降雨誘發(fā)堆積體滑坡水土響應與穩(wěn)定性時空演化試驗研究

孟生勇，江興元,2，楊 義，孫乾征，史文兵,2

（1.貴州大學資源與環(huán)境工程學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點實驗室，貴州 貴陽 550025；3.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一〇四地質(zhì)大隊，貴州 都勻 558000）

受內(nèi)外營力作用，山區(qū)斜坡的表面或坡腳附近常形成大量松散堆積體[1]，在極端氣候尤其是連續(xù)強降雨影響下，松散堆積體極有可能發(fā)生失穩(wěn)形成破壞力極強的滑坡泥石流災害[2]。同時，由于山區(qū)工程活動較頻繁，不可避免對這些堆積體形成擾動，導致斜坡變形開裂，為降雨入滲提供優(yōu)勢通道，加速了堆積體的失穩(wěn)。因此探究山區(qū)松散堆積體在降雨作用下的穩(wěn)定性問題具有重要的現(xiàn)實意義。

Cuomo等[3]、Ghosh等[4]對滑坡變形進行區(qū)域性評估，利用地質(zhì)觀測并結合邊坡穩(wěn)定性分析手段，發(fā)現(xiàn)所有可能類型和空間尺度的滑坡都表現(xiàn)出明顯的時空特征和演化。白永健等[5]、馮文凱等[6]結合室內(nèi)試驗與數(shù)值模擬，總結了降雨型滑坡在空間上的災變過程，分析了降雨在不同入滲時期對滑坡體產(chǎn)生的影響。國內(nèi)外研究學者都嘗試通過斜坡不同位置的變形發(fā)展與穩(wěn)定性演化去分析斜坡變形機制。Wang等[7]、左自波等[8]、涂國祥等[9]、Orense等[10]基于室內(nèi)試驗研究了降雨誘發(fā)滑坡的破壞模式、運動過程、斜坡體滲流規(guī)律以及孔隙水壓力對斜坡的影響。Sasahara等[11?12]、李愛國等[13]、Bordoni等[14]研究了入滲過程斜坡體內(nèi)剪切應變的變化與孔隙水壓力、體積含水率、基質(zhì)吸力之間的關系，利用基質(zhì)吸力等參數(shù)分析降雨入滲對斜坡穩(wěn)定性的影響，并基于剪切應變和孔隙水壓力的關系建立了降雨條件下的邊坡失穩(wěn)模型。Hu等[15?16]針對一些松散碎石堆積體在降雨和地表徑流作用下形成流化滑動的現(xiàn)象開展大量水槽試驗，研究了松散堆積體內(nèi)部潛蝕和細顆粒含量對這一現(xiàn)象的影響規(guī)律。張玉成等[17]、唐軍峰等[18]發(fā)現(xiàn)水庫蓄水誘發(fā)滑坡系列因素中，滑帶土強度浸水弱化是較為關鍵的控制因素。楊宗佶等[19]通過足尺人工降雨試驗模擬了典型礫石土滑坡堆積體的破壞發(fā)展過程，并采用VG模型分析了入滲過程中坡體吸應力的變化規(guī)律，揭示了斜坡破壞發(fā)展過程是優(yōu)先流和基質(zhì)流場共同作用的結果。上述研究表明，降雨入滲過程滑坡水土響應具體表現(xiàn)為：降雨入滲使坡體含水率逐漸增大，坡體不同深度處孔隙水壓力急速增加，導致土中吸力大幅降低甚至消散，有效應力不斷減??；而且，含水率的增大還會引起邊坡土體重度增大和抗剪強度降低[20?23]，進一步促進斜坡破壞發(fā)展。

已有降雨誘發(fā)滑坡的研究大多側重于考慮土體的顆粒粒徑、細顆粒含量等對斜坡破壞的影響機制，而對斜坡穩(wěn)定性時空演化的研究相對較少?；诖?，本文以貴州省某滑坡為原型，利用自行設計的室內(nèi)模擬降雨水槽模型，開展降雨條件下堆積層滑坡降雨入滲模型試驗，重構試樣的土-水特征曲線，分析降雨入滲過程中孔隙水壓力、基質(zhì)吸力和含水率的變化規(guī)律，探討斜坡破壞發(fā)展過程與穩(wěn)定性時空演化規(guī)律，以期為降雨條件下堆積層斜坡的監(jiān)測預警和防災減災提供理論指導。

1 試驗與理論方法

1.1 模型試驗

（1）試驗原型

以貴州省思南縣涼山村下街滑坡為原型。該滑坡區(qū)屬于低中山溝槽地貌，地勢東南低西北高，地形起伏較大，最大高差130 m。斜坡坡度15°～30°，主滑方向134°，平面呈“長舌”型，平均寬度180 m，縱長420 m，平均厚度6 m，體積約4.6×105m3。鉆探揭示滑體主要為第四系堆積物碎石土；滑床為中～上志留統(tǒng)韓家店群（S2-3h）泥巖，隔水性強，地層產(chǎn)狀為135°～178°∠10°～15°。2014 年 7 月持續(xù)近 3 d 的強降雨導致大量地表水匯集、入滲，坡體后緣發(fā)育大量交錯拉張、剪切裂縫。如圖1所示，滑坡后緣整體下錯、中部局部垮塌，前緣受擠壓向前滑動，出現(xiàn)多級破壞；滑坡右側受滑動區(qū)影響發(fā)生變形，使S304省道交通中斷，大量房屋開裂、倒塌，22戶居民受災。

圖1 思南縣涼山村下街滑坡工程地質(zhì)平面圖與特征圖Fig.1 Geomorphic map and feature map of Xiajie landslide

（2）試驗材料

涼山村下街滑坡堆積體結構松散，透水性強，細顆粒含量較低。通過現(xiàn)場取樣測試，土體比重、天然含水率、飽和體積含水率、滲透系數(shù)分別為2.33、17.5%、48.9%、1.04×10?3cm/s。通過篩分試驗分析，土體的限制粒徑、中值粒徑和有效粒徑分別為7.00，2.70，0.54 mm，不均勻系數(shù)為12.73，曲率系數(shù)為2.04，為級配良好土。為滿足室內(nèi)模型試驗水槽模型最大容許粒徑要求，將原始碎石土粒徑≥20 mm的顆粒剔除，原始滑體和試驗土體級配見圖2。

圖2 原始滑體和試驗土體顆粒級配Fig.2 Particle gradation of original and testing soil

（3）試驗方案

基巖面與斜坡傾角分別取為15°、25°，試驗材料取自滑坡現(xiàn)場，降雨強度為暴雨級別（45 mm/h）。試驗具體流程為：①降雨系統(tǒng)距離模型頂面距離為1.40 m，通過流量計以及噴頭數(shù)量控制降雨強度并標定其均勻性，達92.91%。②以13%的初始含水率配置試驗材料，分6層填筑，模型相對密實度為0.27，布設數(shù)據(jù)監(jiān)測剖面I-I'、并埋設體積含水率傳感器（VWC）、孔隙水壓力傳感器（P）、基質(zhì)吸力傳感器（SWP）各9個共3 層，見圖3（a）（b）；各傳感器編號分別為：VWC1——VWC9、P1——P9、SWP1——SWP9。③模型堆砌完成后，數(shù)據(jù)采集各位置傳感器初始數(shù)據(jù)，利用三維激光掃描儀獲取斜坡形態(tài)。

圖3 試驗模型裝置及傳感器（單位：mm）Fig.3 Test model device and sensors （unit: mm）

（4）相似性分析

為了使模型試驗結果盡可能與滑坡實際變化一致，試驗在幾何、物理性質(zhì)及邊界條件上與滑坡原型保持相似。（a）幾何相似：按照縮尺比約1∶360開展模型試驗，模型長、寬、高分別為1.2，0.5，0.3 m，設計坡度為40°。（b）物理性質(zhì)相似：試驗材料取自滑坡原型，為滿足試驗要求剔除了少部分大顆粒，但保留了原型土體寬級配的特性，以反映松散堆積體的結構和物理性質(zhì)。（c）邊界條件相似：原型土體結構較松散，滲透性好，斜坡主要發(fā)生非飽和淺層破壞，且不存在潛在地下水上升影響；因此，模型試驗前緣邊界設計為透水邊界，保證土體的非飽和狀態(tài)和自由透水條件。

1.2 理論分析

（1）土-水特征曲線

Brooks-Corey（BC）模型[24]、Van Genuchten（VG）模型[25]及 FredlundXing（FX）模型[26]被廣泛用來擬合土體的土-水特征曲線。BC模型是與土體“孔徑分布指數(shù)（λ）”相關的冪函數(shù)，根據(jù)進氣壓力值（ψb），該模型為非光滑或開放形式，比較適用于吸力變化較小的情況，如可排出孔隙水的粗粒土。模型表達式為：

式中：Se——有效飽和度；

θ——體積含水率/%；

θr、θs——殘余、飽和含水率/%；

ψ——基質(zhì)吸力/kPa。

VG模型是一個封閉、平滑的模型，表達式為：

式中：α、n、m——擬合參數(shù)，其中m=n?1/n。

FX模型的一般表達式為：

式中：C(ψ)——修正因子，可確保含水率為0時模型吸力值為106kPa。

（2）邊坡穩(wěn)定性分析理論

通常使用“無限斜坡穩(wěn)定性模型”的極限平衡理論對降雨誘發(fā)的淺層滑坡進行穩(wěn)定性評價，Lu等[27]將經(jīng)典評價模型擴展至非飽和條件，其表達式為：

式中：Fs(z,t)——不同時刻不同深度處穩(wěn)定性系數(shù)；

z、t——深度、時間；

σs(z,t)——吸應力，是ψ(z,t)與Se的函數(shù)；

γd、γw——土體干重度、水的重度/（kN·m?3）；

c'——有效黏聚力/kPa；

φ'——有效內(nèi)摩擦角/（°）；

β——斜坡傾角/（°）。

2 試驗結果

試驗降雨歷時90 min，累計降雨量67.5 mm，斜坡破壞過程見圖4，經(jīng)歷3個階段：

圖4 斜坡模型破壞發(fā)展過程Fig.4 Development process of slope

（1）微裂隙發(fā)育階段，t=0～30 min。降雨初始，坡頂面雨水入滲，土體浸潤線遷移方向大致與斜坡面平行；隨著入滲的持續(xù)，濕潤鋒逐漸下移至斜坡中下部，坡體含水率逐漸增大。而且，斜坡面水分沿坡面向下流動，坡肩和坡面位置發(fā)生局部侵蝕。此階段坡頂沉降約5 cm，由于沉降不均勻性和坡面侵蝕作用，在坡頂及坡面附近開始出現(xiàn)張拉微小裂縫，坡面向下發(fā)生短距離蠕動，見圖4（b）。

（2）局部破壞階段，t=30～45 min。浸潤線下移至斜坡下部，坡頂沉降約7 cm，前緣向前滑移了約20 cm，坡頂和坡面發(fā)育的裂縫進一步擴展并發(fā)生局部坍塌。坡腳附近有較小顆粒匯集，形成流滑現(xiàn)象，見圖4（c）。

（3）整體破壞階段，t=45～90 min。浸潤線已完全遷移至模型底部，坡頂下沉近10 cm，大量滑體堆積于坡腳附近；此時降雨入滲形成穩(wěn)定滲流并自坡體流出，斜坡進一步發(fā)生破壞，并呈現(xiàn)出“多級式后退型”破壞，見圖4（d）。

斜坡破壞過程呈現(xiàn)出“初期拉裂-局部坍塌-塑性滑動”破壞模式，與滑坡原型實際變化一致。

3 分析與討論

3.1 土水響應規(guī)律

圖5為斜坡內(nèi)不同深度處體積含水率、基質(zhì)吸力以及孔隙水壓力變化規(guī)律。降雨初期，t=5 min時，5 cm深度處9號點（VWC9）的體積含水率迅速激增到28.1%。t=13 min，坡肩發(fā)生局部破壞，基質(zhì)吸力迅速下降至11.1 kPa；此時斜坡中部15 cm 深度處（VWC7）的體積含水率短時間內(nèi)激增至37%并保持相對穩(wěn)定。t=18 min，雨水入滲至斜坡坡腳，基質(zhì)吸力迅速降至11.8 kPa。t=24 min，坡面受坡肩坍塌及基質(zhì)吸力驟減影響而發(fā)生局部破壞。t=62 min，坡肩出現(xiàn)大規(guī)模坍塌，使得VWC7的體積含水率短時間內(nèi)出現(xiàn)驟減現(xiàn)象，見圖5（b）；t=66 min，坡腳Z=25 cm深度附近受坡面坍塌影響而發(fā)生多次滑動，使得該位置處VWC4的體積含水率發(fā)生多次突升和驟減，見圖5（c）。入滲過程體積含水率變化特征為：靠近坡表處（VWC9、VWC7、VWC4）的體積含水率達45%～47.1%，明顯高于斜坡后緣的體積含水率（37%～38%）；而斜坡底層位置（VWC1）的體積含水率達到48.75%，其原因是在降雨作用下土體中較小顆粒不斷向斜坡前緣及底部運移，并在斜坡前緣基覆面附近匯集，形成相對隔水帶，降低了基覆面附近土體的滲透性，使底層土體較長時間處于飽和狀態(tài)。

圖5 不同深度處含水率、基質(zhì)吸力以及孔隙水壓力變化Fig.5 Relationship between water content, substrate suction and stability factor at different depths

圖5（d）為斜坡不同深度處的孔隙水壓力變化曲線，整體上呈現(xiàn)出“急速上升”、“出現(xiàn)裂紋或坍塌而驟降”以及“緩慢上升”的演化過程。t=8 min時，降雨入滲至后緣監(jiān)測點（P8）附近，孔隙水壓力迅速上升至0.4 kPa；當坡體產(chǎn)生微裂隙或坍塌時，孔隙水壓力突降至0.15 kPa。其他監(jiān)測點孔隙水壓力的變化呈現(xiàn)出類似規(guī)律，其原因是坡體產(chǎn)生裂隙或坍塌使得傳感器短時間暴露在空氣中，孔隙水壓力耗散較快。值得注意的是，靠近坡肩（P9）的孔隙水壓力在入滲過程中變化不明顯，峰值約為0.16 kPa，原因是試驗過程中坡肩附近變形破壞較明顯，坡肩土體被沖刷侵蝕，孔隙水壓力耗散較快。由于斜坡產(chǎn)生的變形破壞影響，坡表附近（P7）的孔隙水壓力峰值可達2 kPa，而坡體后緣峰值約為1.61 kPa。試驗表明，入滲時體積含水率發(fā)生突變的過程中，基質(zhì)吸力迅速下降，在斜坡底部甚至消散；而孔隙水壓力則快速上升，有效應力下降，降低了土體的抗剪強度，促進了斜坡變形破壞，使坡體穩(wěn)定性進一步降低。

3.2 邊坡穩(wěn)定性分析

（1）土體強度特征

設計5組不同含水率土樣直剪試驗，結果見圖6。體積含水率為 12% 時，c'和φ'分別為 4.49 kPa、37.08°；隨著含水率逐漸升高，c'和φ'大幅度被削弱；體積含水率增加到 36% 時，c'和φ'為 0.27 kPa、3.39°，衰減 90%以上。構建不同含水率條件下c'和φ'的指數(shù)函數(shù)表達式，見式（5）和式（6），為后文構建不同深度和含水率條件下的斜坡穩(wěn)定性演化提供依據(jù)。

圖6 不同含水率條件下試樣強度衰減曲線Fig.6 Strength decay curve of sample under different volumetric water contents

（2）土-水特征曲線

基于土體中基質(zhì)吸力與含水率的耦合關系進行土-水特征曲線的重構（圖7）。FX模型與BC模型與試驗數(shù)據(jù)的相關性較低，特別是斜坡高含水率階段，模型擬合度較差，在入滲過程中對優(yōu)先流的響應不如VG模型（R2=0.83）。另外，土體顆粒級配對模型擬合參數(shù)有較大影響[28,29]。因此，基于VG模型構建的土-水特征模型。

圖7 試驗土體的土-水特征曲線Fig.7 SWCC of the experimental soil

（3）邊坡穩(wěn)定性分析

結合邊坡穩(wěn)定性評價模型、土體強度演化函數(shù)及土-水特征曲線，通過MATLAB程序計算監(jiān)測點位置穩(wěn)定性系數(shù)；監(jiān)測點之間的穩(wěn)定性系數(shù)通過Origin繪制“XYZ等高線圖”進行映射（圖8），其原理是通過已知監(jiān)測點數(shù)據(jù)插值計算。穩(wěn)定性分析所用參數(shù)以t=10 min為例進行說明：c'、φ'根據(jù)土體強度特征衰減函數(shù)而得，不同深度處φ'變化較小，取均值；吸力通過監(jiān)測數(shù)據(jù)由VG模型計算而得；坡角為25°、殘余含水率為3%，具體見表1。

圖8 斜坡不同時刻穩(wěn)定性系數(shù)演化云圖Fig.8 Evolution nephogram of slope stability coefficient at different time points

表1 斜坡穩(wěn)定性分析土體參數(shù)（t=10 min）Table 1 Soil parameters for slope stability analysis (t=10 min)

圖8（a）——（e）為斜坡不同時刻穩(wěn)定性系數(shù)（Fs）演化云圖，云圖表現(xiàn)出的發(fā)展破壞特征與試驗結果基本一致。降雨初期，斜坡坡肩及坡面附近最先發(fā)生沉陷和局部剪切變形，微裂隙開始孕育發(fā)展，穩(wěn)定性系數(shù)下降至1.8左右，見圖8（b）。隨著降雨過程持續(xù)，斜坡微裂隙進一步發(fā)展，促進了降雨入滲，結合圖5（d）孔隙水壓力的變化，加速了斜坡剪切變形，導致坡面局部坍塌。t=25～30 min階段，坡面局部位置穩(wěn)定性系數(shù)降至0.5～0.9，發(fā)生破壞并向斜坡前緣滑動，坡腳附近見有較小顆粒匯集，形成流滑現(xiàn)象，見圖8（c）（d）以及圖4（c）。t=40 min左右，斜坡后緣及坡面大部分區(qū)域穩(wěn)定性系數(shù)下降至0.4～0.9，坡面已基本坍塌；坡腳附近穩(wěn)定性系數(shù)下降至0.4以下，并發(fā)生多次滑動破壞，坡面最終形成穩(wěn)定的滲流并不斷對坡面形成塑性滑動破壞，見圖8（e）以及圖4（d）。云圖顯示斜坡后緣穩(wěn)定性比前緣及坡肩附近下降的速度慢，原因是降雨入滲過程土體中的較小顆粒不斷向斜坡前緣及基覆面運移并匯集，降低了基覆面附近土層的滲透性。

4 結論

（1）降雨條件下堆積體滑坡變形破壞過程經(jīng)歷3個階段，即微裂隙發(fā)育、局部破壞及整體破壞階段，表現(xiàn)出“初期拉裂——坡面局部坍塌——塑性滑動”破壞模式，與實際變化具有很好的對應性。入滲過程破壞區(qū)上部發(fā)育拉裂縫，下部受擠壓作用向前緣滑動，坡腳處產(chǎn)生局部流土現(xiàn)象。

（2）含水率增加，試樣的有效內(nèi)摩擦角和有效黏聚力呈指數(shù)下降。體積含水率為36.3%時，有效內(nèi)摩擦角和有效黏聚力分別衰減了93%、91%，土體強度被大幅度削弱。

（3）堆積體斜坡變形破壞與含水率、孔隙水壓力及基質(zhì)吸力的變化密切相關?？紫端畨毫Σ粩嘣黾訉е滦逼麦w有效應力及基質(zhì)吸力降低，使斜坡抗剪強度逐漸減小。不同深度處的孔隙水壓力變化對斜坡出現(xiàn)變形反應敏感，坡體出現(xiàn)裂紋或坍塌時孔壓會短暫耗散較快而發(fā)生驟降。

（4）VG模型較好的擬合了堆積體斜坡的土-水特征曲線（R2=0.83）。斜坡穩(wěn)定性時-空演化具體表現(xiàn)為：坡肩及坡腳首先發(fā)生局部破壞并孕育拉張裂縫，F(xiàn)s首先下降至1以下。裂縫促進了降雨入滲，使坡體基質(zhì)吸力不斷減小，降低斜坡的抗剪強度，整體穩(wěn)定性不斷降低。