松散堆积体是由细粒土和大粒径块石构成的不均匀的松散岩土介质。这种“土–石混合体”广泛存在于地质和岩土工程领域。由于地震作用，山体变得疏松，形成大量的碎石土松散堆积物。这些堆积在坡体上的松散堆积物，其结构已完全破坏，力学强度极低，处于即将失稳的临界状态。有研究表明，汶川地震产生大量的松散堆积物，在震后的一段时期内，这些堆积体在外界因素的激发，尤其是震后降雨作用下，发生滑坡或者泥石流的可能性极大^[1–2]。

汶川地震导致灾区形成大量的松散堆积体，其块石含量各异。研究表明地震后降雨是诱发松散堆积体灾变的主要动力^[3–4]，而块石含石量变化则是松散堆积体失稳形态各异的关键。汶川地震灾区降雨量充沛，震后松散堆积体含石量差异较大，堆积体在降雨作用下诱发大量的碎石土松散堆积体滑坡、泥石流等地质灾害。因此，开展降雨强度和含石量变化的松散堆积体模型试验研究，分析其变形失稳特征，对于地震灾区的松散堆积体灾变机理及监测预警十分重要。

目前，相关研究分别从含石量和降雨两个因素开展工作。在含石量对松散堆积体物理力学特性的影响研究方面，杨继红等^[5]从三峡库区典型堆积体现场取样，进行室内大型直剪试验，研究含石量对碎石土堆积体抗剪强度以及剪应力与位移的关系。龚健等^[6]为探明含石量对碎石土边坡渐进破坏的影响，开展不同含石量边坡的静力超载试验，测定坡顶的力和位移，采集边坡侧面高清图像，利用PIV（particle image velocimetry）分析碎石土边坡在静力超载作用下的破坏过程。杨忠平^[7]、Coli^[8]等用PFC2D探讨含石量变化对土石混合体剪切特性的影响。通过室内大型直剪试验分析4 种不同含石量土石混合体的剪切特性。金磊等^[9–10]通过室内大三轴试验，揭示块石含量变化时对其力学特性的影响。在降雨诱发松散堆积体失稳机理研究方面：杜光波等^[11]基于有限元理论，研究降雨入渗下残坡积土斜坡的暂态非饱和渗流场，分析其渗流稳定性。董辉等^[12–13]通过双环入渗试验对堆积体碎石土渗透系数、不同深度碎石土体积含水率进行测量，获得其空间分布与变异性特征。吴永等^[14]建立了松散堆积体潜水位变化的水力学计算模型，分析松散堆积体内渗流力随潜水位变化的规律，提出基于单元条块的松散堆积体动、静水压力计算方法。左自波等^[15]通过自行研制的降雨滑坡室内试验系统，对堆积体土样进行降雨模拟试验，研究降雨条件下堆积体的渗流特征及其变形破坏过程。上述研究主要针对降雨和含石量这两种单一因素对松散堆积体的影响，但是针对不同降雨条件下不同含石量对松散堆积体的失稳影响的研究目前还比较欠缺，因此开展降雨作用下松散堆积体模型试验研究对于灾区松散堆积体预警研究十分重要。

基于上述研究，作者采用室内人工降雨模型试验，分析松散堆积体在不同含石量、不同降雨强度下坡体的位移、土压力、坡体变形失稳的变化规律，揭示降雨强度和含石量变化对松散堆积体失稳的响应机理，从而为松散堆积体的失稳预测预警提供参考。

为研究降雨强度和含石量变化条件下松散堆积体变形破坏机理，利用中国科学院成都山地所自行组装的模型试验平台开展研究工作，试验装置示意图如图1所示。模型图尺寸单位为mm，平台实物模型如图2所示。模型平台几何尺寸为长2 600 mm、宽500 mm、高550 mm，野外调查发现堆积体坡度多在15°～30°之间，本研究假定堆积体斜坡坡度20°。平台两侧安装侧板，降雨模拟系统采用QYJY–501型便携式全自动人工模拟降雨器。该系统主要组成包括：供水管线系统、降雨喷头和降雨强度监测系统。

图1(Fig. 1)

图1 物理模型试验装置 Fig. 1 Physical model test device

图2(Fig. 2)

图2 堆积体模型试平台 Fig. 2 Simulation platform for the accumulation model

为减小块石颗粒的粒径对试验成果的影响，选取野外某松散堆积体，对其晾干并筛分，鉴于模型尺寸限制，将粒径大于60 mm的粗颗粒剔除，再将粒径介于2～60 mm的粗颗粒筛分出来后晾干混合均匀作为粗颗粒块石备用，剩余的细颗粒作为细颗粒土，细颗粒含水量7.5%。

为研究不同含石量对松散堆积体稳定性的影响，分别设计块石含石量为10%、20%、30%、40%共计4种类型的松散堆积体，按含石量要求，将筛分得到的粗块石和细颗粒土称重后均匀混合得到4种不同含石量的碎石土备用。在试验之前，提前测试压实密度，基于试验要求，选择合适的压实度。为保证试验过程中堆积体的密实度一致，采取分3层堆积，每层厚度180 mm，在堆积模型过程中用木槌沿整个层面均匀敲击相同的次数，使得斜坡体的密实度保持一致。

在堆积的过程中，按照设计的监测仪器布置位置要求，及时预埋各种压力传感器和位移监测标记点。假定松散堆积体后缘挡板为起始点，分别在松散堆积体表面埋设S1~S5共5个位移监测点，其距离后缘挡板起始点的水平距离分别为770、1 030、1 300、1 630、1 940 mm。为分析不同降雨强度对松散堆积体失稳破坏的影响，在松散堆积体内部分别埋设W1，W2、W3和W4共4个体积含水率传感器。假定模型平台底板高度为0，4个含水率传感器的埋设深度分别为150、250、350和450 mm。利用数据采集仪采集试验过程中含水率传感器的监测数据，用直尺测定降雨过程中堆积体的标记点水平位移变化情况。

为分析不同降雨强度下松散堆积体的变形破坏特征，模拟4种不同的降雨强度，分别为70、100、130、160 mm/h。试验过程中记录不同含石量、不同降雨强度下松散堆积体的坡体位移、体积含水率和土压力的变化规律。为便于观测松散堆积体表面裂缝的变化情况，在松散堆积体堆积的过程中将坡体表面抹压光滑以便于观测裂缝拓展情况，按照上述试验方案堆积的松散堆积体模型如图3所示。

图3(Fig. 3)

图3 松散堆积体模型 Fig. 3 Loose accumulation model

模型试验过程中，当松散堆积体局部失稳破坏即停止降雨试验并停止采集相关数据，通过体积含水率传感器采集得到降雨过程中不同含石量的松散堆积体在监测点处的体积含水率变化规律。为便于分析，分别选取含石量为10%和30%，降雨强度为70和130 mm/h的试验结果进行分析，得到含水率随时间变化如图4、5所示。

图4(Fig. 4)

图4 含石量10%时体积含水率变化 Fig. 4 Curves of volume water content with 10% stone content

图5(Fig. 5)

图5 含石量30%时的体积含水率变化图 Fig. 5 Curves of volume water content with 30% stone content

为分析含水率变化规律，选取降雨强度为130 mm/h，对4种不同含石量的堆积体中W1和W3监测点的体积含水率进行分析，得到试验结果如图6所示。为分析不同降雨强度对松散堆积体体积含水率的影响，选择含石量为10%和30%，4种降雨强度下堆积体中W2监测点处的含水率变化为分析对象，得到不同降雨强度下松散堆积体的体积含水率变化曲线如图7所示。

图6(Fig. 6)

图6 雨强130 mm/h时体积含水率变化 Fig. 6 Curves of volume water content with 130 mm/h rain

图7(Fig. 7)

图7 含石量30%时W2处体积含水率变化 Fig. 7 Curves of volume water content in the W2 with 30% stone content in the accumulation

由图4（a）可知，体积含水率变化在整个降雨期间呈现4个阶段。为便于分析，将图4（a）中针对W4监测点的体积含水率划分成4个阶段，其他3个监测点的体积含水率划分相同（其他3个监测点含水率划分阶段未标志）。由图4可知降雨过程中，松散堆积体的体积含水率在Ⅰ阶段时4个监测点的含水率基本不变，Ⅱ阶段快速增加，达到峰值后进入Ⅲ阶段，在此阶段中出现缓慢回落，Ⅳ阶段再次缓慢增大。主要原因是：在Ⅰ阶段时降雨雨水入渗还没有到达监测点位置，故含水率不变；随着降雨时间的延长，体积含水率快速增大；后松散堆积体表面出现裂缝，部分雨水通过裂缝快速下渗，导致裂缝以上的监测点体积含水率开始缓慢降低，而裂缝以下的监测点体积含水率则增长速率变快；当降雨继续时，裂缝以上的监测点体积含水率再次增大。对比图4（a）、（b）中不同降雨强度下的体积含水率，发现降雨强度越大，则体积含水率越大，堆积体体积含水率达到峰值的时间越早；并且体积含水率在达到峰值后开始下降到一定程度后就保持稳定，并没有出现再次增大的趋势。这是由于当堆积体出现裂缝后很快坡体就失稳破坏，试验过程就停止。说明随着降雨强度越大，松散堆积体从开裂到失稳持续的时间越短。

对比图4、5可知：当松散堆积体的含石量增大时，相同降雨强度和时间，堆积体的体积含水率降低，坡体失稳破坏持续的时间缩短；当含石量增大时，松散堆积体的含水率不会出现明显的4个阶段。体积含水率达到峰值后松散堆积体在短时间内便失稳破坏，松散堆积体没有明显的坡体开裂征兆，体积含水率没有出现明显的下降过程。由图6可知：越靠近坡体表面，松散堆积体的体积含水率越高；不同含石量的松散堆积体在降雨过程中达到峰值的时间各不相同，含石量越大，降雨过程中松散堆积体失稳的经历时间越短。

从图7可知：降雨强度对松散堆积体的体积含水率有显著的影响。当降雨历时相同时，降雨强度越大，则体积含水率越大；降雨强度越大，松散堆积体失稳破坏时的体积含水率越高；不同降雨强度下，松散堆积体的体积含水率变化规律各不相同。其中降雨强度为70 mm/h时，在堆积体变形失稳之前的整个降雨期间其体积含水率先增大，达到峰值后开始缓慢减小，最后再次增大。降雨强度为130 mm/h时，松散堆积体的体积含水率在达到峰值后开始降低，当体积含水率再次开始准备缓慢增大时，松散堆积体失稳破坏。降雨强度为160 mm/h时，松散堆积体的体积含水率在达到峰值后开始降低，没有出现再次增大的趋势。其主要原因是由于降雨强度越大，则松散堆积体开裂到失稳破坏的时间间隔越短，松散堆积体的体积含水率达到峰值后开始降低的时间越短。对比图7（a）和（b），含石量越大对应的体积含水率越低。由图7（b）知，降雨强度超过130 mm/h时，松散堆积体的体积含水率不会出现明显的下降过程，说明体积含水率还没有达到峰值，松散堆积体已经失稳破坏。

为分析不同体积含水率和含石量时松散堆积体坡体表面位移变化情况。分别选取含石量为10%和30%，降雨强度为70 mm/h和130 mm/h的试验结果进行分析，得到不同降雨条件下松散堆积体的标记点位移随降雨历时的变化规律如图8、9所示。

图8(Fig. 8)

图8 雨强70 mm/h堆积体位移随降雨历时变化 Fig. 8 Curves diagram of the displacement with rainfall duration when rain intensity is 70 mm/h

图9(Fig. 9)

图9 雨强130 mm/h堆积体位移随降雨历时变化 Fig. 9 Curves diagram of the displacement with rainfall duration when rain intensity is 130 mm/h

图8、9分别给出降雨强度为70 mm/h和130 mm/h时含石量状态下松散堆积体表面5个位移监测点的变化情况，由图8、9可知：松散堆积体坡体的位移呈现指数增长规律。起初阶段监测点位移较小，随着降雨的进行，堆积体位移增长速率越来越快，S1和S2位移监测点到后期位移不变，这是由于降雨过程中，松散堆积体后缘出现张拉裂缝，张拉裂缝导致S1和S2监测点处于非滑动体上，而其余3个监测点则在滑动体上继续滑动；对比图8（a）、（b）可以看出，当降雨强度相同时，含石量越高则降雨过程中堆积体后缘张拉裂缝出现的时间越早，对应的张拉裂缝的宽度也不相同，随着时间的增长，张拉裂缝宽度快速增大；降雨强度越大，则在松散堆积体坡体表面的位移越大，达到失稳破坏的时间越短，而失稳破坏时堆积体累积位移值越小。

为分析松散堆积体的含石量变化对其位移的影响，选择降雨强度为70 mm/h，对坡体表面的S1和S3监测点在降雨过程中不同含石量下的位移变化进行分析，得到结果如图10所示。对比含石量变化的影响，选择降雨强度为130 mm/h时，坡体表面S3监测点的位移变化如图11所示。

图10(Fig. 10)

图10 不同观测点雨强70 mm/h坡体位移随降雨历时变化 Fig. 10 Curves diagram of the displacement with rainfall duration for different stone contents when rain intensity is 70 mm/h

图11(Fig. 11)

图11 S3点雨强130 mm/h位移随降雨历时变化 Fig. 11 Curves diagram of displacement with rainfall duration when the intensity of S3 monitoring point is 130 mm/h

分析图10（a）可知，在降雨初期，由于雨水入渗需要一个过程，导致起初堆积体的位移变化较小，随着降雨时间延长，监测点的位移增长越来越快。降雨过程中不同含石量的松散堆积体后缘张拉裂缝出现的时间不同，含石量越高，则裂缝出现的时间越早；降雨过程中，当降雨强度一定时，含石量越高，则坡体监测点位移越大。对比图10、11发现，含石量越大，堆积体失稳时的累积位移量越小。

降雨强度的变化将影响松散堆积体的位移，为分析不同降雨强度条件下松散堆积体坡移变化规律，选择含石量为10%和30%两种情况下位移监测点S1作对比分析，得到不同降雨强度下监测点的位移变化规律如图12所示。

图12(Fig. 12)

图12 不同降雨强度S3处位移随降雨历时变化 Fig. 12 Curves of variation of S3 displacement with rainfall duration at different rainfall intensity

从图12可知：降雨过程中，松散堆积体的位移呈现非线性增长，位移后期增长速率越来越快；降雨强度越低，相同降雨历时松散堆积体坡体位移越小，但是最终累计位移值越大。对比图12（a）和（b）可知，含石量越大，则堆积体位移越小，坡体失稳破坏时的累计位移也越小，说明降雨强度越大，含石量越大，松散堆积体的坡体失稳破坏时的位移量越小，越不利于灾害预警预报。

张拉裂缝是进行滑坡灾害分析和预警的重要因素，分析张拉裂缝出现时间是分析滑坡失稳的重要指标。图13给出了松散堆积体在降雨过程中后缘主张拉裂缝最早出现的时间。

图13(Fig. 13)

图13 主张拉裂缝出现时间随含石量变化关系 Fig. 13 Relation of the occurrence time of the main tensile crack with the variation of the stone content

降雨过程中，松散堆积体后缘将出现张拉裂缝，由图13可知，不同含石量和降雨强度，对应的主张拉裂缝出现的时间各不相同。随着含石量的增加，松散堆积体主张拉裂缝出现的时间越晚，主张拉裂缝出现的时间间隔逐渐缩短，但是缩短的时间越来越少。降雨强度越大，松散堆积体出现主张拉裂缝的时间越早。

不同降雨强度和含石量，在松散堆积体失稳时的主张拉裂缝的最大宽度也不尽相同。图14给出了试验过程中降雨强度130 mm/h时降雨历时10 min时不同含石量堆积体的裂缝情况。分析不同降雨强度下松散堆积体的主张拉裂缝的最终宽度，得到试验结果如图15所示。

图14(Fig. 14)

图14 不同含石量时主张拉裂缝 Fig. 14 Fracture pictures of main tension and tension in different stone contents

图15(Fig. 15)

图15 不同含石量主张拉裂缝最大宽度值曲线 Fig. 15 Curves of maximum width of main tensile crack in different stone contents

图16给出松散堆积体在降雨条件下失稳破坏前的最大累积位移值的变化曲线。

图16(Fig. 16)

图16 不同降雨强度堆积体失稳时最大位移曲线 Fig. 16 Maximum displacement curves of loose accumulation instability under different rainfall intensity

根据图15和16可知，降雨过程中，不同含石量，不同降雨强度，对应的松散堆积体的主张拉裂缝的宽度各异。含石量越大，松散堆积体的主张拉裂缝最大值越小；降雨强度越大，松散堆积体的主张拉裂缝值越小。说明松散堆积体的含石量越大，降雨强度越小，则其失稳时主张拉裂缝越明显，越有利于该类型地质灾害的识别。

由图16可知，含石量和降雨强度对其最大位移有显著的影响。降雨强度越大，则失稳时的累积位移越小，而含石量越高其累积位移也越小，但是降雨强度对累计位移值的影响更明显。

降雨强度和含石量将直接影响松散堆积体的稳定性，图17给出降雨过程中不同含石量松散堆积体失稳的降雨历时。从图17可知，含石量和降雨强度都将影响松散堆积体失稳破坏的时间；含石量越高，松散堆积体失稳破坏的降雨历时越短，降雨强度越大，其失稳的降雨历时越短。

图17(Fig. 17)

图17 不同降雨强度下堆积体失稳历时时间曲线 Fig. 17 Diachronic time curves of accumulation of accumulation under different rainfall intensity

综合图13～17可知，降雨强度和含石量都会影响松散堆积体在降雨过程中的失稳破坏特征，松散堆积体灾害频发，如何有效判识和预测是关系灾区安全生产的重要问题，其中，降雨强度和含石量是两个重要的影响因素。含石量越高，松散堆积体出现主张拉裂缝的时间越晚，裂缝宽度也越小，裂缝出现到坡体失稳的时间间隔越短，不利于灾害的提前预测预警。降雨强度对松散堆积体的稳定性影响更加明显，降雨强度越大，其主张拉裂缝出现时间、裂缝最大宽度、失稳时累积最大位移及失稳降雨历时降低更明显，说明降雨强度对松散堆积体的影响较显著。在松散堆积体的判识预报中，要关注强降雨的影响，通常强降雨发生后不久将发生大量的松散堆积体失稳的地质灾害，其滑动失稳特征不明显，需要加强判识预报工作。

基于室内降雨模型试验，分析降雨强度和含石量变化对松散堆积体体积含水率、坡体位移、裂缝宽度、出现时间和坡体失稳历时的影响。主要得出以下结论：

1）降雨过程中松散堆积体的体积含水率变化过程可以分为4个阶段，Ⅰ阶段含水率基本不变，Ⅱ阶段快速增加，达到峰值后进入Ⅲ阶段，在此阶段中出现缓慢回落，Ⅳ阶段再次缓慢增大。

2）当松散堆积体含石量增大，相同降雨强度和时间时，其体积含水率降低，坡体失稳破坏持续的时间缩短；含石量增大，则松散堆积体的体积含水率不会出现明显的4个阶段，松散堆积体不同含石量条件下在降雨过程中达到峰值的时间各不相同。

3）降雨强度相同时，含石量越高则降雨过程中堆积体后缘张拉裂缝出现的时间越晚，对应的张拉裂缝的宽度也不相同。随着时间的增长，张拉裂缝快速增大；降雨过程中，当降雨强度一定时，含石量越高，则坡体监测点位移越大

4）不同含石量对应的主张拉裂缝出现的时间各不相同。随着含石量的增加，松散堆积体主张拉裂缝出现的时间越晚；且随着含石量的增加，主张拉裂缝出现的时间逐渐缩短，但是缩短的时间越来越小。降雨强度越大，松散堆积体出现主张拉裂缝的时间也在缩短。含石量越大，松散堆积体的主张拉裂缝最大值越小；降雨强度越大，松散堆积体的主张拉裂缝值越小。

5）降雨强度和含石量都会影响松散堆积体在降雨过程中的稳定性。含石量越高，松散堆积体出现主张拉裂缝的时间越晚，裂缝宽度越小，裂缝出现到失稳的时间间隔越短；降雨强度对松散堆积体的稳定性影响更加明显，降雨强度越大，其主张拉裂缝出现时间、裂缝最大宽度、失稳时累积最大位移及失稳降雨历时降低明显，说明降雨强度对松散堆积体的影响较显著。