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(1.成都理工大學 地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059；2.同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092)

1 研究背景

岷江上游河谷兩岸分布眾多大型、特大型冰水堆積體，如汶川白土坎堆積體、茂縣萬村堆積體、理縣歡喜村堆積體、理縣桃坪堆積體等。據(jù)大范圍實地調查顯示，該流域內冰水堆積體近幾年表現(xiàn)出明顯的復活變形跡象，部分已發(fā)生局部滑動破壞，如小岐村滑坡、將軍碑滑坡。針對其復活變形影響因素，馮文凱教授等[1-3]早期研究得出主要為降雨、地震，且降雨影響程度更強。

目前，關于降雨型坡體變形、滑坡的研究成果頗為豐富，短期強降雨[4-6]、突發(fā)性[7-8]是其呈現(xiàn)出的典型特征。由于該流域段具有干暖河谷型氣候特征[9-10]，降雨量少、蒸發(fā)量大，常年降雨監(jiān)測并未出現(xiàn)極端惡劣天氣，故而降雨對冰水堆積體復活變形的影響方式、程度與以往研究成果必然有所不同。針對此類現(xiàn)象，杜杰等[11]、黃家華等[12]、曾琳潔[13]等學者采用數(shù)值模擬、室內外試驗等手段對該流域內冰水堆積體進行了一定程度的研究，研究成果展現(xiàn)出冰水堆積體的基本物理力學特性，但有關降雨作用下堆積體變形破壞過程、模式并未給出合理解釋，變形、物理力學特性、土體結構三者間相互作用關系模糊；此外，研究過程中未充分考慮研究區(qū)內特殊氣候環(huán)境，導致研究對象脫離實際地質環(huán)境，部分研究成果與實際情況存在一定差異。

基于前人研究成果及不足，本文選取岷江支流雜谷腦河內一處典型點——理縣歡喜村冰水堆積體作為研究對象，根據(jù)實際變形特征，結合室內外試驗、降雨滲流數(shù)值分析，系統(tǒng)研究降雨作用下宏觀變形-力學性質-細觀結構三者間的相互關系，分析降雨對冰水堆積體變形的作用機制及特征。

2 堆積體概況

2.1 地質環(huán)境條件

歡喜村冰水堆積體位于理縣薛城鎮(zhèn)歡喜村，雜谷腦河右岸，高程1 582～1 834 m，兩側分別以沖溝、變形陡坎為界。堆積體右側地形起伏變化較弱，屬平直坡面斜坡，坡度約25°；左側早期已發(fā)生失穩(wěn)破壞(即將軍碑滑坡)，呈內凹地形，滑坡后緣形成陡坎，高約10～15 m，前緣滑坡堆積體地勢平緩；中部 “上緩下陡”，頂部緩坡平臺坡度約12°～18°，農耕形成階梯狀微地貌，前緣陡傾，坡度約35°～45°，局部近直立。整體形態(tài)特征見圖1。

圖1 歡喜村冰水堆積體全貌Fig.1 Panorama of outwash deposits in Huanxi village

堆積體主要由角礫土、碎塊石土組成，厚約40～60 m，土體級配較差，細粒組分(粉土、粉質黏土)含量較多，表層松散，隨深度呈弱泥質膠結；下伏基巖為泥盆系危關群千枚巖，產狀66°∠64°，節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂面平直，如圖2所示。據(jù)理縣氣象站資料顯示：研究區(qū)垂直立體氣候特征顯著，年溫差較小，日溫差大，多年年均降雨量不足400 mm，呈雙峰型分布，5月份、6月份、9月份為降水高峰期(如圖3)。降雨量少、蒸發(fā)量大導致堆積體內無穩(wěn)定地下水位，土體干燥，含水率極低，影響植被發(fā)育，坡面出現(xiàn)大面積裸露現(xiàn)象。

圖2 冰水堆積體典型工程地質剖面圖Fig.2 Typical engineering geological profile of outwash deposits body

圖3 2014—2016年降雨監(jiān)測情況Fig.3 Monitored rainfall in 2014-2016

2.2 變形特征

近十幾年間，堆積體變形呈持續(xù)發(fā)展趨勢，以拉張變形、滲流破壞變形為主，分布于堆積體中部及左側滑坡體后緣陡坎。

圖4 堆積體不同變形階段特征Fig.4 Deformation characteristics of outwash deposit body in different stages

拉裂紋、拉裂縫分布于堆積體前緣或滑坡后緣陡坎處，規(guī)模小、延伸短。隨變形持續(xù)時間增長，變形程度不斷加深，早期拉裂紋、拉裂縫逐漸演變?yōu)槔巡?，在前緣良好的臨空條件作用下引起淺表層蠕滑變形破壞，形成潛在不穩(wěn)定斜坡，不同變形階段如圖4所示。堆積體內共發(fā)育3處此類不穩(wěn)定斜坡，分布于堆積體前緣，已出現(xiàn)強烈下錯變形，導致斜坡前緣鼓脹，同時產生多條鼓脹裂縫，裂縫長約3～5 m，寬約10～20 cm。

2007年四川省地質調查院在理縣地質災害詳查中已然發(fā)現(xiàn)該點出現(xiàn)較強變形跡象，將軍碑滑坡早已形成，且后緣呈牽引式不斷出現(xiàn)多期滑動。2008年汶川地震后據(jù)當?shù)卮迕穹从?，地震對該堆積體并未造成直接破壞，原有變形規(guī)模也并未擴大。最近10 a間，堆積體的變形仍持續(xù)發(fā)展，當?shù)靥厥獾臍夂蛱卣鳌⒎磸徒涤?變形作用是變形發(fā)展的主要原因，逐年變形量的累積、疊加形成如今的變形特征。

圖5 冰水堆積物礦物成分分析Fig.5 Mineral compositions of outwash deposits

3 土水作用結構損傷效應

冰水堆積體構建模式較為復雜，可簡略概括為粗粒(角礫、碎石)與細粒(粉土、粉質黏土)的隨機混雜組合，其中角礫、碎石主要為當?shù)刈冑|巖物理風化破碎巖塊、碎屑，遇水物理、化學性質穩(wěn)定，而充填于大顆粒孔隙間的細粒組分化學成分、結構等遇水反應強烈。

在上述條件下，實驗設計2組細粒試樣，第一組取天然狀態(tài)，第二組充分飽水3 h，采用理學DMAX-3C衍射儀(Cu ，K，Ni濾光)對2組樣品進行礦物成分檢測，結果見圖5。檢測結果顯示，細粒土主要由伊利石構成，含量超過50%，其次為綠泥石、石英，含少量斜長石、方解石、石膏；飽水后，伊利石、方解石、石膏檢測含量呈不同程度下降，而石英檢測含量上升，綠泥石、斜長石檢測含量上下波動。根據(jù)衍射儀試驗原理，此結果存在2種可能性：①組成礦物遇水部分溶解，致使同等檢測面積下石英等難溶礦物占比增加；②遇水導致礦物顆粒發(fā)生重排列，衍射角θ改變，新生顆粒位置特征決定衍射信號的強弱，最終反映出檢測結果的變化。

第二組試樣飽水的同時，每隔0.5 d取飽水試樣上清液，過0.25 μm的濾膜，通過離子色譜及電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定陰陽離子濃度的變化值，檢測結果見圖6。

圖6 陽離子和陰離子檢測濃度隨時間變化曲線Fig.6 Concentrations of cations and anions against saturation time

隨飽水時間增加，上清液中陰陽離子濃度表現(xiàn)出不同的增長幅度。陽離子中Ca2+變化最明顯，變幅達300 mg/L，其次為Mg2+和Na+，其余陽離子幾乎無變化；陰離子中僅SO42-變幅較大，其余陰離子變化程度較弱。飽水0.5 d后，離子濃度增長幅度放緩，1.5 d后趨于穩(wěn)定。

對比陰陽離子變化特征發(fā)現(xiàn)，如礦物遇水發(fā)生水解作用，則上清液中陰陽離子濃度應呈現(xiàn)出一定比例關系，而實際情況表明整個過程中陽離子濃度遠遠高于陰離子，電荷不平衡可說明一部分陽離子必然來源于其他方式。結合礦物成分檢測結果可知，Ca2+和SO42-主要來源于石膏遇水溶解，方解石溶解量極低，黏土礦物(伊利石、綠泥石)顆粒表面呈負電性，雙電層內吸附大量陽離子，擴散層中陽離子吸附半徑大，作用力相對較弱，遇水后呈游離狀流失，從而形成上清液中多余的陽離子，黏土礦物本身并未遇水分解。因此，天然試樣、飽水試樣礦物成分檢測結果的變化特征則可得到合理解釋，即：試樣遇水后除石膏等極易溶解的礦物發(fā)生水解反應，礦物顆粒發(fā)生顆粒重排列，土體原生結構發(fā)生改變。

在天然、飽水狀態(tài)下，采用電鏡掃描(SEM)對試樣細觀結構變化進行驗證，掃描照片見圖7。

圖7 不同試驗條件下土體細觀結構Fig.7 Mesostructure of soil under different test conditions

200倍鏡頭下天然試樣掃描照片以白色亮色調為主，散亂分布黑色斑點，或暗灰色團塊，掃描樣整體呈凸出狀，組成顆粒大小混雜，形態(tài)模糊，無明顯排列規(guī)律,見圖7(a)，由此說明天然狀態(tài)下土體內礦物顆粒無序排列并形成大量孔隙及凹坑，整體結構表現(xiàn)為“蟻穴狀”架空構造。將其放大至1 000倍，結構細部特征放大，照片顏色變暗，清晰可見片狀或鱗片狀黏土顆粒，顆粒間以面-面、點-面最低勢能接觸，此外結構中發(fā)育細小裂紋，其寬度約50～100 μm,見圖7(b)。飽水處理后，200倍鏡頭下掃描照片整體顏色暗沉，試樣表面明顯下凹，猶如整體出現(xiàn)垮塌，結構散亂，并受孔隙水壓力、孔隙氣壓力差影響形成大量集合體,見圖7(c)；進一步放大1 000倍，顆粒接觸關系改變，出現(xiàn)點-點豎向接觸，且原有細小裂紋加寬，寬度增加至500～600 μm，裂紋兩壁具有凹腔,見圖7(d)。

電鏡掃描對比結果與礦物成分檢測、水土化學試驗分析結果較為吻合，由此可說明水對冰水堆積體中粒間細粒土結構的確具有極大損傷，其中以物理浸潤、弱化、解體為主，其次為化學溶解作用。由于試驗飽水條件為靜水環(huán)境，在實際降雨過程中滲流力還會帶動顆粒產生位移，從而使結構損傷程度更甚。

4 強度試驗檢測

土體細觀結構遇水損傷弱化，在強度上將呈現(xiàn)出衰減狀態(tài)。采用自制人工降雨裝置(見圖8)現(xiàn)場模擬不同降雨強度，通過中剪試驗(見圖9)獲得不同條件下土體強度特征及變化趨勢，試驗點位見圖1。單次降雨量(用h表示)根據(jù)近2 a監(jiān)測數(shù)據(jù)分別取常規(guī)值15，10，5 mm，降雨歷時3～4 h，整個降雨過程中未出現(xiàn)積水現(xiàn)象，雨水充分入滲。剪切試樣尺寸為15 cm×15 cm×20 cm，垂向應力為50，100，150 kPa，剪應力按最小刻度逐級加載，每30 s加一級，當剪切位移達到15 mm，或多次加載剪應力數(shù)值無明顯變化，甚至出現(xiàn)回落則視為試驗結束。降雨結束后測得不同降雨強度下土樣含水率分別為6.5%～8.4%(h=5 mm)，11.2%～12.7%(h=10 mm)，14.4%～15.2%(h=15 mm)。

圖8 人工降雨裝置Fig.8 Schematic diagram of artificial rainfall device

圖9 現(xiàn)場剪切試驗Fig.9 In-situ shear test

圖10 不同降雨條件下剪應力-剪切位移曲線Fig.10 Curves of shear stress vs. displacement under different rainfall conditions

試驗所得不同含水率狀態(tài)下試樣剪應力-剪切位移曲線(見圖10)顯示：試樣遇水抗剪強度下降顯著，剪切過程中呈應變硬化特征。低剪應力下變形微弱，曲線斜率較大，該階段主要為土體內孔隙及原有細小裂隙的壓縮；隨著剪應力增大，變形速率加快，在剪切中期角礫的滑動、翻滾使曲線出現(xiàn)輕微波動現(xiàn)象，破壞剪切斷面(見圖11)清晰可見角礫滑動擦痕。通過線性擬合剪應力-正應力關系曲線(見圖12)，得出不同含水率土體內聚力c、內摩擦角φ分別為(33.9 kPa,21.4°)(h=5 mm)，(29.7 kPa,17.1°)(h=10 mm)，(26.9 kPa,14.1°)(h=15 mm)。可以看出隨含水率升高，內聚力、內摩擦角均呈降低趨勢，內聚力最終降幅20.6%，內摩擦角最終降幅34.1%。

圖11 剪切斷面破壞特征Fig.11 Failure characteristic of shear section

圖12 不同正應力下土體抗剪強度Fig.12 Shear strength of soil under different vertical pressures

由于礦物成分檢測及水土化學試驗結果顯示出黏土礦物含量較高，且遇水黏土礦物未受影響，僅極少量鈣化物質溶解，水的潤滑、軟化致使顆粒錯動、收縮，薄弱連接點形成裂紋或天然裂紋加寬，土體結構主要表現(xiàn)出物理性損傷；根據(jù)摩爾-庫倫破壞準則，土體強度可分為黏聚強度c和摩擦強度σtanφ，而土體結構物理性損傷對摩擦強度的影響程度明顯高于黏聚強度，故而形成內聚力下降速率低于內摩擦角的特征。

5 降雨-變形分析

5.1 降雨滲流分析

針對當前強變形范圍，選取圖1中1-1′剖面建立有限元滲流計算模型(見圖13)，模型兩側為定水頭邊界，底部為不透水邊界，坡面為單位流量邊界(取8 mm/h)，降雨持時6 h，且在坡面如圖13位置設有4處監(jiān)測點，監(jiān)測點深約1 m。

圖13 堆積體有限元計算模型Fig.13 Finite element computation model of outwash deposits body

先采用Geo-Studio軟件中SEEP/W模塊進行滲流穩(wěn)態(tài)分析，得出模型初始滲流場，在此基礎上通過瞬態(tài)-父項分析獲得不同降雨時步下地表浸潤線變化(圖14)及孔隙水壓力變化特征(圖15)。

圖14 不同降雨時步下地表浸潤線變化特征Fig.14 Variation characteristics of surface infiltration lines at different rainfall stages

圖15 不同降雨時步下監(jiān)測點孔隙水壓力變化值Fig.15 Variation of pore-water pressure of different monitoring points at different rainfall stages

堆積體上緩下陡的地形特征導致不同坡面的差異性入滲，緩坡面降雨入滲量遠大于地表徑流量，陡傾坡面降雨徑流量大于入滲量，由此導致降雨前期(圖14(a))緩坡段表面已初步形成飽和浸潤線，而陡傾坡段仍處于非飽和狀態(tài)，或局部形成不連續(xù)淺層飽水浸潤線。隨著降雨持續(xù)進行，緩坡段飽和浸潤線向深部擴展，其中斜坡近前緣以及緩坡中部變化最為明顯(圖14(b)、圖14(c))，陡坡段浸潤線連接成整體，深度無明顯變化。對比監(jiān)測點的孔隙水壓力變化特征發(fā)現(xiàn)，降雨初始時4點孔隙水壓力均出現(xiàn)不同程度變化，A點增加幅度最大，并在1.3 h左右趨于完全飽和；分別在降雨1,2 h時刻，B點、C點孔隙水壓力突然增長，并在近乎一致的時刻達到飽和，A,B,C三點在飽和后孔隙水壓力穩(wěn)定于48～98 kPa；D點在降雨前3 h變化幅度均較小，之后出現(xiàn)快速增長，并在1 h后趨于穩(wěn)定，但整個過程該點處孔隙水壓力一直為負值，即陡坡段坡面飽和浸潤線一直未達到監(jiān)測點D所在深度，僅停留于表層20～50 cm厚度范圍內。

5.2 變形機制及過程分析

結合前述分析結果，得出堆積體在降雨條件下變形機制及過程。

5.2.1 遇水結構損傷

由粗粒與細粒組成的冰水堆積體級配不良，細粒組分充填于大顆粒搭接形成的孔隙中。遇水后土體中部分易溶礦物將直接水解，破壞土體結構完整性，弱化結構骨架穩(wěn)定性；與此同時，降雨入滲使礦物顆粒表面擴散層中Na+和Mg2+等陽離子脫離束縛，呈游離態(tài)流失，外層弱結合水膜變薄，自由水的潤滑作用減小顆粒相互錯動阻力，滲流力帶動顆粒產生位移，從而導致土體結構遭受極大損傷，結構骨架遭受嚴重破壞，并產生細小裂紋或原結構中裂紋加寬、加深。當土體未達到完全飽和時，非飽和狀態(tài)下孔隙水壓力小于孔隙氣壓力，氣壓差使水、氣界面向內彎曲，并產生沿彎液面切線方向向內的收縮力，故降雨入滲飽和過程中總相鄰土顆粒擠壓錯動形成細小集合體。

5.2.2 強度衰減

土體結構的變化必將導致力學強度性能的極大弱化，抗剪強度衰減，c，φ呈不同幅度下降。當?shù)靥厥獾臍夂颦h(huán)境使降雨后土中大部分水分短期內迅速蒸發(fā)，土體在前次降雨后形成“新”的結構，滲透性增大，二次降雨一方面使具有“新”結構的土體繼續(xù)弱化，強度持續(xù)衰減；另一方面，降雨入滲深度增加，又將使最新入滲深度內原生結構土體受到擾動，以此推斷常年降雨作用將導致降雨影響深度逐漸擴大。

5.2.3 地形特征形成差異變形

堆積體具有“上緩下陡”的地形特征，降雨過程中緩坡段表層易于飽和，隨降雨的進行，飽和浸潤線不斷向深部擴展。在堆積體前緣良好臨空面條件下，近前緣緩坡段表層飽水層在自重作用下朝臨空面發(fā)生蠕變變形，土體強度衰減無法維持邊坡穩(wěn)定，從而在變形體后緣形成拉張裂縫，裂縫的產生為變形進一步發(fā)展創(chuàng)造條件。陡坡段受地形因素影響，入滲量小于徑流量，坡面仍處于非飽和狀態(tài)，土體受影響程度遠小于緩坡段，形成變形體內維持穩(wěn)定的鎖固段，故而最終形成蠕變體后緣下錯變形、前緣鼓脹的不穩(wěn)定斜坡體。

5.2.4 環(huán)境條件控制變形持續(xù)發(fā)展

當?shù)貙俑膳庸葰夂颍闯霈F(xiàn)極端降雨天氣，降雨量少、蒸發(fā)量大的特征極大地限制堆積體單次降雨變形量，長期降雨干濕循環(huán)作用將促使變形裂縫繼續(xù)發(fā)展，寬度、深度增大，與此同時蠕變體鎖固段則逐漸減小，整體穩(wěn)定性下降，變形速率將不斷提升。當鎖固段縮減至失穩(wěn)臨界值時，一場普通降雨即可導致變形體發(fā)生失穩(wěn)破壞。

6 結 論

(1)冰水堆積體為粗粒與細粒的隨機混雜組合，級配不良，細粒土主要由伊利石、綠泥石、石英構成，天然狀態(tài)下具有蟻穴結構。遇水后土中礦物的溶解、滲流力帶動顆粒重排列或產生位移共同導致土體結構損傷，且影響以后者為主，由此導致土體產生細小裂紋或原生結構面加寬，散體顆粒在孔隙水、氣壓力差下形成集合體。

(2)細粒組分結構的變化促使大顆粒間相互作用程度減弱，粒間水的潤滑、軟化進一步使土體整體抗剪強度呈現(xiàn)出極大衰減。降雨模擬試驗結果顯示：3級降雨量梯度下，最終內聚力降低20.6%，內摩擦角降低34.1%，內聚力下降幅度弱于內摩擦角。

(3)歡喜村冰水堆積體處于干暖河谷環(huán)境條件，其降雨作用下變形特征及機理與以往降雨型滑坡研究成果差異明顯。降雨入滲引起的強度衰減與堆積體“上緩下陡”的地形條件共同作用導致堆積體近前緣淺表層朝臨空面產生蠕滑變形，變形體后緣形成拉張裂縫。裂縫的發(fā)展為持續(xù)變形提供良好入滲通道，多次降雨-變形累計作用促使變形體前緣鎖固段減小，最終將形成失穩(wěn)破壞。