碎石土古滑坡体水理性质与稳定性分析

张磊

摘要：碎石土古滑坡体水理性质特殊，特别是对强降雨的响应。大量工程经验表明，堆积体斜坡具有高渗透性、强贮水性及吸水性等诸多水理特性，这些特性主要受控于土体中各种孔隙、裂隙以及土体矿物成分等。堆积体斜坡对降雨响应过程中形成的暂态饱和区是浅层易滑区。表层发育有一定厚度土层的斜坡，可以防止滑带水分的过度蒸发，保证了滑带内的水-岩化学作用在时间上，尤其是无降水入渗的旱季的连续性。对堆积体稳定性不利。

关键词：古滑坡；有机质；大孔隙；蒙脱石；渗透势；水——岩作用

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

堆积体滑坡是中国西南常见的不良地质体。在工程建设过程中常被激活，该类滑坡在复杂环境下变形及稳定性研究对灾害治理与工程建设有重大意义[1～2]。

虽然滑坡降雨入渗的研究不断完善，但对于堆积体这种典型滑坡的研究还有待深入。开展大型堆积体滑坡渗流稳定性研究，对预防和预测这类滑坡灾害具有重大工程意义。

2. 岩土体水理性质

半径介于0.1μm～250μm之间的孔隙（宽度介于0.1μm～250μm之间的裂缝）属于毛细管孔隙，半径<0.1μm的孔隙（隙宽<0.1μm的裂缝）属于微毛细管孔隙。对于毛细管孔隙，只有当外力大于毛细管阻力时，流体才能在其中流动；而对于微毛细管孔隙，由于流体与周围介质之间的巨大阻力，流体不能在其中流动[3]（张厚福等，1989）。

3. 古滑坡体孔隙特征

3.1 植被与土体孔隙

一般地，堆积体表层与植被相关的大孔隙（>250μm）广泛、密集分布在<50cm深度范围内，而与植物根系、有机质等相关的团聚体也广泛存在与土体中，团聚体以细小空隙（<250μm）为主，土中水基本为毛细水和结合水。自根系、枯枝落叶及真菌的腐植化有机质不仅是重要的团聚体胶结物，降水穿过枯枝落叶层进入土层后往往是以大孔隙流或称优先流的形式下渗的[4，5]，多处于流速较高的紊流状态，对渗流通道具有显著的物理侵蚀作用，可将粘土矿物向下搬运。此外，当地下水中含有有机质时，粘土矿物还可分散（dispersion）到水中并随水流发生迁移，而水动力条件变化或遇到凝絮剂时，便可从水中淀出[6]。枯枝落叶降解形成的腐植质还可以使土体形成良好的团粒结构及结构性大孔隙。

3.2 碎石土裂隙

堆积体土石混存范围内土体中大孔隙以土石界面为主，基本为裂隙水流。土石间隙为降雨入渗提供了大量通道，斜坡对降雨快速响应很大程度上归功与此，另外，渗透作用及水岩化学作用将导致裂隙扩展。

碎石土古滑坡体具有极强的吸水能力，在特大暴雨降水强度下，不形成地表径流。

4. 粘土矿物水理特性

一般地，蒙脱石作为最常见的堆积体中的黏土矿物 ，由于同晶替代，蒙脱石晶体的Si-O四面体中的Si4+被Al3+，Fe3+等部分取代，Al-O八面体中的Al3+被Mg2+，Fe2+等部分取代而造成晶体结构中的正电荷不足，这种不足被晶层间的可交换性阳离子补偿，从而晶层中离子浓度大幅度升高，造成晶层内外渗透势飙升，当层间内外存在粒子浓度差且不允许除水分子之外的其他粒子流动时，晶体层间内外介面在一定条件下相当于一半透膜，晶层间在强大渗透势下吸引土壤孔隙液中水分子进入层间，并使得晶层扩张[7，8]。

综上，堆积体结构特殊，故而其水理行为复杂，总体来说受控于土体中各种孔隙分布及矿物成分的影响。在斜坡表层（<0.5m），由于腐植质层大孔隙及根系通道等导水通道密布，在中层（0.5m～1m），主要是受土体中各种团聚体和粘土矿物的影响，毛细吸力及土壤结合水对降水入渗具有阻碍作用，并有粘土及有机质受潜蚀作用，发生迁移而堵塞了土体中导水性较好的大孔隙，但不乏大孔隙指导的优先流来响应降水，所以此范围内现场饱和渗透系数依然很高。

5. 古滑坡堆积体稳定性分析

斜坡灾害发生之前，一般都要经历孕育过程[9]，斜坡灾害孕育实质上是斜坡岩体对近地表环境体系的自适应过程，该过程是高度复杂的。

5.1 堆积体浅层滑坡机制

5.1.1 含水率对土体强度的影响

20世纪60年代，Bishop 就提出了非饱和土强度表达式[10]：

（1）

式中：c′为有效凝聚力；φ′为与净法向应力有关的内摩擦角；（σf-ua）f为破坏时在破坏面上的净法向应力；（ua-uw）f为破坏时在破坏面上的基质吸力；χ为与土的类别和饱和度有关的参数。由于对χ的确定尚定论，故式（1）未被广泛应用，Fredlund等利用抗剪强度状态变量中（σf-ua）f、（ua-uw）f写成如下公式：

（2）

式中：φb为随基质吸力变化的内摩擦角。

由公式（1）（2）可知，非饱和土体随着降雨入渗水量的增加，c′、φ′、φb均大幅度降低，导致土体抗剪强度降低。

5.1.2 微生物的作用

微生物能改变岩土中起胶结作用的游离氧化铁的赋存状态和溶解度，能将Fe2+氧化为Fe3+的微生物通常称为铁细菌，在强酸条件下的Fe2+和有机配位体中的络合铁，非生物作用下氧化作用很弱，但铁细菌的生物氧化作用仍能顺利进行。还原性微生物广泛分布于水和岩土中，该类微生物好氧，繁殖速度快，生长的最佳pH值为5～7，最适宜温度为30℃左右。这种微生物的生长条件，一般岩土和水中基本具备。

周芳琴等[11]以微生物培养基和黑曲霉菌液为渗透液分别对南方含游离氧化铁很高的红粘土进行长期渗透实验，观测其物质成分和物理力学性质的变化：1. 对岩土物理力学性质的影响：由于有机物质和微生物参与的物理化学和生物化学反应，岩土中游离氧化铁的活化和流失，游离氧化铁的胶结作用受到破坏，岩土颗粒间的附加结构强度减弱，岩土的物理力学性质相应变坏；2. 对岩土渗透性的影响：游离氧化铁慢慢地不断流失，粘土颗粒不断分散、孔径分布、连通性经常发生重新组合有关，土层内下渗水流所携带的成壤粘土易于在土层——碎石界面附近沉淀或堵塞碎石空隙形成局部的或部分连续的隔水——半透水低渗透屏障，为上层滞水的形成提供了条件。浅层滑坡在斜坡灾害中占有相当大的比例，而且常转化为泥石流，土层上层滞水是此类滑坡的最主要控制因素。

在堆积体斜坡，与植物、有机质、动物、微生物相关的团聚体广泛分布，其改变了土体结构，增大了土壤比表面积，毛管孔隙密集，这些毛管孔隙大大阻碍了土体导水性，故而容易形成局部隔水层，积聚上层滞水。

5.2 堆积体深层滑坡机制

高渗透性土体盖层对降雨的响应是快速的，对滑坡体微裂隙扩展、聚集和破裂的渗透作用是明显的。渗透作用将导致裂隙扩展力的加大，裂隙间相互作用导致滑坡体系统内部结构自行调整，导致裂隙破裂（突变）所需的远场应力和位移减小，从而加剧了破坏速度并改变了破裂（裂隙聚集）的部位和方向。

众多受力滑坡体破坏失稳的关键在于地下水的作用，而地下水的作用和改造是渗透、水化学综合作用的结果[12]。

充足的水量补给和（较）强烈的径流交替是斜坡CWRI 持续进行的物质基础；大多数斜坡地下水的补给来源都是大气降水，但不同斜坡吸收降雨的能力却是千差万别的，而这种差别主要与包气带的水力学行为有关。同时，当渗入的降水通过斜坡上部松散（动）层时，会（大量）吸收腐植酸及高分压CO2，其侵蚀性得到提升。因此，斜坡非饱和带砂粘土非线性胀缩行为、水理参数波动[13]及其控制因素、植被根系及动物通道的水力学效应、结构性砂粘土构成的非饱和带中大空隙优先流及其对降水入渗、水位动态、斜坡水循环的控制机理等问题与斜坡失稳、滑坡孕育息息相关。表层发育有一定厚度的土层以防止腐岩层内水分的过度蒸发，这样才能保证腐岩带内的水岩化学作用在时间上的连续性。

6. 结语

一般地，碎石土古滑坡堆积体具有极强吸水、贮水和导水的能力，这与表层植被、有机质等相关的孔隙结构以及土体矿物成分有很大关系。

堆积体浅层土体滑坡的孕育及形成往往历时比较短暂，在降雨周期，斜坡对降雨响应过程中形成的暂态饱和区是易滑区域。另外，土体中微生物对土体强度有消极作用，还会缓慢改变土体渗透性。

堆积体特殊的水理性质对深层滑坡孕育具有积极贡献。一方面，渗透作用会使堆积体裂隙加剧，粘土及有机质迁移，降低堆积体结构强度；另一方面，堆积体浅层土体持水能力强，滑动带水分不会过度蒸发，保证滑动带内的水岩化学作用在时间上，尤其在无降水入渗的旱季具有连续性，对稳定性不利。

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