強(qiáng)降雨作用下花崗巖全風(fēng)化土坡致災(zāi)現(xiàn)場模型試驗(yàn)研究

譚建民， 伍寒浪， 王世梅*， 李高

(1.三峽大學(xué)三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 宜昌 443002； 2.中南地質(zhì)科技創(chuàng)新中心， 武漢 430205)

贛南地區(qū)地貌以丘陵、山地為主，地形起伏大，每年4—6月暴雨頻發(fā)時(shí)期，是該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育高峰[1-2]。當(dāng)?shù)鼐用穸嘌氐缆穬蓚?cè)切坡建房，在強(qiáng)降雨條件下極易發(fā)生滑坡，且多發(fā)生花崗巖全風(fēng)化層中，嚴(yán)重威脅居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，開展強(qiáng)降雨條件下花崗巖全風(fēng)化土坡的失穩(wěn)機(jī)制研究，對(duì)該地區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)工作具有重要的指導(dǎo)意義。

近年來，許多學(xué)者對(duì)降雨誘發(fā)滑坡災(zāi)害問題進(jìn)行了大量研究。有學(xué)者從數(shù)值計(jì)算方面入手，王一兆等[3]為得到淺層邊坡穩(wěn)定性的變動(dòng)規(guī)律，對(duì)滑動(dòng)面的孔隙水壓力及滲透系數(shù)進(jìn)行了分析；張新偉等[4]提出了一種降雨入滲概化模型，通過數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)的優(yōu)化對(duì)比，對(duì)王家臺(tái)滑坡進(jìn)行了巖土參數(shù)反演分析；杜忠原等[5]以山西某礦區(qū)邊坡為研究對(duì)象，進(jìn)行滲流與應(yīng)力數(shù)值耦合，分析了不同降雨強(qiáng)度下雨水入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。也有學(xué)者通過可靠性理論分析來探究。蔣水華等[6]考慮了降雨入滲與土體多參數(shù)空間變異性作用下的邊坡失穩(wěn)機(jī)理，對(duì)不同降雨歷時(shí)下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了可靠度分析；覃小華等[7]通過建立基巖型層狀邊坡可靠度計(jì)算模型,分析了飽和滲透系數(shù)變異系數(shù)及降雨強(qiáng)度對(duì)滑坡失穩(wěn)破壞概率及安全系數(shù)均值的影響；Jeon等[8]提出了一種概率方法，對(duì)風(fēng)化巖土進(jìn)行非飽和邊坡穩(wěn)定性分析。還有學(xué)者通過模型試驗(yàn)揭示降雨誘發(fā)滑坡機(jī)理，劉廣寧等[9]開展降雨作用下的滑坡模型試驗(yàn)，得到華南強(qiáng)風(fēng)化區(qū)域降雨型滑坡的降雨特點(diǎn)及致災(zāi)機(jī)理；甘建軍等[10]對(duì)不同坡角的軟弱夾層堆積體進(jìn)行了降雨物理模型試驗(yàn)，以揭示降雨入滲對(duì)該類邊坡穩(wěn)定性的影響；范秋雁等[11]通過室內(nèi)邊坡模型試驗(yàn)，研究了膨脹巖邊坡在連續(xù)降雨和濕-干循環(huán)模式下的變形和水分入滲特性。但室內(nèi)滑坡模型試驗(yàn)需要以相似理論對(duì)原型滑坡進(jìn)行概化縮尺[12]，存在尺寸效應(yīng)、材料重塑等局限之處，難以還原實(shí)際的現(xiàn)場情況，因此，采用現(xiàn)場滑坡模型試驗(yàn)是更為可靠的手段。

目前，對(duì)于降雨條件下花崗巖全風(fēng)化土坡的致災(zāi)問題，總體研究仍是以數(shù)值模擬和室內(nèi)模型試驗(yàn)手段為主[13-16]，然而，針對(duì)花崗巖全風(fēng)化土坡的現(xiàn)場試驗(yàn)研究較少。為此，基于贛南地區(qū)降雨誘發(fā)人工切坡破壞致災(zāi)問題的嚴(yán)峻性，選取該地區(qū)一處花崗巖全風(fēng)化人工切坡，布設(shè)降雨裝置及監(jiān)測儀器，開展了現(xiàn)場的人工降雨試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)邊坡的破壞過程及孔隙水壓力、含水量等隨降雨的變化規(guī)律進(jìn)行分析，探討強(qiáng)降雨作用下花崗巖風(fēng)化土坡的失穩(wěn)機(jī)制和破壞模式，為贛南地區(qū)切坡建房和滑坡致災(zāi)問題提供參考。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)邊坡概況

試驗(yàn)邊坡為新開挖人工切坡，位于贛州市興國縣鼎龍鄉(xiāng)杞下村土牛下組，其坡高約4 m，寬約2.5 m，坡長約5.3 m，坡度約55°，巖性為粗粒斑狀黑云二長花崗巖全風(fēng)化土。其參數(shù)指標(biāo)如表1所示，土的顆粒級(jí)配曲線及土水特征曲線如圖1所示。

表1 土的基本物理力學(xué)參數(shù)

圖1 土的顆粒級(jí)配曲線及土水特征曲線Fig.1 Soil particle gradation curve and soil-water characteristic curve

1.2 降雨及監(jiān)測裝置

根據(jù)現(xiàn)場邊坡的實(shí)際情況進(jìn)行了降雨裝置的設(shè)計(jì)。該降雨裝置包括有支架、雨水輸送管道和噴頭組成的雨水發(fā)生主體，以及開關(guān)閥門、水泵、流速儀、雨量筒等組成的控制和統(tǒng)計(jì)雨強(qiáng)的部分。噴頭布設(shè)的高度和間距經(jīng)過多次測試后，確定高度設(shè)為1.7 m，間距0.5 m，確保降雨的均勻性。降雨量的量測通過流量表及放置在平臺(tái)的雨量筒實(shí)現(xiàn)，確保雨強(qiáng)符合降雨方案要求。降雨試驗(yàn)如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場降雨試驗(yàn)圖Fig.2 Field rainfall test diagram

監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、高清攝像機(jī)組成。所用傳感器由ECH20-5體積含水率傳感器、MPS-2107-006GC-I2孔隙水壓力傳感器、KS20位移傳感器組成，其中含水率及孔隙水壓力傳感器布設(shè)在平臺(tái)的1#監(jiān)測孔中，其埋設(shè)深度分別為0.5、1.0、2.0 m；位移傳感器布設(shè)在平臺(tái)表面2#監(jiān)測點(diǎn)上。斜坡尺寸及傳感器埋設(shè)如圖3所示。數(shù)據(jù)采集通過STC-ISP單片機(jī)連接傳感器實(shí)現(xiàn)。高清攝像機(jī)分別布設(shè)在坡頂平臺(tái)處及切坡正面，可實(shí)時(shí)觀測坡體變形情況。

圖3 傳感器平面、剖面布置圖Fig.3 Sensor layout and section layout

1.3 降雨試驗(yàn)方案

根據(jù)贛南地區(qū)歷年降雨量等級(jí)，設(shè)計(jì)了大雨(2.5 mm/h，每天16 h，共計(jì)40 mm/d。)、暴雨(5 mm/h，每天16 h，共計(jì)80 mm/d。)、大暴雨(7.5 mm/h，每天16 h，共計(jì)120 mm/d。)3種人工降雨雨型，按強(qiáng)度將降雨由小到大施加于邊坡上，每種降雨過程持續(xù)3 d，持續(xù)監(jiān)測不同深度處的含水率、孔隙水壓力及地表位移，每隔一分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。降雨結(jié)束后，再連續(xù)性監(jiān)測一段時(shí)間，直至上述測量數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定，進(jìn)行下一級(jí)降雨的模擬試驗(yàn)。降雨試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 降雨試驗(yàn)方案Table 2 Rainfall test scheme

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 含水率與降雨的響應(yīng)關(guān)系

測孔內(nèi)各深度土體含水率隨降雨過程變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，各深度的含水率都有不同幅度的變化，具體表現(xiàn)為埋深越大，增大幅度越??；降雨發(fā)生和停止的過程中，含水率隨之增大和減小，響應(yīng)較為明顯。也存在含水率的增加發(fā)生在降雨持續(xù)一段時(shí)間之后或單次降雨發(fā)生后，即存在一定滯后現(xiàn)象，滯后原因與監(jiān)測點(diǎn)的深度及雨水入滲速率有關(guān)。

工況1(40 mm/d雨強(qiáng))時(shí)，受日照和強(qiáng)風(fēng)的蒸發(fā)作用，0.5 m處的含水率波動(dòng)幅度明顯，1.0 m處含水率在降雨開始后25 h內(nèi)，從約7%增大到約25%，2.0 m處含水率保持在約9%，無明顯增幅。表明該降雨強(qiáng)度下，降雨入滲的影響范圍主要在1.0 m內(nèi)，雨水難以入滲到2.0 m處。

圖4 各深度土體含水率隨降雨過程變化曲線Fig.4 Variation curve of soil moisture content at different depths with rainfall process

工況2(80 mm/d雨強(qiáng))時(shí)，各深度含水率相對(duì)于工況1有明顯的增加，且淺層0.5 m處很快達(dá)到或接近花崗巖風(fēng)化土體的飽和含水率，1.0 m及2.0 m處含水率略有增大。表明該降雨強(qiáng)度下，降雨入滲的影響范圍已達(dá)到2.0 m處。

工況3(120 mm/d雨強(qiáng))時(shí)，1.0 m處和2.0 m處含水率最后均已基本達(dá)到飽和狀態(tài)，表明長期強(qiáng)降雨作用下，土體飽和范圍已達(dá)近2.0 m深度。其原因在于：一是坡體在前期降雨作用下，含水率本就有提高，再疊加持續(xù)增大的降雨強(qiáng)度，雨水入滲量遠(yuǎn)大于沿坡表擴(kuò)散及蒸發(fā)引起的水分損失量，雨水集聚于土體內(nèi)，使大范圍土體飽和程度快速提高；二是隨著坡體的持續(xù)垮塌及變形范圍的不斷加大，坡體上部平臺(tái)出現(xiàn)多處拉張裂縫，形成滲流優(yōu)勢通道，更有利于雨水的入滲，增大自表及里土體的含水率。

2.2 孔隙水壓力與降雨的響應(yīng)關(guān)系

測孔內(nèi)2.0 m深度處的孔隙水壓力傳感器因損壞未能測得數(shù)據(jù)，其0.5 m和1.0 m處的孔隙水壓力隨降雨過程變化曲線如圖5所示。

圖5 土體孔隙水壓力隨降雨過程變化曲線Fig.5 Variation curve of soil pore water pressure with rainfall process

由圖5可知，0.5 m深度的孔隙水壓力在工況1(40 mm/d雨強(qiáng))和工況2(80 mm/d雨強(qiáng))下保持在0～1 kPa波動(dòng)，1.0 m深度的孔隙水壓力在工況1的雨強(qiáng)下從-3.7 kPa波動(dòng)增加到-2.5 kPa，在工況2期間一直保持在-2.5 kPa；工況3，雨強(qiáng)增大為120 mm/d時(shí)，降雨145～165 h這段時(shí)間，0.5 m深度和1.0 m深度的孔隙水壓力明顯上升，達(dá)到3 kPa。從整個(gè)降雨過程來看，可以發(fā)現(xiàn)，測點(diǎn)處孔隙水壓力隨深度的增大而減小，整體上呈增大趨勢，且各深度的孔隙水壓力差距在逐步減小。其原因?yàn)椋河晁杀砑袄锶霛B，所以淺層處的孔隙水壓力始終高于深層處的孔隙水壓力，隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行及雨強(qiáng)的增大，0.5 m處的土體逐漸趨于飽和，1.0 m處土體的含水量繼續(xù)增加，因而兩深度的孔隙水壓力差距逐步減小。

2.3 位移隨降雨演化過程

2#測點(diǎn)位移隨降雨演化過程如圖6所示。

圖6 位移隨降雨過程變化曲線Fig.6 Variation curve of displacement with rainfall process

由圖6可知，工況1，在40 mm/d的降雨作用下，邊坡共發(fā)生5次微小的階梯狀位移。降雨開始后雨水入滲，邊坡很快就發(fā)生微小變形，說明局部處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，但在每次變形發(fā)生、滑動(dòng)能量得到釋放后，邊坡變形就會(huì)放緩一段時(shí)間。持續(xù)監(jiān)測60 h最終累積位移量約70 mm。變形啟動(dòng)的時(shí)間與降雨發(fā)生的時(shí)間較為吻合，其中第4次變形滯后較多，發(fā)生在停雨期間，主要原因如前文所述，贛南地區(qū)夏季酷日和強(qiáng)風(fēng)的蒸發(fā)作用對(duì)淺層坡體含水率影響明顯，導(dǎo)致雨水入滲量不僅僅由降雨一個(gè)因素控制，導(dǎo)致雨水入滲較少時(shí)邊坡變形不顯著，隨著雨水的不斷入滲積累，邊坡位移速度加快。出現(xiàn)變形的主要原因有：一是為雨水入滲導(dǎo)致土體的自重增大、強(qiáng)度降低；二是為坡面徑流對(duì)土體的沖刷作用使得坡面局部土體發(fā)生局部變形直至垮塌現(xiàn)象，牽引后緣土體。

工況2，在80 mm/d的降雨作用下，邊坡共發(fā)生2次微小的位移，總位移量約27 mm，位移發(fā)生與降雨有關(guān)，但具體變形時(shí)刻與降雨發(fā)生時(shí)間并非一定完全吻合(如第二次變形發(fā)生在停雨期間)，說明邊坡變形是降雨對(duì)土體自重、強(qiáng)度、穩(wěn)定性的綜合反饋結(jié)果。

工況3，在120 mm/d的降雨強(qiáng)度下，邊坡發(fā)生了1次較明顯的位移，最大位移量達(dá)到650 mm；發(fā)生劇烈位移的時(shí)間為累積降雨165 h。邊坡位移對(duì)強(qiáng)降雨入滲響應(yīng)過程總共分為兩個(gè)階段：降雨開始后雨水入滲，土體含水率持續(xù)增大、強(qiáng)度降低，進(jìn)而產(chǎn)生變形，但邊坡的位移變化僅在10 mm量級(jí)；由于坡體裂縫的產(chǎn)生與加深，滲流優(yōu)勢通道逐漸形成，使雨水能快速進(jìn)入坡體內(nèi)部，軟化深層土體，最后整個(gè)坡體發(fā)生大范圍垮塌，包括測點(diǎn)位置在內(nèi)的土體大距離移動(dòng)，位移數(shù)值出現(xiàn)急劇增加。

2.4 邊坡變形破壞過程及破壞模式分析

邊坡變形破壞過程同降雨過程對(duì)應(yīng)，分為3個(gè)階段。①階段一：在降雨作用下，觀測到邊坡右側(cè)局部由明顯的崩塌和滑動(dòng)，主要發(fā)生在坡面局部或松散位置，且隨著降雨量的增大，垮塌范圍逐漸擴(kuò)大；②階段二：邊坡右側(cè)垮塌范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，由中下部向上延伸至右側(cè)頂部，且坡面多處出現(xiàn)小孔洞，坡底有積水，變形和垮塌的趨勢有向邊坡中部移動(dòng)的趨勢；③階段三：前期右側(cè)垮塌誘發(fā)坡體平臺(tái)出現(xiàn)的小裂縫逐級(jí)發(fā)展為貫通的裂縫，雨水入滲速率加快后，隨著土體內(nèi)部逐漸飽和，裂縫周圍土體逐漸軟化，最終發(fā)生整個(gè)坡體的大范圍垮塌。綜上所述，降雨條件下花崗巖風(fēng)化土質(zhì)邊坡的破壞模式可總結(jié)為“先局部坡面滑塌，隨后出現(xiàn)裂縫，最后整體大范圍垮塌”。各階段直觀變形跡象如圖7～圖9所示。

圖7 階段一降雨作用下花崗巖風(fēng)化土坡右下側(cè) 局部淺層垮塌Fig.7 Local shallow collapse of granite weathered soil slope at the lower right side under stage I rainfall

圖8 階段二降雨作用下花崗巖風(fēng)化土坡右側(cè)垮塌 范圍增大Fig.8 The collapse area of the right side of the granite weathered slope increases under stage two rainfall

圖9 階段三降雨作用下花崗巖風(fēng)化土坡頂部裂縫 貫穿直至整體垮塌Fig.9 The top of granite weathered soil slope runs through cracks until the whole collapse under stage three rainfall

3 討論

上述試驗(yàn)過程中，表現(xiàn)出強(qiáng)降雨作用下花崗巖全風(fēng)化土體的破壞過程是漸進(jìn)發(fā)展的，主要原因在于：一是降雨對(duì)花崗巖風(fēng)化土體的軟化作用明顯，研究區(qū)的花崗巖全風(fēng)化土體屬于粉土質(zhì)砂，黏聚力小，干濕循環(huán)后的風(fēng)化土體強(qiáng)度會(huì)明顯降低[17]，這也是風(fēng)化土坡局部失穩(wěn)坍塌的主要原因；二是與花崗巖全風(fēng)化土體的滲透特性相關(guān)。采用Fredlund等[18]估算方法，以表1中土體的飽和滲透系數(shù)及圖1(b)中的土水特征曲線估算得到土體非飽和滲透系數(shù)變化曲線如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)土體非飽和滲透系數(shù)曲線Fig.10 Unsaturated permeability coefficient curve of test soil

試驗(yàn)過程中，淺層土體(1#測孔1.0 m孔隙水壓力傳感器)的孔隙水壓力有4次較為明顯的增大過程，第1次在降雨歷時(shí)0～25 h，孔隙水壓力從-3.7 kPa增大到-3 kPa，對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)從0.08 m/d增為0.1 m/d；第2次在降雨歷時(shí)43～60 h，孔隙水壓力從-3 kPa增大到-2.5 kPa，對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)從0.1 m/d增為0.14 m/d；第3次在降雨歷時(shí)115～165 h，孔隙水壓力從-2.5 kPa增大到-1.5 kPa，對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)從0.14 m/d增為0.17 m/d，土體滲透系數(shù)已達(dá)飽和滲透系數(shù)；第4次在降雨歷時(shí)165～168 h，孔隙水壓力從-1.5 kPa增大到2 kPa，期間土體滲透系數(shù)保持為0.17 m/d的飽和滲透系數(shù)。從整個(gè)過程來看，由于孔隙水壓力增大，即土體基質(zhì)吸力減小，導(dǎo)致土體非飽和滲透系數(shù)增大，加快了降雨入滲進(jìn)程，表現(xiàn)為含水率和孔隙水壓力的幾次陡增過程。以下進(jìn)一步討論含水率、孔隙水壓力與位移的響應(yīng)關(guān)系。

位移對(duì)含水率的響應(yīng)關(guān)系如圖11所示，在降雨歷時(shí)0～25 h期間，2.0 m深度的含水率在9%，而1.0 m深度的含水率從7%左右增大到25%，0.5 m深度的含水率則在15%～25%大幅波動(dòng)(波動(dòng)原因見2.1節(jié))，同時(shí)段坡體發(fā)生有50 mm的位移變形；在降雨歷時(shí)25～140 h期間，各深度的含水率都有所增加，尤其是0.5 m深度的含水率增幅明顯，此時(shí)坡體位移變形緩慢增大至約100 mm；在降雨歷時(shí)140～165 h，各深度的含水率在一段時(shí)間波動(dòng)后陡然增大，這段時(shí)間，位移也陡然增大至750 mm，坡體完全垮塌，響應(yīng)關(guān)系明顯。在圖12位移與孔隙水壓力關(guān)系變化中，以上3個(gè)時(shí)段，位移的增大總伴隨著孔隙水壓力的增大，有著較好的響應(yīng)關(guān)系，尤其是140～165 h這段時(shí)間，孔隙水壓力與位移的響應(yīng)十分明顯，兩者都有一個(gè)陡然增大的表現(xiàn)。由此可見，含水率及孔隙水壓力變化與坡體變形存在明顯的相關(guān)性，含水率和孔隙水壓力的波動(dòng)陡增可作為邊坡變形破壞的判據(jù)。

虛線所圈區(qū)域表示位移與含水率有明顯響應(yīng)圖11 位移與含水率關(guān)系變化曲線Fig.11 Variation curve of relationship between displacement and water content

虛線所圈區(qū)域表示位移與孔隙水壓力有明顯響應(yīng)圖12 位移與孔隙水壓力關(guān)系變化曲線Fig.12 Variation curve of displacement and pore water pressure

4 結(jié)論

通過以上研究，得出如下主要結(jié)論。

(1)對(duì)于強(qiáng)降雨作用下的花崗巖全風(fēng)化土坡，其含水率在降雨期間會(huì)持續(xù)增大，且土體深度越大，含水率增大幅度越??；孔隙水壓力同樣在降雨期間會(huì)持續(xù)增大。整體上，土體含水率和孔隙水壓力對(duì)降雨過程有著較為明顯的響應(yīng)。

(2)含水率和孔隙水壓力的變化與坡體變形存在明顯的相關(guān)性，其波動(dòng)陡增可作為花崗巖全風(fēng)化土坡變形破壞的主要判斷標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。

(3)降雨入滲致使土體基質(zhì)吸力減小，從而強(qiáng)度降低是花崗巖全風(fēng)化土坡變形的主要原因，強(qiáng)降雨沖刷坡表帶走土體且雨水充滿裂縫產(chǎn)生水壓力會(huì)加劇邊坡變形，進(jìn)一步惡化邊坡穩(wěn)定性。

(4)強(qiáng)降雨作用下花崗巖風(fēng)化土質(zhì)邊坡的破壞模式可總結(jié)為：先局部坡面滑塌，隨后出現(xiàn)裂縫，最后整體大范圍垮塌。