人工降雨入滲邊坡破壞試驗研究

張 磊，郭海慶，謝興華，談葉飛，邢小弟

(1．南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029;2．河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098;3．河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京210098)

影響邊坡穩(wěn)定的因素除了邊坡本身的物質(zhì)成份、結(jié)構(gòu)條件等內(nèi)部因素外，還有如降雨入滲、庫水位升降、地震、人類活動等外部因素．物質(zhì)結(jié)構(gòu)條件是邊坡本身固有的，其特性和狀態(tài)決定著邊坡的穩(wěn)定狀況．環(huán)境條件最為活躍，是誘發(fā)滑坡發(fā)生的主要因素，對邊坡變形和破壞的影響比較明顯和迅速，它們通過影響邊坡的物質(zhì)因素影響邊坡的穩(wěn)定性［1］．降雨是一種常見的天氣現(xiàn)象，大量統(tǒng)計資料表明，絕大多數(shù)的滑坡發(fā)生在降雨期間或降雨之后．高壩泄洪時的霧化雨強度是天然降雨的幾倍到幾十倍，對邊坡穩(wěn)定的危害也大大強于天然降雨．

以往的研究多注重降雨對邊坡外部的動能作用［2－5］，即雨水下落時的濺蝕作用與雨水形成的徑流沖刷作用，引起坡體巖土顆粒擴散、遷移、局部沉積，沖毀坡面植被層并在坡面形成錯綜復雜的沖蝕溝，侵蝕坡腳，破壞坡體．對降雨入滲后邊坡內(nèi)部發(fā)生的水土物理作用進行系統(tǒng)性研究較少．

20世紀90年代以來，我國學者更加注重通過試驗的方法研究降雨入滲條件下多物理量的變化規(guī)律．詹良通等［6］在湖北棗陽選取了一個11 m高的典型非飽和膨脹土邊坡進行人工降雨模擬試驗和原位監(jiān)測，對邊坡土體中的水分、孔隙水壓力、應力狀態(tài)以及土體的變形進行監(jiān)測，探討邊坡中土－水相互作用機理和土邊坡失穩(wěn)機理．胡明鑒等［7］在蔣家溝流域滑坡堆積斜坡上選定坡度42°的試驗場地進行試驗，著重分析了降雨條件下土體力學性質(zhì)的改變和邊坡穩(wěn)定性的變化．謝妮［8］對非飽和土邊坡進行野外人工降雨試驗，介紹了現(xiàn)場監(jiān)測降雨量、表面徑流量、孔隙水壓力(吸力)以及含水量的測量方法、所需儀器及其埋設要點．為了解降雨強度和累積雨量對邊坡中水分入滲的效果及其對滑坡發(fā)生發(fā)展的影響，林鴻州等［9］進行了一系列粉細砂邊坡的模型試驗，認為降雨型滑坡存在“門檻累積雨量”．Huang等［10］在1．77 m×0．7 m×1．5 m的剛性模型槽內(nèi)開展了3種降雨強度條件下的人工夯實砂土邊坡的模型試驗，試驗結(jié)果表明:進入邊坡土體中的水首先從坡趾部滲出，滲流作用導致邊坡先從坡趾部破壞，然后使滑動面不斷向后發(fā)展．

霧化降雨為一種環(huán)境條件，降雨入滲增大土體的含水率，產(chǎn)生孔隙水壓力，形成滲流，對土體的強度、邊坡受力狀態(tài)等物質(zhì)結(jié)構(gòu)條件產(chǎn)生影響．為了研究這種環(huán)境條件下砂坡破壞的發(fā)展過程中，含水率、孔隙水壓力的變化及分布規(guī)律，入滲水分在滑坡孕育發(fā)展過程中的作用，本文建立了邊坡、人工模擬降雨的物理實驗裝置．

圖1 模型槽及模型邊坡示意圖(單位:mm)Fig．1 Chamber model and slope model(unit:mm)

1 試驗裝置及模型邊坡

1．1 試驗裝置

本試驗平臺的主體部分包括1 m×1 m×0．6 m(長×寬×高)的模型槽(見圖1)、多物理量測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和動態(tài)圖像采集系統(tǒng)．

模型槽的材質(zhì)采用有機玻璃．一方面，可以方便地在周圍邊界打孔，便于傳感器線路通過邊界埋設于邊坡中，試驗嘗試通過透明的有機玻璃在降雨入滲過程中觀測浸潤線，同時為邊坡的滑動觀測提供了有利條件;另一方面，模型槽內(nèi)壁較光滑能夠較好地模擬滑坡的平面應變問題．

降水裝置控制系統(tǒng)由自吸泵供水，高精度動態(tài)流量計測試流量，通過控制流量和噴頭數(shù)量來調(diào)節(jié)降雨強度．流量計可以實時測定流量的動態(tài)數(shù)據(jù)，其大小可以通過自吸泵上的閥門調(diào)節(jié)．輸水管道上安裝2個過濾器，用于過濾水中的雜質(zhì)，避免試驗過程中噴頭被堵塞而造成降雨不均勻．試驗采用低壓霧化噴頭，噴頭參數(shù):噴霧壓力大于0．32 MPa，出水量為3 L/h．由于自吸泵僅能提供0．3 MPa壓力，所以在壓力表之前安裝1個0．1 MPa的增壓泵，以保證噴頭出水處的壓力．

多物理量測試系統(tǒng)包括含水率傳感器、水壓力傳感器．共有含水率傳感器12個，安裝位置見圖2(a)．水壓力傳感器為電阻應變式壓力傳感器，安裝位置見圖2(b)．為測出邊坡局部表面的滑動位移，試驗采用直線位移傳感器，將其固定在邊坡表面，坡面的滑動帶動滑桿滑動，滑桿最大滑動20 cm，布置見圖2(c)．數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主體為北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所研制的INV306u智能信號采集處理分析儀，試驗中示波和采樣頻率分別設置為單峰正弦波和10 Hz．

圖2 測量儀器布置Fig．2 Layout of sensor probe

1．2 邊坡土體性質(zhì)和邊坡制作

邊坡用土為細砂，筑坡時細砂初始含水率為2．84%．由于土的力學性質(zhì)依賴于應力狀態(tài)，不同的受力狀態(tài)下土體的強度參數(shù)均不同，試驗邊坡用擾動土通過人工擊實而成，試驗過程中土體基本處于不固結(jié)不排水狀態(tài)，本試驗不是根據(jù)模擬實際邊坡的受力狀態(tài)也不是對實際邊坡的模型相似試驗，旨在通過容易、方便、可數(shù)量化地建立的小型人工邊坡的破壞發(fā)展過程中監(jiān)測含水率、孔壓的變化，因而對土的強度參數(shù)用UU試驗和快剪試驗測得，UU試驗測得黏聚力為0，內(nèi)摩擦角為39°;快剪試驗測得黏聚力為0，內(nèi)摩擦角為36°．

邊坡模型三維坐標(見圖1)中的X向為順坡向;Z向為垂直地面(高程方向);Y向垂直于XZ平面．模型的坡比為1∶1．5(坡角33．7°)．邊坡壓實度按照干密度為1．55 g/cm3控制．為保證邊坡密度均勻，筑坡過程中分5層依次填筑，每層厚度6．7 cm．

2 試驗過程

2．1 降雨強度選擇

我國氣象部門規(guī)定特大暴雨降雨強度標準為:12 h雨量不小于140 mm或24 h雨量不小于250 mm．南京水利科學研究院根據(jù)泄洪霧化原型觀測資料分析，參照自然降雨中暴雨的等級標準和地質(zhì)災害氣象等級劃分標準，將泄洪霧雨分為5個等級［11］．本試驗結(jié)合自然降雨和泄洪霧雨的強度，取用300 mm/h．

2．2 滑坡發(fā)展過程及現(xiàn)象

為便于邊坡位置的描述，將邊坡沿坡面自下而上劃分為趾部、下部、中部、上部和頂部．試驗中采用短歷時、大雨強的降雨模式．噴頭開始噴水后，開始邊坡表面沒有形成徑流，這是由于試驗所用的細砂在含水率較低的條件下滲透系數(shù)大于降雨強度，可以認為此時的降雨量就是入滲量．在降雨140 s時，坡趾處出現(xiàn)浸水濕潤現(xiàn)象(圖3(a)，t=140 s)．降雨584 s時，坡趾處進一步濕潤，表面有一層薄水膜，表明該處表層趨于飽和，同時對坡體向外排水造成影響，此時模型槽底板上并沒有包含黏粒的黃色渾濁水出現(xiàn)，說明坡體內(nèi)部還沒有細顆粒流出．降雨748 s時，坡趾處土體發(fā)生緩慢流動(圖3(c)，t=748 s)，流動破壞之前坡趾處沒有產(chǎn)生裂縫，說明破壞不是滑動．坡趾處發(fā)生流動破壞，使原來維持穩(wěn)定的邊坡形狀發(fā)生改變，增大了邊坡趾部的坡度．降雨850 s時，邊坡左側(cè)(靠近x=0處)發(fā)生流滑型破壞(圖3(d)，t=850 s)，坡趾處流動破壞也逐漸由下向上發(fā)展;流滑型破壞是由于高強度降雨條件下，邊坡表層形成暫態(tài)飽和區(qū)，水分質(zhì)量增加，加上邊坡土體的抗剪強度逐漸降低和上部砂子自重產(chǎn)生的推力，共同使該區(qū)域產(chǎn)生較大的變形，在壓縮區(qū)產(chǎn)生暫態(tài)超靜孔隙水壓力，且在降雨條件下不易較快消散，進而使土體產(chǎn)生流滑型破壞［9］．降雨945 s時，邊坡下部開始逐漸發(fā)生小塊的漸進式滑動破壞(圖3(e)，t=945 s)，塊體高度4～7 cm不等，同時流滑破壞已產(chǎn)生明顯的沖溝，沖溝深度6～8 cm不等．

圖3 降雨導致邊坡破壞發(fā)展過程Fig．3 Slope slide process by rainfall during model test

漸進式滑動破壞是由于趾部砂子的缺失在該處產(chǎn)生一陡坎，陡坎具有較大的坡度甚至接近90°，在降雨入滲和自身重力下具有較大的向下運動趨勢，因此陡坎上游處容易產(chǎn)生張裂縫，促使邊坡產(chǎn)生塊體滑動，此過程循環(huán)發(fā)生，并逐漸沿坡面向上發(fā)展．坡趾處發(fā)生流動破壞的砂子和此時發(fā)生滑動破壞的砂子以及流滑體和沖溝沖下的砂子共同在原先的坡趾處及向下(X軸方向)20 cm的區(qū)域形成堆積體，堆積體有一定的坡度，但坡度更緩，明顯小于原坡體的坡度．

3 試驗結(jié)果分析

3．1 順坡方向和沿坡深度方向的含水率、孔壓變化

根據(jù)埋設于邊坡表面以下4 cm深的5#，6#，8#，10#，13#，16#和14 cm深的9#，12#，15#測點分別得到邊坡表面以下4 cm及14 cm處的含水率變化(見圖4)．持續(xù)降雨86 s前，5#，6#，8#，10#，13#和16#含水率傳感器讀數(shù)沒有發(fā)生變化，說明水分還未入滲到4 cm深的區(qū)域．

圖4 邊坡表面以下4 cm和14 cm含水率變化Fig．4 Water content variation at 4 cm and 14 cm below the slope surface

隨著降雨的進行，含水率變化區(qū)域深度逐漸增大，可以明顯看出降雨入滲從坡面到坡體自上而下逐步發(fā)展．若以各含水率傳感器讀數(shù)發(fā)生明顯變化的時刻開始，則t13＞t16＞t6＞t8＞t10＞t5，即趾部入滲最快，其次中部，再其次頂部，上部最小．從圖4可以看出，10#含水率傳感器讀數(shù)變化幅度小于同等深度上部、頂部的13#和16#的變化幅度，9#含水率傳感器讀數(shù)變化幅度也小于同等深度上部、頂部的12#和15#的變化幅度．從孔隙水壓力的圖5能夠看出，邊坡中部以下區(qū)域的孔壓要大于上部和頂部，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是邊坡上部、頂部的細顆粒經(jīng)水分入滲逐漸遷移到邊坡中部，造成在邊坡中部聚集大量細顆粒，因而容易形成水流堵塞，引起該位置的孔壓增加和含水率變化幅度減?。?2］．這可以從圖5(b)的18#孔隙水壓力傳感器的測值變化迅速增大看出，同樣的現(xiàn)象也發(fā)生在邊坡下部．但下部發(fā)生的時間要比中部早大約100 s．這種現(xiàn)象可以解釋為什么高滲透性邊坡發(fā)生破壞首先發(fā)生在下部其次是中部．同時也說明含水率變化與孔壓變化并不成正比．但是這種現(xiàn)象并沒有發(fā)生在趾部，從圖4看出趾部的含水率變化最大，原因是趾部最容易發(fā)生向外的滲流，滲流增加了趾部水分含量的同時也減小了內(nèi)部的孔壓．以上分析表明:含水率變化大小的次序依次是趾部、頂部、上部、下部、中部;孔壓變化大小的次序依次是下部、中部、上部、頂部、趾部．

圖5 邊坡表面以下4 cm和14 cm孔隙水壓力變化Fig．5 Pore water pressure variation at 4 cm and 14 cm below the slope surface

3．2 降雨過程中坡體含水率和孔壓變化

根據(jù)含水率、孔壓數(shù)據(jù)，采用Kriging插值法做等值線圖，反映坡體內(nèi)含水率、孔壓的變化．本文分3個階段(第1階段為邊坡趾部未發(fā)生向外滲流;第2階段為邊坡趾部發(fā)生流動破壞;第3階段為邊坡下部、中部發(fā)生滑動破壞)分別對邊坡破壞過程中內(nèi)部含水率、孔壓變化繪制相應時刻的等值線圖．

第1階段從降雨入滲開始到邊坡趾部發(fā)生向外滲流為止，對應的時間為0～610 s．選取400 s時刻作為代表時刻繪制等值線圖來分析邊坡內(nèi)部含水率、孔壓變化．圖6(a)可以看出此時水分還未入滲到邊坡z＜150 mm，x＜200 mm所包圍的區(qū)域，且該區(qū)域的等值線近似平行于坡面傾斜方向;邊坡170 mm高度以上的頂部、上部的含水率沿坡面傾斜方向自上而下逐漸減小，同樣在邊坡70～170 mm高度的中部到上部的含水率也有相同變化，這說明在降雨入滲的初步階段，邊坡的頂部、上部和邊坡表層以下的中部的含水率分布與邊坡坡度有相似關(guān)系;邊坡趾部、下部的含水率自下而上均較大，該區(qū)域的水分會向邊坡內(nèi)部入滲，這可以從圖6(a)等值線密集的部位看出．圖7(a)中，邊坡表層的孔壓等值線與坡面成近似垂直的關(guān)系，這可能是由于邊坡表層處于非飽和入滲過程，逐漸形成暫態(tài)飽和區(qū)、濕潤區(qū)，在深度方向上較深的濕潤區(qū)和較淺的暫態(tài)飽和區(qū)的孔壓相同，因而在不同深度方向上孔壓可能相同;邊坡趾部、下部孔壓較大，造成水分在該處最先出滲．

圖6 不同降雨時間坡體含水率等值線Fig．6 Water content contours during different rainfull periods

第2階段為625～830 s，與第1階段相比有時間延遲，因為邊坡變化現(xiàn)象不明顯，可認為是過渡期．與降雨400 s相比，圖6(b)表明邊坡頂部、上部、中部以下的區(qū)域，含水率的變化不是自上而下增大的，而是有分界線，即分界線以上的區(qū)域自上而下增大，分界線以下則相反．產(chǎn)生分界線的原因是水分入滲會逐漸形成暫態(tài)飽和區(qū)、過渡區(qū)、濕潤區(qū)，但還要考慮趾部、下部的水分入滲對邊坡內(nèi)部的影響．圖7(b)可以看出除邊坡趾部、下部的表層以外，其余區(qū)域的等值線平緩且與坡面近似平行;趾部、下部的孔壓最大且邊坡表層的孔壓明顯大于靜水壓，說明該部分可能已經(jīng)產(chǎn)生超靜孔壓，其原因可能是由于上部的砂子產(chǎn)生下滑的運動趨勢，對該部分施加了荷載;邊坡中部、下部的底層等值線發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，說明趾部、下部入滲到邊坡內(nèi)部的水分對其造成影響．

圖7 不同降雨時間坡體孔壓等值線Fig．7 Pore pressure contours during different rainfull periods

第3階段為845～1 000 s．圖6(c)和7(c)中，頂部深處的含水率、孔壓最小，上部深處的含水率最大，其余區(qū)域的含水率基本自下而上增大．圖7(c)表明邊坡表層、下部的孔壓較大，其中下部最大;邊坡表層均產(chǎn)生超靜孔壓，說明表層已經(jīng)產(chǎn)生向下的推力不再是局部區(qū)域，邊坡在這種條件下容易發(fā)生破壞．

3．3 邊坡表層位移變化

將4個位移傳感器沿坡面分別埋設于表層以下2 cm深處，由于1#位置靠近頂部，此處邊坡發(fā)生滑動破壞需要較長時間．圖8顯示，頂部的滑動位移最大，其次是上部，中部最小;自下而上發(fā)生滑動，下部發(fā)生的時間要比頂部早約400 s;從各點滑動發(fā)生的時間差來看，下部、中部、上部的時間差均是100 s左右．

圖8 邊坡表層位移變化Fig．8 Variation in the slope surface displacement

4 結(jié)語

通過對人工邊坡實施人工降雨滑坡試驗，根據(jù)對試驗結(jié)果的分析，可以得到以下結(jié)論:

(1)降雨入滲的初始階段，趾部含水率最先發(fā)生變化，隨著降雨的進行，含水率變化區(qū)域深度逐漸增大;坡體中不同位置水分的入滲速率并不相同，含水率、孔壓變化幅度也不相同．

(2)邊坡內(nèi)部靠近底層的區(qū)域，其含水率和孔壓的變化要考慮趾部、下部的水分入滲造成的影響，這些影響會造成該區(qū)域的等值線密集、偏轉(zhuǎn)．

(3)邊坡表層的孔壓等值線與坡面成近似垂直的關(guān)系，這可能是由于邊坡表層處于非飽和入滲過程，逐漸形成暫態(tài)飽和區(qū)、濕潤區(qū)，較深的濕潤區(qū)和較淺的暫態(tài)飽和區(qū)的孔壓相同，因而在不同深度方向上孔壓可能相同，隨著非飽和入滲過程的發(fā)展，等值線與坡面近似平行．

(4)邊坡破壞不是單一的一種破壞，邊坡破壞最先發(fā)生在趾部，為流動破壞，然后沿坡面向上逐漸發(fā)生漸進式滑動破壞;若降雨強度顯著大于土體滲透系數(shù)，在邊坡表面可能會產(chǎn)生流滑型破壞．

(5)對含水率不同的變化幅度，超靜孔隙水壓力產(chǎn)生的原因及分布，需要理論推導和解釋，這是繼本試驗以后仍將努力的研究方向．

［1］萬文．地下空區(qū)對邊坡穩(wěn)定性的影響研究［D］．長沙:中南大學，2006．(WAN Wen．A study of slope stability influenced by the underground vacant area［D］．Changsha:Zhongnan University，2006．(in Chinese))

［2］ELLISON W D．Soi1 erosion study Part I［J］．Agric Eng，1947，28:145-146．

［3］MEYER L D，F(xiàn)ORSTER．Effect of fIow-eate and canopy on rill erosion［J］．ASCE，1975，18(5):16-18．

［4］HUDSON N W．Soil conservation［M］．New York:Cornell University Press，1971．

［5］鄭粉莉．坡面降雨侵蝕和徑流侵蝕研究［J］．水土保持學報，1998(6):17-21．(ZHENG Fen-li．A study on rainfall erosion and runoff erosion［J］．Bullet in of Soil and Water Conservation，1998(6):17-21．(in Chinese))

［6］詹良通，吳宏偉，包承綱，等．降雨入滲條件下非飽和膨脹土邊坡原位監(jiān)測［J］．巖土力學，2003，24(2):151-152．(ZHAN Liang-tong，WU Hong-wei，BAO Cheng-gang，et al．Artificial rainfall infiltration tests on a well-instrumented unsaturated expansive soil slope［J］．Rock and Soil Mechanics，2003，24(2):151-152．(in Chinese))

［7］胡明鑒，汪稔，張平倉．斜坡穩(wěn)定性及降雨條件下激發(fā)滑坡的試驗研究—以蔣家溝流域滑坡堆積角礫土坡地為例［J］．巖土工程學報，2001，23(4):453-457．(HU Ming-jian，WANG Ren，ZHANG Ping-cang．Primary research on the effect of rainfall on landslide—take the slope piled by old landslide in Jiangjiagou valley as example［J］．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2001，23(4):453-457．(in Chinese))

［8］謝妮，王釗．非飽和土邊坡的監(jiān)測和人工降雨試驗［J］．武漢大學學報:工學版，2008，41(2):81-85．(XIE Ni，WANG Zhao．Field investigation and artificial rainfall simulation tests on unsaturated soil slopes［J］．Journal of Wuhan University(Engineering Science)，2008，41(2):81-85．(in Chinese))

［9］林鴻州，于玉貞，李廣信，等．降雨特性對土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的影響［J］．巖石力學與工程學報，2009，28(1):198-204．(LIN Hong-zhou，YU Yu-zhen，LI Guang-xin，et al．Influence of rainfall characteristics on soil solpe failure［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(1):198-204．(in Chinese))

［10］LEE Y S，CHEUK C Y，SASSA K．Instability caused by aseepage impediment in layered fill slopes［J］．Cannada Geotech，2008，45:1410-1425．

［11］周輝，吳時強，陳惠玲．泄洪霧化的影響及其分區(qū)和分級防護初探［C］∥中國水利學會水力學專業(yè)委員會．第二屆全國水力學與水利信息學學術(shù)大會論文集，成都:四川大學出版社，2005:89-94．(ZHOU Hui，WU Shi-qiang，CHEN Huiling．A study of influence of discharging atomization and partitioning and hierarchical protection［C］∥Professional Committee of China Institute of Water Conservancy and Water Dynamics．The Second National Conference on Hydraulics and Water Resources Informatics Academic Papers，Chengdu:Sichuan University Press，2005:89-94．(in Chinese))

［12］矯濱田，魯曉兵，王淑云，等．土體降雨滑坡中細顆粒運移及效應［J］．地下空間與工程學報，2005，1(7):1014-1016．(JIAO Bing-tian，LU Xiao-bing，WANGShu-yun，et al．The movement of fine grains and its effects on the landslide and debris flow caused by raining［J］．Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2005，1(7):1014-1016．(in Chinese))