基于实时监测的降雨入渗过程研究

基于实时监测的降雨入渗过程研究

中国是世界上最严重的国家之一，灾害种类繁多，分布广泛，活动频繁，危害巨大。特别是，自蓄水以来，灾区多次发生灾难。这是受灾化学和最严重的领域。降雨入渗是滑坡失稳的主要影响因素,大量研究表明,暴雨或连续降雨常常诱发滑坡。降雨入渗对滑坡的影响是一个相对复杂的过程,目前研究降雨型滑坡主要有两种途径,一种是运用数理统计的方法研究一定区域内降雨型滑坡发生的相关规律,另一种是从成灾机理出发,研究降雨入渗过程中滑坡体内渗流场变化及岩土体的物理力学变化。对于单个滑坡点,多数是在获取了简单的降雨和地质资料后,运用相关的二维、三维数值模拟或者进行室内试验对降雨的整个入渗过程进行研究,其中土水特征曲线常采用相关模型近似确定,甚至有些连降雨资料也是假定值,缺乏现场采集的有效数据,建立的模型及模拟结果人为影响因素较大。本研究以三峡库区四道桥滑坡为研究对象,通过在滑坡体上建立的实时监测现场站,实时监测滑坡体水分含量,以收集绘制滑坡体土水特征曲线所需的水分含量参数,进而通过监测数据研究降雨入渗过程中滑坡体水分含量响应的变化规律,从总体上把握碎石土堆积层滑坡降雨入渗过程,为后期数值模拟提供真实可靠的数据支持。1滑体缘高土滑坡四道桥滑坡位于巫山县新城西侧,滑体东西宽100~250m,南北长约600m,厚度14.0~43.2m,面积约11万m2,总方量约268万m3,后部为滑坡平台,坡度4°~10°,宽度150~160m,为新城迁建区及西坪居民区。滑体后缘呈明显的圈椅状地形,后壁高程280—360m,坡向150°~170°,坡度约40°;东西侧缘受冲沟切割,三面临空,其中四道沟切割深度10~30m、宽5~20m;前缘剪出口位于四道沟沟口及长江高漫滩上,高程100—150m。该滑坡沿四道沟呈近南北向展布,主滑方向150°~170°,主要由碎石土、滑动碎裂岩体、碎块石土及砾质粉土或粉质黏土组成,由上而下细粒物质逐渐减少、碎块石含量增加,局部出露T22b强风化紫红色泥质粉砂岩、泥岩,滑体具较强渗透性,滑体土间泥化夹层具隔水作用。滑带厚1~4m,滑带土主要成分为黄灰色、紫红色砾质粉土和粉质黏土、黏土质角砾、泥等,呈可塑—软塑状,受滑坡挤压后形成擦痕及磨光面,局部遇水形成泥化带。滑坡前缘受库水位升降影响明显,库岸再造强烈。2现场数据采集四道桥滑坡水分含量实时监测系统由水分含量监测孔、水分含量监测仪、数据采集仪、现场数据采集站、光伏供电系统、数据无线传输系统及数据发布系统组成。在滑坡体主滑动剖面上设置了6个水分含量监测孔,每个孔中分3个不同层位安装水分含量监测仪;建立3个现场数据采集站点,将水分含量监测仪通过线缆连接到现场数据采集站点;采用通用型的数据采集仪采集数据,以无线传输方式将数据传到中心站后台数据处理中心,对数据进行处理和实时发布;现场数据采集系统采用太阳能光伏系统供电来保证整个系统全天候工作,实时监测数据采集间隔时间为1h。实时监测系统构架如图1所示。3典型降雨过程为了排除库水位波动过程中库水入渗对水分含量监测仪的影响,选择滑坡体中上部只受降雨影响的水分含量监测孔SK3—SK6作为研究对象,分析降雨入渗过程中滑坡体水分含量监测数据及不同钻孔、不同层位水分含量仪对降雨入渗的响应过程,并选择典型降雨过程进行相关性分析。SK3—SK6钻孔中水分含量监测仪安装位置如图2所示,仪器编号自下而上依次增大,如SK3钻孔中水分含量监测仪编号自下而上依次为SF_SDD_3_1、SF_SDD_3_2、SF_SDD_3_3。SK4钻孔上部有垂直于主滑方向延伸的排水巷道,其中设置有排水孔将地下水引入排水巷道从而排出滑坡体。滑坡体存在主滑动带及次级滑动带两个相对隔水层。采用的是TDR型水分含量监测仪,所测水分含量为体积含水量(饱水度)。选择典型降雨过程为2012年7月4日19时至7月5日8时,共降雨14h,累计降雨量达114.3mm,最大降雨强度23.7mm/h(图3)。降雨前869h无累计降雨量>10mm/d的降雨过程,滑坡体内含水量处于相对稳定的状态,且此后160h内无累计降雨量>10mm/d的降雨过程,因此该次降雨为一典型单次降雨过程。典型降雨过程中,SK6—SK3钻孔中各水分含量监测仪与降雨量相关性曲线见图4—7,响应规律见表1。从图4和表1可以看出,典型降雨过程中SK6钻孔各水分含量监测仪从上到下依次响应,最上部的SF_SDD_6_3反应最为迅速,含水量快速增加,增加幅度最大;SF_SDD_6_2、SF_SDD_6_1反应后相继增大,但水分含量增大幅度较小,这与它们所处位置存在相对隔水层、在上部前期微渗流作用下水分含量较高有关。不同层位的水分含量响应时间很好地反映了降雨过程中地下水在滑坡体内渗流的情况。各个水分含量监测仪在降雨入渗响应后达到的最大含水量数值不同是由传感器差异造成的,加之所处位置的岩土层不同,达到最大值均可看作达到饱和状态。从图5和表1可以看出,SK5钻孔中SF_SDD_5_3、SF_SDD_5_2先后响应,含水量迅速增大至饱和状态,受上部排水巷道中排水孔作用,之后含水量又明显下降。SF_SDD_5_1处于排水孔下部,降雨入渗地下水基本全部排入排水巷道,故SF_SDD_5_1含水量基本保持不变,说明排水巷道排泄地下水效果良好。从图6和表1可以看出,SK4钻孔中各水分含量监测仪从上到下依次响应,响应后迅速增大至饱和状态,时间均小于1h,上部的SF_SDD_4_3达到饱和状态后含水量数值迅速下降,SF_SDD_4_2、SF_SDD_4_1位置由于存在相对隔水层,降雨入渗后沿隔水层向下渗流,其饱和状态会持续一段时间,其中SF_SDD_4_2持续60h、SF_SDD_4_1持续时间90h。受上部排水巷道作用,总体来看SK4钻孔基本不受上部来水影响,属于相对独立的地下水补、径、排体系。从图7和表1可以看出,SK3钻孔中各水分含量监测仪从上到下相继响应,之后快速达到饱和状态,时间均小于1h,但持续饱和时间较短(均小于1h),这与沿江路施工修建抗滑桩及修路开挖回填关系密切。抗滑桩具有一定的阻水作用,回填料比滑坡体材料渗透性小,降雨入渗过程相对滑坡体稍微滞缓,入渗系统相对独立,入渗到仪器安装层位后,由于没有上部来水的补给,含水量饱和时间很短,之后迅速开始降低,恢复至无降雨稳定状态时间大于10d。4滑坡体地下水渗流数据分析(1)滑坡体水分含量实时监测系统对降雨入渗过程响应积极,仪器反应灵敏,能很好地捕捉到降雨入渗过程中滑坡体内各个层位的水分含量变化过程,结合监测数据、地层资料、排水设施等可以从整体上解析出滑坡体内地下水补给、径流、排泄的关系。(2)对典型降雨入渗过程与滑坡体内水分含量响应进行研究,查明了滑坡体内地下水渗流过程中不同仪器安装层位的地下水入渗响应时间、达到饱和时间、持续饱和时间等滑坡体地下水渗流数据,从总体上探明了降雨入渗后地下水补给、径流、排泄的过程,摸清了降雨过程中滑坡体内的地下水渗流变化情况。(3)在典型降雨入渗过程中,分析滑坡体水分含量监测数据可以很好地反映排水巷道、抗滑支护桩等对降雨入渗的补、径、排的影响,检验排水巷道对滑坡体降雨入渗地下水的排泄效果。(4)滑坡体水分含量实时监测系统能根据需求采集任意时间间隔、不同层位水分含量的有效数据,能从总体上摸清降雨入渗过程滑坡体内的渗流过程,为建立、校正模型用以模拟滑坡