四川理县欢喜村冰水堆积体降雨条件下变形机理研究

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(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059；2.同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092)

1 研究背景

岷江上游河谷两岸分布众多大型、特大型冰水堆积体，如汶川白土坎堆积体、茂县万村堆积体、理县欢喜村堆积体、理县桃坪堆积体等。据大范围实地调查显示，该流域内冰水堆积体近几年表现出明显的复活变形迹象，部分已发生局部滑动破坏，如小岐村滑坡、将军碑滑坡。针对其复活变形影响因素，冯文凯教授等[1-3]早期研究得出主要为降雨、地震，且降雨影响程度更强。

目前，关于降雨型坡体变形、滑坡的研究成果颇为丰富，短期强降雨[4-6]、突发性[7-8]是其呈现出的典型特征。由于该流域段具有干暖河谷型气候特征[9-10]，降雨量少、蒸发量大，常年降雨监测并未出现极端恶劣天气，故而降雨对冰水堆积体复活变形的影响方式、程度与以往研究成果必然有所不同。针对此类现象，杜杰等[11]、黄家华等[12]、曾琳洁[13]等学者采用数值模拟、室内外试验等手段对该流域内冰水堆积体进行了一定程度的研究，研究成果展现出冰水堆积体的基本物理力学特性，但有关降雨作用下堆积体变形破坏过程、模式并未给出合理解释，变形、物理力学特性、土体结构三者间相互作用关系模糊；此外，研究过程中未充分考虑研究区内特殊气候环境，导致研究对象脱离实际地质环境，部分研究成果与实际情况存在一定差异。

基于前人研究成果及不足，本文选取岷江支流杂谷脑河内一处典型点——理县欢喜村冰水堆积体作为研究对象，根据实际变形特征，结合室内外试验、降雨渗流数值分析，系统研究降雨作用下宏观变形-力学性质-细观结构三者间的相互关系，分析降雨对冰水堆积体变形的作用机制及特征。

2 堆积体概况

2.1 地质环境条件

欢喜村冰水堆积体位于理县薛城镇欢喜村，杂谷脑河右岸，高程1 582～1 834 m，两侧分别以冲沟、变形陡坎为界。堆积体右侧地形起伏变化较弱，属平直坡面斜坡，坡度约25°；左侧早期已发生失稳破坏(即将军碑滑坡)，呈内凹地形，滑坡后缘形成陡坎，高约10～15 m，前缘滑坡堆积体地势平缓；中部 “上缓下陡”，顶部缓坡平台坡度约12°～18°，农耕形成阶梯状微地貌，前缘陡倾，坡度约35°～45°，局部近直立。整体形态特征见图1。

图1 欢喜村冰水堆积体全貌Fig.1 Panorama of outwash deposits in Huanxi village

堆积体主要由角砾土、碎块石土组成，厚约40～60 m，土体级配较差，细粒组分(粉土、粉质黏土)含量较多，表层松散，随深度呈弱泥质胶结；下伏基岩为泥盆系危关群千枚岩，产状66°∠64°，节理裂隙较发育，裂面平直，如图2所示。据理县气象站资料显示：研究区垂直立体气候特征显著，年温差较小，日温差大，多年年均降雨量不足400 mm，呈双峰型分布，5月份、6月份、9月份为降水高峰期(如图3)。降雨量少、蒸发量大导致堆积体内无稳定地下水位，土体干燥，含水率极低，影响植被发育，坡面出现大面积裸露现象。

图2 冰水堆积体典型工程地质剖面图Fig.2 Typical engineering geological profile of outwash deposits body

图3 2014—2016年降雨监测情况Fig.3 Monitored rainfall in 2014-2016

2.2 变形特征

近十几年间，堆积体变形呈持续发展趋势，以拉张变形、渗流破坏变形为主，分布于堆积体中部及左侧滑坡体后缘陡坎。

图4 堆积体不同变形阶段特征Fig.4 Deformation characteristics of outwash deposit body in different stages

拉裂纹、拉裂缝分布于堆积体前缘或滑坡后缘陡坎处，规模小、延伸短。随变形持续时间增长，变形程度不断加深，早期拉裂纹、拉裂缝逐渐演变为拉裂槽，在前缘良好的临空条件作用下引起浅表层蠕滑变形破坏，形成潜在不稳定斜坡，不同变形阶段如图4所示。堆积体内共发育3处此类不稳定斜坡，分布于堆积体前缘，已出现强烈下错变形，导致斜坡前缘鼓胀，同时产生多条鼓胀裂缝，裂缝长约3～5 m，宽约10～20 cm。

2007年四川省地质调查院在理县地质灾害详查中已然发现该点出现较强变形迹象，将军碑滑坡早已形成，且后缘呈牵引式不断出现多期滑动。2008年汶川地震后据当地村民反映，地震对该堆积体并未造成直接破坏，原有变形规模也并未扩大。最近10 a间，堆积体的变形仍持续发展，当地特殊的气候特征、反复降雨-变形作用是变形发展的主要原因，逐年变形量的累积、叠加形成如今的变形特征。

图5 冰水堆积物矿物成分分析Fig.5 Mineral compositions of outwash deposits

3 土水作用结构损伤效应

冰水堆积体构建模式较为复杂，可简略概括为粗粒(角砾、碎石)与细粒(粉土、粉质黏土)的随机混杂组合，其中角砾、碎石主要为当地变质岩物理风化破碎岩块、碎屑，遇水物理、化学性质稳定，而充填于大颗粒孔隙间的细粒组分化学成分、结构等遇水反应强烈。

在上述条件下，实验设计2组细粒试样，第一组取天然状态，第二组充分饱水3 h，采用理学DMAX-3C衍射仪(Cu ，K，Ni滤光)对2组样品进行矿物成分检测，结果见图5。检测结果显示，细粒土主要由伊利石构成，含量超过50%，其次为绿泥石、石英，含少量斜长石、方解石、石膏；饱水后，伊利石、方解石、石膏检测含量呈不同程度下降，而石英检测含量上升，绿泥石、斜长石检测含量上下波动。根据衍射仪试验原理，此结果存在2种可能性：①组成矿物遇水部分溶解，致使同等检测面积下石英等难溶矿物占比增加；②遇水导致矿物颗粒发生重排列，衍射角θ改变，新生颗粒位置特征决定衍射信号的强弱，最终反映出检测结果的变化。

第二组试样饱水的同时，每隔0.5 d取饱水试样上清液，过0.25 μm的滤膜，通过离子色谱及电感耦合等离子体发射光谱仪测定阴阳离子浓度的变化值，检测结果见图6。

图6 阳离子和阴离子检测浓度随时间变化曲线Fig.6 Concentrations of cations and anions against saturation time

随饱水时间增加，上清液中阴阳离子浓度表现出不同的增长幅度。阳离子中Ca2+变化最明显，变幅达300 mg/L，其次为Mg2+和Na+，其余阳离子几乎无变化；阴离子中仅SO42-变幅较大，其余阴离子变化程度较弱。饱水0.5 d后，离子浓度增长幅度放缓，1.5 d后趋于稳定。

对比阴阳离子变化特征发现，如矿物遇水发生水解作用，则上清液中阴阳离子浓度应呈现出一定比例关系，而实际情况表明整个过程中阳离子浓度远远高于阴离子，电荷不平衡可说明一部分阳离子必然来源于其他方式。结合矿物成分检测结果可知，Ca2+和SO42-主要来源于石膏遇水溶解，方解石溶解量极低，黏土矿物(伊利石、绿泥石)颗粒表面呈负电性，双电层内吸附大量阳离子，扩散层中阳离子吸附半径大，作用力相对较弱，遇水后呈游离状流失，从而形成上清液中多余的阳离子，黏土矿物本身并未遇水分解。因此，天然试样、饱水试样矿物成分检测结果的变化特征则可得到合理解释，即：试样遇水后除石膏等极易溶解的矿物发生水解反应，矿物颗粒发生颗粒重排列，土体原生结构发生改变。

在天然、饱水状态下，采用电镜扫描(SEM)对试样细观结构变化进行验证，扫描照片见图7。

图7 不同试验条件下土体细观结构Fig.7 Mesostructure of soil under different test conditions

200倍镜头下天然试样扫描照片以白色亮色调为主，散乱分布黑色斑点，或暗灰色团块，扫描样整体呈凸出状，组成颗粒大小混杂，形态模糊，无明显排列规律,见图7(a)，由此说明天然状态下土体内矿物颗粒无序排列并形成大量孔隙及凹坑，整体结构表现为“蚁穴状”架空构造。将其放大至1 000倍，结构细部特征放大，照片颜色变暗，清晰可见片状或鳞片状黏土颗粒，颗粒间以面-面、点-面最低势能接触，此外结构中发育细小裂纹，其宽度约50～100 μm,见图7(b)。饱水处理后，200倍镜头下扫描照片整体颜色暗沉，试样表面明显下凹，犹如整体出现垮塌，结构散乱，并受孔隙水压力、孔隙气压力差影响形成大量集合体,见图7(c)；进一步放大1 000倍，颗粒接触关系改变，出现点-点竖向接触，且原有细小裂纹加宽，宽度增加至500～600 μm，裂纹两壁具有凹腔,见图7(d)。

电镜扫描对比结果与矿物成分检测、水土化学试验分析结果较为吻合，由此可说明水对冰水堆积体中粒间细粒土结构的确具有极大损伤，其中以物理浸润、弱化、解体为主，其次为化学溶解作用。由于试验饱水条件为静水环境，在实际降雨过程中渗流力还会带动颗粒产生位移，从而使结构损伤程度更甚。

4 强度试验检测

土体细观结构遇水损伤弱化，在强度上将呈现出衰减状态。采用自制人工降雨装置(见图8)现场模拟不同降雨强度，通过中剪试验(见图9)获得不同条件下土体强度特征及变化趋势，试验点位见图1。单次降雨量(用h表示)根据近2 a监测数据分别取常规值15，10，5 mm，降雨历时3～4 h，整个降雨过程中未出现积水现象，雨水充分入渗。剪切试样尺寸为15 cm×15 cm×20 cm，垂向应力为50，100，150 kPa，剪应力按最小刻度逐级加载，每30 s加一级，当剪切位移达到15 mm，或多次加载剪应力数值无明显变化，甚至出现回落则视为试验结束。降雨结束后测得不同降雨强度下土样含水率分别为6.5%～8.4%(h=5 mm)，11.2%～12.7%(h=10 mm)，14.4%～15.2%(h=15 mm)。

图8 人工降雨装置Fig.8 Schematic diagram of artificial rainfall device

图9 现场剪切试验Fig.9 In-situ shear test

图10 不同降雨条件下剪应力-剪切位移曲线Fig.10 Curves of shear stress vs. displacement under different rainfall conditions

试验所得不同含水率状态下试样剪应力-剪切位移曲线(见图10)显示：试样遇水抗剪强度下降显著，剪切过程中呈应变硬化特征。低剪应力下变形微弱，曲线斜率较大，该阶段主要为土体内孔隙及原有细小裂隙的压缩；随着剪应力增大，变形速率加快，在剪切中期角砾的滑动、翻滚使曲线出现轻微波动现象，破坏剪切断面(见图11)清晰可见角砾滑动擦痕。通过线性拟合剪应力-正应力关系曲线(见图12)，得出不同含水率土体内聚力c、内摩擦角φ分别为(33.9 kPa,21.4°)(h=5 mm)，(29.7 kPa,17.1°)(h=10 mm)，(26.9 kPa,14.1°)(h=15 mm)。可以看出随含水率升高，内聚力、内摩擦角均呈降低趋势，内聚力最终降幅20.6%，内摩擦角最终降幅34.1%。

图11 剪切断面破坏特征Fig.11 Failure characteristic of shear section

图12 不同正应力下土体抗剪强度Fig.12 Shear strength of soil under different vertical pressures

由于矿物成分检测及水土化学试验结果显示出黏土矿物含量较高，且遇水黏土矿物未受影响，仅极少量钙化物质溶解，水的润滑、软化致使颗粒错动、收缩，薄弱连接点形成裂纹或天然裂纹加宽，土体结构主要表现出物理性损伤；根据摩尔-库伦破坏准则，土体强度可分为黏聚强度c和摩擦强度σtanφ，而土体结构物理性损伤对摩擦强度的影响程度明显高于黏聚强度，故而形成内聚力下降速率低于内摩擦角的特征。

5 降雨-变形分析

5.1 降雨渗流分析

针对当前强变形范围，选取图1中1-1′剖面建立有限元渗流计算模型(见图13)，模型两侧为定水头边界，底部为不透水边界，坡面为单位流量边界(取8 mm/h)，降雨持时6 h，且在坡面如图13位置设有4处监测点，监测点深约1 m。

图13 堆积体有限元计算模型Fig.13 Finite element computation model of outwash deposits body

先采用Geo-Studio软件中SEEP/W模块进行渗流稳态分析，得出模型初始渗流场，在此基础上通过瞬态-父项分析获得不同降雨时步下地表浸润线变化(图14)及孔隙水压力变化特征(图15)。

图14 不同降雨时步下地表浸润线变化特征Fig.14 Variation characteristics of surface infiltration lines at different rainfall stages

图15 不同降雨时步下监测点孔隙水压力变化值Fig.15 Variation of pore-water pressure of different monitoring points at different rainfall stages

堆积体上缓下陡的地形特征导致不同坡面的差异性入渗，缓坡面降雨入渗量远大于地表径流量，陡倾坡面降雨径流量大于入渗量，由此导致降雨前期(图14(a))缓坡段表面已初步形成饱和浸润线，而陡倾坡段仍处于非饱和状态，或局部形成不连续浅层饱水浸润线。随着降雨持续进行，缓坡段饱和浸润线向深部扩展，其中斜坡近前缘以及缓坡中部变化最为明显(图14(b)、图14(c))，陡坡段浸润线连接成整体，深度无明显变化。对比监测点的孔隙水压力变化特征发现，降雨初始时4点孔隙水压力均出现不同程度变化，A点增加幅度最大，并在1.3 h左右趋于完全饱和；分别在降雨1,2 h时刻，B点、C点孔隙水压力突然增长，并在近乎一致的时刻达到饱和，A,B,C三点在饱和后孔隙水压力稳定于48～98 kPa；D点在降雨前3 h变化幅度均较小，之后出现快速增长，并在1 h后趋于稳定，但整个过程该点处孔隙水压力一直为负值，即陡坡段坡面饱和浸润线一直未达到监测点D所在深度，仅停留于表层20～50 cm厚度范围内。

5.2 变形机制及过程分析

结合前述分析结果，得出堆积体在降雨条件下变形机制及过程。

5.2.1 遇水结构损伤

由粗粒与细粒组成的冰水堆积体级配不良，细粒组分充填于大颗粒搭接形成的孔隙中。遇水后土体中部分易溶矿物将直接水解，破坏土体结构完整性，弱化结构骨架稳定性；与此同时，降雨入渗使矿物颗粒表面扩散层中Na+和Mg2+等阳离子脱离束缚，呈游离态流失，外层弱结合水膜变薄，自由水的润滑作用减小颗粒相互错动阻力，渗流力带动颗粒产生位移，从而导致土体结构遭受极大损伤，结构骨架遭受严重破坏，并产生细小裂纹或原结构中裂纹加宽、加深。当土体未达到完全饱和时，非饱和状态下孔隙水压力小于孔隙气压力，气压差使水、气界面向内弯曲，并产生沿弯液面切线方向向内的收缩力，故降雨入渗饱和过程中总相邻土颗粒挤压错动形成细小集合体。

5.2.2 强度衰减

土体结构的变化必将导致力学强度性能的极大弱化，抗剪强度衰减，c，φ呈不同幅度下降。当地特殊的气候环境使降雨后土中大部分水分短期内迅速蒸发，土体在前次降雨后形成“新”的结构，渗透性增大，二次降雨一方面使具有“新”结构的土体继续弱化，强度持续衰减；另一方面，降雨入渗深度增加，又将使最新入渗深度内原生结构土体受到扰动，以此推断常年降雨作用将导致降雨影响深度逐渐扩大。

5.2.3 地形特征形成差异变形

堆积体具有“上缓下陡”的地形特征，降雨过程中缓坡段表层易于饱和，随降雨的进行，饱和浸润线不断向深部扩展。在堆积体前缘良好临空面条件下，近前缘缓坡段表层饱水层在自重作用下朝临空面发生蠕变变形，土体强度衰减无法维持边坡稳定，从而在变形体后缘形成拉张裂缝，裂缝的产生为变形进一步发展创造条件。陡坡段受地形因素影响，入渗量小于径流量，坡面仍处于非饱和状态，土体受影响程度远小于缓坡段，形成变形体内维持稳定的锁固段，故而最终形成蠕变体后缘下错变形、前缘鼓胀的不稳定斜坡体。

5.2.4 环境条件控制变形持续发展

当地属干暖河谷气候，未出现极端降雨天气，降雨量少、蒸发量大的特征极大地限制堆积体单次降雨变形量，长期降雨干湿循环作用将促使变形裂缝继续发展，宽度、深度增大，与此同时蠕变体锁固段则逐渐减小，整体稳定性下降，变形速率将不断提升。当锁固段缩减至失稳临界值时，一场普通降雨即可导致变形体发生失稳破坏。

6 结 论

(1)冰水堆积体为粗粒与细粒的随机混杂组合，级配不良，细粒土主要由伊利石、绿泥石、石英构成，天然状态下具有蚁穴结构。遇水后土中矿物的溶解、渗流力带动颗粒重排列或产生位移共同导致土体结构损伤，且影响以后者为主，由此导致土体产生细小裂纹或原生结构面加宽，散体颗粒在孔隙水、气压力差下形成集合体。

(2)细粒组分结构的变化促使大颗粒间相互作用程度减弱，粒间水的润滑、软化进一步使土体整体抗剪强度呈现出极大衰减。降雨模拟试验结果显示：3级降雨量梯度下，最终内聚力降低20.6%，内摩擦角降低34.1%，内聚力下降幅度弱于内摩擦角。

(3)欢喜村冰水堆积体处于干暖河谷环境条件，其降雨作用下变形特征及机理与以往降雨型滑坡研究成果差异明显。降雨入渗引起的强度衰减与堆积体“上缓下陡”的地形条件共同作用导致堆积体近前缘浅表层朝临空面产生蠕滑变形，变形体后缘形成拉张裂缝。裂缝的发展为持续变形提供良好入渗通道，多次降雨-变形累计作用促使变形体前缘锁固段减小，最终将形成失稳破坏。