碎石土的颗粒特征及其优先流研究进展

李显平

中冶集团武汉勘察研究院有限公司上海分公司，上海 201900

碎石土的颗粒特征及其优先流研究进展

李显平

中冶集团武汉勘察研究院有限公司上海分公司，上海 201900

描述了碎石土的颗粒特征，从土壤优先流形成的内因入手，分析了碎石土优先流形成的客观条件。辩证地分析了碎石土与一般田间土体的异同，结合碎石土的特性分析，介绍能量理论以及优先流二域模型中的运动波模型和管流模型。最后，结合碎石土斜坡优先流的研究进展，对碎石土斜坡优先流研究提出展望，并指出开展碎石土优先流机理研究存在的一些问题。

碎石土；优先流；机理

debris; preferential flow; mechanism

引言

碎石土滑坡是山区滑坡的主要类型之一，在我国南方地区，碎石土滑坡是最主要的滑坡类型，如浙江省80%的滑坡是碎石滑坡[1]。三峡库区表层是第四系松散堆积体，主要由滑坡堆积物、残坡积物、冲洪积物、强风化物等组成，因此三峡库区存在大量的碎石土滑坡。据统计[2]，在三峡库区宜昌至万州区段（包括长江干流和支流）的177个滑坡中，有32个滑坡为第四系松散堆积类，占滑坡总数的18.1%；另据中国地质环境监测院地质灾害防治中心资料显示，三峡库区重庆市巫山县所调查的189个滑坡均为松散土石滑坡[3]。对于不同类型的滑坡，其变形失稳的特征不能一概而论，碎石土斜坡变形失稳也必有其特有的规律，值得深入研究。

碎石土斜坡堆积体结构松散，颗粒粒径变化范围特别大，级配在空间的分布也很不均匀，土体中粗粒比较集中之部位容易形成细粒充填不足的架空结构，即大孔隙。这种大孔隙既是可能的集中渗流通道，又是容易产生变形的薄弱环节，它们对水分流动阻力影响小，水分在碎石土中会顺着这些阻力最小的方向流动，即所谓“短路现象”，形成优先流。由于优先流的存在，降雨诱发碎石土斜坡产生变形破坏的模式和机理必有其特定的规律，且比降雨入渗引起一般非饱和土坡变形破坏的情况要复杂得多。因此，搞清碎石土优先流形成的机理是研究碎石土斜坡产生变形破坏模式和机理的关键和难点。文章从碎石土的颗粒特征入手，分析碎石土优先流的研究依据，结合优先流相关理论以及碎石土优先流的研究现状，对碎石土优先流研究提出展望。

1 碎石土的颗粒特征

1.1 碎石土的定义和分类

土石混合体是一种由颗粒比较小的土和颗粒比较大的碎石组成的非匀质土，工程上一般称作碎石土。碎石土没有确切的定义，按我国建设部主编的《岩土工程勘察规范》[3]的分类标准，碎石土是指粒径大于2mm的干土颗粒超过全重50%的土。碎石土根据其颗粒级配及形状可按表1分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾如表1所示。

表1 碎石土的分类

1.2 碎石土的颗粒组成

由碎石土的定义和分类可以看出，碎石土既不同于一般的岩体，又不同于一般的土体，而是介于土体和岩体之间的一种非常特殊的地质体。碎石土的物质成分以土夹碎石或碎块石组成，其物理力学特性会由于碎石、漂石、卵石、块石、粉粒和粘粒的含量、土的含水量、饱和度等变化而变化。

人们根据其颗粒组成特点，把碎石土看作粗粒碎石和细粒土两部分。认为碎石形成骨架，细粒土充填孔隙，充填愈好，土体的密度愈大，抗剪强度愈高，沉陷变形愈小，颗粒组成是决定碎石土工程特性的主要因素。

碎石土的颗粒组成特点是粒径变化范围特别大，级配在空间的分布很不均匀，往往缺乏中间粒径。例如，山区洪坡积层中常见以角砾、碎石或块石作为骨架或包含物，以黏性土为充填的碎石土于河床冲积层中常见以圆砾、卵石作为骨架或包含物，以砂土为充填的碎石土。这类土的级配特点是有一段近似水平线，该直线区段的颗粒极少，如图1。

图1 碎石土的级配特点

2 碎石土优先流的研究依据

优先流是一种较为常见的土壤水分运动形式，是用于描述在多种环境条件下发生的非平衡流过程的术语[1]。它的表现形式较多，主要有大孔隙流、环绕流、管流、指流、漏斗流等，其运移过程一般具有环绕性和非平衡性两个重要特征。

优先流的研究，最早是从土壤大空隙流开始的。早在1864年土壤学家们就已经注意到了大孔隙在非饱和土壤水分运动过程中的作用。首先提出大孔隙作用的是 Schumachar（1864）[2]，他指出“在毛管力的影响下，当毛管的吸持作用不大时，入渗期间土壤的入渗率主要受大孔隙的控制”。

土壤大孔隙的几何形状多样，空间分布复杂，形成因素也较多，因此很难给出严格的定义。研究者们根据研究目的和方法的不同，从不同的角度来定义大孔隙[5]。但从广义上讲，不论孔径大小、形状如何，能够导致水分和溶质的优先迁移的任何孔隙都可称之为大孔隙。

Beven[9]等将土壤大孔隙的成因归结为生物因素、物理因素和化学因素三个方面，土壤中的大孔隙包括土壤团粒间较大的孔隙、植物根痕样的管状孔、小动物的洞穴、干燥收缩而产生的裂隙、化学风化溶解而产生的空洞、耕作形成的暗洞以及产生于破碎心土层的孔隙等。

从大孔隙的定义和成因来看，碎石土也必然存在着大空隙以及由此产生的优先流。大量的地质勘查结果表明[12,13]，在碎石土边坡中地下水的流动通常具有管道流的特点，管状地下水的出口一般为大空隙或滑移岩体的裂隙，而在出水口周围岩土体却未饱和。因此，碎石土斜坡优先流主要体现为大孔隙流和管流两种形态。

3 碎石土优先流研究的理论基础

碎石土是自然界许多种土体中的一种，它和一般田间土体是普遍和特殊的关系。由普遍和特殊的辩证关系可知，作为个体，碎石土既有同于一般土体的共性，又有区别于一般土体的特性。所以，区分碎石土与一般土体的共性与特性是研究碎石土优先流的关键之一。

土壤优先流产生的根本原因是存在导致水分和溶质优先迁移的大孔隙。首先，一般田间土体的大孔隙主要是由生物、物理、化学等外界因素造成的，真正由土体本身结构性和土壤团粒之间形成的大孔隙较少；而这里研究的碎石土，其大孔隙则主要是由于碎石细粒充填不足而形成的，因而碎石土的大孔隙是碎石土本身所固有的。这种大孔隙形成原因的不同，是碎石土有别于一般土体的地方之一。其次，自然的碎石土边坡中往往碎石巨大，大的碎块石粒径达几十到几百毫米，这些大粒径的碎石间由于细粒充填不足所形成的大孔隙比田间沙壤土中的大孔隙要大得多。

然而，大孔隙的存在是优先流产生的根本原因之一，不论碎石土与一般田间土体的大孔隙成因和大小如何不同，在碎石土和一般性土壤中都存在由大孔隙所引起的优先流。能量守恒定律在自然界是普遍适用的，土水势作为表示土壤能量的物理量，在碎石土中也必然适用。土壤优先流中的二域模型把土壤分为基质域和大孔隙域，碎石土作为一种多孔介质，也存在着基质，只不过在碎石含量较大级配较差的碎石土中大孔隙域占优，在碎石含量较小级配良好的碎石土中，基质域占优。因此，土壤优先流中的二域模型也必然适用于碎石土。下面介绍一下能量理论和优先流二域模型。

3.1 能量理论

将能量观点融入土壤水分入渗规律是土壤物理学研究的飞跃。土水势是表示土壤能量的物理量，一般由重力势、压力势、基质势和溶质势等分势构成。从土水势是土壤水分运动的主要决定因素及土壤水分运动的能量角度出发，可知土壤优先流作为非平衡和快速流，存在土水势的高度不平衡性。

3.2 优先流模型

虽然土壤优先流定量研究难度大，起步也比较晚，但人们还是提出了许多方法来模拟它，常用的模型有二域模型、多域模型、数值模型、两阶段模型、混合模型和随机模型等。其中比较热门的研究是在结构性多孔介质流体的流动和传输中所使用的二域模型（Two-Region Model），也称为双重孔隙度模型（Dual- Porosity Model或Double-Porosity Model）。

二域模型假定土壤由两个域构成，一个域代表土壤基质，称为基质域，另一个域代表土壤中的优先路径，称为大孔隙域。根据水及溶质在两域中的运移和两区域之间水及溶质交换的不同，可分为流动一非流动型和流动一流动型，其中流动一流动型又分为双重孔隙度（Dual Porosity）型，运动波（Kinematical Wave）型，边界层流动理论（Boundary Layer Flow Theory）型和管流（Channeling or Tube Flow）型。下面对二域模型中研究比较多的运动波型和管流型作简要介绍。

3.2.1 运动波（Kinematical Wave）型[16]

Beven等对土壤基质域运用达西定律，对土壤中的大孔隙域运用质量守恒原理，建立非饱和大孔隙域运动波水流方程。Germane等指出，对于土壤中的大孔隙域，水只在重力作用下通过该区，且水流速度和强度取决于土壤含水量，则大孔隙域中非稳定流可用运动波理论来解决。运动波理论包括一个与大孔隙流有关的汇函数，在入渗期间，水从大孔隙域渗入到土壤基质域中，大孔隙域周围的土壤基质域起着吸附边界的作用。假设土壤中优先路径均匀分布，且湿润锋的运动可用活塞式流动来描述。该模型的预测结果与所观测的出流过程很接近，但由于模型假定的均匀优先路径系统，其中湿润锋的运移被认为是活塞流，使模型的出流体积通量密度与观测值存在差异，而且模型中大孔隙域中的体积通量密度、水分含量以及所涉及到的参数的确定都很困难。

3.2.2 管流（Channeling or Tube Flow）型[8,17,18]

Chen和Wangenet将土壤分为基质域和大孔隙域两域，基质域中的水流方程采用Richard方程，大孔隙域中的水流近似看成管流，采用管流的Hagen Poiseuille公式和Chezy Manning公式来描述，采用Philip入渗公式计算从大孔隙域到基质域的水流速度。该二域模型可以相当精确地进行预测，但仅适用于自由排水条件下。Beven和Germann使用Hagen Poiseuille公式得到了描述大孔隙流的非线性运动波方程，并得到了饱和优先路径体积通量密度和优先路径度的关系。Beven等将Green Ampt方程与Hagen Poiseuille公式结合起来，描述从优先路径到土壤基质的辐射渗透。Workman等使用Hagen Poiseuill公式来描述土壤积水入渗条件下的大孔隙流，采用达西定律以压力差为驱动力定量描述侧向渗透。

4 碎石土斜坡优先流的研究现状

目前关于碎石土边坡优先流机理的研究文献不多，少量成果研究到了碎石土优先流，但没有明确提出碎石土边坡优先流这一概念。比如，浙江大学的尚岳全，俞伯汀，许建聪等[13,19-23]对碎石土斜坡渗流特征进行系统研究所强调的碎石土管网状渗流系统就是一种优先流。他们通过工程实地考察，发现了碎石土边坡管网状渗流系统的存在，并通过较为系统的模型试验再现了碎石土边坡管道排泄系统的形成过程，验证了碎石土边坡管网状渗流通道对碎石土边坡稳定性的影响，最后还将这套管网状渗透理论应用于指导工程实际。在碎石土优先流机理研究问题上，浙江大学的研究者只是在恒定水头差的条件下模拟研究粘粒含量、碎砾石含量以及大粒径碎石对碎石土边坡管道排泄系统的形成的影响，而没有对碎石土的级配组成、颗粒形状等影响因素作相关研究。并且，上述因素都是内因，水是碎石土优先流通道的形成主要外因，水的施加方式（水平、垂直），以及地下水位的变化、雨强、降雨持时将直接影响碎石土优先流通道的形成，这些因素也是碎石土优先流机理研究的重点。

碎石土优先流受各种内外因素的影响，只有全面的考虑这些因素，才能深入揭示碎石土优先流发生的机理。浙大的研究者只是对粘粒含量、碎砾石含量以及大粒径碎石对碎石土边坡管道排泄系统形成的影响做了定性分析，而并没有做定量研究，碎石土优先流的定量研究是今后要努力的重点和难点。

5 展望及存在的问题

虽然碎石土优先流对边坡的影响和作用已经被许多专家学者注意到，但系统的机理研究还没有展开，一些零星的研究也只停留在定性分析上。因此，碎石土优先流机理研究大有文章可做，建立符合碎石土优先流一般规律的分析模型，需要进行大量的实验和数值模拟。碎石土优先流分析模型的建立不但能为揭示碎石土斜坡变形破坏机理提供理论基础，而且也是对土壤优先流理论研究的完善和补充。

实验是研究碎石土优先流机理最有效、最可靠的方法之一。由于碎石土自然边坡环境比较恶劣，要进行系统的室外现场实验不太现实，因而，室内模拟实验是唯一比较可行的途径。设计实验进行碎石土优先流的模拟需要相关理论来指导，而目前还没有完全适用于碎石土优先流的理论和模型，因此，如何修正已有的优先流模型或者建立新的适合碎石土的优先流模型是问题的切入点和难点。虽然人们提出了许多模型来模拟土壤优先流，但这些模型都是建立在Darcy定律的基础上，其中研究较多的二域模型，在基质域方面运用Darcy定律来研究比较成熟，但对于大空隙域的研究则不够完善，存在参数难于测定，边界条件处理复杂等缺陷。因此，发展和采用适宜的测量参数的技术和方法是急需解决的问题。

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The Characteristic of Debris’ Grain Composition and Study on Debris Preferential Flow

Li Xianping

The characteristic of debris’ grain composition was generally described. Began with the immanent cause of formative soil preferential flow, the objective factor of formative debris preferential flow was analyzed .The common and difference between debris and general soil were dialectically analyzed. Kinematical Wave Model and Channeling Flow Model among Two-Region Model were introduced. At last, combined with present condition of preferential flow of debris slope, put forward some vistas to the study of debris preferential flow, what’s more, some existing problems of recent research of debris preferential flow were point out.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.06.020

李显平（1982-），男，湖北红安人，岩土工程硕士研究生，助理工程师，中冶集团武汉勘察研究院有限公司，主要从事岩土工程勘察工作。