降雨條件下松散堆積體邊坡穩(wěn)定性離心模型試驗研究

田 海，孔令偉，李 波

（1.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點試驗室，湖北 武漢 430071；2.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點試驗室，湖北 武漢 430010）

1 引 言

我國西部山區(qū)廣泛發(fā)育和分布著第四紀松散堆積體，這類堆積作用形成的地質體，是多種殘坡積物、崩坡積物和沖洪積物等松散介質組成的特殊地質體，其結構雜亂無章、分選性差、粒間結合力差、透水性強[1]。隨著西部大開發(fā)以來，圍繞松散堆積體的一些重大工程地質問題造成了系列地質災害，威脅著人類生存、生活與工程建設安全。

目前，對這類堆積體的研究更多的是關注其地質成因及宏觀穩(wěn)定性。趙建軍等[2]研究了西南地區(qū)某松散堆積體工程邊坡的結構特征，研究了開挖邊坡的變形機制并根據(jù)模擬結果確定潛在滑動面及支護對策。在降雨對滑坡影響研究方面，降雨誘發(fā)邊坡失穩(wěn)實質是導致邊坡非飽和區(qū)的基質吸力降低，從滑坡誘發(fā)機制方面可理解為促使滑移面剪應力增大及抗剪強度降低，進而導致邊坡穩(wěn)定性的降低。目前，國內(nèi)外一些專家、學者分別從土體滲透性和抗剪強度、非飽和土基質吸力、降雨強度、土坡坡度和植被根系等方面對該問題進行了相應的研究[3-5]。據(jù)不完全統(tǒng)計，大部分的滑坡都是在降雨期間出現(xiàn)[6]，可見研究降雨誘發(fā)滑坡具有極其重要的意義。

由于離心模型中再現(xiàn)原型的應力場，使得模型和原型應力-應變相等、變形相似、破壞機制相同，離心模型試驗技術被譽為土工試驗技術發(fā)展的里程碑，在巖土工程領域特別是邊坡變形和破壞問題研究上得到了廣泛應用[7]。

國內(nèi)外大多根據(jù)實測的降雨資料及其引起的滑坡之間的關系來尋求降雨條件下的滑坡機制，而較少采用離心模型試驗的方法。一方面由于在離心機中控制降雨量、降雨強度難度較大，不易實現(xiàn)；另一方面，由于水滴在離心場中運動的科氏效應而使降落路徑不再與模型箱壁平行，導致雨水不能均勻分布到坡面。雖然有一些學者在邊坡降雨離心模型試驗方面取得了進展，如通過改變制樣時的含水率來代替不同規(guī)模的降雨，用注水浸泡[8]來模擬不同時間的雨水入滲，或在邊坡頂部實現(xiàn)局部降雨[9]等，這些方法或多或少都有不完善的地方。

本文以四川綿竹地區(qū)地震帶廣泛發(fā)育的松散堆積體邊坡為研究對象，通過離心模型試驗方法，研究了降雨條件對典型松散堆積體邊坡穩(wěn)定性的影響，以揭示堆積體邊坡的失穩(wěn)模式與機制。通過降雨模擬裝置，在離心機運行過程中實現(xiàn)了降雨的模擬，同時考慮了土工格柵對邊坡降雨失穩(wěn)的支護效應，分析過程采用離心機定點非接觸高速攝影系統(tǒng)并結合粒子圖像測速PIV 技術分析其變形特征以及破壞模式。

2 離心機模型試驗

本次模型試驗是在長江科學院CKY-200 型多功能土工離心機上完成的，主要參數(shù)指標：有效容量200 g·t；最大加速度為200 g，無級調速，調速精度為0.1 g；有效半徑為3.7 m。

2.1 試驗對象及邊坡模型設計

試驗松散堆積體為四川綿竹市綿茂公路帶廣泛發(fā)育的山坡坡積體，細粒含量相對較少，粗粒石主要為灰?guī)r。離心模型試驗選取與原型材料相同的堆積體作為模型填料，控制模型填料的壓實度與原型相似。試驗所用松散堆積體的天然物性參數(shù)見表1。

表1 堆積體物理力學參數(shù)Table 1 The physical and mechanical index of deposit soil

現(xiàn)場勘察堆積體中最大粒徑范圍在 150～60 mm 之間。離心模型試驗系統(tǒng)為了消除模型箱的邊界效應和填料的粒徑效應，模型填料粒徑應當不大于20 mm，所以需要對原型填料進行相似級配處理，離心模型填料的級配如表2 所示。

表2 離心模型試驗試樣的顆粒含量Table 2 Particle size distribution of soil sample

采用原型材料配制模型材料，滿足相似關系，模型箱尺寸為1.0 m×0.4 m×0.8 m（長×寬×高），離心模型與原型比尺為1:80，模型尺寸及監(jiān)測項目布置如圖1 所示。松散堆積體邊坡離心模型坡度為60°，針對原型堆積體自然邊坡存在基巖面傾角，制作邊坡模型基巖面角度為20°，模型高度為44 cm，對應原型坡高為35 m。

圖1 離心模型試驗及監(jiān)測示意圖(單位:cm)Fig.1 Schematic of the centrifugal model test(unit:cm)

模型箱前壁為厚度5 cm 透明鋼化玻璃，以便進行宏觀數(shù)碼拍攝。

試驗采用離心場非接觸位移測量技術，由于模型高速旋轉，采用普通的攝影方法很難獲得動態(tài)土工模型的清晰影像。本文離心模型試驗采用定點高速閃光攝影技術，較好地解決了這個問題。定點高速閃光攝影系統(tǒng)的安裝如圖2 所示。

圖2 定點高速閃光攝影系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic of the installation of fixed-spot high-speed flash photography system

2.2 粒子圖像測試（PIV）位移分析

PIV 是一種非接觸、瞬時、動態(tài)、全流場的速度場測量技術，其基本原理如圖3 所示[10-11]。利用攝像設備采集圖片，將土體變形前、后攝取的灰度圖像分割成若干均勻網(wǎng)格。將變形前某一網(wǎng)格在變形后圖像指定范圍內(nèi)進行全場匹配和相關運算，根據(jù)峰值相關系數(shù)確定該網(wǎng)格在變形后的位置，由此可以得到該網(wǎng)格的像素位移，再根據(jù)一定的比例關系轉換得到網(wǎng)格中心點的物理位移。對變形前所有網(wǎng)格進行類似運算就可以得到整個位移場。

圖3 PIV 分析方法的基本原理Fig.3 Principles of PIV analysis

PIV 技術最初被應用在流體力學的試驗領域中，在該領域中正在被廣泛應用。而土體的變形也可以看作是一個低速流動的過程，所以可以將PIV方法引入到土工試驗中。White 等[12]利用PIV 原理開發(fā)了GeoPIV 程序，并將該方法引入到壓入樁試驗的位移量測中，其基本計算流程如圖4 所示。本文利用該程序進行PIV 分析，在此基礎上開發(fā)了位移場顯示程序。

圖4 GeoPIV 工具包計算框架Fig.4 GeoPIV software usage scheme

2.3 離心模型中的降雨模擬方法

離心場中降雨模擬系統(tǒng)是該試驗的關鍵。目前離心機中常采用的降雨模擬系統(tǒng)[13]為降雨盒底部開孔的方式，傳統(tǒng)的盒式降雨系統(tǒng)是在模型頂部放置儲水盒，盒底部均勻開孔，并依次鋪設土工布和一定厚度的黏土。當盒內(nèi)注水后，水會滲透穿過黏土和土工布通過盒底部的孔洞形成水滴，在離心場中模擬降雨。傳統(tǒng)的盒式降雨系統(tǒng)簡單易操作，但存在以下問題：①離心場中雨滴相對較大且降落速度較快，與實際降雨情況存在一定的差別；② 無法嚴格控制降雨時間。

圖5 介質霧化噴嘴Fig.5 Media atomizing nozzle

本文降雨模擬系統(tǒng)采用最新介質霧化噴嘴，如圖5 所示。采用介質霧化噴嘴結構模擬降雨最新應用于離心場中的降雨模擬系統(tǒng)。根本原理是采用二流體的空氣霧化噴嘴結構將水霧化，即借助一定壓力空氣的射流使液體霧化。其主要優(yōu)點是離心場霧化雨滴非常小，更好地模擬原型降雨；通過調整氣壓可方便控制降雨強度，通過外界控制進水管通水可方便控制降雨時間。

2.4 降雨模擬的比尺關系

降雨的模型比尺關系應該與雨水滲流保持一致，針對巖土工程問題，在離心模型試驗中，當模型與原型采用同一種土體，同一水力坡降時得到的滲流時間比尺關系與模型土樣縮尺后得到的滲流時間比尺關系是不同的，但由于此項試驗研究進行穩(wěn)態(tài)試驗，忽略過程中孔壓消散問題，故土體運動與滲流的比尺矛盾對本試驗所研究的物理力學參數(shù)影響較小[14]。降雨強度q 和滲流速度v 的比尺相同，降雨歷時tf和滲流時間t 的比尺相同，即：

式中：下標m 和r 分別表示模型和原型；N為離心加速度除以重力加速度(g=9.81 m/s2)的倍數(shù)。

2.5 降雨強度參數(shù)選取

采用霧化噴頭降雨系統(tǒng)模擬降雨，根據(jù)上述比尺關系，離心模型試驗降雨強度的換算關系為

式中：Qr表示原型降雨強度；M為試驗降雨總質量；A為試驗降雨面積；t為試驗降雨時間；N為模型比尺。

我國氣象部門一般采用的降雨強度，標準為：小雨條件10 mm/d，中雨條件24.9 mm/d，大雨條件49.9 mm/d，暴雨條件70～250 mm/d。如試驗降雨時間為20 min，降雨量為5 kg，降雨面積為60 cm ×40 cm=2 400 cm2，則模型中降雨強度為 1.042 kg·m-2·min-1。按照模型比尺N=80，依據(jù)上述換算關系得到的原型降雨強度為18.75 mm/d，對應為中雨降雨強度條件。

3 試驗過程

對制樣模型依次開展3 組試驗，具體試驗條件如表3 所述。作為對比，RC-1 組試驗不實施降雨，試驗中離心加速度以每級20 g的增量逐級增大至設定加速度80 g，并實時監(jiān)測坡頂沉降和坡面水平位移變化情況；RC-2 組試驗基于RC-1 同樣模型，運行離心機，加速度以每級20 g 的增量逐級增大至80 g 穩(wěn)定后，采用基于介質霧化噴嘴的新型降雨模擬系統(tǒng)進行降雨模擬，并實時監(jiān)測坡頂沉降和坡面水平位移變化情況；RC-3 組試驗仍舊基于RC-1 模型，在離心機加速度至80 g 穩(wěn)定后，實施降雨模擬，制模時考慮采用邊坡防格柵（模型相似材料為窗紗）支護措施研究支護條件下邊坡降雨的穩(wěn)定性。經(jīng)試驗測試窗紗材料（模擬格柵）平均抗拉強度為1.04 kN/m，平均極限延伸率為19.95%，對應原型邊坡防護土工格柵的抗拉強度為83 kN/m。

表3 離心模型試驗項目Table 3 Programs of centrifugal tests

其中，對于RC-2 和RC-3 組降雨模擬試驗選擇降雨強度參數(shù)為：離心機降雨歷時20 min，降雨質量15 kg，對應原型邊坡降雨強度為61.45 mm/d，屬于強降雨條件，以模擬西南地區(qū)堆積體遇強降雨而導致滑塌失穩(wěn)工況。

圖6為模型試驗測量系統(tǒng)布置圖，圖6(a)為RC-1 組試驗安裝實物圖，圖6(b)為RC-2 組試驗采用新型霧化噴頭模擬降雨系統(tǒng)裝置圖，圖6(c)為RC-3 組試驗考慮邊坡防護格柵的系統(tǒng)裝置。

試驗步驟：

（1）將現(xiàn)場所取的材料風干后，按照相應的粒組等級進行篩分，并分別裝袋備用，按照試驗擬定級配進行配料。

（2）模型箱準備，基巖底座澆筑，加工儲水箱；在裝樣前將模型箱擦拭干凈，然后在側壁上貼一層塑料薄膜，以減小邊壁阻力的影響，之后將模型箱螺絲釘擰緊，以確保試驗過程的安全運行。

（3）進行模型分層制樣，在制樣過程中，針對RC-3 組試驗對邊坡防護網(wǎng)采取隔層淺壓固定；制樣完成經(jīng)過削坡后，布置觀測探頭或監(jiān)測設備，包括位移傳感器（LVDT）和紅外攝像頭等，連接采集信號線，測試采集系統(tǒng)。

（4）開機加速至20、40、60、80 g，記錄每個加速度對應狀態(tài)下LVDT 采集數(shù)據(jù)的變化值，同時拍攝照片。各組試驗均在模型箱頂部布置監(jiān)控攝像頭，監(jiān)控模型變化以及監(jiān)測儀器設備的運行情況。

圖6 堆積體邊坡離心模型試驗系統(tǒng)布置圖Fig.6 Installation of centrifugal tests for deposit slope

4 離心模型試驗結果與分析

圖7為RC-1 組離心機試驗運行過程中采用定點高速攝影技術得到的起始和終了狀態(tài)下模型側面照片，對應加速度分別為20 g和80 g穩(wěn)定時的狀態(tài)；結果表明，隨著加速度的逐級增大，坡頂沉降與水平位移監(jiān)測值變化微小，變化幅度在3 mm 以內(nèi)。該模型在設定的80 g 范圍內(nèi)整體穩(wěn)定，僅局部坡面顆?；?。表明在未降雨條件下，堆積體邊坡有較大的安全系數(shù)。

圖7 RC-1 模型試驗離心機運行起始、終了狀態(tài)側面照片F(xiàn)ig.7 Photos of RC-1 model at starting and terminal states

RC-2 組離心機試驗實施降雨過程中，定點拍攝到降雨開始后10 min 以及降雨結束時兩個時刻的邊坡模型照片，對應加速度穩(wěn)定為80 g 狀態(tài)，如圖8 所示。結果表明，未降雨條件下堆積體邊坡很穩(wěn)定，從監(jiān)測錄像觀察，離心機運行降雨開始后2 min 左右，坡面開始產(chǎn)生滑落，隨著降雨的持續(xù)，邊坡一定深度范圍內(nèi)的顆粒開始土體徑流型態(tài)，坡上松散堆積體開沿坡面逐層剝落直至滑移，降雨結束時，邊坡內(nèi)部位移也比較小，邊坡表面破壞區(qū)域增大。降雨后邊坡滑塌斷面呈拋物線形狀，坡肩垮落最大（如圖9 所示），說明降雨引起的泥石流滑坡是這類松散堆積體邊坡的主要破壞模式，主要機制是由于雨水入滲使土體含水率增加，促使邊坡上固體堆積物質逐漸飽和，導致基質吸力降低、黏聚力減小，邊坡的安全系數(shù)下降。

圖8 RC-2 模型離心機試驗降雨模擬不同時刻側面照片F(xiàn)ig.8 Photos of RC-2 model at different time intervals after rainfall

圖9 RC-2 組模型試驗降雨后邊坡破壞形態(tài)Fig.9 Photos of the failure modes of RC-2 centrifugal test after rainfall

土工格柵柔性支護的結構特點是在邊坡面范圍內(nèi)分層攤鋪格柵后，分層填筑堆積體并壓實，層層格柵連接并張緊形成一個支護整體，實現(xiàn)堆積體邊坡長期的安全穩(wěn)定性。RC-3 組離心機試驗正是基于這種思想。圖10為實施降雨過程中，定點拍攝到的降雨開始后10 min 以及降雨結束時兩個時刻的邊坡模型照片，對應加速度穩(wěn)定為80 g 狀態(tài)。結果表明，隨著模擬降雨時間的增長，坡內(nèi)位移場緩慢增長，主要集中在邊坡的中上部，以坡肩處變形最為明顯；而邊坡內(nèi)部的位移均很小，受降雨影響較小。整體來看，通過采用窗紗相似材料模擬原型土工格柵對松散堆積體邊坡因降雨而導致失穩(wěn)的支護措施是十分有效的。

圖10 RC-3 模型離心機試驗降雨模擬不同時刻側面照片F(xiàn)ig.10 Photos of RC-3 model at different time intervals after rainfall

進一步的分析方法采用粒子圖像測速（particle image velocimetry）技術，針對圖7、8、10 高清單反相機拍攝的各組試驗不同節(jié)點的照片，分析區(qū)域及網(wǎng)格劃分如圖11 所示。經(jīng)過分析，定點高速攝影配合高清數(shù)碼相機所采集的照片可以取得很好的分析效果。圖12～14 分別為RC-1、RC-2 及RC-3 共3 組試驗過程中典型節(jié)點分析區(qū)域的位移場分布，由圖可知，經(jīng)過PIV 程序識別的結果與實物照片具有一致的規(guī)律性。因此，利用此攝影采集系統(tǒng)輔助進行PIV 技術分析可以有效地應用于邊坡離心模型試驗中。

圖11 PIV 程序分析區(qū)域和網(wǎng)格劃分Fig.11 Analytic zone and meshing grid by PIV program

圖12 RC-1 模型試驗離心機運行起始、終了狀態(tài)位移場Fig.12 Displacement fields of RC-1 model at starting and terminal states

圖13 RC-2 模型離心機試驗降雨模擬不同時刻位移場Fig.13 Displacement fields of RC-2 model at different time intervals after rainfall

圖14 RC-3 模型離心機試驗降雨模擬不同時刻位移場Fig.14 Displacement fields of RC-3 model at different time intervals after rainfall

5 結 論

（1）沒有降雨時，松散堆積體邊坡在其自重條件下整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；在中等強度降雨作用下，引起土體抗剪強度降低，邊坡形成強大下滑力促使無支護條件下堆積體邊坡失穩(wěn)破壞，試驗中降雨模擬系統(tǒng)，能有效控制雨滴的尺寸效應，實現(xiàn)不同降雨強度和歷時的降雨模擬。

（2）在強降雨條件下，松散堆積體邊坡的破壞模式區(qū)別于傳統(tǒng)的圓弧滑動，而是堆積體邊坡表面逐層滑落，形成泥石流形態(tài)。

（3）通過邊坡支護離心模型對比試驗，發(fā)現(xiàn)采用邊坡防護格柵對松散堆積體邊坡加固，試驗結果表明，采用邊坡防護格柵是提高松散堆積體邊坡穩(wěn)定性的有效途徑。

（4）采用離心機高速定點攝影技術和粒子圖像速度計算程序，分別分析了各試驗條件下邊坡變形位移場變化規(guī)律。結果表明：堆積體邊坡的變形滑移主要是由于強降雨條件引起的，而采用防護格柵措施可有效遏制邊坡的位移變形；試驗結果進一步為松散堆積體發(fā)育地區(qū)邊坡地質災害防治提供重要的技術支持。

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