預(yù)設(shè)節(jié)理?xiàng)l件下降雨型黃土滑坡模型試驗(yàn)研究*

孟振江 張 凡 彭建兵③ 康塵云 馬鵬輝③ 李 超曹一迪 張 森

(①長(zhǎng)安大學(xué)，地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710054，中國(guó))(②長(zhǎng)安大學(xué)，基建處，西安 710064，中國(guó))(③西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054，中國(guó))(④陜西鐵道工程勘查有限公司，西安 710004，中國(guó))

0 引 言

黃土高原是世界上發(fā)育面積最大的黃土地層，面積約31.7萬(wàn)平方公里，而我國(guó)每年約有30%的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在黃土高原地區(qū)，尤其是黃土滑坡災(zāi)害頻發(fā)(孫萍萍等，2019；Meng et al.，2021)。影響黃土滑坡發(fā)生的因素有很多，比如黃土的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地震、降雨和人為活動(dòng)等，其中降雨是滑坡發(fā)生的重要因素(林鴻州等，2009；同霄等，2016)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)發(fā)生的大型災(zāi)難性滑坡中，50%都是由強(qiáng)降雨引發(fā)的(Au，1998)，此類滑坡具有突發(fā)性、廣泛分布性、危害大等特點(diǎn)。如1984年8月，隴南、天水因大暴雨，共誘發(fā)了938處黃土滑坡，造成了嚴(yán)重的人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失(王念秦，2004)；云南省東川市蔣家溝每年都會(huì)因?yàn)榻涤臧l(fā)生大量的滑坡和崩塌，給當(dāng)?shù)鼐用竦呢?cái)產(chǎn)和生活帶來(lái)巨大的破壞(Hu et al.，2011)。2020年7月21日，中國(guó)恩施馬者村在經(jīng)歷極端強(qiáng)降雨后發(fā)生了災(zāi)難性滑坡(Xue et al.，2021)。龍萬(wàn)學(xué)等(2008)按觸發(fā)因素將滑坡分為降雨型滑坡、工程滑坡和地震滑坡，其中降雨型滑坡是指主要誘發(fā)因素為降雨的滑坡。降雨型滑坡失穩(wěn)的問(wèn)題一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)，主要研究手段集中在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)(Zhou et al.，2002；高華喜等，2007；陳喬等，2018；白潔等，2020；肖捷夫等，2020；Kumar Thakur et al.，2020)。謝守益等(1999)對(duì)降雨型滑坡的發(fā)生機(jī)制進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明降雨型滑坡存在暴雨誘發(fā)和久雨誘發(fā)兩種情況，并受滑坡物質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)條件控制。目前，利用物理模型試驗(yàn)對(duì)滑坡的變形演化過(guò)程、破壞特征等進(jìn)行研究，在巖土工程問(wèn)題研究中越來(lái)越被重視(王琳等，2020)。詹良通等(2014)通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)揭示了降雨誘發(fā)粉土邊坡的失穩(wěn)模式是由坡腳局部失穩(wěn)向整體發(fā)展，并指出該類滑坡的防治關(guān)鍵是坡腳的防護(hù)。鐘佩文等(2018)、葉萬(wàn)軍等(2021)和馬蓓青等(2021)都采用物理模型手段對(duì)持續(xù)降雨條件下黃土邊坡的入滲規(guī)律進(jìn)行了研究，并得出長(zhǎng)期降雨會(huì)使邊坡穩(wěn)定性持續(xù)降低等結(jié)論?；糁緷?2022)通過(guò)多手段結(jié)合分析研究表明含水率的速率變化是降雨型滑坡失穩(wěn)的關(guān)鍵指標(biāo)，含水率增速達(dá)到峰值時(shí)邊坡失穩(wěn)，并且強(qiáng)降雨也是影響降雨型邊坡失穩(wěn)的一個(gè)重要因素。

然而，相關(guān)研究表明黃土中垂直節(jié)理的存在是導(dǎo)致降雨型黃土滑坡發(fā)生的重要因素，節(jié)理是由于邊坡變形造成應(yīng)力集中形成的，也是邊坡淺層侵蝕的主要原因。雷祥義等(1991)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)水分會(huì)沿黃土中的裂隙運(yùn)移至古土壤，從而在層面處形成層間軟弱帶；連寶琴等(2015)通過(guò)使用Dips軟件繪制節(jié)理散點(diǎn)圖，得出垂直節(jié)理更易在降雨作用下加劇黃土滑坡形成的結(jié)論；張風(fēng)亮等(2019)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，研究了黃土垂直節(jié)理對(duì)滲透性的影響，發(fā)現(xiàn)節(jié)理對(duì)土的滲透性的影響隨著節(jié)理的擴(kuò)張逐漸增大；王麗麗等(2021)使用室內(nèi)試驗(yàn)和有限元數(shù)值分析手段進(jìn)行研究，結(jié)果表明節(jié)理的長(zhǎng)度對(duì)邊坡失穩(wěn)具有重要影響，垂直節(jié)理邊坡的失穩(wěn)以沿節(jié)理面的拉張為主。

綜上可見(jiàn)，以往有關(guān)學(xué)者開(kāi)展的滑坡模型試驗(yàn)研究主要集中在對(duì)前期降雨的靜態(tài)觀測(cè)、對(duì)滑坡體的動(dòng)力學(xué)歸納以及對(duì)滑坡機(jī)理的宏觀定性分析等方面(劉傳成，2014)，而且大多室內(nèi)模型試驗(yàn)因?yàn)槭芸臻g等條件限制一般尺寸較小，與原型滑坡差距較大，很難真實(shí)反映斜坡內(nèi)部的微觀變化，此外，對(duì)于降雨條件下邊坡的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和內(nèi)部裂隙的擴(kuò)張等方面也缺乏專門(mén)的、更為細(xì)致的研究，尤其是針對(duì)存在黃土節(jié)理?xiàng)l件下開(kāi)展的較為系統(tǒng)全面的滑坡模型試驗(yàn)研究則相對(duì)更少。鑒于此，本文重點(diǎn)圍繞黃土滑坡研究中的薄弱環(huán)節(jié)，以2011年9月17日發(fā)生的西安灞橋滑坡為研究原型，在新建成的、儀器相對(duì)完備的、且集人工降雨、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集為一體的大型物理模擬試驗(yàn)平臺(tái)上開(kāi)展預(yù)設(shè)節(jié)理降雨誘發(fā)黃土滑坡的物理模型試驗(yàn)，通過(guò)分析邊坡內(nèi)部物理場(chǎng)、位移場(chǎng)、壓力場(chǎng)、含水率和節(jié)理擴(kuò)張等指標(biāo)的變化特征和水在坡體內(nèi)部的運(yùn)移規(guī)律，闡明了降雨過(guò)程中節(jié)理對(duì)黃土滑坡的影響作用，并進(jìn)一步揭示了降雨型滑坡發(fā)生的內(nèi)在機(jī)制。研究可為黃土滑坡的成因機(jī)理和防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)的試驗(yàn)依據(jù)。

1 原型滑坡基本特征

1.1 滑坡概況

灞橋滑坡坡體上部地層主要是由第四系馬蘭黃土層夾多層古土壤組成，結(jié)構(gòu)疏松，節(jié)理裂隙發(fā)育，古土壤入滲率低于黃土，是區(qū)內(nèi)的隔水層。黃土層下伏新近系砂質(zhì)泥巖、紅黏土等，親水性強(qiáng)透水性差，頂面易發(fā)展成滑面。災(zāi)害點(diǎn)所處的白鹿塬邊坡因長(zhǎng)期開(kāi)挖坡腳取土形成了整體坡腳約為60°的高陡斜坡(圖1a)，該區(qū)域自2011年9月3日開(kāi)始持續(xù)降雨，累計(jì)降雨量達(dá)276mm，于9月17日發(fā)生滑坡，坡體寬度約170m，平均高90m，測(cè)算滑體平均堆積厚度為12m，滑距超150m，該處先后發(fā)生了3次規(guī)模不一的滑坡，累積總方量約15×104￣￣m3(圖1b)。

圖1 灞橋滑坡滑動(dòng)范圍Fig.1 Sliding range map of Baqiao Landslidea.2009年8月12日影像;b.2012年6月6日影像

圖2 平硐揭示的黃土節(jié)理發(fā)育特征Fig.2 Characteristics of loess joint development revealed by Pingdonga.平硐口；b.垂直節(jié)理；c.共軛節(jié)理；d.填充物

1.2 研究區(qū)節(jié)理發(fā)育特征

為進(jìn)一步研究灞橋滑坡發(fā)生的內(nèi)在原因，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，我們?cè)诨挛鞅眰?cè)距離坡頂20m處的邊坡位置，選取在黃土層與古土壤層之間開(kāi)挖了平硐，平硐延伸方向垂直于滑坡方向，頂部為環(huán)形，長(zhǎng)40m，高1.8m，寬1.5m(圖2a)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，在平硐入口3m處，發(fā)現(xiàn)了張開(kāi)量約為0.5cm的垂直節(jié)理(圖2b)，在平硐入口18m處又觀測(cè)到一組走向150°、傾角近垂直的共軛節(jié)理，中間寬度為2～4cm的黃土填充物，且節(jié)理走向與滑坡滑動(dòng)方向近乎垂直(圖2c、圖2d)。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，滑坡發(fā)生后，后壁黃土和古土壤地層界限明顯，節(jié)理裂隙清晰可見(jiàn)，在邊坡卸荷及應(yīng)力重分布作用下，坡頂又出現(xiàn)圈椅狀拉張裂縫，該裂縫距離坡頂邊緣1.8m，平均張開(kāi)寬度約0.3m(圖3)。黃土地層厚度較大，滲透性也大于古土壤。邊坡內(nèi)部的原生垂直節(jié)理在坡頂拉張裂縫受雨水沖刷侵蝕及邊坡內(nèi)部剪應(yīng)力作用下持續(xù)擴(kuò)張并不斷向四周延伸，同時(shí)作為滲流通道的節(jié)理裂隙的存在也加速了雨水在邊坡內(nèi)部的入滲與運(yùn)移。

圖3 邊坡后緣拉張裂縫Fig.3 Tension cracks on trailing edge of slope

圖4 模型邊坡概化示意圖(據(jù)康塵云，2020)Fig.4 Model generalization diagram(Kang, 2020)a.原型滑坡剖面圖；b.試驗(yàn)?zāi)Ｐ推拭鎴D

2 試驗(yàn)方案

2.1 模型邊坡概化

以模型試驗(yàn)相似理論為基礎(chǔ)，結(jié)合本次試驗(yàn)?zāi)康暮涂臻g條件，對(duì)滑坡原型地質(zhì)環(huán)境條件進(jìn)行了有側(cè)重點(diǎn)的概化，包括工程地質(zhì)條件以及降雨條件等。根據(jù)對(duì)灞橋滑坡現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪，滑坡高度為90m，坡度約為60°，研究區(qū)原型邊坡地層結(jié)構(gòu)屬于多層黃土與古土壤互層，較為典型(圖4a)?；诨伦冃螀^(qū)范圍及室內(nèi)試驗(yàn)平臺(tái)幾何條件，綜合確定模型的相似比為Ci=30，即高為3m，同時(shí)填筑模型土層時(shí)，在埋深0.5m和1.5m處分別鋪設(shè)厚度為0.2m的古土壤層(圖4b)。

2.2 相似材料

本次模型試驗(yàn)所用的材料主要為黃土和古土壤，為了保證試驗(yàn)結(jié)果盡可能真實(shí)可靠，原材料均在原型滑坡發(fā)生區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)取樣，經(jīng)測(cè)定，土體物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表 1、表 2。另外，為解決在重塑松散土體中難以模擬原生節(jié)理的問(wèn)題，試驗(yàn)采用具有一定厚度的高滲透率的砂層來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)理導(dǎo)水的特性，取自原型滑坡附近區(qū)域，相關(guān)物理參數(shù)和密實(shí)度結(jié)合試驗(yàn)黃土和古土壤指標(biāo)測(cè)定，試驗(yàn)用砂量約3m3。

表 1 黃土物理力學(xué)性質(zhì)Table1 Physical and mechanical properties of loess

2.3 模型試驗(yàn)系統(tǒng)

本次模型試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)裝置平臺(tái)主要包括模型箱、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和降雨系統(tǒng)(圖5、圖6)。

(1)模型箱：模型箱長(zhǎng)6m、寬3.7m、高5m，整體為鋼框架結(jié)構(gòu)，側(cè)壁為鋼化玻璃，以便在試驗(yàn)過(guò)程中方便肉眼觀測(cè)。

圖5 模型箱示意圖Fig.5 Model box schematic

圖6 模型試驗(yàn)平臺(tái)Fig.6 Model test platform

(2)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括高精度傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和影像系統(tǒng)，設(shè)有土壓力盒、水分計(jì)、孔壓計(jì)、測(cè)縫計(jì)和三維激光掃描儀。通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)掌握邊坡內(nèi)部各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)的變化，同時(shí)配備高清照相機(jī)和攝像機(jī)記錄斜坡的形態(tài)變化，使用三維激光掃描儀在不同階段對(duì)坡面形態(tài)進(jìn)行數(shù)字建模來(lái)確定坡面破壞的區(qū)域差異。

(3)降雨系統(tǒng)：降雨系統(tǒng)由人工降雨自控系統(tǒng)、降雨管路、蓄水箱和排水沉淀池組成。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康目赏ㄟ^(guò)操作系統(tǒng)控制雨速，實(shí)現(xiàn)模擬大雨、中雨和小雨等雨強(qiáng)工況。

2.4 模型制作過(guò)程與試驗(yàn)步驟

①土層夯實(shí)，人工分層并將試驗(yàn)土層按照設(shè)定參數(shù)夯實(shí)成型；②預(yù)設(shè)節(jié)理，在模型邊坡的左側(cè)區(qū)域分別設(shè)置長(zhǎng)1.5m、寬0.1m、高1m，且與邊坡走向平行的垂直節(jié)理，和長(zhǎng)1.5m、寬0.1m、垂直高度0.5m、傾角為45°的構(gòu)造節(jié)理，均采用砂帶來(lái)模擬(圖7中邊坡內(nèi)部白色區(qū)域)；③分層埋設(shè)監(jiān)測(cè)儀器及連接數(shù)采系統(tǒng)；④削坡至設(shè)計(jì)坡度；⑤架設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)備；⑥試驗(yàn)與數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)監(jiān)測(cè)儀器具體布設(shè)方案見(jiàn)圖7。

2.5 降雨工況設(shè)計(jì)

據(jù)柯奇畫(huà)等(2018)的研究發(fā)現(xiàn)，目前進(jìn)行的大多數(shù)人工降雨模擬試驗(yàn)，模擬降雨試驗(yàn)的結(jié)果與天然降雨觀測(cè)結(jié)果存在一定差異性，土壤侵蝕量的整體模擬程度不到50%。本次人工降雨工況設(shè)定參考灞橋滑坡發(fā)生時(shí)的自然降雨情況，灞橋滑坡日降雨量約為20mm，為使模型試驗(yàn)的侵蝕量與天然降雨條件下的侵蝕接近，設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)的日降雨量為40mm，試驗(yàn)降雨12d，累計(jì)降雨量480mm。本次試驗(yàn)中的土壤侵蝕量按照現(xiàn)場(chǎng)邊坡位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和依據(jù)土壤流失經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算，整體模擬程度約為50%。

圖7 監(jiān)測(cè)儀器布置圖Fig.7 Monitoring instrument layout diagram

3 模型試驗(yàn)結(jié)果

為了試驗(yàn)結(jié)果更為直觀和方便描述，對(duì)監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行編碼表示：其中w代表水分計(jì)，u代表孔壓計(jì)，f代表測(cè)縫計(jì)；如w11代表含節(jié)理測(cè)坡體第1層的靠近坡面?zhèn)鹊牡?個(gè)水分計(jì)，u53代表含節(jié)理側(cè)坡體第5層的靠近坡體最內(nèi)部的第3個(gè)孔壓計(jì)，u′41代表不含節(jié)理側(cè)坡體第4層的靠近坡面?zhèn)鹊牡?個(gè)孔壓計(jì)，以此類推。

3.1 含水率變化分析

本試驗(yàn)在坡體內(nèi)部預(yù)埋了水分計(jì)用以監(jiān)測(cè)降雨過(guò)程中水分的變化，得到了含節(jié)理側(cè)與不含節(jié)理側(cè)邊坡的水分差異(圖8)。本次試驗(yàn)共發(fā)生兩次滑坡，在試驗(yàn)第5d，含節(jié)理側(cè)發(fā)生滑坡，無(wú)節(jié)理側(cè)在試驗(yàn)第6d發(fā)生滑坡。從圖8a中可以看出，含節(jié)理側(cè)坡體靠近坡面的體積含水率除了第1行測(cè)點(diǎn)的含水率在滑坡發(fā)生后小于不含節(jié)理側(cè)約0.025以外，其余時(shí)刻始終大于不含節(jié)理側(cè)；位于坡體最深處的第5行測(cè)點(diǎn)兩側(cè)的含水率相差最大，說(shuō)明節(jié)理的存在使得雨水充分入滲；從圖8b可以看出，含節(jié)理側(cè)坡體靠近節(jié)理的測(cè)點(diǎn)的含水率始終高于靠近坡面處的測(cè)點(diǎn)，在第2次滑坡發(fā)生后相差逐漸增大至0.075，直至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，含節(jié)理側(cè)坡體的體積含水率比不含節(jié)理側(cè)坡體最大差值為38.17%，充分說(shuō)明節(jié)理是黃土中的優(yōu)勢(shì)滲流通道，對(duì)降雨的入滲具有明顯的促進(jìn)作用。

圖8 土體含水率變化特征Fig.8 Variation characteristics of water content a.含節(jié)理側(cè)與不含節(jié)理側(cè)近坡面列測(cè)點(diǎn)含水率之差; b.含節(jié)理側(cè)節(jié)理附近與靠近坡面列測(cè)點(diǎn)含水率之差

圖9 孔隙水壓力變化曲線Fig.9 Pore water pressure variationa.含預(yù)設(shè)節(jié)理側(cè)邊坡近坡面列孔壓變化; b.不含節(jié)理側(cè)邊坡近坡面列孔壓變化

3.2 孔隙水壓力變化分析

在模型邊坡內(nèi)部埋設(shè)孔壓計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)降雨過(guò)程中土體孔隙水壓力的變化趨勢(shì)，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了孔隙水壓力隨降雨時(shí)間變化曲線(圖9)。從圖中可以看出：坡體內(nèi)部孔隙水壓力的變化大致可以分為3個(gè)階段，第1階段為累計(jì)降雨量在120mm之前，孔隙水壓力值變化很小；第2階段為累計(jì)降雨量至320mm，此時(shí)由于雨水持續(xù)入滲，坡體產(chǎn)生裂縫，孔隙水壓力出現(xiàn)明顯增加，尤其在第2次滑坡發(fā)生前增幅較大，發(fā)生后逐漸消散，其中含節(jié)理側(cè)邊坡的測(cè)點(diǎn)u12、u11的孔隙水壓力由于節(jié)理的存在波動(dòng)較大；第3階段為累計(jì)降雨量至480mm，此時(shí)因降雨產(chǎn)生的孔隙水壓力波動(dòng)已經(jīng)開(kāi)始減小，u42和u′41的孔隙水壓力分別升高到0.69kPa、0.479kPa，埋深2.5m的第5行測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力基本不變。隨著時(shí)間的變化，孔隙水壓力在前期和穩(wěn)定期的增速較小而在滑坡發(fā)生時(shí)增速較大，坡體上部對(duì)降雨的響應(yīng)快而且波動(dòng)較大，而深部則相反。

3.3 節(jié)理裂隙擴(kuò)張分析

將5個(gè)測(cè)縫計(jì)分別埋設(shè)在含節(jié)理側(cè)坡體的0.2m、0.5m、1m、1.5m、2m處，將3個(gè)測(cè)縫計(jì)分別埋設(shè)在不含節(jié)理側(cè)相同位置坡體的0.2m、1.0m、1.5m處，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中的節(jié)理裂隙的變化，測(cè)縫計(jì)張開(kāi)度隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖10。可以看出，自試驗(yàn)第2d，含節(jié)理側(cè)的f3、f4、f5測(cè)點(diǎn)開(kāi)始出現(xiàn)擴(kuò)張現(xiàn)象，而不含節(jié)理側(cè)測(cè)點(diǎn)在此時(shí)幾乎沒(méi)有變化，直至第2次滑坡發(fā)生的前一天，含節(jié)理側(cè)的f4測(cè)點(diǎn)的張開(kāi)度已經(jīng)擴(kuò)大為46.7mm，而不含節(jié)理側(cè)的測(cè)點(diǎn)f′4僅有f4測(cè)點(diǎn)的一半左右，為22.3mm。在滑坡發(fā)生后，f1、f2、f′1、f′4測(cè)點(diǎn)處于穩(wěn)定狀態(tài)，裂縫張開(kāi)寬度均小于18mm，而f3、f4、f5、f′3則在小幅度擴(kuò)張后又保持穩(wěn)定，主要是由于滑坡發(fā)生應(yīng)力釋放，坡體運(yùn)動(dòng)逐漸減弱所導(dǎo)致的。

圖10 坡體內(nèi)部節(jié)理裂隙張開(kāi)度變化曲線Fig.10 Variation of opening degree of joints and fissures in slope bodya.含節(jié)理側(cè)坡體節(jié)理裂隙張開(kāi)度變化； b.不含節(jié)理側(cè)坡體節(jié)理裂隙張開(kāi)度變化

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，位于坡體中部的節(jié)理裂隙的張開(kāi)寬度最大，其次是中上部、中下部，而坡頂部最小，由于坡體上部含水率逐漸增大時(shí)，產(chǎn)生的裂縫很快塌陷并被填充，而坡體深部雨水入滲比較緩慢的位置，張開(kāi)度反而較大，滑坡發(fā)生時(shí)坡體內(nèi)部節(jié)理裂隙的擴(kuò)張速率也最快。

在模型箱側(cè)面也可以直觀地看出坡體內(nèi)部的裂隙發(fā)育情況(圖11)，在試驗(yàn)第4d，模型箱左右兩側(cè)都有裂縫的出現(xiàn)，在不含節(jié)理側(cè)坡體發(fā)現(xiàn)一條張開(kāi)寬度約0.5cm、距坡面0.5m的裂縫；而含節(jié)理側(cè)坡體發(fā)現(xiàn)的裂縫張開(kāi)寬度大于不含節(jié)理側(cè)，約為1～2cm，可見(jiàn)含節(jié)理側(cè)的坡體內(nèi)部節(jié)理裂隙的擴(kuò)張約為不含節(jié)理側(cè)的2倍。模型側(cè)面裂縫出現(xiàn)的原因主要是邊坡在向外移動(dòng)時(shí)，由于土體內(nèi)部的不連續(xù)面擴(kuò)展形成潛在滑動(dòng)面，尤其是因有節(jié)理的存在，雨水更易入滲，導(dǎo)致含節(jié)理側(cè)坡體內(nèi)部的裂縫發(fā)育更為明顯。

圖11 坡體內(nèi)部裂縫Fig.11 Cracks inside the slopea.不含節(jié)理側(cè)坡體;b.含節(jié)理側(cè)坡體

3.4 坡體位移變化分析

邊坡位移的變化由設(shè)立在模型上表面的9支標(biāo)志桿來(lái)監(jiān)測(cè)，在標(biāo)志桿中部與模型箱體后部某點(diǎn)之間用繩索連接并固定，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)觀測(cè)繩索的長(zhǎng)度變化量來(lái)計(jì)算坡體頂面水平方向位移和垂直方向沉降量(圖12)。

圖12 模型邊坡位移標(biāo)志桿位置圖Fig.12 Location map of model slope displacement marker pole

圖13 邊坡頂面位移變化曲線Fig.13 Displacement of slope top surfacea.水平位移；b.垂直沉降

邊坡頂面位移變化曲線見(jiàn)圖13。試驗(yàn)第2d，坡體上表面前部?jī)蓚?cè)邊緣的A1和B1標(biāo)志桿開(kāi)始下沉墜落，A1桿的水平和垂直方向的位移變化量分別為0.4cm和0.98cm，B1桿兩個(gè)方向的位移變化量則為3.1cm和1.2cm。通過(guò)上述現(xiàn)象分析可見(jiàn)，A1和B1兩桿率先墜落的原因是坡體前部邊緣相較于坡體內(nèi)部的位移變化量大，且兩桿與坡體前部邊緣距離最小，此階段主要特征是坡體表面位移尚小，但在坡體內(nèi)部的位移已經(jīng)出現(xiàn)明顯變化；第2階段，在試驗(yàn)第5d C1桿墜落，水平位移和垂直沉降較前一階段有所增大，分別為1.0cm和1.65cm。此階段內(nèi)中間3個(gè)桿的位移變化量最具代表性，A2、B2和C2的水平方向位移分別為5.1cm、1.4cm和4.6cm，且垂直方向位移較大，但位于坡體兩側(cè)的A2和C2桿垂直沉降量大于20cm，遠(yuǎn)大于B2桿的10cm沉降量；在第3階段，除坡體后側(cè)C3點(diǎn)外，其余8個(gè)點(diǎn)水平方向的位移變化量甚微，但是所有點(diǎn)在垂直方向的沉降量隨著試驗(yàn)的進(jìn)行仍在逐漸增加，垂直方向位移增量和水平方向位移增量發(fā)生較大差異與土體孔隙在豎直方向的不斷擠壓密實(shí)有關(guān)。試驗(yàn)最終階段，邊坡水平位移達(dá)到了13.8cm，垂直沉降為37.3cm，表現(xiàn)出了黃土具有的強(qiáng)濕陷性。

通過(guò)本次試驗(yàn)可以看出，存在節(jié)理處坡體內(nèi)部的含水率、孔隙水壓力、坡體位移等指標(biāo)的變化時(shí)間均早于不含節(jié)理區(qū)域，變化響應(yīng)程度也強(qiáng)于其他位置，主要是因?yàn)殡S著雨水在坡體中的入滲，節(jié)理處裂隙的擴(kuò)張速率強(qiáng)于其他區(qū)域，雨水易從節(jié)理處進(jìn)入坡體內(nèi)部，不僅入滲量高于其他位置，而且易在坡面積水形成壓力水頭加速水分入滲，充分證明了節(jié)理在滑坡過(guò)程中作為黃土內(nèi)部的優(yōu)勢(shì)滲流通道加速了雨水的入滲，從而逐漸增加坡體重力，土體有效抗剪強(qiáng)度降低，直至誘發(fā)滑坡發(fā)生。

4 結(jié) 論

本文基于預(yù)設(shè)節(jié)理?xiàng)l件下降雨誘發(fā)黃土滑坡的模型試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)邊坡內(nèi)部的含水率、孔隙水壓力、節(jié)理以及坡體位移等指標(biāo)的變化，分析了水在邊坡內(nèi)部的入滲及運(yùn)移的規(guī)律，揭示了節(jié)理對(duì)滑坡的影響作用，主要得出以下結(jié)論：

(1)試驗(yàn)表明，在降雨作用下，預(yù)設(shè)節(jié)理的邊坡相對(duì)于不含節(jié)理側(cè)，其土體的含水率增速更快、增幅較大且影響范圍更廣，表明了節(jié)理作為優(yōu)勢(shì)通道加速了坡體內(nèi)部雨水入滲。

(2)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)位于模型邊坡中部位置的裂隙張開(kāi)寬度最大，滑坡發(fā)生時(shí)位于坡體內(nèi)部的節(jié)理裂隙擴(kuò)張速率最快。

(3)土體含水率對(duì)降雨的敏感度和變化幅度與其埋深成反比，位于淺表處的土體相對(duì)于深部土體而言，其含水率對(duì)降雨的響應(yīng)更快而且波動(dòng)較大。

(4)孔隙水壓力在試驗(yàn)前期增速較小，而在滑坡發(fā)生時(shí)增速較大，且預(yù)設(shè)節(jié)理側(cè)土體的孔隙水壓力上升幅度較大。