基于室內試驗的降雨型滑坡機理研究

蘇 燕，邱俊炳，蘭斯梅，杜躍亭

(1．福州大學土木工程學院，福建福州 350116;2．河南省南陽市水利建筑勘測設計院，河南南陽 473000)

0 引言

根據(jù)2010年《全國地質災害通報》［1］，全國共發(fā)生地質災害30 670起，包含滑坡22 329起，死亡失蹤10人以上的重大地質災害事件共19起，其中18起引發(fā)因素為降雨或強降雨．強降雨是引發(fā)地質災害、導致人員傷亡和直接經(jīng)濟損失的主要原因［2］．福建省地形以山地丘陵為主，歷來是地質災害多發(fā)地區(qū)．在汛期和臺風多發(fā)季，持續(xù)性強降雨在閩江、汀江、九龍江等主要流域常引發(fā)不同程度的滑坡災害．福建省已發(fā)現(xiàn)的滑坡約11 094處，其中以土質滑坡為主［3］．通過試驗研究降雨作用下坡體由變形到滑動的過程，分析不同降雨強度對滑坡的影響，對試驗現(xiàn)象給出定性的解釋;并用有限元軟件給出坡體滲流和穩(wěn)定性的定量分析．系統(tǒng)研究降雨條件下滑坡體的滲流穩(wěn)定性，有利于促進對實際工程的了解，對預防和預測這類滑坡災害有重要的指導意義．

1 降雨型滑坡試驗裝置

1．1 試驗裝置

根據(jù)福建省山區(qū)滑坡情況，自主設計室內降雨滑坡框架模型，滑坡槽框架由高透明的有機玻璃和角鋼螺栓制成，坡腳采用可轉動支座，通過大型吊車提取可改變坡角．裝置如圖1所示，模型箱底部采用角鋼支架加鋪10 cm混凝土，用以模擬福建山區(qū)淺層滑坡的基巖．

對自然降雨的模擬主要考慮降雨強度及降雨時間，試驗中降雨噴頭組采用農用三眼噴頭，各噴頭采用梅花形固定，行、列間距都為0．45 m．采用角鋼框架支撐，中間8根橫向鋼筋，用來固定降雨噴頭組，尺寸為4．6 m×3．6 m，降雨噴頭距試驗槽底部4 m．降雨噴頭組采用直徑20 mm的PVC管進行串聯(lián)，1、3、5、7號降雨噴頭組由左側供水管道供水，2、4、6、8號降雨噴頭組由右側供水管道供水，供水設備由蓄水池通過水泵供水，利用閥門和分流管道來調節(jié)降雨強度，降雨噴頭組的布置及供水過程如圖2所示．

圖1 滑坡體示意圖Fig．1 Typical profiles of the landslide

圖2 降雨噴頭組平面布置示意圖Fig．2 Rain shower set

1．2 相似理論與物理力學參數(shù)

福建省205國道某處滑坡，邊坡高22 m，其中基巖高18 m，殘積土厚度為4 m，試驗模型采用幾何相似比CL=20，模型箱底部邊界長寬高為190 cm×100 cm×80 cm，試驗填土厚度為20 cm，密度相似比Cρ=1，假設各向同性，滑坡試驗重要參數(shù)取值如下［4］:

式(1)、(2)中:Cg、Cμ、Cφ、Cz、Cθ、Cq、Ck、Ct和Cv分別是重力加速度、泊松系數(shù)、內摩擦角、應變、體積含水量、降雨強度、滲透系數(shù)、降雨歷時和流速常數(shù)的相似比．

福建山區(qū)的淺層滑坡土體主要以亞粘土和殘積亞粘土為主，根據(jù)地勘報告，滑坡土體的主要參數(shù):滑坡土天然重度18．6 kN·m－3，粘聚力c=11．2 kPa，內摩擦角 φ =27°，滲透系數(shù)k=2．4 ×10－6cm·s－1．試驗中滑坡土體由土、砂和雙飛粉進行配制，通過直剪試驗和變水頭試驗測得土體的抗剪強度和滲透系數(shù)，并進行配比試驗方案的對比，最后采用土∶砂 ∶粉=40∶50∶10的配比(質量比)配制．

1．3 試驗方案

降雨強度是影響降雨型滑坡的重要因素．降雨強度的大小是相對于土體滲透系數(shù)而言的，降雨強度大于和小于土體滲透系數(shù)時，產生的滑坡類型不相同．試驗中滑坡土的滲透系數(shù)為k'=4．7×10－7cm·s－1，改變降雨強度進行試驗對照，整個試驗過程用攝像機記錄，以便于觀察和分析坡體的變形．具體試驗方案如表1所示．

表1 降雨型滑坡試驗方案Tab．1 Rainfall landslide experiments

1．4 試驗現(xiàn)場的定性分析與解釋

研究發(fā)現(xiàn)，試驗在不同的降雨強度作用下，破壞主要有兩種:塊體破壞和沖蝕破壞．

試驗JQ－1、JQ－2發(fā)生塊體滑動破壞．塊體滑動破壞的發(fā)展過程如下:隨著降雨入滲，土坡表面產生匯流，降雨下滲，在坡腳處先產生滲透破壞，上部土體因坡腳土體滑動而失去支撐，并出現(xiàn)張拉裂縫．隨著降雨入滲的進行，塊體沿著張拉裂縫處向下滑動．此時滑動的土體使得上部土體失去支撐，產生滑坡臨空面，在水體滲透力和水土自身重力作用下，在斜坡上部又再出現(xiàn)張拉裂縫，促使土體再次發(fā)生塊體滑動，如此重復破壞產生漸進式的塊體滑動破壞．JQ－1降雨滑坡破壞過程見圖3．

圖3 JQ－1滑坡發(fā)生過程Fig．3 The landslide process of JQ －1

試驗JQ－3～JQ－5在坡面產生沖蝕破壞．一些土壤細顆粒隨著水分的入滲逐漸填塞表層土壤孔隙，從而形成土壤表層結皮，阻礙了降雨的入滲．另外，由于滑坡土夯實不是絕對的均勻，所以在較大的降雨強度作用下，土體表面局部沉降成小溝，雨水很快形成徑流，局部土體顆粒被帶走，隨著降雨歷時的增長，逐漸變?yōu)闆_溝并越來越大，沖溝貫穿至土坡底部．沖溝的形成起到了集中排水的作用，土坡表面的雨水通過沖蝕溝流下，整個土坡很難或需要很長時間才能達到飽和，因此坡面沖蝕嚴重，但較難形成滑坡．這為滑坡預防提供了參考，在斜坡上修筑排水設施可以有效地規(guī)避滑坡災害的發(fā)生［5］．JQ－4降雨滑坡破壞過程見圖4．

圖4 JQ－4滑坡發(fā)生過程Fig．4 The landslide process of JQ －4

2 降雨邊坡滲流及穩(wěn)定性分析

2．1 滲流場數(shù)值模擬結果

基于上述試驗結果，選取試驗JQ－1工況進行有限元軟件SEEP/W計算分析．在滲流分析中，對于非飽和材料，參數(shù)主要有土水特征曲線和滲透系數(shù)函數(shù)．用Fredlund＆Xing模型估計土體的土水特征曲線［6］．飽和狀態(tài)下土體積含水量假定為 Vm=0．47，體積壓縮系數(shù)MV=5×10－6，滲透系數(shù)取k=4．5×10－6cm·s－1．圖5為非飽和狀態(tài)下滑坡土的體積含水量與基質吸力的關系，圖6為土的滲透系數(shù)與基質吸力的關系，通過飽和狀態(tài)下的體積含水量，由Fredlund＆Xing模型擬合得到．根據(jù)圖5、圖6可知，土體的體積含水量越小，基質吸力越大，導致滲透系數(shù)降低，這是土體內部的空氣氣泡阻礙水體在土體內部流動的結果．

圖5 體積含水量和基質吸力的關系Fig．5 Volumetric water content versus matric suction

圖6 滲透系數(shù)和基質吸力的關系Fig．6 Conductivity versus matric suction

SEEP/W滲流分析的有限元模型見圖7，模型尺寸與試驗土體的尺寸相同，有限元單元采用結構化四邊形單元．土坡上表面為降雨入滲表面，根據(jù)試驗的降雨強度q=40 mm·h－1和表層單元網(wǎng)格長度，換算成邊界流量2．78×10－6m·s－1，基巖為初始水線，模型右表面坡腳為出滲表面，流量為零．浸潤線的位置未知，假定坡腳邊界為潛在的出滲面．起始浸潤線首先是土體與基巖的接觸面，這與之前設置的初始水位線是一致的，下滲雨水在重力的作用下匯向坡腳，因此坡腳的土體最先飽和．隨著降雨歷時的延長，飽和區(qū)從土坡底部逐漸向上部發(fā)展，直至坡面土體全部飽和．

圖8為基巖接觸面斜坡段的土體孔隙水壓力隨時間的變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)在前720 s，孔隙水壓力向坡腳方向(x=0)先呈逐漸增大、然后減小的趨勢．在第840 s孔隙水壓力開始突然增大，坡體出現(xiàn)滑坡，孔隙水壓力突增是造成滑坡的主要原因，這與后面穩(wěn)定計算得到的在第900 s出現(xiàn)滑坡結果吻合．圖9為基巖接觸面斜坡段的水力梯度隨時間的變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)水力坡度在900 s時開始突增，與孔隙水壓力的突變時間一致，另外，水力梯度突變之前坡頂至坡腳各點的基本相同，突變后自坡頂向坡腳逐漸增大，這說明滑坡從坡腳位置開始破壞，與試驗結果基本一致．

圖7 滑坡土體邊界條件Fig．7 Landslide boundary conditions

圖8 基巖接觸面孔隙水壓力隨時間的變化Fig．8 Pore water pressure versus time

圖9 基巖接觸面土體水力梯度隨時間的變化Fig．9 Hydraulic gradient versus time

2．2 穩(wěn)定性數(shù)值模擬結果

穩(wěn)定性計算如圖10所示，得知降雨強度越大，滑坡啟動時間越短，安全系數(shù)降低幅度越大;降雨強度越小，滑坡啟動時間越長，安全系數(shù)降低幅度越?。畬⒉煌涤陱姸认碌脑囼灣晒蛿?shù)值計算結果對比分析，兩者降雨強度的滑坡啟動時間基本相似，隨著降雨強度的增大，滑坡發(fā)生時間越來越短，當降雨強度達到一定程度時，滑坡的啟動時間變化較小，如圖11所示．通過室內試驗和數(shù)值模擬計算得到，邊坡為30°時，土體在不同降雨強度作用下的滑坡啟動時間與降雨強度的關系，見式(3):

式中:t為滑坡啟動時間(min);q為降雨強度(mm·h－1)．

圖10 降雨強度對安全系數(shù)的影響Fig．10 Relationships between rainfall intensity and safety factor

圖11 滑坡啟動時間與降雨強度的關系Fig．11 Relationships between rainfall intensity and the started time of landslides

3 結論

1)建立了人工降雨滑坡控制系統(tǒng)，研究不同降雨強度對淺層基巖滑坡的影響．降雨強度大于土體滲透系數(shù)時，滑坡發(fā)生的時間較短，并在坡體表面形成徑流，產生坡面沖蝕和表層流滑．降雨強度小于土體滲透系數(shù)時，不易產生徑流，雨水滲入到坡腳，使坡腳破壞，進而演變?yōu)閴K體滑坡．

2)由數(shù)值模擬可知，對于降雨型滑坡，孔隙水壓力突增是造成滑坡的主要原因．降雨入滲過程中坡腳首先飽和，水力梯度突變后自坡頂向坡腳逐漸增大，邊坡從坡腳開始破壞．不同的降雨強度的情況下，降雨強度越大，滑坡啟動的時間越短，安全系數(shù)降低幅度越大．當邊坡為30°時，降雨強度和滑坡啟動時間的關系 t= －44．6 ln(q)+238．3．