黃 英石崇喜張祖連符必昌金克盛
(1.昆明理工大學電力工程學院,云南昆明 650500;2.云南省昭通市水利水電勘測設計院,云南昭通 657000)
云南紅土室內(nèi)滑坡可行性試驗研究
黃 英1,石崇喜1,2,張祖連1,符必昌1,金克盛1
(1.昆明理工大學電力工程學院,云南昆明 650500;2.云南省昭通市水利水電勘測設計院,云南昭通 657000)
以紅土作為室內(nèi)滑坡模型材料制作紅土型邊坡,考慮邊坡尺寸、土體特性、成型方法、降雨等級的影響,開展降雨作用下紅土型邊坡的室內(nèi)滑坡模型試驗研究。試驗結(jié)果表明,直接選用紅土開展室內(nèi)滑坡模型試驗的成功率較低,但如果控制好試驗條件,紅土型邊坡仍然可能發(fā)生滑坡。室內(nèi)暴雨作用下,紅土型邊坡的滑動過程可以分為邊坡成型、降雨實施、滑動面形成發(fā)展、整體滑動等幾個階段;其滑動特征表現(xiàn)為先坡頂開裂下沉、后坡側(cè)開裂延伸;其滑動條件為坡高、坡角較大,坡頂寬適中,塑性指數(shù)偏小,干密度偏小,含水率接近塑限,堆積法成型以及暴雨等方面。
云南紅土;室內(nèi)滑坡可行性試驗;滑動過程;滑動特征;滑動條件
滑坡作為一種自然界時常發(fā)生的典型地質(zhì)災害問題,已有學者進行了大量研究,內(nèi)容主要包括現(xiàn)場滑坡土體觀測、現(xiàn)場土體滑坡試驗、室內(nèi)滑坡模型試驗以及滑坡的滑動過程、滑動特征、滑動機理等方面。由于大多數(shù)滑坡與降雨有關,所以現(xiàn)場土體滑坡試驗和室內(nèi)滑坡模型試驗都是在降雨條件下進行。常曉軍等[1]分析總結(jié)了我國滑坡降雨試驗研究現(xiàn)狀;龍萬學等[2]開展了降雨型滑坡現(xiàn)場模擬試驗,結(jié)合數(shù)值計算,研究降雨情況下滑坡的成災特征及成災機理;胡明鑒等[3]針對蔣家溝流域滑坡堆積角礫土坡,開展了斜坡穩(wěn)定性及大型野外人工降雨激發(fā)滑坡試驗研究,闡述了降雨激發(fā)滑坡的復雜作用過程;傅鶴林等[4]開展了人工降雨模擬試驗和機械開挖模擬原位試驗,研究滑坡觸發(fā)因素及其對滑坡的影響;羅先啟等[5]建立了室內(nèi)滑坡試驗的控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng),并結(jié)合實例開展了雨水及庫水作用下的滑坡模型試驗,研究水庫型滑坡的變形破壞規(guī)律;肖先煊等[6]針對三峽庫區(qū)某滑坡,優(yōu)選滑坡相似材料,建立滑坡地質(zhì)力學模型,考慮降雨及地表水的作用,開展了滑坡模型試驗研究,表明滑坡體前緣可從穩(wěn)定狀態(tài)直接進入加速蠕變階段;肖詩榮等[7-8]開展了三峽庫區(qū)千將坪滑坡的模型試驗,研究三峽水庫水位變化對該滑坡穩(wěn)定性的影響;胡修文等[9]開展了三峽庫區(qū)趙樹嶺滑坡穩(wěn)定性物理模擬試驗研究;王偉鋒等[10]開展了降雨型與地震型滑坡試驗研究,分析了降雨型滑坡的坡度與臨界降雨量之間的關系;任偉中等[11]開展了滑坡變形破壞機理及整治工程的模型試驗研究;陳紅凱等[12]開展了散體滑坡室內(nèi)啟動的模型試驗研究;孔紀名等[13]研究了川藏公路拉月滑坡的塊狀破壞特征;黃濤等[14]開展了地表水入滲環(huán)境下邊坡穩(wěn)定性的模型試驗研究;趙曉彥等[15]開展了云南頭寨溝大型巖質(zhì)高速滑坡碰撞的模型試驗研究;雍睿等[16]開展了推移式滑坡演化過程的模型試驗與數(shù)值模擬研究等。
滑坡模型試驗根據(jù)相似理論選用相似材料制作滑坡模型,預先給定其滑動面,即原型滑坡的滑動面。滑坡模型試驗可以實現(xiàn)對原型滑坡滑動過程的再現(xiàn)模擬,對于揭示已經(jīng)發(fā)生滑坡的滑動過程、滑動特征以及滑動機理具有重要的作用。
實際上,滑坡的發(fā)生是一個漸變過程,滑動面的形成及發(fā)展是降雨、入滲、土性、坡性等因素共同作用的結(jié)果,具有很大的不確定性和偶然性。自然狀態(tài)下既發(fā)生大型滑坡,也時常發(fā)生小型滑坡,都可通過室內(nèi)滑坡模型試驗來模擬。一方面,雖然滑坡模型試驗可以直觀反映已發(fā)生滑坡的滑動過程,但相似材料的選擇以及模型與原型之間的對應關系仍然存在很大問題,需要深入研究;另一方面,為了避開相似材料的選擇困難以及原型的影響,可以考慮選用土料作為滑坡模型材料,開展室內(nèi)滑坡模型試驗研究,在沒有原型參照的情況下,直接觀測滑坡的發(fā)生發(fā)展過程,獲得滑坡的發(fā)生條件。目前,前一個問題研究相對較多,而后一個問題研究較少。
云南紅土分布廣泛,山高坡陡,存在大量的紅土型邊坡,降雨引起的紅土型滑坡問題嚴重,但缺乏相應的研究。為此,本文選用2種云南紅土作為滑坡模型材料,制作紅土型邊坡,開展降雨作用下紅土型邊坡的室內(nèi)滑坡模型試驗研究,觀測降雨過程中紅土型邊坡的滑動過程、滑動特征及滑動條件。
1.1 土料
為了研究紅土型邊坡在室內(nèi)降雨條件下發(fā)生滑坡的條件,直接選用紅土作為模型材料,制作小尺寸紅土型邊坡。由于紅土顆粒之間較強的黏結(jié)力,必然影響室內(nèi)小尺寸紅土型邊坡產(chǎn)生滑動的可能。因此,土料考慮選擇顆粒較粗、塑性指數(shù)較小的粉質(zhì)紅土,并且控制紅土型邊坡較低的干密度。表1為試驗紅土的基本特性。
表1 試驗紅土的基本特性Table1 Basic characteristics of test laterite
1.2 裝置
室內(nèi)滑坡模型試驗采用自制的裝置系統(tǒng),主要包括降雨系統(tǒng)、模型槽、集水槽3部分,見圖1。降雨系統(tǒng)由孔板型雨滴發(fā)生器、降雨座架、供水系統(tǒng)3部分組成。圖2中的雨滴發(fā)生器長50 cm,寬50 cm,高6 cm,有效降雨面積0.25 m2左右。模型槽長80 cm,寬40 cm,高60 cm。
1.3 方案
1.3.1 影響因素
圖1 室內(nèi)滑坡試驗裝置Fig.1 Indoor landslide test apparatus
滑坡的發(fā)生主要取決于邊坡特性、土體特性以及降雨情況,邊坡越高、坡角越大,土體密實程度越低、含水率越少,降雨越大,邊坡土體產(chǎn)生滑動的可能性越大。因此,試驗過程中,要考慮坡高、坡角、坡頂寬、坡頂長和坡面形狀等邊坡特性以及邊坡土體的含水率、干密度等土體特性的影響。坡高定為30~70 cm,坡角定為50°~70°,坡頂寬定為15~30 cm之間,坡頂長固定40 cm,坡頂面和坡斜面都為平面。邊坡紅土的含水率定為24.4%~36.8%,干密度定為0.95~1.22 g/cm3。因滑坡一般都是在暴雨條件下發(fā)生,所以,本試驗控制降雨為暴雨等級,由室內(nèi)降雨量的率定試驗來確定[17]。
圖2 雨滴發(fā)生器Fig.2 Raindrops generator
1.3.2 紅土型邊坡的制作
根據(jù)各影響因素的擬定參數(shù),先根據(jù)邊坡尺寸確定各模型邊坡體積,再按照擬定的干密度和含水率制備好紅土樣,并在模型槽壁用粉筆勾勒出邊坡尺寸,然后裝入紅土樣,采用夯實和堆積等成型方法制作室內(nèi)紅土型邊坡,共計11個,其中,A料紅土型邊坡9個,B料紅土型邊坡2個。夯實成型法包括水平分層夯實和豎直分層夯實2種,就是通過木棰、墊板等夯實工具分層夯實土料達到邊坡的成型尺寸;堆積成型法是將邊坡所需的土料全部密實地堆積在邊坡尺寸范圍內(nèi),用夯實工具輕輕地夯實到邊坡尺寸。
1.3.3 紅土型滑坡模型試驗的開展
紅土型邊坡制作成型后,靜置固結(jié)24 h,通過人工降雨,開展降雨條件下的室內(nèi)滑坡模型試驗。整個降雨過程中,采用數(shù)碼相機和攝像機作為觀測設備,觀測:(a)降雨量、降雨歷時的變化;(b)紅土型邊坡的變形、濺蝕、土顆粒運移等表面特征;(c)紅土型邊坡產(chǎn)生滑動的過程,觀測滑動過程中邊坡的開裂、滑動面的形成發(fā)展、滑動面形狀、滑動形態(tài)、滑動快慢、滑動位置、坡體下滑等滑動特征。找尋不同影響因素下紅土型邊坡發(fā)生滑坡的條件。
1.3.4 紅土型滑坡模型試驗結(jié)果
室內(nèi)滑坡模型試驗結(jié)果表明,制作的11個紅土型邊坡只有2個A料紅土型邊坡發(fā)生了滑坡(滑坡1、滑坡2),其余9個邊坡沒有發(fā)生滑坡,只是表面特征發(fā)生了變化。
典型的紅土型邊坡產(chǎn)生滑動的過程可以分為邊坡成型、降雨實施、滑動面形成發(fā)展、整體下滑等4個階段。
2.1 邊坡成型階段
根據(jù)試驗方案,按照各影響因素的擬定參數(shù),在自制的滑坡模型槽內(nèi)采用堆積成型法制作紅土型邊坡,見圖3。成型后的紅土型邊坡,靜置24 h使其固結(jié)。
2.2 降雨實施階段
圖3 成型的紅土型邊坡Fig.3 Formed lateritic slope
降雨前,先對室內(nèi)降雨量進行率定[11],以確定室內(nèi)降雨量與實際降雨量的關系,根據(jù)12 h降雨量控制降雨等級為暴雨;并在模型槽周圍布置觀測點和觀測裝置;然后對固結(jié)后的紅土型邊坡按照暴雨等級實施降雨,觀測降雨過程中紅土型邊坡的變化。針對每個紅土型邊坡觀測每次降雨過程及降雨后邊坡的變化特征,找尋滑坡的發(fā)生跡象,判斷后續(xù)降雨條件,根據(jù)滑坡的發(fā)生作為紅土型邊坡的成型標準。11個紅土型邊坡,分別進行了多次暴雨等級的降雨,最后觀測到2個邊坡發(fā)生了滑坡?;?和滑坡2的發(fā)生都實施了2次降雨,滑坡1的降雨過程見圖4。
圖4 降雨過程中的紅土型邊坡Fig.4 Lateritic slope during rainfall process
2.3 滑動面形成發(fā)展階段
圖5為滑坡1發(fā)生滑動的過程。第1次降雨歷時373 s,約在降雨停止后410 s時,觀察發(fā)現(xiàn)坡頂面中部位置產(chǎn)生裂縫,并貫穿坡頂;同時在邊坡側(cè)面產(chǎn)生開裂,形成滑動面,近似圓弧狀,并向下延伸發(fā)展。
圖5 紅土型邊坡滑動面的形成和發(fā)展Fig.5 Formation and development of sliding surface of lateritic slope
2.4 整體下滑階段
對于滑坡1,第1次降雨停止后,滑體相對穩(wěn)定下來。為了促使其發(fā)生2次滑動,進行了第2次降雨。第2次降雨歷時265 s,裂縫延伸至坡底,形成完整的滑動面,邊坡發(fā)生了整體滑動。圖6為第2次降雨過程中不同降雨歷時邊坡的變化。由圖6可以看出,邊坡整體滑動前坡腳發(fā)生了局部破壞,產(chǎn)生臨空面,引起坡腳破壞區(qū)臨空面上方的土體整體向下滑動,滑動過程很短,歷時約124 s?;?第1次降雨等級為大雨,沒有觀測到滑動跡象;第2次降雨等級為大暴雨,發(fā)生了整體滑動,歷時約67 s。
圖6 紅土型邊坡的滑動過程Fig.6 Sliding process of lateritic slope
滑坡的滑動特征包括裂縫、滑動面、滑帶、滑動位置、滑壁高度、滑動歷時、滑動方式、滑前征兆等。2個發(fā)生滑坡的邊坡均為A料粉質(zhì)紅土,滑坡1、滑坡2的坡頂長度均為40 cm,坡角、坡高、坡頂寬度分別為61.1°、59.9°,58 cm、50 cm,18 cm、20 cm,土體干密度、含水率分別為0.95 g/cm3、1.01 g/cm3,27.5%、28.3%,滑動位置分別距模型槽后壁9~11 cm、5~6 cm,滑后最高點與原坡頂距離分別為4.7 cm、3.6 cm。因滑坡土體延伸到了模型槽后壁,無法測出滑坡1的滑壁高度,滑坡2滑壁高度為7.2 cm?;?坡頂裂縫位于中部,水平貫穿整個坡頂面,距離模型槽后壁9~11 cm,裂縫最大寬度3 cm,最小寬度2 cm,滑坡頂面垂直下降了2 cm,滑帶不明顯,滑動面近似圓弧狀,靠近坡頂面最大縫寬3.5 cm,由坡頂面向下延伸至坡高20 cm處;滑坡2滑動前無明顯裂縫產(chǎn)生,滑帶明顯,最大帶寬位于坡底,約為13.8 cm,滑動面近似圓弧狀,自坡頂向下延伸至坡底,貫通了整個坡體,縫寬不明顯。
2 個滑坡比較,滑坡1對應邊坡的高度大、坡角大、坡頂寬較小、干密度小、含水率小,所以,相對來說,滑坡1對應的邊坡更易發(fā)生滑動,室內(nèi)試驗結(jié)果也表明滑坡1在暴雨作用下發(fā)生了多次崩塌滑動;而滑坡2在大暴雨作用下發(fā)生了一次整體滑動。圖7為滑坡發(fā)生后的量測形狀,也表明了2個滑坡的滑動特征。
4.1 滑坡發(fā)生的可能性
室內(nèi)滑坡模型試驗結(jié)果表明,制作的9個A料、2個B料共11個紅土型邊坡,只有2個A料的紅土型邊坡在多次降雨作用下發(fā)生了滑坡,其余的9個只是發(fā)生了局部破壞,整體未發(fā)生滑動。說明直接選用紅土作為滑坡模型材料制作的紅土型邊坡,在室內(nèi)小尺寸條件下滑坡模型試驗的成功率很低,發(fā)生滑坡的可能性很小。但如果控制好試驗條件,紅土型邊坡仍然可能發(fā)生滑坡,不同影響因素下紅土型邊坡的室內(nèi)滑坡模型試驗結(jié)果見表2。
圖7 室內(nèi)條件下紅土型滑坡的量測形狀Fig.7 Measured shape of lateritic landslide under indoor condition
表2 不同影響因素下的滑動結(jié)果Table2 Results of sliding affected by different factors
4.2 不同因素對滑動結(jié)果的影響
分析表2可知,暴雨作用下,邊坡尺寸、土體特性、邊坡成型方法對紅土型邊坡是否滑動具有重要影響。密實程度較高的邊坡,不易發(fā)生滑坡,密實程度較低的邊坡,較易發(fā)生滑坡;偏干和偏濕的邊坡都不易發(fā)生滑坡,含水適中的邊坡,較易發(fā)生滑坡;堆積法成型的邊坡發(fā)生了滑坡,但不是所有堆積法成型的邊坡都發(fā)生滑坡,水平分層擊實、豎直分層擊實成型的邊坡沒有發(fā)生滑坡;從土料來看,粉粒較多、塑性指數(shù)偏小的粉質(zhì)紅土A成型的邊坡發(fā)生了滑坡,但不是所有粉質(zhì)紅土A成型的邊坡都發(fā)生滑坡,而粉粒較少、塑性指數(shù)偏大的粉質(zhì)紅土B成型的邊坡沒有發(fā)生滑坡。
由此可見,室內(nèi)滑坡的發(fā)生與坡高、坡角、坡頂寬、土體特性、密實程度、干濕程度、成型方法以及降雨等級密切相關,這些因素決定了室內(nèi)紅土型邊坡可能產(chǎn)生滑坡的條件。在邊坡尺寸方面,坡高較高、坡角較大、坡頂寬適中的邊坡易產(chǎn)生滑坡;在土體特性方面,塑性指數(shù)偏小、干密度偏小、含水率接近塑性的粉質(zhì)紅土易產(chǎn)生滑坡;在成型方法方面,采用堆積法成型的邊坡易產(chǎn)生滑坡;降雨等級方面,暴雨作用下的邊坡易產(chǎn)生滑坡。
針對2種云南粉質(zhì)紅土,考慮邊坡尺寸、土體特性、成型方法、降雨等級的影響,開展了一系列降雨作用下云南紅土型邊坡的室內(nèi)滑坡模型試驗。結(jié)果表明:
a.采用紅土制作的11個紅土型邊坡,只有2個在降雨作用下發(fā)生了滑坡,說明紅土型邊坡開展室內(nèi)滑坡模型試驗的成功率很低。
b.室內(nèi)紅土型邊坡的滑坡過程可以分為邊坡成型、降雨實施、滑動面形成發(fā)展、整體下滑等幾個階段,其典型滑動特征表現(xiàn)為先坡頂開裂下沉,后坡側(cè)開裂延伸;其滑動條件為坡高、坡角較大,坡頂寬適中,塑性指數(shù)偏小,干密度偏小,含水率接近塑限,堆積法成型以及暴雨等方面。
c.本文開展了小尺寸紅土型邊坡的室內(nèi)滑坡模型試驗,沒有考慮模型尺寸、相似材料等因素的影響,所得結(jié)果只針對具體試驗條件。
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[17]石崇喜.云南紅土型滑坡室內(nèi)試驗研究[D].昆明:昆明理工大學,2011.
Feasibility study of indoor test of Yunnan laterite landslide
HUANG Ying1,SHI Chongxi1,2,ZHANG Zulian1,FU Bichang1,JIN Kesheng1
(1.Faculty of Electric Power Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China; 2.Zhaotong Hydropower Survey and Design Institute of Yunnan Province,Zhaotong 657000,China)
A feasibility study of the indoor test of the Yunnan laterite landslide was carried out under simulated rainfall conditions.In the study,the modeling material,the Yunnan laterite,was used to make lateritic slopes, and the effects of the size of the slope,the lateritic properties,the molding method,and the rainfall level were all considered.The tests results show that,the success rate is low if a laterite is directly selected for the indoor test.However,a lateritic slope landslide may occur if the test conditions are well controlled.Under the conditions of indoor rainstorms,the sliding process of the lateritic slopes can be divided into the following stages:the formation of the slope,the implementation of rainfall,the formation and development of the sliding surface,and the overall slide.The sliding characteristics can be expressed as cracking and sinking on the top of the slope first,and then cracking and extension on the sides of the slope.The conditions for sliding include larger values of the height and angle of the slope,a moderate width of the slope top,a lower plasticity index,a lower dry density,a moisture content of approaching the plastic limit,the stacked molding method,and a rainstorm.
Yunnan laterite;indoor landslide feasibility test;sliding process;sliding characteristics;sliding conditions
P642
:A
:1000-1980(2014)06-0497-06
10.3876/j.issn.1000-1980.2014.06.006
2014-04 29
國家自然科學基金(50868009,51168022,51269006);云南應用基礎研究計劃重點項目(2013FA033)
黃英(1963—),女,重慶人,教授,碩士,主要從事紅土的工程地質(zhì)特性研究。E-mail:huangying3764@sina.com