降雨入渗下岩堆细颗粒运移沉积物理模拟研究_姜思源.pdf

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 Yadong1（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 Technology，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 the 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 Science），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 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 seepage 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 areas 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 piles 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 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18-19。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、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 mm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、灰岩碎石在筛分板上粗筛分，得到粒径 25 cm 的碎石；（2）利用震击式标准振筛机细筛分，获取初始级配曲线（图 3）；（3）将岩块大小混杂，按设计坡角进行坡型堆砌，并在指定位置安置孔隙水压力计（图4）；（4）开启孔压监测并降雨，在后置钢盒中加入细颗粒使其缓慢流出，细颗粒随降雨入渗进入岩堆体内，观测是否出现堵塞或沉积现象；（5）试验结束后对沉积现象进行分析，并按等比例空间序列划分 36个网格（图 4），进行时间-空间采样烘干筛分，得到各部位颗粒分布情况，并与试验现象对比。3结果与分析3.1试验过程选取坡度 30%、投放量 50%的 SY5 组试验进行分析。首先按指定坡角堆砌坡型（图 5（a），按表 1试验变量设计Tab.1Test variable design因素水平1234降雨强度/(mmh-1）150-坡度/（）273645-投入量/%10305070图 2人工降雨装置现场图Fig.2Site map of rainfall device图 3初始颗粒粒径级配曲线Fig.3Initial grading curves of particle sizes图 4网格分布图Fig.4Grid distribution diagram80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每小时投入量将细颗粒投放至容器盒中，控制容器盒角度使细颗粒缓慢流出，在降雨作用下使细颗粒不断流入岩堆内。因红黏土具有黏性，细颗粒在迁移过程中，一部分因重力沉积在基底形成沉积面，一部分吸附在岩石表面，通过滚雪球式吸附循环，在某些孔隙内沉积大量细颗粒形成黏聚效应，使这部分细颗粒难以在渗流水带动下流走而堵塞孔隙，或者由于细颗粒粒径大于孔喉直径而发生筛滤作用从而堵塞孔隙，并在后续细颗粒补充过程中将这些孔隙填满，堵塞部位连接在一起时，可能形成岩堆内部的相对滞水层。试验进行到 10 h 左右，坡顶已形成一个浅表层圆弧沉积面，坡体左侧（图 5（b）的堵塞与基底沉积已出现中深部圆弧面趋势，右侧（图 5（c）有少量裂缝产生，坡体后缘未见积水。随着降雨进行和细颗粒继续填充，坡体中堵塞增多，降雨 15 h后（图 5（d），后缘明显积水，至18 h（图 5（e）坡体后缘出现水位面高约 11 cm 的小型水库，中后部基底沉积面最高位置从原来的11 cm 上升至 13.5 cm，圆弧连接欠缺部分也从5.5 cm缩小为 3.5 cm。20 h 后（图 5（f），坡体后缘水位上升至 13 cm，停止升高，随着细颗粒充填，后缘水库逐渐被细颗粒充填，沉积高度达 12 cm。基底沉积最高面为 15 cm，与坡体中细颗粒堵塞层形成一条相对隔水的圆弧面，坡体整体向前蠕滑 1 cm，蠕滑后坡体应力重新调整，岩块在蠕动过程中翻转，在坡脚出现宽约 2 cm的裂缝。3.2细颗粒沉积量基于 12 组平行试验筛分得到各个角度下颗粒级配曲线（图 6）。由级配曲线可知，这 12 组试验产生的渗透变形类型均为潜蚀，某些部位还存在接触流土。由图 7可知，随着细颗粒投入量增加，细颗粒在岩堆内部的沉积量呈抛物线式增长（表达式见表 2），其相关性系数 R2均大于 0.99，证明细颗粒投入量与岩堆内部沉积量高度相关，且细颗粒在岩堆内部的沉积并不随表层覆土（即风化土）增加而增加，而是存在一个极限承载值。内部细颗粒沉积量小于该值时，细颗粒首先以基底沉积形式发展，投入量继续增加，基底沉积高度变高或细颗粒在岩堆内某些部分吸附沉积，造成这些部分细颗粒体积分数增加从而形成堵塞；内部细颗粒沉积量超过该值时，基底沉积高度随投入量增加而下降，这是因为坡体内存在大量沉积与堵塞，细颗粒不能完全随水流从孔隙进入坡体，一部分在坡表堆积，增强坡表径流，随降雨以坡面流形式流失，同时坡体内已有细颗粒由于渗流影响，在沉积“二元分界面”产生接触流土流出坡体。本试验中极限承载值大小依次为 45，27，36，极限承载值并不随坡度增加而增加，而是存在一个临界坡度，使得该坡度极限承载值最小。由图 8 也可看出坡度与沉积量呈抛物线式（表达式见表 3）发展。抛物线下凹，存在临界坡度使细颗粒沉积量达到最小值。坡度小于临界坡度时，沉积量随坡度增加而减少，坡体较缓，不易形成坡面径流，岩堆内细颗粒受渗流影响波动较大，细颗粒体积分数少，表面结合力不足以抵抗渗流水动力，在孔隙中团聚后马上被渗流力分解，大部分随水流流出岩堆；坡度大于临界坡度时，沉积量随坡度增加而增大，这是因为岩堆坡体较高，难图 5物理模拟试验过程Fig.5Physical simulation test process812023 年第 42 卷河南理工大学学报（自然科学版）以达到该坡度的极限沉积值，细颗粒仍随水流沿孔隙进入坡体，以沉积或堵塞形式存在。本次实验中，临界坡度 33.2（投入量 70%）39.2（投 入 量 10%）39.5（投 入 量 50%）42.6（投入量 30%），临界坡度的大小并不随投入量呈规律性发展，而是在投入量 30%时达到该试验的最大值，表明 30%投入量时细颗粒在岩堆内受渗流影响波动最大。投入量小于 30%时，以基底沉积为主，受渗流影响小。投入量大于 30%时，受坡高影响较大，坡高越高，细颗粒随水流渗入岩堆内部时方向选择越多，团聚效应小，未能将岩堆中孔隙堵塞，入渗水流将一部分细颗粒带离坡体，另一部分细颗粒因渗流路径加长，渗流力受岩石阻挡，动能逐渐下降而滞留在岩堆某一位置，导致岩堆内细颗粒体积分数增多。3.3细颗粒迁移路径以 SY5 组试验为例，试验结束后将岩堆划分为 36个不同空间部位进行采样，对细颗粒迁移路径进行分析。卸载过程中发现岩堆内部细颗粒的分布并非一成不变，而是呈现出某种变化。由图 9可知，从垂直方向看，自上至下细颗粒含量增大减小增大或坡脚部分增大，坡底部分大量细颗粒沉积，表明在这种大孔隙结构岩堆中，细颗粒在重力和渗流力影响下，垂直向下迁移。在 A2，A3，B2，B3，C3等部位（紫色部分）细颗粒含量大于相邻上下层的，表明细颗粒虽总体向下迁移，但在坡体某些部分沉积可能形成堵塞。从水平方向看，细颗粒含量呈先增大后减小趋势，在B2，B3，C3，C4等部位细颗粒含量大于相邻左右两侧的，这些部位细颗粒集聚可能形成堵塞。由图 5 和图 9 可知，坡脚部位细颗粒沉积很少，这是由于孔隙较大，渗流时地下水将坡脚作为出水口，坡体中水流向坡脚处汇聚，使该处渗流力增大，沉积在该处的细颗粒易被渗流水带出坡体，发生潜蚀或接触流土，在坡脚形成“斜坡式”二元分界面。表 3坡度与沉积量关系Tab.3Relationships between slope and sediment load投入量/%10305070Y=ax12+bx1+ca0.026 80.014 10.015 20.021 6b2.101 11.200 01.201 71.434 4 c46.8840.4943.3544.33R21111注：x1为坡度，（）；临界坡度=b/2a图 7细颗粒投入-沉积关系Fig.7Fine particle input-deposition relationships图 8坡度-沉积量关系Fig.8Slope-sediment relationships表 2投入量与沉积量关系Tab.2Relationships between input and deposition rates坡度273645Y=ax2+bx+ca0.005 80.005 50.003 1b0.660 40.679 10.531 6c3.692 70.196 41.652 4R20.999 80.998 90.999 3注：Y为沉积量，%；x为投入量，%图 9细颗粒筛分结果Fig.9Sieving results of fine particles 图 6颗粒级配曲线Fig.6Particle grading curves82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由图 10也可看到同样的现象，坡脚作为排水口，未被堵塞时很难集聚大量水使孔压升高，试验中坡脚孔压变化幅度很小，最大孔压仅 0.5 kPa，证明该处存在细颗粒流入，但由于渗流较快，携带的细颗粒也较多，细颗粒难以在坡脚沉积形成堵塞。对于坡顶和坡中，随着细颗粒不断流入，岩堆中部分小孔隙易被细颗粒中较大者堵塞，颗粒继续充填，黏粒不断选择性吸附于某些大颗粒表面沉积聚合。某个部位孔隙填满后，由于堵塞部位前水流路径未发生改变和堵塞部位水的绕流，细颗粒在该路径或其附近继续沉积聚合，在岩堆中形成特殊的软弱层，对变形破坏存在影响。同时，渗流过程中，渗流水与岩石碰撞，消耗部分动能，渗流力下降而滞留在岩堆中，造成试验前期坡中孔压大于坡顶处的。49 000 s 左右，坡顶孔隙水压力超过坡中孔压，一方面是因为随着细颗粒投入，坡顶处细颗粒沉积增多，堵塞效应增强造成孔压上升；另一方面是因为坡体中部更易受渗流水影响，其薄弱部分被冲破形成排水通道造成孔压降低。综上所述，细颗粒主要沿地下水渗流方向迁移，即随降雨入渗向下、向坡脚迁移或吸附于岩石表面。4沉积结构分析细颗粒体积分数为 20%30%时，产生渗透变形所需的破坏梯度急剧增大23，细颗粒不再以潜蚀破坏为主，而是以沉积为主。通过液塑限试验可知，试验所用细颗粒液塑限分别为 32.1%和18.2%。基于大剪试验结果进行稳定性分析（图11），骨架型岩堆受坡度影响较大，坡度越大稳定性越低，只有在坡度 45、超液限（即长时间大暴雨）时才发生失稳破坏。根据贵州岩溶区碎石土抗剪强度影响因素研究24，碎石土抗剪强度随细颗粒体积分数增加而降低，崩塌初期以骨架型为主的岩堆，在淋滤作用改变岩堆某些部位粗粒结构和水力条件时可造成局部失稳或大规模滑移。本文研究在一定程度上证明了淋滤作用使岩堆内部结构发生改变的可能性，由于 10%投入量试验现象不明显，在此不进行论述，仅以投入量30%，50%，70%的 9 组平行试验结果进行整理分析（表 4），得到 4种沉积结构形式。细颗粒因运移沉积形成内部圆弧状相对滞水层，且大部分沿坡脚形成，这可能是受坡表径流影响，细颗粒沿坡面自上而下流动时沿坡表具完整孔隙通道的地方迁移，当坡表中上部孔隙堵塞或径流过大时，细颗粒易沿坡脚入渗，在渗流路径中不断沉积堵塞形成坡脚相对滞水层；也可能是模型孔隙较大，坡脚作为出水口，较其他部分渗透力大，在坡脚沉积的细颗粒易发生潜蚀或接触流土，细颗粒流出量大，形成“斜坡式”沉积面，易与坡体中后缘渗透力较弱、细颗粒沉积较多的部位形成中深部相对滞水层。入渗过程中，细颗粒易在浅表部沉积形成圆弧状相对滞水层，或沿基底沉积。坡表存在渗流力相对较大的不沉积细颗粒，与沉积部位构成浅表层圆弧面。当基底沉积较多、坡表不存在渗流力相对较大的部位时，细颗粒在岩堆中下部沉积，形成基底近直线的圆弧沉积分界面。受试验模型限制，每组试验中均有基底沉积现象，证明岩堆受厚度影响较大。厚度较小时，渗流路径短，细颗粒易克服自身重力向下迁移至基覆面。基底沉积面与模型中深浅不一的圆弧面均为岩堆中细颗粒相对较多的部位。在基底沉积或圆弧面形成过程中，由于细颗粒充填，该部位逐渐从粗粒土转变为碎石土，c值增高、值降低，渗透系数也降低。降雨入渗后，圆弧面因渗透系数较小形成相对隔水层，地下水沿相对隔水层流动，孔压、渗透压升高，并在水作用下泥化软化，力学参数降低，形成多级软弱滑动面。图 10坡度 27、投入量 50%时孔压曲线Fig.10Hole pressure curves with 27slope，50%input volume图 11骨架型岩堆稳定性分析结果Fig.11Stability analysis results of skeletal rockpile832023 年第 42 卷河南理工大学学报（自然科学版）5实例分析以贵州某岩堆为例（图 12），雨季后进行高密度电法探测发现，岩堆细颗粒分布不均，存在细颗粒沉积分带现象。高阻区以块石堆积为主，低阻区由于细颗粒质量大，降雨入渗后含水量大而呈低阻现象。推测该岩堆可能存在 3条潜在浅层滑坡面，在距坡面 110120 m 段也有几个浅层滑坡。根据反演图也可推测土岩分界面，在岩堆与基岩接触面上存在两个低阻区，可能是由于降雨入渗，雨水积聚于基岩面形成。这种积聚可能是细颗粒在基岩面上大量沉积造成或受原始地层岩性和地形地貌影响，连续大暴雨时，可沿基岩面滑动。总体而言，细颗粒迁移造成岩堆浅层滑坡的可能性较大，深层滑动可能性较小（需要较长时间）。6结论（1）细颗粒在岩堆内部迁移过程中，在基底和内部孔隙沉积形成深浅不一的圆弧沉积面，这些圆弧沉积面需在一定孔隙结构、细颗粒条件和水动力条件下形成。（2）岩堆内部存在沉积极限值，超过该值时，岩堆会保持自身细颗粒含量的平衡。同时岩堆内部的沉积与坡度呈非线性关系，且二者存在临界坡度值，该坡度沉积量相较于同等投入水平时最小。（3）从筛分结果和孔压曲线看，岩堆内部细颗粒主要沿地下水渗流方向迁移，其内部某些部分形成相对滞水层，造成孔压不断增大。（4）崩塌初期以骨架型为主的岩堆可能在后期降雨过程中失稳破坏。（5）岩堆内部易形成沿坡脚发展的圆弧沉积面，这是因为坡体中上部坡面流较强，坡脚部分渗流力较大。试验结果也表明岩堆内存在多级圆弧沉积面、浅表层圆弧沉积面和基底近似直线圆弧沉积面，且多级圆弧沉积面更易产生。这些部位由粗粒土转变为碎石土，渗透系数降低，在后续降雨入渗过程中，孔压、渗透压增大，力学参数弱化，易沿沉积面滑动。本文仅对粒径大小混杂的细颗粒进行了研究，一定程度上证明了深层滑带在后期细颗粒运移沉积过程中形成的可能，但未细化考虑岩堆粒径的偏析作用，可能与实际情况存在一定偏差，需在今后工作中继续改进。参考文献：1 DUBEIRIL ，KORNEV B，VISHNAKOV C，et 图 12高密度电法反演电阻率剖面图Fig.12Resistivity profile of high-density electrical inversion表 4岩堆沉积结构Tab.4Talus sedimentary structures试验分组SY1SY3SY8SY4SY5SY6SY2SY9SY7274536坡度/()273645364527投入量/%505050307070303070沉积结构面坡脚相对滞水层中深部相对滞水层基底沉积面浅表层相对滞水层中深部相对滞水层基底沉积面浅表层相对滞水层基底沉积面基底近似直线的圆弧沉积面图示84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al.Road base engineering in landslides and rock pilesM.Beijing：People s Transport Press，1956.2 RAPP A，FAIRBRIDGE R W.The encyclopedia of geomorphologyM.New York：Reinhold Book Corporation，1968.3 JEWELL P A，DIMBLEBY G W.The experimental earthwork on Overton Down，Wiltshire，England：The first four years J.Proceedings of the Prehistoric Society，1966，32（3）：313-342.4 HUTCHINSON J N.A small-scale field check on the Fisher-Lehmann and Bakker-Le Heux cliff degradation modelsJ.Earth Surface Processes and Landforms，1998，23（10）：913-926.5 张辉.岩堆边坡破坏机理及其稳定性试验研究 D.上海：同济大学，2008.ZHANG H.Experimental study on slope failure mechanism and stability of rock pileD.Shanghai：Tongji University，2008.6 朱继良，黄润秋.某水电站坝前堆积体稳定性的三维数值模拟分析 J.岩土力学，2005（8）：1318-1322.ZHU J L，HUANG R Q.Three-dimensional numerical simulation analysis of the stability of a hydroelectric power station dam pile-up J.Geotechnics，2005（8）：1318-1322.7 文谦.高等级公路岩堆体边坡稳定性分析研究 D.上海：同济大学，2007.WEN Q.Slope stability analysis of high grade highway rock piles D.Shanghai：Tongji University，2007.8 包雄斌，苏爱军，练操，等.羊角滑坡群的形成机制及其演化发展分析 J.工程地质学报，2008，16（2）：574-578.BAO X B，SU A J，LIAN C，et al.Analysis of the formation mechanism and evolution of Yangjiao landslide clusterJ.Journal of Engineering Geology，2008，16（2）：574-578.9 胡力绳，王建秀，叶冲.基于数量化理论的岩堆稳定性 评 价 模 型J.工 程 地 质 学 报，2009，17（2）：258-262.HU L S，WANG J X，YE C.Stability evaluation model for rock pile based on quantitative theory J.Journal of Engineering Geology，2009，17（2）：258-262.10 王刚.冻融作用对寒区岩堆