降雨過(guò)程中堆積體邊坡瞬態(tài)穩(wěn)定性分析

劉曉廣 王晶瑩

摘 要：【目的】以豫西澠池縣槐扒滑坡為地質(zhì)原型，探究降雨條件下堆積體邊坡變形破壞啟動(dòng)機(jī)制?！痉椒ā炕谇叭搜芯拷⒏呕逊e體邊坡的地質(zhì)模型和數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀！窘Y(jié)果】降雨作用下，坡腳首先發(fā)生破壞，隨后牽引斜坡發(fā)生整體變形破壞。邊坡災(zāi)變過(guò)程可描述為3個(gè)階段：①雨水入滲—堆積體邊坡浸潤(rùn)變形階段；②堆積體邊坡裂縫發(fā)展階段；③滑坡發(fā)生階段?！窘Y(jié)論】其變形破壞過(guò)程可以概括為：坡腳變形破壞—中后部變形發(fā)展—裂縫發(fā)育貫通—滑坡發(fā)生。

關(guān)鍵詞：堆積體；降雨；模型試驗(yàn)；災(zāi)變過(guò)程

中圖分類(lèi)號(hào)：TU434? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2023）06-0117-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.023

Transient Stability Analysis of Accumulation Slope During Rainfall

LIU Xiaoguang? ?WANG Jingying

（College of Earth Science and Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046， China）

Abstract： [Purposes] Taking Huaiba landslide in Mianchi County， West Henan Province as a geological prototype， the initiation mechanism of slope deformation and failure of accumulation body under the condition of rainfall was investigated. [Methods] The geological model and numerical test model of generalized accumulation slope were established based on previous studies. [Findings] Under the action of rainfall， the slope foot first failed and then the traction slope deformed and failed as a whole. The process of slope disaster can be described as three stages： ① rainwater infiltration — accumulation body slope infiltration deformation stage; ② Development stage of slope crack of accumulation body; ③ stage of landslide occurrence.[Conclusions] The deformation and failure process can be summarized as follows： slope toe deformation and failure—middle and rear deformation development—fracture development—landslide occurrence.

Keywords： accumulation body; rainfall; model test; cataclysmic process

0 引言

在我國(guó)滑坡災(zāi)害中，堆積體滑坡占據(jù)85%以上［1］。堆積體滑坡具有分布范圍廣、爆發(fā)頻率高、持續(xù)危害大的特點(diǎn)。降雨是觸發(fā)堆積體滑坡主要因素，深入研究降雨條件下堆積體滑坡的失穩(wěn)規(guī)律，對(duì)滑坡災(zāi)害預(yù)防預(yù)報(bào)具有重要意義。堆積層邊坡具有大孔隙、透水性強(qiáng)、易變形的特點(diǎn)，降雨及地下水是其發(fā)生失穩(wěn)破壞的主要誘因［2-3］。

與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相比室內(nèi)模型試驗(yàn)監(jiān)測(cè)更全面，能再現(xiàn)災(zāi)害發(fā)生過(guò)程［4］。左自波［5］利用不同級(jí)配、坡度、降雨工況下堆積體邊坡體積含水量、孔隙水壓力、位移、顆粒運(yùn)移情況，總結(jié)了堆積體邊坡破壞模式，但未考慮基巖對(duì)堆積層的影響。胡航［6］利用模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，建立不同坡角在不同降雨工況下的堆積體邊坡模型，得出滑坡破壞主要有沖蝕滑移、淺層滑塌、多級(jí)后退三種模式，但未考慮土的強(qiáng)度與顆粒級(jí)配。張玉等［7］、楊繼紅等［8］學(xué)者研究了降雨和水位升降工況下，將非飽和土滲流理論和強(qiáng)度理論引入到邊坡的滲流和穩(wěn)定性分析中，得到了邊坡的瞬態(tài)穩(wěn)定性。劉漢東等［9］將豫西滑坡劃分為順層直剪、跨層斜切、擋墻式。耿正［10］通過(guò)室內(nèi)降雨模型試驗(yàn)研究得到了前緣反傾類(lèi)型鎖骨段滑坡破壞過(guò)程，將邊坡失穩(wěn)劃分為：穩(wěn)定階段、蠕滑階段、加速滑動(dòng)階段、破壞后穩(wěn)定階段，但降雨強(qiáng)度較大，邊坡破壞表現(xiàn)為雨水的沖蝕破壞。

有關(guān)降雨條件下堆積層滑坡的啟動(dòng)機(jī)制研究還比較少，建立定量的分析模型研究降雨引發(fā)的滑坡失穩(wěn)規(guī)律，對(duì)滑坡的滑動(dòng)機(jī)制進(jìn)行分析，可為此類(lèi)滑坡的防范和治理提供理論依據(jù)。基于前人的研究成果，本研究將數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)結(jié)合，運(yùn)用非飽和土滲流理論對(duì)堆積體邊坡降雨過(guò)程中的滲流場(chǎng)進(jìn)行模擬，并把瞬態(tài)的孔隙水壓力分布和非飽和土強(qiáng)度理論應(yīng)用到邊坡穩(wěn)定性分析中。

1 堆積體邊坡室內(nèi)模型試驗(yàn)

1.1 地形地貌

豫西澠池縣槐扒滑坡如圖1所示，該滑波主要是由持續(xù)的強(qiáng)降雨和人類(lèi)活動(dòng)的影響引起的古滑坡復(fù)活?；鲁蕱|南高、西北低的地形，滑坡形態(tài)呈典型的圈椅狀構(gòu)造。主滑動(dòng)方向?yàn)?24°滑坡后緣位于山體北側(cè)臨近頂部的山腰處，高程約為390～426 m，存在明顯的張拉裂縫，形成15～20 m的土坎?；麻L(zhǎng)約為495 m，滑體寬約為526 m，平均厚度約為20 m?；虑熬墝挾燃s為280 m，滑坡面積約為20萬(wàn)m2，屬于大中型巖土質(zhì)滑坡。坡腳為鋁土礦的開(kāi)挖區(qū)，礦區(qū)開(kāi)采破壞了原有的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。該事件作為模型試驗(yàn)的參考：基巖與堆積體接觸面呈30°保持不變，這與該地區(qū)多數(shù)降雨滑坡平均坡度保持一致。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

降雨模型試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。主要是由模型箱和降雨控制系統(tǒng)組成，模型的長(zhǎng)、寬、高分別為1.73 m、1.00 m、1.00 m。該滑坡模型由上覆堆積層和基巖組成，不考慮基巖的滑動(dòng)變形?；鶐r為順傾層狀結(jié)構(gòu)邊坡模型，由加氣磚砌筑而成，基覆界面用水泥砂漿抹面，堆積體邊坡模型在模型箱內(nèi)分層填土構(gòu)成，并用擊實(shí)器擊實(shí)，降雨強(qiáng)度為30 mm/連續(xù)降雨3 h（當(dāng)?shù)匕l(fā)出紅色預(yù)警時(shí)的降雨量）。

利用孔隙水壓力計(jì)和三維激光掃描儀獲取各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。孔隙水壓力計(jì)為DMKY型，量程為0～10 kPa、規(guī)格為15.8 mm×21 mm、分辨率為0.01 kPa；三維激光掃描儀能準(zhǔn)確地獲取掃描對(duì)象的位置信息，水平方向可以?huà)呙?60°，豎直方向可以?huà)呙?70°，掃描精度為±1 mm。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中采用定時(shí)拍照來(lái)獲取滑坡表面裂縫形成及演化過(guò)程，搭建的模型及孔隙壓力測(cè)試位置，如圖3所示。

模型試驗(yàn)材料堆積層取自河南省槐扒滑坡附近斜坡的滑帶土，主要成分為粉土。級(jí)配曲線(xiàn)如圖4所示。通過(guò)直剪實(shí)驗(yàn)和滲透實(shí)驗(yàn)獲得了物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。試驗(yàn)用土經(jīng)過(guò)晾曬、篩分、攪拌和稱(chēng)量，均勻的分層壓實(shí)在模型箱內(nèi)，使模型邊坡達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)厚度。試驗(yàn)控制其重度為17 N/cm3與天然狀態(tài)容重一致。

2 試驗(yàn)

2.1 坡面變化

模型試驗(yàn)總耗時(shí)140 min，滑坡的發(fā)展過(guò)程如圖5所示。隨著降雨持續(xù)堆積體顏色逐漸加深，25 min左右雨水到達(dá)基巖面，降雨38 min時(shí)觀察到模型右側(cè)出現(xiàn)裂縫約15 cm。降雨46 min時(shí)，坡中出現(xiàn)水平方向裂縫，長(zhǎng)約35 cm、寬約1～2 cm，裂縫距后緣75 cm；降雨92 min時(shí)坡腳出現(xiàn)拉裂縫，坡腳拉裂縫距后緣1 m，坡腳沿著靠近下部的裂縫發(fā)生第一次滑動(dòng)；降雨99 min時(shí)坡中拉裂縫擴(kuò)大至8 cm，隨后坡體沿著中間的拉裂縫發(fā)生第二次滑動(dòng)，同時(shí)后緣55 cm處出現(xiàn)第三條拉裂縫；降雨112 min時(shí)，后緣拉裂縫不斷增多，僅2 min堆積體邊坡整體破壞?；陆?jīng)歷了緩慢生長(zhǎng)、加速生長(zhǎng)、快速破壞三個(gè)階段。

試驗(yàn)中坡腳最先出現(xiàn)拉裂縫發(fā)生破壞，裂縫逐漸向上生長(zhǎng)變多，邊坡裂縫持續(xù)變大最終邊坡坍塌破壞。堆積在坡腳與水平向的裂縫形成臺(tái)階狀坡面，其破壞方式為牽引式滑動(dòng)破壞，如圖6所示。

2.2 坡面位移響應(yīng)

運(yùn)用三維激光掃描儀監(jiān)測(cè)水平和豎向位移變化，如圖7所示。降雨60 min坡面兩側(cè)發(fā)生1～4 cm豎直方向的沉降；持續(xù)降雨至90 min時(shí)，坡腳首先變形在豎直方向上出現(xiàn)4～5 cm的沉降。隨后99 min時(shí)坡中沉降約10 cm，坡頂出現(xiàn)4～6 cm沉降變形。隨著降雨的持續(xù)坡中和坡腳分別出現(xiàn)超過(guò)10 cm的沉降和隆起，坡腳破壞導(dǎo)致坡中拉裂縫擴(kuò)大，后緣邊坡失去支撐向下蠕動(dòng)；112 min后緣邊坡整體沉降約15 cm，堆積體邊坡最大沉降量為20 cm。位移云圖可知裂縫由坡腳裂縫向上持續(xù)生長(zhǎng)呈多級(jí)后退現(xiàn)象，邊坡失去支撐最終整體破壞。

位移特征點(diǎn)隨時(shí)間變化情況，如圖8所示。降雨初期，僅有坡腳發(fā)生了1～4 cm豎向位移變化，坡腳最先飽和基質(zhì)吸力減小較快［11］，阻滑力變小坡腳隆起。裂縫發(fā)展階段：雨水的沖蝕作用帶走了邊坡中的細(xì)顆粒坡腳最先破壞，坡腳豎向位移出現(xiàn)先下降再上升的現(xiàn)象。坡頂?shù)南蛳氯鋭?dòng)和坡腳破壞導(dǎo)致坡中豎向位移先上升隨后中隨之下降。降雨46 min坡中開(kāi)始產(chǎn)生的水平向裂縫，隨著裂縫生長(zhǎng)，坡中水平位移逐漸增大?；掳l(fā)生階段：降雨前90 min內(nèi)各部分位移變化較小，此后位移變化呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，在此期間裂縫不斷發(fā)展邊坡整體發(fā)生破壞。

2.3 孔隙水壓力變化過(guò)程

孔隙水壓力變化過(guò)程，如圖9所示.降雨浸潤(rùn)階段：堆積體緩慢沉降密實(shí)但孔隙水壓力變化不大。裂縫發(fā)展階段：裂縫增多雨水入滲加快，堆積體內(nèi)部形成滯水層，孔隙水壓力持續(xù)升高，但由于雨水的沖蝕帶走了坡內(nèi)細(xì)粒結(jié)構(gòu)并形成了新的滲流通道，因此坡腳孔隙水壓力表現(xiàn)為先上升后下降?；掳l(fā)生階段：110 min時(shí)坡腳發(fā)生第二次滑動(dòng)堆積體內(nèi)部孔隙水釋放引起壓力變小。后緣邊坡下滑在坡中堆積，坡中孔隙水壓力表現(xiàn)為一直增大。坡頂孔隙水壓力在整體破壞前與坡腳孔隙水壓力基本一致，滑坡發(fā)生后傳感器隨堆積體一起向下滑動(dòng)形成新的滯水層，導(dǎo)致孔隙水壓力再次升高。

3 數(shù)值模擬

3.1 邊界條件及初始條件

在堆積體邊坡試驗(yàn)基礎(chǔ)上，建立非飽和滲流數(shù)值模型分析降雨過(guò)程中隨著雨水入滲堆積體邊坡的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律，如瞬態(tài)的浸潤(rùn)線(xiàn)、孔隙水壓力等變化特征。模型尺寸為1.73 m×1.00 m，水平方向?yàn)閄軸，垂直方向?yàn)閅軸。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)確定模型的邊界條件，通過(guò)設(shè)計(jì)初始水位和最大孔隙水壓力的方式，模擬滑坡初始狀態(tài)的均一分布的基質(zhì)吸力。由于基覆界面以下巖土體滲透系數(shù)相對(duì)較差，因此基覆界面視為不透水邊界，降雨強(qiáng)度為30 mm/h。

3.2 非飽和滲透性函數(shù)的選取

參考GEO-SLOPE軟件內(nèi)置的土水特征曲線(xiàn)模型經(jīng)反復(fù)校核得到滑坡模型土水特征曲線(xiàn)，本研究主要采用Fredlund & Xing方法確定非飽和滲透系數(shù)［12］模型土水特征曲線(xiàn)擬合參數(shù)：a=40 kPa（進(jìn)氣值），n=1（形狀參數(shù)），m=0.8（形狀參數(shù)），WCsat=0.4（飽和體積含水量）。滑坡體的土水特征曲線(xiàn)如圖10所示。

3.3 降雨入滲分析

邊坡孔隙水壓力變化情況如圖11所示，負(fù)孔隙水壓力趨于0的等值線(xiàn)，為邊坡暫態(tài)的浸潤(rùn)線(xiàn)，基質(zhì)吸力基本喪失。降雨初期：邊坡飽和度低、入滲量大。30 min后，浸潤(rùn)線(xiàn)已經(jīng)到達(dá)基巖面，坡角巖土體被浸泡變軟同時(shí)細(xì)顆粒也被雨水沖蝕帶走強(qiáng)度快速下降。裂縫發(fā)展階段：隨著降雨量的增加，使得邊坡內(nèi)部非飽和區(qū)域不斷縮小，暫態(tài)的潤(rùn)線(xiàn)向上部和邊坡內(nèi)部蔓延，坡腳的破壞和邊坡重度增加使得下滑力增大向下蠕動(dòng)，坡中和坡頂裂縫持續(xù)生長(zhǎng)。發(fā)生階段：降雨90 min后邊坡整體飽和度較高，入滲減少降雨以坡面徑流和坡內(nèi)滲流為主，降雨120 min后邊坡基本飽和，這與模型試驗(yàn)結(jié)果一致。

降雨入滲導(dǎo)致邊坡應(yīng)力狀態(tài)不斷變化，有效應(yīng)力降低是邊坡失穩(wěn)的主要原因，堆積體邊坡有效應(yīng)力隨降雨時(shí)間的變化過(guò)程如圖12所示，邊坡含水量增加、基質(zhì)吸力降低，邊坡有效應(yīng)力也隨之降低，邊坡發(fā)生破壞時(shí)有效應(yīng)力降低至6 kPa以?xún)?nèi)。

如圖13所示，降雨140 min后此時(shí)邊坡的位移降至最大，邊坡整體發(fā)生變形不多因此只給出了顯著變化的位移場(chǎng)，其中坡中、坡頂位置位移變化最大，與試驗(yàn)監(jiān)測(cè)基本一致，出現(xiàn)較大沉降，最終堆積體邊坡發(fā)生整體破壞。

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)研究得到堆積體邊坡的失穩(wěn)機(jī)理及破壞模式與實(shí)際相符，并得到以下結(jié)論。

①隨著降雨持續(xù)，雨水從坡表入滲，邊坡體積含水量增加，重度、下滑力增大、強(qiáng)度降低；后緣邊坡孔隙水在坡腳聚集，最先飽和發(fā)生破壞，該滑坡為牽引式滑動(dòng)破壞。

②邊坡災(zāi)變過(guò)程可描述為三個(gè)階段。雨水入滲—堆積體邊坡浸潤(rùn)變形階段：堆積體邊坡結(jié)構(gòu)松散、孔隙度大、透水性強(qiáng)，雨水入滲較快，邊坡僅出現(xiàn)微小變形孔隙水壓力變化不大；整體變形發(fā)展階段：邊坡孔隙水壓力、土壓力逐漸增大，自重增加邊坡下滑力增大邊坡不斷擠密，坡腳滑動(dòng)牽引中部出現(xiàn)拉裂縫隨后裂縫不斷增多入滲量增加；滑坡發(fā)生階段：此時(shí)模型達(dá)到失穩(wěn)臨界值，持續(xù)降雨的作用下堆積體浸泡軟化，模型內(nèi)裂縫已經(jīng)基本充水，邊坡內(nèi)賦存滯水層使得孔隙水壓力不斷升高，裂縫不斷發(fā)育直至貫通，后緣邊坡開(kāi)始出現(xiàn)拉裂縫，中部滑動(dòng)帶動(dòng)整體滑動(dòng)；因此其變形破壞過(guò)程可以概括為：坡腳變形破壞—中后部變形發(fā)展—裂縫發(fā)育貫通—滑坡發(fā)生。

③基巖面作為弱透水層，水分聚集在基巖面，由于雨水沖蝕細(xì)顆粒被帶走坡腳強(qiáng)度變低最先破壞，邊坡中上部土體開(kāi)始向下緩慢蠕動(dòng)，邊坡整體發(fā)生變形，有效應(yīng)力降低土體抗剪強(qiáng)度減小，堆積體發(fā)生順層滑動(dòng)。

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