浙江飞云江流域玄武岩残积土滑坡降雨入渗柱状实验研究

张泰丽,孙 强,李绍鹏,伍剑波,张 明,张晨阳

(1.中国地质调查局南京地质调查中心,江苏 南京 210016;2.贵州能源产业研究院有限公司,贵州 贵阳 550025;3.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北 武汉 430074)

飞云江流域位于浙江省东南沿海地区,常年遭受台风暴雨袭击,引发大量的地质灾害[1],造成严重的财产损失和人员伤亡。2004年,第14号“云娜”台风在浙江乐清引发21处地质灾害,造成42人死亡, 288间房屋倒塌[2-3];2005年,“泰利”台风在浙江省引发20处地质灾害,导致17人死亡,经济损失高达2 000万元[4-5];2015年,13号台风“苏迪罗”在浙江省引发200多处地质灾害,造成4人死亡,台风伴随的暴雨是诱发滑坡灾害的主要因素[6-7]。因此,基于降雨入渗规律研究飞云江流域滑坡灾害特征,对相关管理部门防灾减灾工作具有重要的指导意义[8-10]。

飞云江流域广泛发育玄武岩残积土,该类土体松散,具有膨胀性、可塑性[11],在人类工程活动及强降雨作用下极易引发滑坡灾害[12]。近年来,随着极端气候频发和基础设施的快速建设,玄武岩残积层滑坡灾害风险与日俱增。我国玄武岩滑坡研究始于20世纪90年代,目前,针对台风暴雨引发的玄武岩残积土滑坡灾害相关研究较少[13]。为掌握玄武岩残积土滑坡的成灾机理,本文选择玄武岩残积土典型滑坡——马济头滑坡,设计了降雨入渗柱状实验,模拟ABA和BAA不同降雨工况条件下土体内地下水的入渗规律[14],对此类滑坡的防治及预警预报具有重要意义。

1 马济头滑坡概况

马济头滑坡位于浙江省温州市文成县大峃镇城中村,受2014年9月“凤凰”台风影响,诱发群发性的滑坡3处。该滑坡前缘高程476 m,后缘高程500 m,高差约24 m,水平投影长约52 m,宽18～20 m,厚2～3 m,规模约3 010 m3,主滑方向67°。滑坡地形上缓下陡,坡度约27°,滑坡前后缘均为民房。滑体物质主要为呈散裂结构和碎裂结构的全风化-强风化玄武岩及其残坡积物(图1),呈黄色、棕黄色、灰绿色,松散,具可塑性,厚0.5～8.0 m。

2 柱状实验设计

2.1 实验设置

设计的实验装置主要包括降雨模拟系统、土柱和数据采集系统(图2)。

图2 设计实验装置照片Fig. 2 Photo of designed experimental equipment

(1)降雨模拟系统。包括供水装置、降雨器和水头观测管。供水装置采用自制的马氏瓶,降雨器使用厚5 mm的有机玻璃板制成,均匀分布80个医用注射器与针头。实验时,通过调整供水器的悬挂高度控制降雨强度。经过拟定,降雨强度与供水器高度之间存在的关系式[15-16]为

y=0.025x2-8.35x+686.5,

(1)

式中:y为降雨强度,mm/h;x为降雨容器底部距地面高度,cm。

(2)土柱。容器为直径30 cm,高150 cm的圆形有机玻璃筒,筒壁预设7个间隔分别为5 cm、10 cm、10 cm、10 cm、15 cm、20 cm和30 cm的小孔,放置土壤含水率传感器(图3)。玻璃筒中模拟样品为现场采集原装土,土柱高130 cm。

图3 实验土柱设计图Fig. 3 Design drawing of experimental soil column

(3)数据采集系统。包括体积含水率传感器、数据采集装置和笔记本电脑。体积含水率传感器插入预设的7个小孔,定时监测土柱不同深度的体积含水率,通过数据采集装置实时传输到笔记本电脑中。

2.2 降雨模拟工况

据统计,飞云江流域约90%的残积土滑坡发生在台风暴雨期[6]。台风期过境降雨量特征为:一次降雨事件持续时间约3天;台风暴雨降雨中,降雨峰值一般在第二天到来,少数降雨峰值在第一天到来[17],该天平均降雨量可达300 mm,第一天及第三天降雨量较小,平均降雨量约50 mm[18-21]。根据上述特征,本实验设置了ABA及BAA两种降雨工况(表1)。

表1 台风期降雨工况

3 样品采集

实验所取原状土样位于玄武岩残积土滑坡体上,表层保留顶部土层根系。取土时,将玻璃柱直接压进土层中,从四周挖掘,用塑料膜密封土柱样品,运输过程中在车厢内铺设稻草,防止破损(图4)。

图4 取土过程照片Fig. 4 Photos of soil sampling process

4 数据采集及处理

降雨期间隔1 min,降雨间隙期间隔10 min采集一次体积含水率数据。绘制深10 cm、20 cm、30 cm、45 cm、65 cm和95 cm的土体体积含水率随时间变化曲线及不同工况3天降雨的湿润锋深度与时间关系曲线。

5 实验结果

5.1 ABA降雨工况

5.1.1 土体体积含水率变化规律

ABA降雨工况下土体体积含水率变化曲线如图5所示。10～20 cm处表层土体在降雨初期含水率达55%～60%,含水率迅速增加,与降雨强度相关性较低;间歇期,土体含水率迅速下降,10 cm处表层土体在第一天与第二天间隙期下降为38%,第三天下降为47%;20 cm处土体第一天与第二天间隙期下降为44%,第三天下降为55%;降雨周期内,10 cm和20 cm处表层土体含水率变化率近似相同。30 cm和45 cm处,降雨期内土体含水率增加至40%～45%,含水率增加不随降雨强度的变化而变化。含水率反应速率与降雨强度密切相关,第一天降雨期(50 mm/d),30 cm和45 cm处土体降雨1～3 h后,土体含水率快速增长,迅速达到稳定状态;第二天峰值降雨期(300 mm/d),土体在降雨初期含水率迅速达稳定状态;第三天降雨期(50 mm/d),土体含水率反应缓慢,上升幅度较小。65 cm和100 cm处土体含水率变化与降雨强度密切相关,第一天和第三天降雨期内土体含水率增加存在一定的滞后性,第二天暴雨期土体含水率快速上升至65%。

图5 ABA降雨工况下土体体积含水率变化曲线Fig. 5 Variation curves of soil volumetric water content under ABA rainfall conditions

综上所述,在ABA降雨工况下,65 cm以下土体含水率的增加速率、比率与降雨强度、深度呈正比,在50 mm/d降雨期内土体含水率随深度增加而降低,在95 cm处土体含水率出现异常,接近或超过表层土体,与“台风暴雨诱发的滑坡厚度一般<1 m”[15,21]的结论一致。

5.1.2 湿润锋变化规律

ABA降雨工况下3次降雨期湿润锋入渗曲线如图6所示。3天的湿润锋曲线呈直线,入渗速度随时间变化不明显。第一天与第三天湿润锋曲线几乎重合,200 min左右入渗到土体95 cm深度,入渗速率为10 mm/h。第二天峰值降雨入渗时,湿润锋在70 min即入渗到95 cm深度,入渗速率为30 mm/h,是第一天入渗速率的3倍。因此,推测ABA降雨工况下,玄武岩残积土入渗速度与降雨强度呈正相关。

图6 ABA降雨工况下湿润锋入渗曲线Fig. 6 Infiltration curves of wetting front under ABA rainfall conditions

5.2 BAA降雨工况

5.2.1 土体体积含水率变化规律

BAA降雨工况下的土体体积含水率变化曲线如图7所示。第一天降雨期土体含水率接近50%,且随深度的增加,含水率逐渐增加;第二天和第三天降雨期内含水率与第一天降雨期内含水率基本一致,但存在1～3 h的滞后性。间歇期内,土体含水率下降幅度较小,一般为3%～5%,30 cm以浅土体含水率下降幅度大于下部土体。

图7 BAA降雨工况下土体体积含水率变化曲线Fig. 7 Variation curves of soil volumetric water content under BAA rainfall conditions

5.2.2 湿润锋变化规律

BAA降雨工况下3次降雨期湿润锋入渗曲线如由图8所示。3天湿润锋曲线呈直线,入渗速度随时间变化不明显。第一天降雨期湿润锋速度最大,60 min之后湿润锋达土柱95 cm深度;第二天降雨160 min时,湿润锋入渗到95cm深度;第三天降雨130 min时,湿润锋入渗到95 cm的。第一天降雨入渗速度是后第二天和第三天入渗速度的2～3倍,与降雨强度的变化呈线性相关。

图8 BAA降雨工况下湿润锋入渗曲线Fig. 8 Infiltration curves of wetting front under BAA rainfall conditions

6 结论

(1)降雨入渗柱状实验表明,玄武岩残积土土质松散,孔隙发育,极有利于降雨入渗,降雨入渗的深度和速率与降雨量呈正比,体积含水率最大达60%。随着降雨入渗,玄武岩残积土体积含水率迅速增大至最大值,保持饱和状态;随着降雨停止,玄武岩残积土体积含水率迅速回落。土柱越深,土体体积含水率减小幅度越小,土柱越浅,体积含水率减小幅度越大。

(2)高强度降雨分布时段不同,玄武岩残积土体积含水率差异明显。ABA工况下,降雨峰值期土体体积含水率响应速度比BAA降雨工况快;其余2天降雨期,BAA降雨工况下土体体积含水率响应速度比ABA降雨工况快。ABA降雨工况下,土体最大体积含水率为62%,BAA降雨工况下,土体最大体积含水率为52%。

(3)不同降雨工况,玄武岩残积土滑坡成灾机理不同。ABA降雨工况下,降雨期及间隙期土体含水率变化较大,干湿交替明显,在暴雨期不同深度土体含水率相差较大,形成了差异性界面,为边坡土体的启动提供了滑动面。滑面深度一般约1 m,为飞云江流域玄武岩残积土常发的滑坡类型。BAA型降雨工况下,不同深度土体含水率匀速增加,间隙期内土体含水率变化不明显,在突发暴雨情况下,玄武岩残积土滑坡启动的深度>1 m。