水力效應(yīng)下的亞高山草甸土溜滑破壞試驗

鄧遠東， 郭 健， 易鵬飛

（1.成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059；2.四川省地質(zhì)工程勘察院集團有限公司，成都 610072）

0 引 言

近年來，我國的高寒草甸面積正大規(guī)模地減少，其中半數(shù)已退化為次生裸地或毫無經(jīng)濟價值的典型“黑土灘”，并且草甸消減的速度不斷趨高［1］。這很大一部分原因歸于高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性以及草甸土淺層溜滑破壞。亞高山草甸土的溜滑破壞不僅影響到當?shù)厝嗣竦纳钏剑矊е略摰貐^(qū)水土流失、土地荒漠化等生態(tài)問題頻發(fā)［2］。

亞高山草甸土的溜滑破壞是一種廣義的水土破壞［3］。國內(nèi)外學者們對草甸土的研究大多針對草甸土結(jié)構(gòu)及力學性質(zhì)，范昊明等［4］以凍融作用為自變量，討論了草甸土孔隙度、土容重、抗剪強度以及滲透性等因變量的變化特點；胡東［5］對張承高速草甸土一系列力學指標進行室內(nèi)測定，通過這些指標反映出其結(jié)構(gòu)復雜無序，滲透系數(shù)大，親水性較好，工程力學強度低等特點。對草甸土的土體破壞研究，國內(nèi)外也開展了較多關(guān)于破壞機理的研究工作。楊吉山等［6］發(fā)現(xiàn)，坡面坡度是重力破壞的主要控制因素，小型崩落、瀉溜、小型滑塌等是發(fā)生在土體淺層重力破壞的主要類型，土體風化、降雨、溝坡坡度、黃土節(jié)理等是主要影響因素。黃細超等［7］對誘發(fā)淺層滑坡的地下水作用機理進行了討論，總結(jié)了淺層滑坡治理方法，并提出了經(jīng)濟有效的滑坡治理措施。常金源等［8］為了解降雨入滲過程對邊坡穩(wěn)定性的影響，分別建立了相關(guān)概念模型和推導了相關(guān)表達式，提出了邊坡飽和臨界時間的概念。王一兆等［9］基于非飽和滲流理論，對淺層滑動面的滲透系數(shù)和孔隙水壓力進行了分析，得出了邊坡淺層滑動面穩(wěn)定性的變化規(guī)律。

本文以川西高原典型亞高山草甸土溜滑破壞現(xiàn)象為試驗原型，通過建立概念模型設(shè)計室內(nèi)物理模型，模擬亞高山草甸土在降雨條件下發(fā)生溜滑破壞的過程，從而解釋水力效應(yīng)下亞高山草甸土溜滑破壞機理，為亞高山草甸土溜滑破壞的治理提供相關(guān)理論依據(jù)。

1 概念模型的建立及試驗設(shè)計

1.1 概念模型的建立

根據(jù)亞高山草甸土的剖面形態(tài)特征，可將亞高山草甸土體垂直由上至下分為草甸土層、風化層和母質(zhì)層［10］。草甸土層植物根系密布，滲透系數(shù)較大，可概化為多孔介質(zhì)含水層；而風化層多以殘坡積物為主，滲透性較草甸土層小了1個數(shù)量級以上，故風化層相對于草甸土層可以看作相對隔水層。大氣降水為區(qū)域地下水主要補給來源，隨著雨水下滲和側(cè)向流補給，坡腳和地勢低洼處的風化層表面地下水位會臨時雍高［11-12］。母質(zhì)層基本不透水，故概化為隔水邊界。綜上所述，可將溜滑破壞概念模型看作是淺層的無限邊坡模型，具體見圖1。

圖1 溜滑破壞概念模型

1.2 試驗設(shè)計思路

室內(nèi)物理試驗的土體材料可用相似材料來模擬，試驗時的土體坡度可人為控制。但室內(nèi)試驗條件有限，實驗規(guī)模較小，所以可將試驗箱左右邊界概化為零通量邊界，即為隔水邊界；下邊界為基覆面，可概化為自由排水邊界。

由淺層溜滑破壞的概念模型可知，破壞最先發(fā)生在坡腳，此處的地下水臨時飽和帶雍高，是接受了坡體上方大面積的降雨入滲側(cè)向補給導致的，因此這種地下水臨時雍高的現(xiàn)象很難通過室內(nèi)模擬降雨來實現(xiàn)。為此，可在試驗模型坡體的上方加一個側(cè)向定水頭，間接模擬天然降雨條件下的地下水臨時飽和帶雍高；通過孔隙水壓力計和土壤水壓力傳感器來獲取實驗過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，用來揭示水力效應(yīng)下的亞高山草甸土溜滑破壞機理。

1.3 試驗儀器

物理模擬試驗設(shè)備采用滑坡模擬試驗儀。該儀器長2.2 m、寬0.45 m、高0.8 m，其主要構(gòu)成包括給水排水溢流箱、控制性邊界箱體、主體模型箱、測壓管、儲水箱、高清攝像頭，水泵，見圖2。由圖2可知，給排水溢水箱位于控制性邊界箱體兩邊的側(cè)邊，試驗中向部件編號5和6供水，通過搖動可升降裝置來控制其高度，從而可以代替降雨來人為設(shè)置控制主體模型箱內(nèi)的控制性邊界箱體中水頭高度［13］。

圖2 物理模型試驗裝置示意圖

實驗過程中，滑坡模擬試驗儀已有的測壓管已經(jīng)不能滿足試驗的需求，為了研究風化層表面徑流形成后土體的力學參數(shù)和水文參數(shù)，在試驗過程中埋設(shè)了其他測量儀器，包括西安微正電子科技公司的CYY9微型土壓力傳感器，CYY2微型孔隙水壓力傳感器，16通道數(shù)據(jù)采集卡等。為了測量土體位移的大小，在模型正上方安裝了真尚有ZLDS200小量程高速激光掃描傳感器。

1.4 供試土壤及等比例模型制作

（1）土樣準備。根據(jù)相似性原則，需滿足Cf=1=Cr（Cf為摩擦相似系數(shù)，Cr為容重相似系數(shù)），即天然含水率一致，級配相似，容重一致，滲透性一致，然后進行相似材料反復選擇試驗［14］。在野外（川西高原甘孜州新都橋至雅江一線）采集試驗原狀草甸土，通過再重塑為黏土、碎石、原狀土根系三部分，然后按照60∶20∶35的比例配置，保證相似材料孔隙度大、導水性能好。

（2）制作模型。按照亞高山草甸土垂向結(jié)構(gòu)特征，為保證試驗模型與地質(zhì)原型一致，將試驗模型設(shè)置為3層，底層為滑床（母質(zhì)層），使用紅磚和水泥砂漿堆砌搭建出地形坡度，表面用水泥砂漿抹平；中間層為風化層，采用碎石黏土鋪設(shè)；頂層為草甸土層，采用重塑后的原狀土根系鋪設(shè)。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，溜滑多發(fā)生在陡緩交界處附近，且坡度約為15°～25°，模型的坡度采用后緣陡前緣較緩的凹坡，坡度由25°緩慢過渡到15°，隨后逐漸趨于平緩，如圖3所示。

圖3 試驗模型示意圖

（3）傳感器鋪設(shè)與激光位移計布置。在土層的坡頂、坡中、坡腳各放置一組傳感器，傳感器分別是孔隙水壓力計和土壓力計?？紫端畨毫τ嫻潭ㄔ陲L化層表面，開口面向坡腳，用粗砂將探頭覆蓋，防止堵塞；土壓力計側(cè)向放置，監(jiān)測面面向坡頂，以測定上層土體壓力變化。試驗箱體上側(cè)中間的塑料橫杠左側(cè)布置攝像頭、右側(cè)布置激光位移計。

1.5 試驗步驟

（1）連接計算機終端，調(diào)試好數(shù)據(jù)采集卡進行采集。

（2）試驗開始時，將試驗定水頭高度設(shè)置為1 cm，待穩(wěn)定10 min后開始試驗。水頭從1 cm開始，每120 s水頭升高1 cm，但水頭高度不超過草甸土層厚度（10 cm），直到發(fā)生溜滑后停止升高水頭。

（3）觀察坡體破壞過程，在坡體完全破壞后，停止供水，中止數(shù)據(jù)采集并導出監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 位 移

通過對溜滑破壞的實時拍攝，將試驗中各時段的破壞情況進行總結(jié)并通過影像資料分析溜滑破壞的位移情況。試驗使用兩臺攝影設(shè)備以鳥瞰和立面的形式對溜滑破壞過程進行記錄。通過立面圖對溜滑破壞過程的全貌進行監(jiān)測，取典型的4個時刻，即溜滑破壞初始階段、初期階段、中期階段、后期階段。

通過鳥瞰俯視圖利用紅外標準線作為土體不同時刻、階段位移的參照（見圖4）。t=0 s時，土體處于原始狀態(tài)；t=259 s時，坡腳位置出現(xiàn)滲水，說明此時壤中流已經(jīng)形成，但坡體還未發(fā)生位移變形；t=442 s時，在臨空面出現(xiàn)土體少量滑落的現(xiàn)象；t=451 s時，坡體開始出現(xiàn)明顯的大面積溜滑破壞，最大位移距離15 cm。

圖4 溜滑破壞位移圖

2.2 土壓力

土壓力變化見圖5，水頭高度從1 cm開始時，坡腳、坡中和坡頂土壓力初始值分別為2.03、1.71、1.42 kPa。2 min時水頭升高到2 cm，經(jīng)過一定的響應(yīng)時間后，土壓力逐漸上升，這是土體逐漸飽水自重增加的過程。在出現(xiàn)滲水即風化層表面徑流流出時（t=259 s），此時坡腳、坡中和坡頂土壓力值分別為3.39、3.08、2.76 kPa。在坡腳破壞時（t=442 s），此時水頭高度為4 cm，各斷面土壓力值達到最大值，坡腳、坡中和坡頂土壓力值分別為4.63、4.47、4.22 kPa。9 s后土體整體溜滑，此時土壓力開始快速減小，最終在完全滑移之后（t=513 s）土壓力基本歸為0值。

圖5 土壓力變化曲線圖

2.3 孔隙水壓力

孔隙水壓力的趨勢線可以直接反映臨時飽和帶的情況，圖6為孔隙水壓隨時間的變化圖。水頭高度從1 cm開始時，坡腳、坡中和坡頂孔隙水壓力初始值分別為75、83、97 Pa。在t=152 s時，水頭高度增加到2 cm，此時坡腳土壤水流到達監(jiān)測點。在出現(xiàn)滲水即風化層表面徑流流出時（t=259 s），此時坡腳、坡中和坡頂孔隙水壓力值分別為0.226、0.244、0.263 kPa。在坡腳破壞時（t=442 s）時，坡腳孔隙水壓力達到峰值，為0.372 kPa。坡腳破壞后，滲水量同時增加；在整體溜滑（t=513 s）之后，孔隙水水壓力快速減小直至穩(wěn)定。

圖6 孔隙水壓力變化曲線圖

3 討 論

由于試驗的主要干擾條件是人為地給試驗土體增加了一個側(cè)向定水頭，而隨著水頭高度的增加，在風化層表面產(chǎn)生的臨時飽和帶是土體發(fā)生溜滑破壞的主要因素，而該帶對土體產(chǎn)生的作用有物理作用、化學作用以及力學作用［15］。化學作用主要是水體中的化學成分對于草甸土生長的影響，表現(xiàn)在氮、磷等養(yǎng)分可以改善高寒草甸植物的生長環(huán)境［16-17］。因此，化學作用在本次試驗中的影響微乎其微，可以忽略。對土體的物理作用有兩方面，一是可以軟化滑動面（草甸土與風化帶界面）；另是降低土體力學強度。由于在試驗開始前已將定水頭高度設(shè)置為1 cm，且穩(wěn)定10 min后才開始試驗，臨時飽和帶已經(jīng)形成且對土體的物理作用已經(jīng)存在，故在試驗開始后臨時飽和帶對土體的物理作用為不變因素。綜上所述，臨時飽和帶造成土體發(fā)生溜滑破壞的作用表現(xiàn)在力學作用上。

臨時飽和帶對土體的力學作用表現(xiàn)為飽和帶內(nèi)側(cè)向流的動水壓力作用和增加的自重，而試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示動水壓力的作用較為明顯，其作用力大小可表達為

其中：Gd為滲透力（N）；γw為水體容重（N/m3）；J為水力坡度；V為水的體積（m3）。

因為試驗箱的坡度是不變的，則動水壓力的變化和水體容重正相關(guān)。從圖6可知，當在坡腳破壞（t=442 s）時，坡腳孔隙水壓力達到峰值0.372 kPa，說明此時的臨時飽和帶的高度已經(jīng)達到臨界值，產(chǎn)生的動水壓力剛好可以使坡腳處的土體滑移破壞。故不斷增加的動水壓力是亞高山草甸土溜滑破壞的主因。

4 結(jié) 論

根據(jù)亞高山草甸土的室內(nèi)溜滑破壞物理模擬試驗，分析討論后得出以下結(jié)論：

（1）當坡腳滲水時土壤中流形成，此后臨時飽和帶高度隨著試驗設(shè)置的水頭高度的增加而不斷增加。當實驗設(shè)置的水頭調(diào)整到4 cm，從溜滑破壞位移圖可知，t=442 s時，在臨空面出現(xiàn)土體少量滑落的現(xiàn)象；t=451 s時，坡體開始出現(xiàn)明顯的大面積溜滑破壞，說明臨時飽和帶的增高是草甸土發(fā)生溜滑破壞的誘因。

（2）當臨時飽和帶達到臨界高度時坡腳開始發(fā)生破壞，在t=442 s時坡腳土壓力和孔隙水壓力分別達到峰值4.63 kPa、0.372 kPa，此時臨時飽和帶內(nèi)側(cè)向流產(chǎn)生的動水壓力也達到峰值，平行于滑動面的動水壓力推動草甸土層向臨空面發(fā)生位移破壞，下滑的草甸土塊與后方的土塊拉裂，堆積在臨空面附近，如此反復，草甸土將發(fā)生逐級解體，并堆積在坡腳。故側(cè)向流產(chǎn)生的動水壓力是土體發(fā)生溜滑破壞的主因。

需要指出的是，本試驗通過在試驗箱的坡體上方加了一個側(cè)向定水頭，來代替因降雨入滲產(chǎn)生的臨時飽和帶雍高，因為在室內(nèi)難以模擬大面積降雨入滲-匯集-堆積的過程，未來研究可考慮通過野外試驗來監(jiān)測天然降雨條件下亞高山草甸土降雨入滲以及溜滑破壞的特征。