碎石土古滑坡體水理性質與穩定性分析

張磊

摘要：碎石土古滑坡體水理性質特殊，特別是對強降雨的響應。大量工程經驗表明，堆積體斜坡具有高滲透性、強貯水性及吸水性等諸多水理特性，這些特性主要受控于土體中各種孔隙、裂隙以及土體礦物成分等。堆積體斜坡對降雨響應過程中形成的暫態飽和區是淺層易滑區。表層發育有一定厚度土層的斜坡，可以防止滑帶水分的過度蒸發，保證了滑帶內的水-巖化學作用在時間上，尤其是無降水入滲的旱季的連續性。對堆積體穩定性不利。

關鍵詞：古滑坡；有機質；大孔隙；蒙脫石；滲透勢；水——巖作用

Abstract： Soil hydraulic behavior on an ancient landslide mass is extraordinary，especially its reaction to replenished precipitation. A large number of engineering experience shows that soil of an ancient landslide mass slope has many kinds of features such as high permeability，strong storability and hydroscopicity. These properties are mainly controlled by various soil pores，cracks，soil mineral compositions etc.The immediate saturated zone of the landslide mass slope during the rainy season is an easily-slided area. The slope which is covered by a certain thickness of well-vegetated soil can prevent excessive evaporation of water in saprolite layer. Thus ensures a continuation of the water-rock interaction under different conditions，especially during the dry season when there is no infiltration of precipitation. This does bad to the stability of an ancient landslide mass

Keywords： an ancient landslide，organic matter，large pores，

montmorillonite， Osmotic potential，water - rock interaction，landslide

1. 引言

堆積體滑坡是中國西南常見的不良地質體。在工程建設過程中常被激活，該類滑坡在復雜環境下變形及穩定性研究對災害治理與工程建設有重大意義[1～2]。

雖然滑坡降雨入滲的研究不斷完善，但對于堆積體這種典型滑坡的研究還有待深入。開展大型堆積體滑坡滲流穩定性研究，對預防和預測這類滑坡災害具有重大工程意義。

2. 巖土體水理性質

半徑介于0.1μm～250μm之間的孔隙（寬度介于0.1μm～250μm之間的裂縫）屬于毛細管孔隙，半徑<0.1μm的孔隙（隙寬<0.1μm的裂縫）屬于微毛細管孔隙。對于毛細管孔隙，只有當外力大于毛細管阻力時，流體才能在其中流動；而對于微毛細管孔隙，由于流體與周圍介質之間的巨大阻力，流體不能在其中流動[3]（張厚福等，1989）。

3. 古滑坡體孔隙特征

3.1 植被與土體孔隙

一般地，堆積體表層與植被相關的大孔隙（>250μm）廣泛、密集分布在<50cm深度范圍內，而與植物根系、有機質等相關的團聚體也廣泛存在與土體中，團聚體以細小空隙（<250μm）為主，土中水基本為毛細水和結合水。自根系、枯枝落葉及真菌的腐植化有機質不僅是重要的團聚體膠結物，降水穿過枯枝落葉層進入土層后往往是以大孔隙流或稱優先流的形式下滲的[4，5]，多處于流速較高的紊流狀態，對滲流通道具有顯著的物理侵蝕作用，可將粘土礦物向下搬運。此外，當地下水中含有有機質時，粘土礦物還可分散（dispersion）到水中并隨水流發生遷移，而水動力條件變化或遇到凝絮劑時，便可從水中淀出[6]?？葜β淙~降解形成的腐植質還可以使土體形成良好的團粒結構及結構性大孔隙。

3.2 碎石土裂隙

堆積體土石混存范圍內土體中大孔隙以土石界面為主，基本為裂隙水流。土石間隙為降雨入滲提供了大量通道，斜坡對降雨快速響應很大程度上歸功與此，另外，滲透作用及水巖化學作用將導致裂隙擴展。

碎石土古滑坡體具有極強的吸水能力，在特大暴雨降水強度下，不形成地表徑流。

4. 粘土礦物水理特性

一般地，蒙脫石作為最常見的堆積體中的黏土礦物 ，由于同晶替代，蒙脫石晶體的Si-O四面體中的Si4+被Al3+，Fe3+等部分取代，Al-O八面體中的Al3+被Mg2+，Fe2+等部分取代而造成晶體結構中的正電荷不足，這種不足被晶層間的可交換性陽離子補償，從而晶層中離子濃度大幅度升高，造成晶層內外滲透勢飆升，當層間內外存在粒子濃度差且不允許除水分子之外的其他粒子流動時，晶體層間內外介面在一定條件下相當于一半透膜，晶層間在強大滲透勢下吸引土壤孔隙液中水分子進入層間，并使得晶層擴張[7，8]。

綜上，堆積體結構特殊，故而其水理行為復雜，總體來說受控于土體中各種孔隙分布及礦物成分的影響。在斜坡表層（<0.5m），由于腐植質層大孔隙及根系通道等導水通道密布，在中層（0.5m～1m），主要是受土體中各種團聚體和粘土礦物的影響，毛細吸力及土壤結合水對降水入滲具有阻礙作用，并有粘土及有機質受潛蝕作用，發生遷移而堵塞了土體中導水性較好的大孔隙，但不乏大孔隙指導的優先流來響應降水，所以此范圍內現場飽和滲透系數依然很高。

5. 古滑坡堆積體穩定性分析

斜坡災害發生之前，一般都要經歷孕育過程[9]，斜坡災害孕育實質上是斜坡巖體對近地表環境體系的自適應過程，該過程是高度復雜的。

5.1 堆積體淺層滑坡機制

5.1.1 含水率對土體強度的影響

20世紀60年代，Bishop 就提出了非飽和土強度表達式[10]：

（1）

式中：c′為有效凝聚力；φ′為與凈法向應力有關的內摩擦角；（σf-ua）f為破壞時在破壞面上的凈法向應力；（ua-uw）f為破壞時在破壞面上的基質吸力；χ為與土的類別和飽和度有關的參數。由于對χ的確定尚定論，故式（1）未被廣泛應用，Fredlund等利用抗剪強度狀態變量中（σf-ua）f、（ua-uw）f寫成如下公式：

（2）

式中：φb為隨基質吸力變化的內摩擦角。

由公式（1）（2）可知，非飽和土體隨著降雨入滲水量的增加，c′、φ′、φb均大幅度降低，導致土體抗剪強度降低。

5.1.2 微生物的作用

微生物能改變巖土中起膠結作用的游離氧化鐵的賦存狀態和溶解度，能將Fe2+氧化為Fe3+的微生物通常稱為鐵細菌，在強酸條件下的Fe2+和有機配位體中的絡合鐵，非生物作用下氧化作用很弱，但鐵細菌的生物氧化作用仍能順利進行。還原性微生物廣泛分布于水和巖土中，該類微生物好氧，繁殖速度快，生長的最佳pH值為5～7，最適宜溫度為30℃左右。這種微生物的生長條件，一般巖土和水中基本具備。

周芳琴等[11]以微生物培養基和黑曲霉菌液為滲透液分別對南方含游離氧化鐵很高的紅粘土進行長期滲透實驗，觀測其物質成分和物理力學性質的變化：1. 對巖土物理力學性質的影響：由于有機物質和微生物參與的物理化學和生物化學反應，巖土中游離氧化鐵的活化和流失，游離氧化鐵的膠結作用受到破壞，巖土顆粒間的附加結構強度減弱，巖土的物理力學性質相應變壞；2. 對巖土滲透性的影響：游離氧化鐵慢慢地不斷流失，粘土顆粒不斷分散、孔徑分布、連通性經常發生重新組合有關，土層內下滲水流所攜帶的成壤粘土易于在土層——碎石界面附近沉淀或堵塞碎石空隙形成局部的或部分連續的隔水——半透水低滲透屏障，為上層滯水的形成提供了條件。淺層滑坡在斜坡災害中占有相當大的比例，而且常轉化為泥石流，土層上層滯水是此類滑坡的最主要控制因素。

在堆積體斜坡，與植物、有機質、動物、微生物相關的團聚體廣泛分布，其改變了土體結構，增大了土壤比表面積，毛管孔隙密集，這些毛管孔隙大大阻礙了土體導水性，故而容易形成局部隔水層，積聚上層滯水。

5.2 堆積體深層滑坡機制

高滲透性土體蓋層對降雨的響應是快速的，對滑坡體微裂隙擴展、聚集和破裂的滲透作用是明顯的。滲透作用將導致裂隙擴展力的加大，裂隙間相互作用導致滑坡體系統內部結構自行調整，導致裂隙破裂（突變）所需的遠場應力和位移減小，從而加劇了破壞速度并改變了破裂（裂隙聚集）的部位和方向。

眾多受力滑坡體破壞失穩的關鍵在于地下水的作用，而地下水的作用和改造是滲透、水化學綜合作用的結果[12]。

充足的水量補給和（較）強烈的徑流交替是斜坡CWRI 持續進行的物質基礎；大多數斜坡地下水的補給來源都是大氣降水，但不同斜坡吸收降雨的能力卻是千差萬別的，而這種差別主要與包氣帶的水力學行為有關。同時，當滲入的降水通過斜坡上部松散（動）層時，會（大量）吸收腐植酸及高分壓CO2，其侵蝕性得到提升。因此，斜坡非飽和帶砂粘土非線性脹縮行為、水理參數波動[13]及其控制因素、植被根系及動物通道的水力學效應、結構性砂粘土構成的非飽和帶中大空隙優先流及其對降水入滲、水位動態、斜坡水循環的控制機理等問題與斜坡失穩、滑坡孕育息息相關。表層發育有一定厚度的土層以防止腐巖層內水分的過度蒸發，這樣才能保證腐巖帶內的水巖化學作用在時間上的連續性。

6. 結語

一般地，碎石土古滑坡堆積體具有極強吸水、貯水和導水的能力，這與表層植被、有機質等相關的孔隙結構以及土體礦物成分有很大關系。

堆積體淺層土體滑坡的孕育及形成往往歷時比較短暫，在降雨周期，斜坡對降雨響應過程中形成的暫態飽和區是易滑區域。另外，土體中微生物對土體強度有消極作用，還會緩慢改變土體滲透性。

堆積體特殊的水理性質對深層滑坡孕育具有積極貢獻。一方面，滲透作用會使堆積體裂隙加劇，粘土及有機質遷移，降低堆積體結構強度；另一方面，堆積體淺層土體持水能力強，滑動帶水分不會過度蒸發，保證滑動帶內的水巖化學作用在時間上，尤其在無降水入滲的旱季具有連續性，對穩定性不利。

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