎裂結構的全風化-強風化玄武巖及其殘坡積物(圖1),呈黃色、棕黃色、灰綠色,松散,具可塑性,厚0.5～8.0 m。

2 柱狀實驗設計

2.1 實驗設置

設計的實驗裝置主要包括降雨模擬系統(tǒng)、土柱和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(圖2)。

圖2 設計實驗裝置照片F(xiàn)ig. 2 Photo of designed experimental equipment

(1)降雨模擬系統(tǒng)。包括供水裝置、降雨器和水頭觀測管。供水裝置采用自制的馬氏瓶,降雨器使用厚5 mm的有機玻璃板制成,均勻分布80個醫(yī)用注射器與針頭。實驗時,通過調(diào)整供水器的懸掛高度控制降雨強度。經(jīng)過擬定,降雨強度與供水器高度之間存在的關系式[15-16]為

y=0.025x2-8.35x+686.5,

(1)

式中:y為降雨強度,mm/h;x為降雨容器底部距地面高度,cm。

(2)土柱。容器為直徑30 cm,高150 cm的圓形有機玻璃筒,筒壁預設7個間隔分別為5 cm、10 cm、10 cm、10 cm、15 cm、20 cm和30 cm的小孔,放置土壤含水率傳感器(圖3)。玻璃筒中模擬樣品為現(xiàn)場采集原裝土,土柱高130 cm。

圖3 實驗土柱設計圖Fig. 3 Design drawing of experimental soil column

(3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。包括體積含水率傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置和筆記本電腦。體積含水率傳感器插入預設的7個小孔,定時監(jiān)測土柱不同深度的體積含水率,通過數(shù)據(jù)采集裝置實時傳輸?shù)焦P記本電腦中。

2.2 降雨模擬工況

據(jù)統(tǒng)計,飛云江流域約90%的殘積土滑坡發(fā)生在臺風暴雨期[6]。臺風期過境降雨量特征為:一次降雨事件持續(xù)時間約3天;臺風暴雨降雨中,降雨峰值一般在第二天到來,少數(shù)降雨峰值在第一天到來[17],該天平均降雨量可達300 mm,第一天及第三天降雨量較小,平均降雨量約50 mm[18-21]。根據(jù)上述特征,本實驗設置了ABA及BAA兩種降雨工況(表1)。

表1 臺風期降雨工況

3 樣品采集

實驗所取原狀土樣位于玄武巖殘積土滑坡體上,表層保留頂部土層根系。取土時,將玻璃柱直接壓進土層中,從四周挖掘,用塑料膜密封土柱樣品,運輸過程中在車廂內(nèi)鋪設稻草,防止破損(圖4)。

圖4 取土過程照片F(xiàn)ig. 4 Photos of soil sampling process

4 數(shù)據(jù)采集及處理

降雨期間隔1 min,降雨間隙期間隔10 min采集一次體積含水率數(shù)據(jù)。繪制深10 cm、20 cm、30 cm、45 cm、65 cm和95 cm的土體體積含水率隨時間變化曲線及不同工況3天降雨的濕潤鋒深度與時間關系曲線。

5 實驗結果

5.1 ABA降雨工況

5.1.1 土體體積含水率變化規(guī)律

ABA降雨工況下土體體積含水率變化曲線如圖5所示。10～20 cm處表層土體在降雨初期含水率達55%～60%,含水率迅速增加,與降雨強度相關性較低;間歇期,土體含水率迅速下降,10 cm處表層土體在第一天與第二天間隙期下降為38%,第三天下降為47%;20 cm處土體第一天與第二天間隙期下降為44%,第三天下降為55%;降雨周期內(nèi),10 cm和20 cm處表層土體含水率變化率近似相同。30 cm和45 cm處,降雨期內(nèi)土體含水率增加至40%～45%,含水率增加不隨降雨強度的變化而變化。含水率反應速率與降雨強度密切相關,第一天降雨期(50 mm/d),30 cm和45 cm處土體降雨1～3 h后,土體含水率快速增長,迅速達到穩(wěn)定狀態(tài);第二天峰值降雨期(300 mm/d),土體在降雨初期含水率迅速達穩(wěn)定狀態(tài);第三天降雨期(50 mm/d),土體含水率反應緩慢,上升幅度較小。65 cm和100 cm處土體含水率變化與降雨強度密切相關,第一天和第三天降雨期內(nèi)土體含水率增加存在一定的滯后性,第二天暴雨期土體含水率快速上升至65%。

圖5 ABA降雨工況下土體體積含水率變化曲線Fig. 5 Variation curves of soil volumetric water content under ABA rainfall conditions

綜上所述,在ABA降雨工況下,65 cm以下土體含水率的增加速率、比率與降雨強度、深度呈正比,在50 mm/d降雨期內(nèi)土體含水率隨深度增加而降低,在95 cm處土體含水率出現(xiàn)異常,接近或超過表層土體,與“臺風暴雨誘發(fā)的滑坡厚度一般<1 m”[15,21]的結論一致。

5.1.2 濕潤鋒變化規(guī)律

ABA降雨工況下3次降雨期濕潤鋒入滲曲線如圖6所示。3天的濕潤鋒曲線呈直線,入滲速度隨時間變化不明顯。第一天與第三天濕潤鋒曲線幾乎重合,200 min左右入滲到土體95 cm深度,入滲速率為10 mm/h。第二天峰值降雨入滲時,濕潤鋒在70 min即入滲到95 cm深度,入滲速率為30 mm/h,是第一天入滲速率的3倍。因此,推測ABA降雨工況下,玄武巖殘積土入滲速度與降雨強度呈正相關。

圖6 ABA降雨工況下濕潤鋒入滲曲線Fig. 6 Infiltration curves of wetting front under ABA rainfall conditions

5.2 BAA降雨工況

5.2.1 土體體積含水率變化規(guī)律

BAA降雨工況下的土體體積含水率變化曲線如圖7所示。第一天降雨期土體含水率接近50%,且隨深度的增加,含水率逐漸增加;第二天和第三天降雨期內(nèi)含水率與第一天降雨期內(nèi)含水率基本一致,但存在1～3 h的滯后性。間歇期內(nèi),土體含水率下降幅度較小,一般為3%～5%,30 cm以淺土體含水率下降幅度大于下部土體。

圖7 BAA降雨工況下土體體積含水率變化曲線Fig. 7 Variation curves of soil volumetric water content under BAA rainfall conditions

5.2.2 濕潤鋒變化規(guī)律

BAA降雨工況下3次降雨期濕潤鋒入滲曲線如由圖8所示。3天濕潤鋒曲線呈直線,入滲速度隨時間變化不明顯。第一天降雨期濕潤鋒速度最大,60 min之后濕潤鋒達土柱95 cm深度;第二天降雨160 min時,濕潤鋒入滲到95cm深度;第三天降雨130 min時,濕潤鋒入滲到95 cm的。第一天降雨入滲速度是后第二天和第三天入滲速度的2～3倍,與降雨強度的變化呈線性相關。

圖8 BAA降雨工況下濕潤鋒入滲曲線Fig. 8 Infiltration curves of wetting front under BAA rainfall conditions

6 結論

(1)降雨入滲柱狀實驗表明,玄武巖殘積土土質(zhì)松散,孔隙發(fā)育,極有利于降雨入滲,降雨入滲的深度和速率與降雨量呈正比,體積含水率最大達60%。隨著降雨入滲,玄武巖殘積土體積含水率迅速增大至最大值,保持飽和狀態(tài);隨著降雨停止,玄武巖殘積土體積含水率迅速回落。土柱越深,土體體積含水率減小幅度越小,土柱越淺,體積含水率減小幅度越大。

(2)高強度降雨分布時段不同,玄武巖殘積土體積含水率差異明顯。ABA工況下,降雨峰值期土體體積含水率響應速度比BAA降雨工況快;其余2天降雨期,BAA降雨工況下土體體積含水率響應速度比ABA降雨工況快。ABA降雨工況下,土體最大體積含水率為62%,BAA降雨工況下,土體最大體積含水率為52%。

(3)不同降雨工況,玄武巖殘積土滑坡成災機理不同。ABA降雨工況下,降雨期及間隙期土體含水率變化較大,干濕交替明顯,在暴雨期不同深度土體含水率相差較大,形成了差異性界面,為邊坡土體的啟動提供了滑動面?；嫔疃纫话慵s1 m,為飛云江流域玄武巖殘積土常發(fā)的滑坡類型。BAA型降雨工況下,不同深度土體含水率勻速增加,間隙期內(nèi)土體含水率變化不明顯,在突發(fā)暴雨情況下,玄武巖殘積土滑坡啟動的深度>1 m。