强降雨作用下堆积碎石土渗流规律研究

董辉;罗潇

【摘 要】Heavy rainfall can change the permeability characteristics of aggregate gravel soil,which is the keyfactor triggering landslides,mudslides and other type of rainfall

induced disasters.This paper explores the

made

dynamicmechanism of landslide induced by rainfall infiltration.Selfone

dimensional permeameter and two

dimensional slope model are

used for the representative gradation gravel soil test close to Shuizuwan Tunnel.Then,further research focuses on the seepage regulation of aggregate through Seep/w software.The results show that:there is a step

ladder trend between wetting front and time curve.More

specifically,wetting front migration rate canrapidly increase with the sudden increase of the topsoil moisture to a maximum.It can slowly decrease withincreased pressure.Finally the wetting front migration rate can slightly increase with the decreased pressure.Theaverage rate of wetting front migration approaches a linear growth with the increased rainfall intensity.Developmentof soil settlement deformation passes through three stages.They are slow growth,sharply rises and graduallystagnation.The one

dimensional infiltration rate has a

power,logarithmic and linear relations with the slope infiltration rates at top,middle and toe of the slope,respectively.The final depth of rainwater infiltration is the toeof slope,the top of slope and mid

slop in order

descending.%强降雨致堆（残坡）积碎石土渗透特性改变是触发滑坡、泥石流等

降雨诱发型灾害的关键因素。为探究降雨入渗诱发滑坡的动态机制，通过自制一维渗透仪与二维边坡降雨入渗模型，对水竹湾隧道旁具有级配代表性的碎石土进行强降雨入渗试验，并通过 Seep／w软件进一步分析堆积碎石土湿润锋迁移入渗规律。研究结果表明：一维入渗深度－时间曲线存在阶梯状趋势，即湿润锋迁移速度首先随表层土含水率的突增迅速增加至最大值，然后缓慢减小，最后湿润锋迁移速度略微增大；湿润锋平均迁移速率随雨强的增大趋近线性增长；碎石土沉降变形在入渗过程中经历缓慢增长、急剧增大、逐渐停滞3个阶段；坡顶、坡腰及坡脚处入渗速率与一维入渗速率分别满足指数关系、对数关系及线性关系；雨水最终入渗深度由大到小依次为坡脚、坡顶、坡腰。 【期刊名称】《工程地质学报》 【年(卷),期】2015(000)004 【总页数】8页(P616-623)

【关键词】碎石土;滑坡;渗透特性;渗透仪 【作 者】董辉;罗潇

【作者单位】湘潭大学 土木工程与力学学院 湘潭 411105; 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室 成都理工大学 成都 610059;湘潭大学 土木工程与力学学院 湘潭 411105 【正文语种】中 文 【中图分类】O319.56

堆积碎石土是风化卸荷、残坡积等复杂成因形成的第四纪土与石块的二重介质混合体，其作为坡体物质或滑体物质广泛分布于我国构造运动强烈的西南及西北地区。

降雨型滑坡的研究一直是国内学者的研究热点(胡明鉴等， 2002)。彭世真(2006)调查发现岩土边坡失稳大部分发生在雨季或暴雨之后。李宁等(2012)运用非饱和土VG模型与改进的Green-Ampt入渗模型对Mein-Larson降雨入渗模型进行改进，提出了降雨诱发浅层滑坡的简化计算模型。该模型既运用了非饱和土的特性，又考虑了坡面倾角对雨水入渗的影响，且能用于两种降雨形式下的边坡浅层稳定性估算。由于堆积碎石土物质组成复杂性，结构分布不规则性，其渗流规律难以测定。因此，探究堆积碎石土的渗流规律对估算强降雨形式下碎石土边坡稳定性至关重要。 为了探究土体的渗流规律，通常采用室内试验方法测定土体的渗透系数(周小军等， 2012)。目前，常用TST-70型常水头渗透仪测试粗粒土的渗透系数(中华人民共和国行业标准编写组，1999)。由于TST-70型常水头渗透仪内径较小而碎石土粒径大，导致尺寸效应显著，无法准确测定堆积碎石土体的渗透系数。Barden et al.(1971)研制了能够同时测定土试样透气性系数和透水性系数的三轴渗透仪。周中等(2006)利用正交实验的方法，通过自制常水头渗透仪，测定了土石混合体的渗透系数，分别分析了孔隙比、含石量及颗粒形状对堆积碎石土渗透系数的影响，得出了含石量对土石混合体渗透系数影响最大。上述试验方法仅测量出土体的渗透系数，不能观测水分在土体的入渗过程。另外，对于堆积碎石土这种物质组成复杂和结构分布不均匀的二重介质混合体的渗流规律研究仍处于探索阶段。因此，从一维入渗试验和二维入渗试验两个方面探究强降雨条件下堆积碎石土渗流规律具有一定理论价值，其对探求滑坡启动预报模型提供试验依据。

为此，本文研制了探究堆积碎石土渗流规律的一维渗流仪和二维边坡降雨入渗模型。同时，选用湖南长株潭城际铁路湘潭段水竹湾隧道洞口斜坡堆积碎石土，模拟人工降雨，研究湿润锋深度随时间的变化规律，分析雨强对入渗速率的影响。最后本文运用非饱和土VG模型与试验参数，利用Seep/w软件建立边坡入渗模型，进一步分析不同雨强对湿润锋迁移速度的影响。研究成果将有助于了解强降雨作用下碎石

土边坡的变形破坏机制及其雨水入渗机理，为类似实际工程提供参考依据。 1.1 一维渗流仪

本文设计了由恒压循环供水系统、渗透沉降发生系统和测量系统3个部分组成的一维渗流仪(图1、图2)。 1.1.1 恒压循环供水系统

恒压循环供水系统(图3)由变频恒压供水泵、供水箱和供水管道等组成，水路管道均安装流量控制阀。水通过恒压供水泵从供水箱内抽出，经水泵出水口的三通接头，一端流向降雨喷头，另一端流回供水箱。通过调节流量控制阀，达到不同雨强，实现模拟人工降雨功能。由于自来水中含有气泡会对实验产生影响，需采用沸水进行试验。

1.1.2 渗透沉降综合发生系统

渗透沉降综合发生系统由沉降测量装置、土体入渗装置和支撑收集装置组成。沉降测量装置包括雾状降水喷头、位移传感器、沉降杆和有机玻璃透水板。雾状降水喷头位于圆筒上盖正中央。位移传感器固定在圆筒上盖有机玻璃槽中，其最小测量精度为0.01mm。在模拟降水过程，土体发生沉降变形，透水板下沉，位移传感器产生读数。土体入渗装置主要由内径300mm，高度850mm的有机玻璃圆筒制成。在圆筒侧壁安装4个阀门，用于连接压力测量装置。在底盖设有渗流孔，用来收集渗流水量。支撑收集装置包括支撑底座、测量铁架台与收集装置。支撑底座用角钢焊接而成，位于发生装置下方。测量铁架上标有刻度，可精确调整上下水头差，满足试验要求。 1.1.3 测量系统

测量系统主要测量水头压力、流量及土体变形。为避免毛细现象的影响，玻璃管内径为10mm。在圆筒一侧安装4根间距为100mm测压管，确保测量结果精准。流量主要采用体积法或质量法。利用电子称测量水量，采用秒表计时，并计算流量。

土体变形由沉降测量装置量测。 1.2 二维边坡降雨入渗模型

二维边坡降雨入渗模型试验(图4)是在自制的矩形模型槽内进行，模型槽骨架由槽钢、角钢和螺栓焊接而成，其尺寸为：长4m×宽3m×高2.5m，模型槽框架的3个侧面封闭，留有一个侧面和顶面敞开，便于模型成型和降雨实施，模型槽的宽度方向设计成一侧可伸缩式，可满足不同尺寸的模型试验。为了便于模型成型以及定量观测整个滑坡试验过程，模型槽框架内侧固定18mm厚的钢化玻璃，且在钢化玻璃外侧面上进行了红线网格划分，网格大小为5cm×5cm。

降雨系统主要由恒压循环供水系统、喷头以及管道支撑等组成。通过调节供水流量阀门调节降雨强度，通过调节供水量和喷头位置可以调节降雨范围。整个供水管道4榀框架，每榀框架既当作供水管道，又是自身的稳定支撑，是由内径20mm厚的铸铁管、内径25mm厚的钢丝软管、三通转换接头、阀门、止水卡箍以及止水带等连接而成。降雨喷头采用的是圆锥雾喷型喷头，该喷头发射的雨滴直径较小且分散性较好，不会对坡面产生很大的冲击力，从而造成溅蚀破坏影响试验结果。 1.3 土样选取与试验方案 1.3.1 土样选取

为了更好探究碎石土的渗流规律，原材料的选取至关重要。图5 为水竹湾隧道旁的堆积碎石土。室内实验测定的碎石土基本物理指标见图6 和表1。

在进行一维入渗试验时，根据中华人民共和国行业标准编写组(1999)要求，渗透仪圆筒内径必须大于试样最大粒径的10倍。邱贤德等(2004)认为渗透试验试样的直径不能小于碎石土最大粒径的5～6倍。朱国胜等(2012)研究粗粒料渗透试验尺寸效应规律，得出渗透仪直径与试验材料d85 之比值不宜小于6(d85 为粒径曲线纵坐标上小于某粒径含量为85%所对应的粒径)。综合以上成果，选择粒径小于60mm的土样进行试验(天然级配的特征值d85 为28.9mm)。结合杨润田(1982)

对碎石土的研究成果，在此将粗料定义为大于2mm的固体颗粒，其含量用P2表示。土样按比例等质量替换超粒径颗粒。

1.3.2 试验方案

一维入渗试验和二维入渗试验依据水竹湾隧道洞口斜坡的坡积碎石土基本物理指标，分别设计了连续性短历时强降雨条件下，堆积碎石土的入渗试验(表2)。据李媛等(2004)和姚晓阳等(2012)研究可得，边坡降雨入渗模型试验中坡度的选取尤为重要，根据模型槽实际尺寸经综合考虑将模型试验坡度设定为22°。两种入渗试验首先依据试验要求采用水平分层击实法进行成样，每层土样之间进行刮毛，保证土样的均匀性与整体性，让其静置24h。然后，组装各系统，标定试验要求雨强，模拟人工降雨。再利用摄像机记录试验过程及现象，记录湿润锋迁移距离与时间的关系。一维入渗试验还需对土样由下至上进行低水头饱和，静置12h后测量碎石土渗透系数k。

2.1 一维入渗深度与时间关系

通过观测不同时间湿润锋所处深度，得出水分入渗速率，进而分析雨强对入渗速度的影响。图7 为不同降雨强度下，湿润锋迁移距离、湿润锋迁移速率分别与时间的关系曲线。因试验雨强小于土体渗透系数，土表未出现积水。在入渗初始阶段，土表层含水率急剧上升，在重力梯度与水压梯度的共同作用下，入渗速率很大，湿润锋迁移深度显著增加。随着入渗深度的增加，入渗时间的延长，入渗速度慢慢降低，最后趋于稳定。因此雨强为1.2mm·min-1 曲线在6～24min和42～51min范围及雨强为1.6mm·min-1 曲线在30～45min范围出现近似水平段(图7)。这是由于渗透深度的增加，渗透路径的延长，水头损失，摩擦及基质吸力的变大所导致的。在经历湿润锋推移速度急剧降低与基本停滞阶段后，土体内部孔隙通道在渗

透力长期作用下逐渐疏通，孔隙通道的连通性增加，入渗速率增大。试验表明，随着雨强的增大，平均入渗速率增大，入渗过程中湿润锋迁移出现停滞的时间逐渐缩短。当雨强增至2.0mm·min-1，雨强产生的水力势能很大，入渗速率仅呈现缓慢降低趋势。

2.2 一维入渗碎石土下沉与时间关系

沉降变形与时间的关系经历3个阶段。鉴于碎石土自重作用，试样在静置过程中颗粒骨架结构不断调整趋于稳定，并且碎石土颗粒对水分入渗响应具有滞后性。水分入渗初始阶段，碎石土变形不大，不同雨强下的沉降速率均小于3×10-3mm·min-1，沉降量缓慢增加(图8)。随着雨水不断入渗，水与土逐渐融合，颗粒骨架结构重新调整，内部渗透力和自重应力增加，土体颗粒被雨水浸润软化且部分溶解，因此在雨水渗透整个土样后，沉降突增，土体明显变形。最后，沉降变形随时间发展逐渐停滞，总沉降量维持在4mm左右。由于雨强增大，相同时间碎石土的入渗量增加，水土耦合作用更加显著。碎石土发生急剧沉降变形的时间逐渐提前 (图8)。随着雨强(1.2mm·min-1、1.6mm·min-1、2mm·min-1)的逐渐增大，最大沉降变形速率分别发生在100min、70min与50min。 2.3 二维边坡降雨入渗深度与时间的关系

在进行二维边坡降雨入渗模型试验过程中，同时对坡顶、坡腰及坡脚处入渗情况进行了统计，并计算出1.6mm·min-1 雨强下入渗深度、入渗速度与时间关系曲线(图9)。

由入渗深度图像分析可知，入渗深度最大的是坡脚，其次是坡顶。边坡3处的入渗深度并不是持续增大，而是增大到一定值后稳定(坡顶37cm，坡腰20.5cm，坡脚55cm)。随着降雨时间的持续，边坡表面饱和，形成地表径流，表层碎石土内形成了径流通道，降下的雨水以坡表径流的方式及通道汇流很快流向坡脚，在坡顶和坡腰的停留时间很短，因此，坡顶和坡腰处的雨水几乎没有足够的入渗时间，直

接流失，所以在入渗一定深度后几乎不再下渗。同时，坡顶和坡腰的降雨向坡脚汇集停留，导致坡脚处的入渗深度最大。

分析降雨滑坡入渗速度，3处位置的入渗速度变化规律基本一致，在开始降雨阶段，下渗速度是最快的，随着降雨历时的增加，在降雨前一小时内入渗速度急剧下降，之后，入渗速度虽有波动，整体上缓慢减小，最终收敛于0mm·h-1。坡顶和坡腰速度稳定是因为雨水几乎不再下渗，而坡脚处入渗速度稳定是因为在降雨4h后坡脚处已经全部渗透达到饱和。 2.4 一维与二维入渗速率对比分析

虽然一维入渗仪测出的碎石土入渗速度在一定条件下反应碎石土的真实入渗速度，但碎石土滑坡在降雨入渗时存在水平方向入渗、坡表径流等因素，因此，探讨一维入渗渗透速度与边坡降雨入渗速度之间的关系是必要的。

对比图7 和图9，一维入渗渗透速度与边坡降雨入渗速度在变化趋势上基本一致，但在数值上却存在很大差别。因此，在实际工程及科研中直接用室内渗透实验测出的入渗速度作为降雨滑坡过程中边坡的入渗参数是不科学的。为了研究这两者之间的关系，以同样的入渗深度(坡顶37.5cm，坡腰20.5cm，坡脚50cm)为基点，测出入渗同样深度时两种情况的入渗速度，以室内渗透实验测出的入渗速度为横坐标，边坡降雨模型槽试验时入渗速度为纵坐标，探究两者之间的函数关系。

1.6mm·min-1 降雨强度的具体图形(图10)。图中折线为实测结果，曲线则为函数拟合结果。从图中可以发现，碎石土边坡两者入渗速度在坡顶、坡腰及坡脚有明显差别。虽然3个图中都有个别点比较离散，但并不影响折线的总体变化趋势，因此可以通过曲线拟合来进一步探究两种速度之间的具体函数关系。

观察图10a，实测结果折线变化趋势大致接近于指数变化，因此，采用指数函数对其进行拟合，拟合结果发现两者之间基本上满足下式(拟合度74.61%)： 其中，y为坡顶入渗速度(cm·h-1)； x为渗透实验入渗速度(cm·h-1)。

对于图10b，折线符合对数函数变化趋势，因此用对数函数进行曲线拟合，拟合后基本满足下式(拟合度71.46%)：

其中，y为坡腰入渗速度(cm·h-1)；x为渗透实验入渗速度(cm·h-1)。

最后，坡脚入渗速度关系，发现两者之间有明显的线性关系，采用线性多项式拟合(拟合度88.9%)满足：

其中，y为坡脚入渗速度(cm·h-1)； x为渗透实验入渗速度(cm·h-1)。

通过以上探究可知，对于同一碎石土边坡，不同部位的降雨入渗情况是不一样的，室内渗透实验测出的入渗速度也不能直接用于工程。研究发现这两种速度之间在坡顶、坡腰及坡脚处分别满足指数关系、对数关系及线性关系。相比之下坡脚处的入渗速度与室内渗透实验所测速度更为接近，这是由于雨水汇流至坡脚且无流失，几乎全部入渗，这与室内渗透实验情况类似。同样，在1.2mm·min-1、

2.0mm·min-1 降雨强度下也满足以上3种关系，区别在于数值大小，此处不再赘述。

为了进一步探究雨水在碎石土边坡内部的入渗过程，本文采用Seep/w对二维边坡降雨入渗模型试验进行入渗试验模拟，对比分析模拟结果与试验结果差异。数值模拟利用Van Genuchten模型(VG)来描述非饱和土的两个水力特性，Van Genuchten(1980)关于土-水特征曲线的函数表达式为：

式中，θ为体积含水率(%)； ψw为孔隙水压力(kPa)；为ψw的绝对值; θs为饱和含水率(%)； θr为残余含水率(%)； n， m，α是曲线形状参数，且m=1-1/n，α的单位是(kPa)。 孔隙水压力水头为：

式中，hw为孔隙水压力水头(m)； γw为水的重度(N·m-3)。数值模型尺寸与试验模型一致，即坡顶1500mm、坡脚500mm、坡长4000mm、坡度22°。边坡顶部根据雨强大小设定无积水流量边界，周壁为不透水边界，由于土柱顶、底部与大

气相通，在土柱顶、底部设定气压边界条件为0kPa。数值计算采用4节点四边形等参单元模拟，共10230个单元， 9750个节点。通过实验根据水竹湾隧道洞口斜坡的坡积碎石土基本物理指标设定参数，具体参数(表3)。

图11为入渗量测数据与数值模拟数据的对比。对比结果表明：坡顶、坡腰、坡脚数值模拟的湿润锋迁移曲线走势与物理试验大致相同。该数值模型具有较好的可靠性与适用性。试验过程中，坡顶、坡腰、坡脚入渗深度的稳定值分别为37cm、20.5cm、55cm。这是由于碎石土孔隙结构中存在一定封闭的气泡，其阻碍了雨水在土体内部的连续性。只有在长时间、一定强度连续降雨作用下，“水力梯度”克服孔隙中气泡的阻力及土中黏滞阻力，湿润锋才能继续向下迁移。坡腰上的雨水由于地表径流的产生，一部分流向到坡脚。因此，在经历5h降雨后，边坡最终入渗深度由大到小依次为坡脚、坡顶、坡腰。而在数值模拟过程中，虽然湿润锋迁移曲线走势与试验大致相同，但由于数值模型未考虑碎石土内部结构在入渗过程中发生的动态变化以及孔隙中封闭气泡的阻力，坡顶与坡腰的湿润锋迁移速率、最终入渗深度明显比试验值要大。试验过程中，坡顶与坡腰的雨水一部分流向了坡脚。因此，数值模拟坡脚处湿润锋迁移速率比试验值要小。

(1)堆积碎石土一维垂直入渗深度-时间曲线呈阶梯状。无积水状态下，湿润锋平均推移速度随雨强(1.2mm·min-1、1.6mm·min-1、2mm·min-1)的增大呈线性增长。 (2)一维垂直入渗时，碎石土沉降变形主要经历缓慢增长、急剧变形和逐渐停滞3个阶段。随着雨强(1.2mm·min-1、1.6mm·min-1、2.0mm·min-1)的增加，碎石土发生最大土体变形的时间由100min缩短到50min。

(3)通过对坡顶、坡腰和坡脚3处的入渗速度与一维垂直入渗速度的对比，发现在坡顶、坡腰及坡脚处分别满足指数关系、对数关系及线性关系。观察可知，坡脚处的入渗速度最接近于一维入渗试验的入渗速度。

(4)试验过程中，坡顶与坡腰的雨水一部分流向边坡坡脚，最终入渗深度由大到小依次为坡脚、坡顶、坡腰。

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