降雨入渗下岩堆细颗粒运移沉积物理模拟研究_姜思源.pdf
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1、第 42 卷第 2 期2023 年 3 月Vol.42No.2Mar.2023JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)河南理工大学学报(自然科学版)降雨入渗下岩堆细颗粒运移沉积物理模拟研究姜思源1,向喜琼1,2,李彦荣3,杨鑫婷2,王军义1,谭利丽1,吕亚东1(1.贵州大学 喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室,贵州 贵阳 550025;2.贵州大学 资源与环境工程学院,贵州 贵阳 550025;3.太原理工大学 矿业工程学院,山西 太原 030024)摘要:针对岩堆沿圆弧滑面滑动失稳破坏问题,开展降雨入渗下岩堆细颗粒运移
2、沉积物理模拟试验,揭示岩堆内部圆弧滑面形成过程,分析细颗粒在岩堆中的运移沉积规律和沉积结构形式,并基于大剪试验对骨架型岩堆进行稳定性分析,定性解释细颗粒分布与稳定性之间的关系。结果表明:在一定孔隙结构、细颗粒条件和水动力条件下,岩堆内的细颗粒易随地下水渗流路径迁移,形成岩堆内圆弧状相对隔水层;通过试验统计,岩堆中存在多级圆弧沉积面、浅表层圆弧沉积面和基底近直线圆弧沉积面,这些部位由粗粒土转变为碎石土,渗透系数降低,地下水入渗造成孔压、渗透压增大,内摩擦角降低,影响岩堆稳定性;对于崩塌之初以骨架型为主的岩堆,内部细颗粒的运移沉积可能引起岩堆的失稳破坏;基于高密度电法的贵州某岩堆实例探测可知,细颗
3、粒运移造成岩堆浅层滑坡的可能性较大。关键词:岩堆;细颗粒;运移;沉积;圆弧滑面中图分类号:P642.2文献标志码:A文章编号:1673-9787(2023)2-77-10Physical simulation study on the migration and deposition of fine particles in rock piles under rainfall infiltration conditionsJIANG Siyuan1,XIANG Xiqiong1,2,LI Yanrong 3,YANG Xinting2,WANG Junyi1,TAN Lili1,LYU Yad
4、ong1(1.Key Laboratory of Karst Geological Resources and Environment of Ministry of Education,Guizhou University,Guiyang 550025,Guizhou,China;2.College of Resources and Environmental Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,Guizhou,China;3.School of Mining Engineering,Taiyuan University of Techn
5、ology,Taiyuan 030024,Shanxi,China)Abstract:The physical simulation of the migration and deposition of fine particles in the rock pile under rainfall infiltration was carried out to address the problem of instability and failure of the rock pile along the circular sliding surfaces.The test revealed t
6、he formation process of circular sliding surfaces inside the rock pile,and the migration and deposition pattern of fine particles and the form of deposition structure was analyzed.Based on the large-sized shear test,the stability of the skeleton rock pile was analyzed,and the 姜思源,向喜琼,李彦荣,等.降雨入渗下岩堆细颗
7、粒运移沉积物理模拟研究 J.河南理工大学学报(自然科学版),2023,42(2):77-86.doi:10.16186/ki.1673-9787.2021010077JIANG S Y,XIANG X Q,LI Y R,et al.Physical simulation study on the migration and deposition of fine particles in rock piles under rainfall infiltration conditions J.Journal of Henan Polytechnic University(Natural Scien
8、ce),2023,42(2):77-86.doi:10.16186/ki.1673-9787.2021010077收稿日期:2021-01-18;修回日期:2021-03-26基金项目:国家自然科学基金资助项目(41877276);贵州省国土资源厅重大专项项目(贵州省重点地质灾害风险评价与管控示范);贵州省科技平台及人才团队计划项目(黔科合平台人才 2017 5402号)第一作者简介:姜思源(1996),女,贵州黎平人,硕士生,主要从事地质灾害评价研究。Email:通讯作者简介:向喜琼(1975),男,湖北宜昌人,博士,副教授,主要从事地质灾害评价与防治方面的教学和研究工作。Email:O S
9、 I D2023 年第 42 卷河南理工大学学报(自然科学版)results qualitatively explained the relationship between the distribution of fine particles and stability.The study showed that under certain pore structures,fine particle conditions and hydrodynamic conditions,the fine particles easily migrated with the groundwater se
10、epage path to form a circular relative water-resisting layer in the rock pile.According to the experimental statistics,there were multi-level circular depositional surfaces,shallow superficial circular depositional surfaces and basal sublinear circular depositional surfaces in the rock pile.These ar
11、eas were transformed from coarse grained soils to gravelly soils and the permeability coefficient was decreased.Groundwater infiltration caused an increase in pore pressure and osmotic pressure and a decrease in the angle of internal friction,which affected the stability of the rock pile.For rock pi
12、les that were mainly skeletal at the beginning of the collapse,the migration and deposition of internal fine particles might cause destabilization of the rock pile.Based on the detection of a rock pile in Guizhou by high-density electrical method,it was clear that the migration of fine particles was
13、 more likely to cause shallow landslides in rock piles.Key words:rock pile;fine particle;migration;deposition;circular sliding surface0引 言岩堆多位于高陡崩塌斜坡坡脚处,或分布在山岭区陡坡上、山麓下,是由大量小落石形成的岩屑堆积体1-2,具有一定活动性。受地表水下渗和基岩裂隙水影响,在一定外力作用下,岩堆易局部滑动,或沿基岩面整体滑动。试坑现场试验认为这种堆积体的形成与后缘陡崖瞬间后退有关3-4。形成初期,岩堆以碎块石为主,但由于其颗粒级配差,内部孔隙发育,结
14、构松散,具有非连续性、非均质性和各项异性等特点5,后期改造过程中易形成新的土体结构,并在外力扰动下失稳破坏。大量研究表明,降雨、地震、冻融等是触发岩堆失稳的重要因素6-10。地震通过动力响应使岩堆内碎石发生位置调整而失稳;冻融作用通过热胀冷缩使岩石裂解,其影响范围与土体结构的改变均主要发生在坡体浅表部。只有降雨入渗带动坡表细颗粒随水流迁移至岩堆体中,经长期改造,才能改变坡表或坡体深处的土体结构。近年来陆续出现关于细颗粒迁移与坡体稳定性之间关系的研究。王志兵等11基于泥石流试验认为细颗粒易随雨水入渗,堵塞孔隙,造成岩堆渗透性降低,引起坡体破坏;王保亮等12通过水槽试验证明细颗粒易积聚的区域更易发
15、生失稳。上述试验均为基于坡体结构的失稳机理研究,对于渗透系数大且以蠕滑破坏为主的堆积体,通过坡体破坏探究细颗粒与坡体稳定性的关系需要漫长的时间,因而是目前研究的难点。钻探、探槽等资料显示岩堆滑带内存在大量细颗粒13。野外地质调查、数值模拟等结果表明岩堆常沿坡体发生圆弧滑动14-16。岩堆以碎石为主,内部孔隙大,崩塌之初圆弧面并不存在,后期改造过程中逐渐形成圆弧面,目前少有关于圆弧面的研究。笔者在贵州工程实践中发现大量细颗粒在降雨条件下沿岩堆后缘陡崖进入岩堆内部,结合实际情况,初步分析认为岩堆圆弧滑动面是降雨入渗下细颗粒在大孔隙碎块石内运移沉积的结果。一定深度下,这种粗粒土岩堆由于细颗粒的运移沉
16、积使得某些部位具有碎石土特性。本文从岩堆内部结构变化出发,以坡度和细颗粒投入量为变量进行室内物理模拟试验,探究降雨入渗下岩堆内部细颗粒的运移沉积规律,以期揭示岩堆内圆弧面的形成过程,并定性分析圆弧面与力学参数间的关系,为岩堆内圆弧滑动提供一种可能的解释。1岩堆变形破坏模式堆积体变形过程以蠕变为主,具有蠕变特有的减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变 3个阶段,以坡体 是 否 出 现 贯 通 性 破 坏 面 判 断 达 到 的 破 坏 阶段17。常见 3种堆积体破坏方式为:(1)堆积体沿基床面整体滑动;(2)堆积体中裂缝贯通形成滑动面导致破坏;(3)基岩破坏致使堆积体破坏。其中第二种破坏形式最为常见18-
17、19。对于岩堆这种特殊的堆积体,由于孔隙粗大、结构松散,常沿其内部软弱面或基岩接触面发生局部或整体失稳破坏,少有因基岩破坏导致岩堆体破坏的案例。从大量工程实例可以看出,大部分基覆面可近似看作圆弧状,在岩堆体滑动后缘,滑壁多呈弧形,表明圆弧滑动是岩堆变形破坏的主要模式。根据物质组成、内部结构、孔隙发育程度、充填程度等特征将岩堆边坡分为不同类型。张辉5根据内部结构将岩堆边坡分为骨架型、充填型、悬浮型和类土型,在通过模型试验研究岩堆破坏机78第 2 期姜思源,等:降雨入渗下岩堆细颗粒运移沉积物理模拟研究理的过程中发现骨架型未出现圆弧滑面外,其他3 类岩堆均出现圆弧滑面,表明一定条件下新形成的岩堆无圆
18、弧滑面,内部结构发生改变才会形成圆弧滑面。这些条件主要如下。(1)孔隙结构。孔隙大小与颗粒大小、分选程度和排列方式有关。颗粒大小不一、分选差时孔隙较小,渗透系数也较小。细颗粒难以通过水的牵引流入岩堆内,而是堵塞岩堆表面孔隙形成坡面流,以径流形式流走。一定范围内,孔隙越大,喉道越连通,细颗粒越容易随地下水渗流吸附、堵塞或沉积在岩堆内部,由于水在孔隙结构内的流动具有多向性,导致细颗粒在岩堆内的分布也具有随机性,当某些孔隙被细颗粒填满时,可形成岩堆内的软弱结构面。孔隙过大时,细颗粒直接通过孔隙通道沉积在基底上,在基覆面上形成土岩分界面,内部无软弱结构面。(2)细颗粒条件。细颗粒大小及体积分数是岩堆内
19、形成软弱面的主要因素。细颗粒不均匀系数越大,颗粒粒径差就越大。在水流作用下,仅依靠吸附作用很难在孔喉中形成堵塞效应,只有当颗粒大小分布不一时,大颗粒堵塞孔喉,细颗粒才容易快速在大颗粒附近汇集形成堵塞,补给的细颗粒达到一定数量时,岩堆内各部分堵塞的孔隙可与岩石共同汇集成一个面,形成岩堆中的相对不透水层,水沿这些部分流动,软化泥化形成滑带。一般认为 0.075 mm 为土体中粗细颗粒的分界粒径,0.075 mm 为细颗粒,0.075 mm 为粗颗粒。研究目的不同,粗细颗粒界限粒径也不同,本文参考泥石流固体物质颗粒级配分类20-21,将2 mm作为岩堆粗细颗粒的分界粒径。(3)水动力条件。水动力条件
20、决定了细颗粒能否入渗到岩堆内部,以及细颗粒可达到的最远距离。水动力条件较差时,细颗粒受自身重力影响在岩堆表面沉积,形成覆土层;水动力条件较好时,细颗粒易克服自身重力被水流带走,向岩堆深层处运动,期间,细颗粒与岩块碰撞,动能损耗,最终在一定深度沉积下来,形成软弱带。水动力大小决定了细颗粒的沉积深度。根据工程地质分析原理23,渗透变形的水动力条件主要根据临界水力梯度Jcr判断,本文以是否发生潜蚀作为水动力条件优劣的判定标志,降雨入渗形成的水力梯度大于临界水力梯度代表水动力条件好,反之则水动力条件较差。Jcr=s-11+,(1)式中:s为土粒相对密度;为土的孔隙比。2试验设计岩堆内部孔隙粗大,为典型
21、的大孔隙多孔结构,细颗粒在其中的迁移过程较复杂,形成形态具有随机性。为探究这种大孔隙多孔结构的内部变化情况,控制岩堆横向分散性影响,将宽度固定,基于物理模拟试验探究岩堆内部细颗粒运移沉积规律与沉积结构特征。2.1试验水槽设计如图 1 所示,水槽内径长 70 cm、宽 20 cm、高80 cm,左右两侧均为厚 15 mm 的透明钢化玻璃,水槽底部为 1 cm 厚的钢板。水槽箱上部铰接有20 cm 20 cm 20 cm 的钢板制容器盒,用于放置土或细颗粒岩石,容器盒底端有 2 cm 高的开口,用于盒内细颗粒流出,容器盒后由螺母控制钢盒角度,控制细颗粒流出速率。2.2降雨设计人工降雨装置主要由水管
22、、0.54.0 L/min量程流量计和农业灌溉喷头组成(图 2),将水管安装在自来水水龙头处,用流量计调节水流量。基于降雨调试试验,该设备有效降雨面积 0.14 m2,降雨强度 20300 mm/h,满足试验要求。根据罗先启滑坡降雨试验22,喷头布置方式中组合系数取值 1.2R,R 为喷头横向喷洒半径。为保证降雨雾化效果,使雨水充分覆盖边坡模型,需在一定高度进行喷洒试验,获取最佳喷头布置方案。受试验模型箱限制,R=10 cm,相邻喷头间距 L=1.2R=1.210 cm=12 cm。根据以上原则确定最终微型喷头安装方案:喷头安置在模型箱顶部中轴线位置,间距 12 cm,共 3个。2.3物理模拟
23、模型试验设计岩堆安息角大小与其组成物质的岩性、岩块图 1试验水槽设计Fig.1Test tank design792023 年第 42 卷河南理工大学学报(自然科学版)大小、形状、表面特征等有关,在白云岩、灰岩地区,岩堆安息角为 2745,平均安息角为 36。依据张辉研究成果5,将岩堆划分为类土质岩堆和类岩质岩堆,其中类岩质岩堆以粒径 2050 cm 的碎块石为主,故以岩块相似比为 1 10的 25 cm白云岩、灰岩碎石为相似材料,根据控制变量法,选取天然休止角为极端情况的 27,45和平均值 36作为此次试验的 3个坡角变量。贵州地区以碳酸盐岩为主,成土作用主要形成红黏土,因此,本文将2 m
24、m作为岩堆粗细颗粒的分界粒径,将小于2 mm的红黏土和少量灰岩粉末混合作为细颗粒材料,按 10%,30%,50%,70%比例投入细颗粒。为满足细颗粒流入岩堆孔隙的水动力条件,选取暴雨工况(降雨强度 150 mm/h)进行 24 h 降雨试验,试验变量设计如表 1所示。通过对大量岩堆的调查发现,崩塌形成的岩堆表面颗粒粒径按偏析作用可分为坡顶小、坡脚大;从深浅角度看,岩堆颗粒的粒径呈上小下大趋势,块石土的分布范围远大于碎石土的,表层块石零星分布。在多数岩堆内也发现,大块石之间孔隙充填大量碎石,部分坡顶存在滑塌迹象,推测碎石充填与坡顶小范围滑塌有关,这为岩堆内细颗粒运移沉积提供了有利条件,可加快细颗
25、粒运移沉积形成堵塞。本文试验中可观测到细颗粒在坡顶浅表层沉积堵塞后,易在表层沉积形成覆土层,在降雨条件下,由于堵塞入渗而向径流转化,带动坡顶覆土沿表面孔隙较大的地方运移到岩堆中形成沉积,故认为岩堆粒径的偏析作用有利于形成深层滑带。参考工程地质分析原理中有利于潜蚀结构的研究结果(疏松结构土粒直径:孔隙直径2.4,紧密结构6.4),岩堆中,只有疏松结构发生沉积堵塞,深层滑带形成的可能性才会提高。因此,本文不考虑岩堆粒径的偏析作用,仅对岩堆内部颗粒粒径大小混杂情况进行研究,虽可能造成试验结果与实际情况存在偏差,但一定程度上证明了这种现象存在的可能。本次模型试验流程为:(1)将白云岩、灰岩碎石在筛分板
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