不同降雨強(qiáng)度作用下松散堆積體運(yùn)移試驗(yàn)研究

李朝模，張 鵬

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江上游水文水資源勘測(cè)局，重慶 404300)

1 概述

松散堆積體是由不同粒徑大小的土體或碎石塊共同構(gòu)成的松散巖土介質(zhì)。由于地震作用，山體的土體和石頭變得松散，破碎，從而形成松散堆積物。在降雨作用下，由于松散堆積體的結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生破壞，大量松散堆積物會(huì)以滑坡和泥石流的方式進(jìn)入河道[1]，通常會(huì)淤堵在排洪輸沙能力較差的平緩河段，從而阻礙河道泄洪能力，甚至?xí)苯佣聰嗪恿髁髀?，?yán)重影響到了山區(qū)河流防洪安全[2- 3]。所以開(kāi)展不同降雨強(qiáng)度作用下，研究松散堆積體變形失穩(wěn)特性的研究，對(duì)山區(qū)丘陵地區(qū)的松散堆積體災(zāi)變機(jī)理和防災(zāi)減災(zāi)十分重要。

目前，已經(jīng)有許多學(xué)者針對(duì)松散堆積體的變形失穩(wěn)特征做了大量的研究，并取得了頗豐的研究成果。金磊等[4- 5]研究了松散堆積體的力學(xué)特性跟隨塊石含量的變化規(guī)律。魏學(xué)利等[6]研究發(fā)現(xiàn)，泥石流不僅堆積在入湖口，還會(huì)以濁流的形式移至湖心。王灝等[7]研究了天然狀態(tài)和暴雨?duì)顟B(tài)下滑坡體的應(yīng)力位移和剪切應(yīng)變?cè)隽恐g的關(guān)系。余德強(qiáng)等[8]分別對(duì)泥石流堆積體隧道施工案例進(jìn)行分析并提出了相關(guān)的防治方法。張小寶等[9]變形體的發(fā)展演化過(guò)程進(jìn)行了機(jī)理分析，并通過(guò)軟件對(duì)變形體的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。茹永生等[10]研究了阿勒泰-干渠滑坡的形成機(jī)制以及提出了相應(yīng)的解決方案。肖坤等[11]利用單因素法研究了大比降強(qiáng)輸沙條件下水位的變化規(guī)律。孫一等[12]研究了極端降雨條件下，丘陵地區(qū)暴雨山洪的形成及致災(zāi)機(jī)理。邱瀟等[13]研究了縫隙發(fā)育對(duì)堆積體降雨入滲的影響。

由以上分析不難發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)松散堆積體的影響研究主要圍繞在含石率和降雨強(qiáng)度兩種不同的單一因素進(jìn)行的，不僅缺乏不同雨強(qiáng)下、不同含石率對(duì)松散堆積體失穩(wěn)影響的研究，還缺乏不同降雨條件與下墊面對(duì)松散堆積體失穩(wěn)影響的研究。因此，本文采用室內(nèi)人工降雨模擬試驗(yàn)，研究不同下墊面、不同降雨強(qiáng)度下和不同含石率下松散堆積體位移的變化規(guī)律，以期為預(yù)測(cè)松散堆積體失穩(wěn)和山洪防治提供理論和技術(shù)支持。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮囼?yàn)方案

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

為研究不同墊面、不同降雨強(qiáng)度和不同含石率條件松散體堆積體位移變化規(guī)律，利用自行組裝的模型試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展研究工作，該裝置示意圖如圖1所示。模型平臺(tái)的幾何尺寸為4000mm×2500mm×3000mm(長(zhǎng)×寬×高)。a、b、c和d為位移測(cè)量點(diǎn)。

圖1 裝置示意圖

2.2 試驗(yàn)方案

為了減小試驗(yàn)誤差，先去除野外松散堆積體中大于60mm的粗顆粒，再將60mm以下的顆粒塊曬干并混合均勻。

為研究不同含石量、不同雨強(qiáng)和不同墊面對(duì)松散堆積體的影響，含石率分別設(shè)計(jì)為10%、30%，下墊面分別采用草地墊面、松散體墊面和光滑墊面，模擬1、1.5、2mm/min的降雨強(qiáng)度。通過(guò)記錄坡體位移和水位變化特征及位移變化規(guī)律來(lái)分析含石量、雨強(qiáng)和下墊面對(duì)松散堆積體滑移的影響規(guī)律。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同降雨強(qiáng)度對(duì)松散堆積體運(yùn)移規(guī)律的影響

為了研究不同降雨強(qiáng)度對(duì)松散堆積體坡面表面水位變化的影響。分別選取降雨量為1、1.5、2mm/min，下墊面為草地、松散堆積體和光滑面，含石率為0%的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到在當(dāng)下墊面相同時(shí)，不同降雨強(qiáng)度作用下，隨著降雨歷時(shí)增加，水位高度變化的規(guī)律，如圖2—4所示。

圖2 下墊面為草皮時(shí)不同降雨量下的水位變化特性

由圖2—4可得，當(dāng)下墊面相同時(shí)，在不同降雨量的作用下，水位變化特性基本相同，當(dāng)降雨時(shí)間在0～10min時(shí)，水位增長(zhǎng)較為緩慢，增幅在4%～6%之間；降雨時(shí)間在10～30min時(shí)，水位增長(zhǎng)較塊，增幅在6%～10%之間；降雨時(shí)間在30～60min之間時(shí)，最大水位相差1mm，水位開(kāi)始趨于穩(wěn)定。所以，當(dāng)下墊面相同時(shí)，在不同降雨量的作用下，水位變化規(guī)律基本呈現(xiàn)出先緩慢、再劇烈、最終趨于穩(wěn)定的3個(gè)階段。

圖3 下墊面為松散體時(shí)不同降雨量下的水位變化特性

圖4 下墊面光滑時(shí)不同降雨量下的水位變化特性

當(dāng)降雨強(qiáng)度歷時(shí)相同時(shí)，降雨強(qiáng)度為2mm/min時(shí)的水位最先達(dá)到峰值，在水位達(dá)到峰值后又出現(xiàn)降低的情況，并且此后水位趨于穩(wěn)定沒(méi)有再次出現(xiàn)增加的趨勢(shì)。分析其原因在于，由于降雨強(qiáng)度較大，所以松散堆積體表面越容易出現(xiàn)裂縫，部分雨水經(jīng)由裂縫處流出，從而導(dǎo)致水位出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。由于松散堆積體在水位達(dá)到峰值之前就已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)破壞，所以降雨量在1、1.5mm/min時(shí)，松散堆積體的水位并沒(méi)有出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。由以上分析可得，不同的降雨量對(duì)松散堆積體的水位有明顯的影響。

3.2 不同墊面對(duì)松散堆積體運(yùn)移規(guī)律的影響

為了研究不同降雨強(qiáng)度對(duì)松散堆積體坡面表面水位變化的影響。分別選取下墊面為草地、松散堆積體和光滑面，降雨量為1、1.5、2mm/min，含石率為0%的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到在降雨量相同時(shí)，下墊面粗糙程度不同時(shí)，隨降雨歷時(shí)增加，水位高度變化規(guī)律如圖5—7所示。

圖5 降雨量為2mm/min時(shí)不同下墊面的水位變化特性

由圖5可得，下墊面為草地和松散堆積體時(shí)，降雨歷時(shí)在30min～40min之間，水位仍然保持緩慢增加的趨勢(shì)，在40min之后趨于穩(wěn)定；而下墊面為光滑面時(shí)，降雨歷時(shí)在30min時(shí)，水位就已經(jīng)達(dá)到峰值。由圖6可得，降雨歷時(shí)在前30min內(nèi)，下墊面為草地、松散堆積物和光滑面的水位分別增加了11.2、12.7、18.23mm。由圖7可得，當(dāng)降雨量最小，降雨歷時(shí)在前30min內(nèi)時(shí)，下墊層為光滑面的水位增長(zhǎng)速率為12.8%，遠(yuǎn)高于下墊層為草地和松散堆積物的水位增長(zhǎng)率(5%和8.5%)。由以上分析可得，在降雨量相同，下墊層為草地時(shí)，水位上升速度最慢，達(dá)到水位穩(wěn)定所需要的降雨歷時(shí)最長(zhǎng)，松散堆積物越不容易發(fā)生破壞。

圖6 降雨量為1.5mm/min時(shí)不同下墊面的水位變化特性

圖7 降雨量為1mm/min時(shí)時(shí)不同下墊面的水位變化特性

3.3 不同含石量對(duì)松散堆積體位移變化規(guī)律的影響

為了研究不同含石率對(duì)松散堆積體坡面表面位移變化的影響。分別選取降雨量為1.5、2mm/min，含石率為10%、30%的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到在不同雨強(qiáng)、不同含石量下，隨降雨歷時(shí)增加，不同標(biāo)記點(diǎn)下松散堆積體位移的變化規(guī)律如圖8—9所示。

圖8 降雨量1.5mm/min、含石量10%時(shí)松散堆積體位移隨降雨歷時(shí)變化

圖9 降雨量1.5mm/min、含石量30%時(shí)松散堆積體位移隨降雨歷時(shí)變化

由圖8—9可得，降雨歷時(shí)在前10min，松散堆積體的位移較小，位移量均不到1mm，隨著降雨歷時(shí)的增加，松散堆積體的位移基本呈現(xiàn)出指數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。降雨歷時(shí)在50min之后，a和b位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移量基本保持不變，c和d位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移量緩慢增加了不到1mm。分析其原因在于，隨著降雨歷時(shí)的增加，松散堆積體在b和c兩個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間出現(xiàn)張拉裂縫，導(dǎo)致a，b兩點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)沒(méi)有在滑動(dòng)體上，而c，d兩點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)在滑動(dòng)體上繼續(xù)滑動(dòng)。

對(duì)比圖8—9可得，在同一位移觀測(cè)點(diǎn)，當(dāng)降雨量相同時(shí)，含石量在30%的松散堆積體比含石量在10%的松散堆積體的位移量減少了0.5～1.8mm，說(shuō)明降雨量相同時(shí)，松散堆積體含石量越大，其累計(jì)位移量越小，所以松散堆積體的含石量越大越有利于防止松散堆積體失穩(wěn)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)雨強(qiáng)對(duì)松散堆積體滑動(dòng)運(yùn)移影響顯著，當(dāng)降雨量達(dá)到2mm/min時(shí)，土壤迅速達(dá)到飽和，在短時(shí)間內(nèi)形成徑流，洪水?dāng)y帶松散體滑動(dòng)運(yùn)移速度最快，泥沙沖刷現(xiàn)象最為明顯。當(dāng)降雨量在1mm/min時(shí)，由于水流下滲量大，河道被泥沙淤堵。

(2)下墊面的光滑程度對(duì)松散堆積體滑動(dòng)運(yùn)移具有較大影響。在相同降雨量下，下墊面為草地時(shí)，地表出現(xiàn)產(chǎn)匯流時(shí)間最長(zhǎng)，水位變化響應(yīng)速度最慢；而下墊面為光滑面時(shí)，地表產(chǎn)匯流歷時(shí)最短，且水位變化響應(yīng)速度最快。

(3)當(dāng)降雨強(qiáng)度和下墊面相同時(shí)，松散堆積體含石率越大，同一檢測(cè)點(diǎn)的位移量越小，說(shuō)明增加松散堆積體碎石塊的含量有利于防治松散堆積體滑動(dòng)運(yùn)移。

(4)本試驗(yàn)對(duì)防治松散堆積體失穩(wěn)造成的泥石流，洪澇等自然災(zāi)害具有參考價(jià)值。但是本試驗(yàn)僅設(shè)置了雨強(qiáng)為1、1.5、2mm/min；下墊面為草皮、松散體和光滑面；含石率為10%、30%的工況。若改變工況，可能會(huì)出現(xiàn)不同的試驗(yàn)結(jié)果。