本文发表于《中国水土保持科学》2024年第22卷第3期“荒漠化防治科学与工程”栏目。
优化回填土含水率与相对密实度来提高土体抗剪强度是实现中缅油气管道龙陵段管道作业边坡坡面侵蚀治理的手段之一。以管沟回填的全风化花岗岩回填土为研究对象，通过室内直剪试验和人工降雨模型试验，研究该类土体抗剪强度参数随着含水率和干密度的变化规律以及其抗冲刷能力。
坡面水流属于典型的薄层流，在流动过程中会沿坡面梯度方向产生径流剪切力。坡面上的土壤在径流剪切力的作用下先发生剪切破坏，后被水流搬运，进而发生侵蚀，形成坡面冲刷和细沟，最后逐步演化为冲沟。土壤侵蚀与土体稳定性、崩解性、软化性及抗剪强度是紧密相关的。全风化花岗岩回填土的土体强度、压缩性随含水率的增大而分别降低和增加的性质为其软化特性；而浸水后土体呈粒状、片状及块状的分散、掉落、剥落及崩落的现象为崩解，崩解性、软化性和土体的抗剪强度作为全风化花岗岩回填土重要的物理力学性质指标，受土壤含水率、孔隙气水压力及土壤结构等影响较大。有关含水率和干密度等物理参数对土体强度等特性指标的影响，前人针对黄土、残积土及红黏土等开展了大量研究，而对全风化花岗岩及其回填土的研究仅有几例。阙云等通过不固结不排水与固结不排水的三轴试验对福建地区典型花岗岩风化岩土体的强度特性进行研究，并发现黏粒含量对黏聚力极为显著的影响。邓署冬等采用三轴剪切对测定湖南地区V级全风化花岗岩风化岩土体在10%~20%的水分变化范围内的抗剪强度，结果发现试验条件下花岗岩风化岩土体的内摩擦角随含水率增加而线性减小，黏聚力则随含水率增加呈二次曲线规律变化。许旭堂等通过分析闽东南地区花岗岩残积土含水率和干密度同抗剪强度参数之间的关系，表明花岗岩残积土的黏聚力和内摩擦角与含水率呈负相关，而与干密度呈正相关。龙志东等以广东花岗岩残积土为研究对象，发现随干密度增大，其黏聚力增大，而内摩擦角变化很小。Tadepalli等研究认为，压实作用会引起土体内原有孔隙结构不均匀从而引起土体稳定性降低。不同地区花岗岩的成岩过程、矿物组合以及成岩后经历的地质构造和所处的气候类型的差异，造成不同地区的花岗岩风化岩土体具有明显的差异。这种差异性对全风化花岗岩回填土的力学特性影响显著。
滇西龙陵地区广泛分布粗晶黑云母花岗岩，风化强烈，结构松散、节理裂隙发育，形成5~20 m厚的全风化层。全风化花岗岩层砂砾和粉粒含量较高，颗粒间黏结力差，结构松散，强度低，容易被冲刷[。管沟开挖后回填土主要由碎块石和砂粒土组成，孔隙大且不均匀，结构松散、容易渗水且沉降变形量大，在坡面汇水作用下，极易发生坡面侵蚀。管道建设造成地表植被减少、斜坡表层的红土层破坏，下部的全风化花岗岩层裸露；同时，龙陵地处横断山脉的南端，地形起伏较强烈，受低纬度、高海拔的地理条件及季风气候的影响，降雨充沛，单点暴雨频繁。这些条件使管道作业边坡坡面侵蚀强烈，地表水土流失严重、冲沟发育。中缅油气管道是我国是我国能源进口的西南大通道，坡面侵蚀造成的露管、悬管对管道安全运营造成威胁。前期的治理经验证明，常规的水土保持措施对于全风化花岗岩回填土治理效果不佳。为此，需开展针对性的治理研究，而查明土体的特性、物理力学参数变化规律和坡面侵蚀的演化规律等是研究治理措施的基础。
鉴此，笔者以中缅油气管道龙陵段作业边坡坡面侵蚀最严重的全风化花岗岩分布区的全风化花岗岩回填土为研究对象，基于直剪试验，研究含水率和相对密实度对全风化花岗岩回填土抗剪强度参数的影响及变化规律，分析其对改善坡面抗侵蚀能力的作用，为治理管道通过花岗岩分布区边坡坡面侵蚀提供理论依据。
全风化花岗岩分布区管道作业边坡坡面侵蚀现状图
讨论：
1.土体含水率ω与黏聚力C及内摩擦角ϕ的关系
图的结果显示，干密度一定时，在塑限范围内，全风化花岗岩回填土的黏聚力随含水率增加呈二次曲线规律变化，即随含水率的增加，土体黏聚力会首先增大，随后快速降低。当土体含水率为最优含水率15%时，土体的黏聚力最大。内摩擦角随含水率的增加，变化幅度较小，其变化范围在5°以内，整体上内摩擦角随含水率增加而降低，在最优含水率15%附近，几乎不发生变化。
由图可见，对于龙陵地区的全风化花岗岩回填土，控制干密度接近天然干密度而逐步增大含水率，其黏聚力首先在15%的含水率之前逐步增大，这是因为黏聚力主要由基质吸力和负孔隙水压力组成。在含水率未到达塑限含水率12%时，这类砂土中的粉土与黏性矿物未完全发挥作用，水分子较少，吸力较小，对土粒牵引凝聚能力较弱。随着含水量的逐渐增大水分子逐渐增多，砂土中的黏性矿物的基质吸力和负孔隙压力增强，水膜的黏聚力就逐渐增强，具体表现为C值在这一区间内随着含水率增大而增大；当含水率增加到一定程度时，水膜逐渐增厚，水膜对土粒的吸力减少，砂土中的基质吸力和负孔隙水压力快速降低，最终表现为砂土的黏聚力随着含水率的增大而减小。
从影响内摩擦角的角度来考虑，含水率逐渐增大，会使黏土颗粒表面结合水的水膜加厚，离子水合斥力及分解作用增大，因此水分在土壤颗粒表面形成类似于润滑剂作用，使内摩擦角持续减小，可以得知该规律趋近于线性关系。
2.土体相对密实度Dr与黏聚力C及内摩擦角ϕ的关系
试验结果可知，该全风化花岗岩回填土的黏聚力随着相对密实度的增大逐步增大，且相对密实度在0.20~0.50之间增大的幅度较大，相对密实度>0.50之后增大的幅度明显降低。内摩擦角随着相对密实度的增大而增大，且呈现出较好的线性关系，增大幅度在2.10°~2.82°之间。对于此类全风化花岗岩回填土，在控制含水率一定时，随着相对密实度的增大，其内抗剪强度呈增大趋势。相对密实度为0.50时，对土体抗剪强度参数的改善效果最佳。
由图可见，对于全风化花岗岩回填土，在干密度一致的条件下，由相对密实度公式可以得知，增大相对密实度，会使土样的孔隙比减小，土中孔隙被小颗粒的土粒填充，与土中的水共同作用，具有吸力。土样中的孔隙比例越小，土颗粒填充的越多，土颗粒之间的相互咬合的作用力以及摩擦力就越强，既表现为随着相对密实度的增大，黏聚力和内摩擦角都呈增大的趋势，且二者之间的关系近似于正相关。
3.抗剪强度参数对坡面冲蚀的影响
图是不同干密度条件下降雨实验的侵蚀模数M的变化。含水率变化曲线由埋深5 cm含水率传感器监测获取，可见，降雨过程中，含水率和侵蚀模数都是时间的函数，两者变化趋势相似，随着降雨的持续，表层土含水率从8%逐渐增大，降雨45 min后，含水率曲线近于水平，说明此时表层以下5 cm处土体已达到饱和。侵蚀模数曲线随着降雨的进行，开始呈现快速上升，而后出现下降，在15~30 min，侵蚀模数较低，30 min后，侵蚀模数迅速增加，45 min后，侵蚀模数趋于稳定。降雨过程中侵蚀模数M(g/(m2·min))与含水率ω(%)的关系式如下：
可见，在降雨条件下，此类全风化花岗岩回填土侵蚀模数总体上随着土壤含水率的增加而增加，5~15 min期间，因雨滴的溅蚀作用，造成侵蚀模数迅速增大；15~30 min，含水率处于最优含水率(15%)左右时，侵蚀模数略有降低，主要原因是该时期，土体的抗剪强度最大，使坡体侵蚀模数略有降低；30~50 min，表层土体接近饱和，含水率达到25%左右。随着含水率增加，土体抗剪强度迅速降低，坡面潜蚀模数迅速增加。所示，坡面侵蚀模数和土体黏聚力值随降雨历时呈负相关的关系，在最优含水率(15%)左右时，黏聚力值达到峰值，而后迅速下降，坡面侵蚀模数与内摩擦角呈弱负相关关系。50~60 min，土体含水率达到饱和含水率(25%)，坡面土体的黏聚力和内摩擦角趋于稳定，雨滴的溅蚀作用、径流的冲刷作用以及坡面土体的结构强度达到相对平衡状态，侵蚀模数也趋于稳定。
表明，在降雨强度、坡长和坡度都保持不变的条件下，不同干密度的土体其侵蚀模数不同，侵蚀模数与干密度呈负相关关系，干密度为1.28 g/cm3的土体侵蚀模数明显大于干密度为1.41 g/cm3的土体。由可以看出，在相同降雨强度和坡度的条件下，60 min降雨后，初始相对密实度较小的A槽已经出现明显的冲蚀细沟，细沟宽2.0~5.0 cm，深0.3~1.5 cm；而初始相对密实度较大的B槽仍未出现明显的冲蚀细沟，只有表层土被剥蚀的现象。干密度为1.41 g/cm3的全风化花岗岩回填土，因其抗剪强度更大，在相同降雨条件和坡度条件下，具有更强的抗冲蚀能力，其侵蚀模数小于干密度1.28 g/cm3的土体。由此可见，对于全风化花岗岩回填土，在降雨强度、坡度、坡长和植被覆盖情况一定的条件下，提高土体的相对密实度，可有效提高土体抗剪强度，改善土体的物理力学性质，提高表层土体抗冲蚀能力。
结论：
1) 在相同干密度条件下，全风化花岗岩回填土的黏聚力随含水率增加呈二次曲线规律变化，内摩擦角随含水率增加小幅变小，当土体含水率为最优含水率15%时，土体的内聚力最大。而在相同含水率条件下，随着相对密实度的增大，黏聚力和内摩擦角都逐渐增大，相对密实度为0.50时，对土体抗剪强度参数的改善效果最佳。
2) 室内人工模拟降雨试验结果显示，随着降雨的持续，表层土体含水率逐渐达到饱和，土体的抗剪强度参数(主要是黏聚力)先增加后迅速降低，坡面侵蚀模数早期由于雨滴溅蚀作用迅速增加，而后略有降低，当土体含水率超过最优含水率后，侵蚀模数迅速增加，最终趋向稳定；相同含水率条件下，相对密实度增大，侵蚀模数降低；土壤的侵蚀模数与土体的黏聚力密切相关，都受土体含水率和相对密实度的影响，提高土体的相对密实度，可有效提高土体的抗侵蚀能力。
相同干密度(1.3 g/cm3)不同含水率条件下直剪试验结果
不同含水率对应的剪应力随正压力变化曲线
相同含水率(15%)不同相对密实度条件下直剪试验结果
不同相对密实度对应的剪应力随正压力曲线
人工模拟降雨不同时段侵蚀模数变化
方迎潮, 张垚, 葛华, 孔志岗, 蒋毅, 赵飞. 风化残积砂土相对密实度及含水率对抗剪强度的影响[J]. 中国水土保持科学, 2024, 22(3): 100-108. DOI: 10.16843/j.sswc.2021165.
FANG Yingchao, ZHANG Yao, GE Hua, KONG Zhigang, JIANG Yi, ZHAO Fei. Effects of moisture content and relative density in weathering residual sand soils on shear strength[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2024, 22(3): 100-108. DOI: 10.16843/j.sswc.2021165.
国家管网集团西南管道有限责任公司“油气管道通过全风化花岗岩地区水工保护与水土保持研究”(201816)；国家管网集团“复杂地质条件下管道线路及站场地灾管控技术研究”(AQWH202202)
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