坡面降雨和坡腳浸泡對土坡影響的模型試驗研究

王一冰，朱寶強，周 成，譚昌明，韓利彪

(1.四川大學 水利水電學院 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；2.四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司， 四川 成都 610041)

我國地質(zhì)地理條件復雜，氣候條件時空差異大，是突發(fā)性地質(zhì)災害(滑坡、崩塌、泥石流等)多發(fā)的國家。據(jù)突發(fā)性地質(zhì)災害的分類統(tǒng)計，我國90%的滑坡由大氣降雨直接誘發(fā)或與氣象因素相關(guān)。而第四系松散堆積層因其強度低等特點，易發(fā)生降雨型滑坡，如我國福建地區(qū)每年臺風暴雨季期間都會有大量的滑坡發(fā)生[1]。因此，研究降雨條件下土質(zhì)邊坡的變形破壞機理對防災減災具有重要的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外學者利用有限元方法廣泛開展了針對降雨邊坡的水土特性和變形破壞的研究[2-6]，得出了不同降雨模式下土坡的破壞特征。還有一些學者開展了一系列的土坡降雨模型試驗研究，利用較大尺寸的邊坡模型，陳宇龍等[7]試驗研究了堆積體土坡在降雨條件下滲流、變形和破壞的規(guī)律, 并引入聲發(fā)射作為預警的判據(jù)；Ram等[8]針對砂土邊坡的研究結(jié)果表明，降雨強度與滑動起始時間、初始滑移面位置之間存在一定的關(guān)系。利用小型土坡模型試驗，許旭堂等[9]以降雨時間、坡度和坡土密實度為變量，分析了雨水入滲對坡土變形和吸力的影響，揭示了降雨誘發(fā)土坡失穩(wěn)的破壞模式；Wu等[10]試驗證實了松散土坡中孔隙水壓力、含水率和邊坡裂隙對邊坡滑動失穩(wěn)產(chǎn)生很大影響。利用離心模型試驗，詹良通等[11]研究了降雨誘發(fā)粉土邊坡的失穩(wěn)模式，并獲得了降雨強度與邊坡失穩(wěn)時降雨歷時的關(guān)系數(shù)據(jù)；梁樹等[12]試驗揭示了降雨入滲對膨脹土邊坡的影響。

長時間降雨導致坡腳水位上升，坡腳在水的浸泡作用下崩解破壞，也將威脅邊坡穩(wěn)定。利用土坡模型試驗，江強強等[13]發(fā)現(xiàn)水位升降過程對邊坡滑動影響程度不同，滑坡的失穩(wěn)模式為牽引式滑坡；李子晗[14]分析了高水位長期浸泡作用下砂土堤防滲流場和水土壓力的變化特征。利用離心模型試驗，Zhang等[15]監(jiān)測并總結(jié)了邊坡的孔隙水壓力、土壓力、變形和演化特征；林葎等[16]發(fā)現(xiàn)水位變動條件下粉質(zhì)黏土邊坡的中下部首先形成局部破裂面，并逐步向上發(fā)展至坡頂形成完整滑裂面；苗發(fā)盛等[17]揭示了三峽岸坡水位變動條件下坡體位移和孔壓等的變化規(guī)律。

我國南方地區(qū)存在大量由無黏性土回填形成的土坡，土坡穩(wěn)定性與坡土抗剪強度關(guān)系緊密[18]，無黏性土的抗剪強度與降雨過程中土體含水率的變化有關(guān)，調(diào)查顯示，降雨是無黏性土邊坡最主要的觸發(fā)因素之一。因此，對無黏性土邊坡的水土特性和變形破壞規(guī)律的研究具有重要的理論意義和工程應用價值。另一方面，考慮到降雨后砂性土風干較快便于進行下一輪試驗和便于坡土位移PIV觀測(砂性土不粘槽壁)，因此本文試驗選用砂性土模擬無黏性土坡，進行降雨滑坡機理的模擬研究。

本文開展砂性土邊坡在降雨和坡腳浸泡條件下滑動破壞的框架式模型試驗，利用體積含水率傳感器測定了降雨條件下坡土不同深度和位置的含水率的變化特征，利用PIV技術(shù)揭示了邊坡漸進變形和破壞的發(fā)展過程，分析了變形場特征，并進一步研究了長時間降雨坡腳浸泡導致的破壞規(guī)律。

1 坡面降雨和坡腳浸泡模型試驗

采用模型試驗模擬原型降雨滑坡，需要解決試驗的相似率問題。其中幾何相似一般土工模型試驗容易滿足，但很難做到滿足應力相似，所以一般最好采用離心模型試驗。本文選用框架式模型試驗模擬降雨滑坡，和前人的土工模型試驗一樣，由于坡土較薄難以滿足應力相似，因此只能采取近似滿足應力水平(s=τ/τf)相似的做法，即采用人工降雨降低坡土的抗剪強度，從而使坡土的剪應力比上抗剪強度的值提高，研究土坡模型和原型相似的降雨破壞機理。

框架式模型試驗是指在框架模型槽內(nèi)用相似材料制作模型，在模型滿足主要邊界條件和幾何相似以及應力水平近似的情況下測量坡土的變形和降雨飽和特性等數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)揭示和闡明滑坡的發(fā)展機理。

1.1 坡面降雨模型試驗

坡面降雨模型試驗裝置由框架式模型槽、降雨系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分組成，如圖1所示。試驗模型槽長、寬、高分別為200 cm、50 cm、50 cm。槽側(cè)面安裝1 cm厚的有機玻璃板以便實時監(jiān)測邊坡變形情況，玻璃板內(nèi)側(cè)為打印有控制點的透明貼膜以便PIV系統(tǒng)確定控制點的精確坐標，槽底面鋪設6 cm厚的硬質(zhì)墊層以模擬基巖。由于滑坡概率隨著坡度的增加而升高，考慮到降雨條件下邊坡滑動的難易性，經(jīng)過多次嘗試，最終確定模型槽的坡度為20°，槽內(nèi)坡積土相對模型槽底板的夾角為30°。

降雨模擬系統(tǒng)采用噴頭式模擬系統(tǒng)，由噴頭、供水管線和流量計三部分組成。模型邊坡有效降雨面積約1 m2，流量計采用lzs-15型浮子流量計，可為試驗邊坡提供0～100 mm/ h的降雨強度。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由位移測量系統(tǒng)和體積含水率傳感器兩部分組成。位移數(shù)據(jù)由PIV系統(tǒng)測得，試驗過程中采用相機和計算機獲取實時位移圖像，利用GeoPIV程序處理滑坡圖像，分析邊坡土體位移場[19]。體積含水率傳感器采用美國Decagon公司的EC5小型土壤水分傳感器，該傳感器由探針和殼體兩部分組成，具有精度高、操作簡便、適用范圍廣泛、防水能力強和對周圍土體擾動小等優(yōu)點。傳感器埋設位置分別在坡腳下部10 cm(A點)、坡中上部10 cm(B點)、坡中下部20 cm(C點)和坡頂下部10 cm(D點)，如圖1所示。

圖1 坡面降雨模型試驗裝置圖

由于試驗中很難模擬真實氣象條件下的波動型降雨歷時過程，因此模型試驗中的降雨過程設計采用恒值的人工降雨強度，通過控制降雨歷時來設定降雨量。根據(jù)四川地區(qū)的經(jīng)驗，時降雨強度大于70 mm或日降雨強度超過200 mm時，滑坡災害發(fā)生的概率將會明顯增加。本文試驗選定降雨強度為100 mm/h，降雨類型為持續(xù)平穩(wěn)型降雨，試驗降雨共持續(xù)6 h。

1.2 坡腳浸泡試驗

為研究長時間降雨導致的坡腳浸泡問題，在坡面降雨模型試驗的基礎上，在模型槽右側(cè)底部增加一個水槽蓄水，以模擬坡腳浸泡工況。設計水槽底長、頂長、寬、高分別為90 cm、65 cm、50 cm、45 cm。為方便觀測和記錄坡土的變形，在坡土與玻璃接觸的表面位置注入條狀有色土進行位移標記，坡腳浸泡模型如圖3所示。考慮到坡腳浸泡工況下坡體底部無支撐，為保證邊坡模型的順利制作，槽內(nèi)坡積土相對模型槽底板的夾角為15°。隨后將模型槽坡度緩慢升至35°。

試驗過程中用直徑3 cm的塑料水管，以0.01 m3/ min的速度往水槽內(nèi)蓄水，蓄水過程一共15 min，在此過程中用照相機記錄坡土正面和側(cè)面的變化過程。

圖2 坡腳浸泡模型試驗裝置圖

1.3 試驗材料

為研究降雨條件下無黏性土邊坡的變形破壞特征，選取砂性土作為試驗用土，考慮到降雨條件下邊坡滑動的難易性，經(jīng)過多次嘗試，確定模型邊坡的填筑干密度控制為1.5 g/cm3，初始含水率控制為7%，其基本物理力學參數(shù)見表1。

表1 試驗用砂性土的基本參數(shù)指標

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 坡面降雨試驗結(jié)果與分析

(1) 坡土體積含水率隨降雨歷時的變化過程。將各測點的體積含水率隨降雨歷時的變化過程見圖3，從圖3可以看出，在降雨入滲的過程中，邊坡內(nèi)部各位置土體含水率都會出現(xiàn)不同程度的增長，最終達到一個穩(wěn)定狀態(tài)，據(jù)此可以將含水率變化過程大致分為三個階段：初始平穩(wěn)期、上升期和最終穩(wěn)定期。

圖3 體積含水率隨降雨歷時的變化曲線

初始平穩(wěn)期內(nèi)，由于雨水還未入滲到各測點，所以各測點的含水率基本保持不變，A、B、C、D四個測點的初始體積含水率大小依次為5.9%、6.9%、6.8%和6.6%。由于試驗砂土滲透系數(shù)較大，降雨初期雨水入滲速率非?？欤猿跏计椒€(wěn)期持續(xù)時間很短。

在上升期內(nèi)，埋深均為10 cm的坡腳A點、坡中上部B點和坡頂D點三個測點，由于埋深較淺，因此傳感器隨降雨響應的時間都相對較短。降雨4 min后，各測點附近土體含水率開始增加；降雨7 min后，坡頂D點附近土體體積含水率率先達到峰值，大小為25.1%，但土體并未飽和；降雨46 min后，坡腳A點附近土體最早達到飽和狀態(tài)，體積含水率大小為36.7%；降雨148 min后，坡中上部B點附近土體達到飽和狀態(tài)，體積含水率大小為32.5%。埋深為20 cm的坡中下部C點，由于埋深較深，因此傳感器隨降雨響應的時間相對較長。降雨13 min后，雨水才入滲到此處，隨后，該處附近土體含水率開始迅速增大；降雨58 min后，體積含水率達到峰值，大小為35.42%，土體達到飽和狀態(tài)。

在最終穩(wěn)定期內(nèi)，順坡向同一埋深為10 cm的三個測點，越靠近坡腳，含水率越大，例如坡腳A點、坡中上部B點、坡頂D點三個測點附近土體體積含水率大小依次為36.7%、32.5%和25.1%；在垂直坡面方向，邊坡下部土體含水率大于上部土體，例如坡中下部C點(埋深20 cm)和上部B點(埋深10 cm)兩個測點附近土體體積含水率大小依次為35.42%和32.5%。

(2) 邊坡漸進變形破壞過程。邊坡隨降雨歷時的破壞過程見圖4。降雨7 min后，坡頂D點附近土體含水率率先達到峰值為25.1%，隨后在降雨12 min后，坡頂后緣位置開始產(chǎn)生第一條裂縫；降雨31 min后，坡頂后緣位置開始產(chǎn)生第二條裂縫；降雨66 min后，坡頂已產(chǎn)生三條裂縫，該過程中坡土含水率一直保持穩(wěn)定值為25.1%。此后，受降雨持續(xù)入滲的影響，裂縫逐漸向下發(fā)展。從圖4(a)和圖4(b)可以看出，降雨2 h后，距坡肩約10 cm位置處的第三條裂縫的長度已達到10 cm，坡土開始沿著第三條裂縫緩慢向下滑動。降雨4 h后，坡土沿滑動面緩慢向下滑動，發(fā)生漸進滑移變形破壞，如圖4(c)和圖4(d)所示。

進一步利用PIV系統(tǒng)分析降雨過程中邊坡土體的位移場變化情況。由于PIV技術(shù)基于土體小變形假定，當降雨時間較長時，模型邊坡土體位移較大，將會導致兩張分析圖片之間相關(guān)性較差，此時分析出的位移矢量圖中亂點較多，誤差很大，不能反映邊坡土體的實際位移信息,因此利用PIV技術(shù)只分析了邊坡在降雨120 min以內(nèi)的坡土位移變形情況。

根據(jù)PIV系統(tǒng)處理得到的不同時刻邊坡土體位移矢量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在降雨10 min時，坡土整體的變形較小，最大位移出現(xiàn)在坡腳處，為13.96 mm；隨著降雨持續(xù)入滲，邊坡上部土體的位移矢量開始增大，表明該處土體的變形增加，同時土體位移矢量的方向為順坡面向下，表明坡土開始產(chǎn)生緩慢下滑；在降雨30 min時，邊坡上部土體產(chǎn)生的位移變形較大，最大位移量為32.67 mm；在降雨60 min時，最大位移量增至53.19 mm，位移方式以順坡向滑移為主；此后，隨著降雨繼續(xù)入滲，坡土不斷下滑，在降雨120 min時，坡土最大位移達到86.22 mm。進一步將坡土中位移較大的點連成一條曲線，發(fā)現(xiàn)該曲線與圖4(c)中試驗邊坡最終的滑動面形態(tài)基本相符。

在模型邊坡中上部距離坡肩10 cm位置處取一個特征斷面，利用PIV整理出該斷面上各網(wǎng)格的土體位移信息，將該斷面坡土順坡向位移和滑移速度沿邊坡土體深度的分布示于圖5。

圖4 邊坡漸進變形破壞過程

土坡的滑移破壞一般可以從土體的剪應力增加或抗剪強度降低兩個方面去分析其成因， 而降雨是影響二者的主要因素，降雨的入滲使得邊坡的滑移呈現(xiàn)出漸進變形的特點。針對土坡的漸進式變形破壞，往往是先形成一個剪切區(qū)，然后從此區(qū)發(fā)展?jié)u進地形成潛在的滑移面，在坡體漸進變形達到閾值時，坡體沿滑移面破壞，發(fā)生整體性滑動。據(jù)此將剪切區(qū)定義為剪切層，剪切層以上的整體滑動區(qū)定義為隨動層，剪切層以下的穩(wěn)定坡體定義為穩(wěn)定層。從圖5可以看出，降雨入滲初期，由于土體含水率變化較大，剪切層內(nèi)坡土滑移速率較高；隨著降雨持續(xù)入滲，由于坡土含水率不再發(fā)生明顯變化，降雨入滲達到穩(wěn)定狀態(tài)(見圖3)，剪切層內(nèi)坡土滑移速率也逐漸趨于恒定。另外在圖5(b)中，60 min曲線和其它曲線趨勢不一致，這是因為在降雨60 min后，隨著坡土含水率達到峰值，土體浸泡軟化，抗剪強度迅速降低，導致降雨60 min對應的特征斷面處坡土的順坡向滑移速度顯著提高，而后就逐漸趨于穩(wěn)定值了。

圖5 模型邊坡某特征斷面順坡向位移與滑移速度沿坡土深度分布曲線

根據(jù)位移和速度沿坡土深度方向的分布特征(見圖5)，將位移和速度值逐漸增大且漸趨收斂于一常數(shù)值的土層區(qū)域，約32 cm～39 cm厚，近似認為是隨動層[20]；將速度和位移值變化率最大的土層區(qū)域，約27 cm～32 cm厚，近似認為是剪切層；剪切層以下區(qū)域近似認為是穩(wěn)定層(0～27 cm)。

2.2 坡腳浸泡試驗結(jié)果與分析

坡腳不同時刻坡體形狀變化如圖6所示。從圖6可以看出，由于試驗模型尺寸較小，以及模型槽玻璃邊壁對土的吸附作用，隨著蓄水深度的增加，整個坡土沒有出現(xiàn)整體性的滑動，而是坡腳出現(xiàn)了土體被不斷軟化和間歇性崩塌的現(xiàn)象。

圖6 蓄水不同時刻坡腳破壞圖

為了對比坡腳在水的浸泡作用下的變化情況，將不同時刻坡腳的崩岸順序繪制到同一張圖形中，如圖7所示，圖中虛線部分代表不同蓄水時刻的坡腳輪廓線。

從圖7可以看出，在0～1 min、4 min～7 min和9 min～13 min時間段內(nèi)，隨著水位的增加，先對坡腳有較大的軟化和崩解，之后分別在2 min、8 min和15 min時刻依次發(fā)生崩塌。由此可知，在長時間降雨浸泡作用下，岸坡坡腳由于軟化和崩解效應，會出現(xiàn)坡腳土體被水流沖走的現(xiàn)象，進而引發(fā)整個坡體的滑動。

圖7 坡腳形態(tài)隨浸泡時間變化過程(單位：min)

3 結(jié) 論

通過對砂性土邊坡進行坡面降雨和坡腳浸泡模型試驗，可以得出以下結(jié)論：

(1) 降雨入滲過程中，坡土含水率的變化過程大致可以分為三個階段：初始平穩(wěn)期、上升期和最終穩(wěn)定期。隨著含水率的增大，邊坡最終發(fā)生漸進滑移變形破壞。

(2) 根據(jù)模型試驗土坡的漸進式變形破壞和沿坡土厚度的位移分布特征，可以將坡土由下至上大致分為三層：穩(wěn)定層、剪切層和隨動層。往往是先形成一個剪切區(qū)，在坡體漸進變形達到閾值時，坡體沿滑移面破壞，發(fā)生整體性滑動。剪切層以上的整體滑動區(qū)定義為隨動層，剪切層以下的穩(wěn)定坡體定義為穩(wěn)定層。

(3) 隨著坡腳水位的增加，岸坡坡腳由于軟化和崩解效應，會最終引發(fā)坡腳崩岸，出現(xiàn)坡腳土體被水流沖走的現(xiàn)象，進而破壞邊坡的整體穩(wěn)定性。