全风化混合花岗岩边坡降雨冲刷试验研究

付有旺,钱云华,唐红波,陆 特,尹小涛

(1.云南省交通投资建设集团有限公司, 云南昆明 650200;2. 大理大漾洱云高速公路有限公司,云南大理 671000;3.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北武汉 430071)

全风化混合花岗岩地层广泛分布于云南临沧地区,其厚度一般为25～30 m,最厚可达50～60 m,是该地区工程建设中最常见的岩土层[1-2]。临沧地区属于亚热带高原山地季风气候,区域内晴雨季分明,雨季持续时间长,降雨量大且集中。工程开挖对边坡原始地应力的改变以及晴雨交替等复杂气候环境的影响,导致坡面土体冲蚀严重甚至出现局部滑塌,影响工程进度。

目前,国内外专家在工程边坡水土流失领域开展了大量研究工作,取得了众多有价值的研究成果[3-6]。LIU等[7-8]开展的室内冲刷试验,研究了不同坡度角下花岗岩残积土边坡的冲刷侵蚀特征,通过监测降雨过程中边坡的含水率、孔隙水压力和湿润锋变化,探讨了花岗岩残积土冲刷侵蚀的演化过程和水力响应。基于此汤兰[9]、郑晓栩[10]、刘泽等[11]、邓百洪等[12]、胡华等[13]开展了大量室内冲刷试验,探究了重塑花岗岩残积土边坡冲刷破坏过程及冲刷破坏机理,结果表明影响花岗岩残积土边坡冲刷破坏的主要外部因素是降雨强度,通过水泥改良后的残积土抗冲刷能力显著提高。

花岗岩风化残积物作为一种结构性较强的土体,其物理力学性质和水理性质极易受外界环境变化的影响,而室内试验破坏了花岗岩风化残积物原始的结构特征,冲刷试验并不能完全反映花岗岩风化残积物的冲刷性质。因此,仅通过室内冲刷试验难以全面认识花岗岩风化残积物的冲刷特性,有必要开展原位冲刷试验以探究全风化混合花岗岩的冲刷性质。

为全面研究土质边坡冲刷破坏机理,部分学者开展了颗粒流数值模拟和室内外观测试验。柯云斌等[14]、吴谦等[15]、宋朋燃[16]运用颗粒流三维数值模拟方法(particle flow code,PFC),研究了不同降雨强度和坡度下,坡面遭受侵蚀的程度和坡面径流侵蚀能力的分布规律。LI等[17]通过三维激光扫描技术对某黄土边坡冲刷侵蚀进行了长期观测,研究了黄土边坡侵蚀的时空分布规律。JIANG等[18]运用数字近景摄影测量系统对黄土坡面细沟侵蚀的动态过程进行监测,定量化描述了侵蚀过程中细沟形态的变化,揭示了细沟侵蚀的演变规律和机理。由此可见,黄土边坡的冲刷侵蚀研究已较为深入,但目前大部分室外监测研究多集中在坡面冲刷形态演化表现,对于坡体内部降雨入渗情况了解较少,降雨入渗是影响坡面冲刷较为关键的因素。因此开展坡体内部降雨入渗监测对研究全风化混合花岗岩边坡冲蚀性质具有重要的意义。

综上所述,依托墨临高速公路全风化混合花岗岩边坡,通过开展原位降雨冲刷试验,借助面波测试与高密度电法,探究全风化混合花岗岩边坡冲蚀过程及机理,揭示临沧全风化混合花岗岩遇水冲刷破坏演化过程,为该地区边坡坡面冲蚀防护及灾害防治提供有益参考。

1 工程边坡概况

试验边坡位于云南临沧南部山区,受干湿交替的气候影响,混合花岗岩风化强烈,坡面岩土体极为松散,呈硬砂土状,强度低,遇水易崩解,保水性差。临沧地区年降雨量1 500～2 000 mm,且降雨多集中在7—8月雨季间,降雨集中且量大,坡面岩土体极易被冲蚀,部分坡面冲蚀严重导致框格梁悬空,从而影响边坡整体稳定性,坡面的严重冲蚀也使得植物难以生长,进而加剧水土流失。全风化混合花岗岩状态如图1所示。

图1 全风化混合花岗岩Fig.1 Completely decomposed migmatitic granite

工程边坡区域地层岩性较为复杂,主要为全风化混合花岗岩(completely decomposed migmatitic granite,CDMG),含强风化花岗岩夹层。相对于其他地区的花岗岩风化残积物,研究区内的全风化混合花岗岩中石英和长石含量高,颗粒多为中粗粒,粉黏粒含量少,颗粒间多为泥质胶结。表1为全风化混合花岗岩物理性质。由于母岩岩性的不均匀加之后期差异风化作用,全风化混合花岗岩地层在垂直和水平方向上存在显著差异性,且部分区域内含有球状风化的孤石,使得不同区域内边坡冲刷破坏程度表现出一定的差异。全风化混合花岗岩结构性强,其力学及水理性质受地应力影响,表现出较强的扰动性。工程开挖导致原始地应力改变,加之机械扰动,致使全风化混合花岗岩结构疏松,强度劣化,坡面冲刷破坏极为显著,如图2所示。

表1 全风化混合花岗岩物理性质

图2 全风化混合花岗岩边坡冲刷现状Fig.2 Current situation of CDMG slope erosion

2 坡面冲刷试验方法

坡面冲刷试验选取开挖暴露1 a的某全风化混合花岗岩边坡,坡比为1∶1,如图3 a)所示。该边坡经历了1个雨季的冲刷,表层土体结构松散,在工程建设区域内具有一定的代表性。冲刷试验区设计为6 m×4 m的矩形区域,在冲刷区域下部设置2条长4 m的导流沟槽,宽度分别为1.0 m和0.5 m,导流槽上部挡水板将冲刷区内小规模径流引导至导流槽内,形成规模更大的径流,如图3 b)所示。导流槽宽度的不同对径流的汇聚程度存在差异,以便于观察不同径流下坡面冲刷侵蚀过程。

图3 冲刷试验边坡Fig.3 Scour test slope

现场冲刷试验所有仪器包括降雨控制系统、高密度电法系统和面波测试系统3个部分。

降雨控制系统由供水系统、水管及降雨器、流量控制系统3部分组成。以区域内雨季平均降雨量为参考,计算降雨控制系统参数,通过供水加压系统将水注入水管和降雨器中,并通过流量控制系统控制降雨量。试验设计7次模拟降雨,具体试验安排如表2所示。

表2 模拟降雨试验设计

高密度电法采用WBD网络并行电法仪,该电法仪的发射电压有24,48,72,96 V 4级可选,电极电流强度均在30 mA以上,数据采集参数为0.5 s恒流,采样间隔为50 ms。高密度电法系统由数据采集系统主机、电池组、电缆和电极组成。高密度电法测线长为30 m,电极间距为0.5 m,布设2条测线,测线间距为2 m,共使用60个电极,采用温纳检测法进行数据采集,如图4所示。

图4 边坡冲刷测试系统Fig.4 Slope erosion testing system

面波测试采用Geod数字地震仪,面波测试系统由数据采集器、检波器、电缆和激发器4部分组成,如图5所示。面波试验的道间距为0.5 m,共使用24道检波器,偏移距为2 m。

图5 面波测试系统Fig.5 Surface wave testing system

3 结果与讨论

3.1 高密度电法

高密度电法数据分析采用美国GEOTOMO公司的商用软件Res2dinv进行处理,对原始数据进行格式转换、噪音剔除、平滑与插值等预处理后可以获得较为精确的浅表层的电阻率值。以0.2 m间隔分层统计土体电阻率,得到地下0～1.0 m深度内电阻率随降雨状态的变化关系,结果如图6所示。

图6 冲刷条件下坡面电阻率分布Fig.6 Distribution of slope resistivity under erosion conditions

高密度电法测试结果显示,降雨冲刷条件下全风化混合花岗岩边坡两条测线的平均电阻率变化规律基本一致。1)测线1结果显示,在0～0.2 m深度范围内,受到降雨因素的影响较大,平均电阻率变化大。在状态1至状态4过程中,平均电阻率逐渐增加,增幅达11.1%。降雨的最初阶段,坡面土体受到雨水的溅蚀导致结构破坏,表层土体孔隙增大从而使得平均电阻率逐渐增大;状态4至状态7,坡面土体平均电阻率逐渐减小,降幅为23%。该阶段内降雨以入渗饱和为主,坡面并未形成大规模径流,以小规模细沟侵蚀和下层潜蚀为主,坡面土体具有较好的完整性,水土流失量较小,加之含水率增大,导致表层土体平均电阻率大幅度减小;在状态7至状态10过程中,土体边坡表面含水率状态基本达到饱和,同时受土体侵蚀作用增大影响,土体细颗粒成分流失,土体结构性发生破坏,平均电阻率呈现增大的趋势,相较于状态7时的平均电阻率,增长约20%。由平均电阻率分布情况可以看出,短暂地模拟降雨冲刷试验,坡面土体侵蚀流失主要发生在0～0.4 m内的浅表层,坡面内部主要受降雨入渗的影响,含水率升高,加之降雨入渗下带细颗粒物质的充填,导致电阻率降低。2)测线2结果表明,降雨冲刷试验中平均电阻率变化情况与测线1基本一致,但其平均电阻率变化率相对较小,主要由于测线2区域内导流沟槽宽度较大,相较于测线1,其对上部冲刷径流汇聚作用较小,表层土体冲刷破坏作用较小。测线2结果显示出,其平均电阻率显著小于测线1,说明试验区域内地层分布极不均匀,部分区域岩土体完整性较高,抗冲刷能力相对较强,但在冲刷破坏过程中,各阶段的冲刷现象基本一致。

高密度电法测试结果表明,在降雨的最初阶段,表层全风化混合花岗岩未达到饱和前,雨水以入渗为主,表层岩土体受到雨水溅蚀淋滤,原始结构破坏且粗颗粒间部分胶结物质被溶解带走,导致岩土体结构更加松散,孔隙率增加,致使表层土体平均电阻率增加;在降雨中期,坡面部分细颗粒物质被雨水带入地下,充填了部分孔隙,加之坡面岩土体含水率逐渐升高达到饱和,导致坡体内部出现大范围低阻区域,平均电阻率降低;试验后期,坡面土体达到饱和,雨水入渗量降低,坡面出现径流冲蚀现象,导流沟槽不断汇聚坡面小规模径流,沟槽内冲蚀细沟不断贯通形成了大规模径流,最终导致表层岩土体大规模冲蚀破坏,原始结构完全丧失,平均电阻率增大。

3.2 面波测试

为保证测试结果的准确性,在各冲刷状态下开展多次波速测试,彩色曲线表示各次测试结果,最后对测试结果取最小二乘法拟合值并用黑色曲线反映。面波测试结果反映地下0～5.0 m深度范围内地层分布情况,面波测试结果如图7所示。

注:各分图中黑色折线为最小二乘法拟合值的变化,彩色折线为各次测试结果。

根据剪切波速度,可将其划分为3层:第1层埋深约1.6 m,剪切波速度为100～115 m/s,为开挖后的松动层,岩土体内部孔隙性较大,受降雨、风化作用最为明显,由此产生的内部裂隙也最多;第2层埋深为1.6～4.8 m,剪切波速度为145～190 m/s,受到的外力作用相对较小。受上覆土层厚度的影响,开挖后其岩土体密实度稍有降低,且含水率相对上一层有所增大;第3层埋深为4.8～5.0 m,剪切波速度大于245 m/s,该层岩土体密实度较大,岩土体内部孔隙性较小。

在经历降雨后,测线1面波的测试结果如图8所示,状态2至状态4的第1层土体(0～1.6 m)的剪切波波速最低降到95 m/s,说明表层受到降雨溅蚀作用,表层土体原始结构被破坏,导致孔隙含量增加,坡面左边部分出现较小的沟壑及裂缝,如图8 b)所示;当降雨累计时长达到8 h后(状态7),坡面表层岩土体(0～1.6 m)逐渐达到饱和,土颗粒间的孔隙被水充填,局部发生小规模细沟冲蚀,分布散乱,这一阶段内坡面径流量较小,坡面未发生大规模冲蚀,如图8 c)所示。该阶段内剪切波速上升至150 m/s;降雨14 h后(状态10),坡面第1层土体剪切波速降至122 m/s。该阶段内坡面土体发生显著冲蚀,坡面径流量增加,坡面底部发生较大规模片蚀,冲沟逐渐贯通延伸至坡脚处,如图8 e)所示。降雨冲刷试验对第3层土体的影响相对较小。

图8 降雨试验各阶段坡面形态Fig.8 Slope morphology at different stages of rainfall test

测线2的面波测试结果与测线1基本一致。坡面第1层土体在冲刷初始阶段(状态4)剪切波速由125 m/s降至118 m/s;在降雨时长达到8 h后(状态7),表土层剪切波速上升至130 m/s;在降雨14 h后(状态10),剪切波速降至110 m/s。在降雨的冲蚀下,表层土体结构被破坏,导致其完整性降低使得土体剪切波速降低。在状态2至状态10过程中,第2层土体剪切波波速由150 m/s上升至210 m/s,其原因为上部雨水携带部分细颗粒物质对该层土体进行了一定的填充。

3.3 降雨冲刷时空演化规律

为了消除土壤类型、温度等因素的影响,引入不同状态下受含水量和土壤侵蚀影响的剪切波速变化率ΔVs,分析降雨过程中剪切波速的时空变化。剪切波速按式(1)计算:

(1)

式中:n为状态数;Vn为状态n时的剪切波速;V1为状态1时的剪切波速。利用面波法可以得到剪切波速的时空变化,如图9所示。测试结果表明,坡面0～0.5 m内的表层岩土体剪切波速变化率较大,高达-6%～-8%,随着深度增加,变化率减小。在降雨的初期阶段(状态2—状态4),表层岩土体波速变化率为-4.5%～-6%,受降雨溅蚀和雨水入渗的影响,坡表土体结构遭受初始破坏,但未发生坡面冲蚀;随着降雨时间增加,坡面岩土体逐渐达到饱和状态,坡面出现小规模径流,且发育不连续冲沟,该阶段岩土体的剪切波速变化率逐渐降低至-4%～-5%;在降雨的后期(状态7—状态11),坡表径流量逐渐增加,冲沟逐渐贯通并产生较大规模片蚀现象,坡面岩土体结构完整性遭到破坏,剪切波速迅速降低,剪切波速变化率达到最高。

图9 面波分层变化率Fig.9 Change rates of surface wave stratification

高密度电法测试结果表明,岩土体的入渗侵蚀的变化与电阻率的变化相对应,通过引入电阻率的变化率Δρ,代表入渗侵蚀因子,以评估坡面冲刷时空规律。入渗侵蚀因子反映了某一冲刷状态下坡面土体冲刷量相对于前一状态的变化情况,通过累加各冲刷状态下入渗侵蚀因子,即可获得坡面岩土体的入渗侵蚀率。电阻率按式(2)计算:

(2)

式中:n为状态数;ρn为n状态下的电阻率;ρn+1为n+1状态下的电阻率。计算入渗及侵蚀因子并绘制三维时空演化图,如图10所示。

图10 降雨试验入渗冲刷时空演化规律Fig.10 Spatiotemporal evolution law of infiltration and erosion in rainfall experiments

根据降雨过程中坡面形态演化,以及2种试验方法得到的全风化混合花岗岩入渗侵蚀参数(剪切波速变化率和入渗侵蚀因子),建立了全风化混合花岗岩入渗侵蚀模型,可将全风化混合花岗岩边坡冲刷破坏机理概括为3个阶段(如图11所示):1)第1阶段的降水量为0～20 mm(状态1—状态4),受到雨水溅蚀和入渗作用,表层岩土体原始结构被破坏,岩土体侵蚀率从0%缓慢增加到1.5%,该阶段的岩土体剪切波速小幅度升高但剪切波速变化率较小;2)第2阶段降水量达到33 mm(状态4—状态7),该阶段的坡面岩土体逐渐达到饱和状态,入渗雨水将坡表岩土体颗粒间易溶解的胶结物和部分细颗粒物质带入地下深部,导致表层岩土体结构被进一步破坏,坡面出现小规模径流,冲蚀细沟逐渐发育,但坡面岩土体完整性较好,侵蚀率由1.5%增至3.5%;3)当降雨量超过33 mm时进入第3阶段(状态7—状态10),坡面侵蚀冲沟迅速发育,相互连通,岩土体出现大规模片蚀。由于水土流失的剧烈作用,大量粗颗粒物流出,坡面岩土体结构遭到严重破坏,侵蚀率由3.5%迅速上升到7.1%。当降水量达到54 mm时,剪切波速急剧下降,剪切波速变化率高达8.7%。

图11 全风化混合花岗岩入渗侵蚀模型Fig.11 Infiltration erosion model of CDMG

4 结 语

通过全风化混合花岗岩边坡现场冲刷试验,利用物探测试揭示了边坡降雨入渗、坡面径流及土体侵蚀发展特征,所得结论如下。

1)根据平均电阻率演化曲线,全风化混合花岗岩边坡坡面冲刷过程呈现典型的3段式分布,不同阶段的坡面雨水入渗侵蚀特征存在显著差异,即:测试前期,雨水溅蚀,岩土体结构初步破坏;测试中期,雨水入渗饱和,岩土体结构进一步破坏;测试后期,冲蚀细沟贯通,表层岩土体大规模冲刷破坏。

2)根据波速演化曲线,坡面以下0～5.0 m深度范围内地层受雨水冲刷影响可以分为3层,即表层(0～0.5 m),岩土体波速变化最剧烈;浅表层(0.5～1.6 m),岩土体波速影响显著,试验结果与高密度电法测试结果相互印证;深层(1.6 m以下),岩土体主要受雨水入渗和细颗粒填充影响,剪切波速呈上升趋势。

3)结合剪切波速演化曲线和电阻率演化曲线,构建了一种全风化混合花岗岩边坡入渗侵蚀量化评估方法,将影响深度分为3层,冲刷侵蚀过程分为3个阶段,即:雨水溅蚀、入渗,下层潜蚀入渗饱和,细沟贯通冲蚀破坏。

所构建的入渗侵蚀量化评估方法可快速确定不同阶段冲刷破坏的危害程度和影响深度,可用于指导全风化混合花岗岩地区边坡坡面防护工程设计和管理养护。