基于大型物理模型試驗(yàn)的強(qiáng)降雨誘發(fā)全風(fēng)化花崗巖滑坡失穩(wěn)分析

劉洪華,武聞?dòng)?王志朋,于鵬,周曉雪,劉瑞軍,劉紅軍

(1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266100; 2.青島地質(zhì)工程勘察院(青島地質(zhì)勘查開發(fā)局),青島 266100; 3.自然資源部濱海城市地下空間地質(zhì)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266100; 4.青島市嶗山區(qū)北宅街道,青島 266000)

滑坡是最為常見的地質(zhì)災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計(jì),2021年中國共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害4 772起,其中滑坡2 335起,占比近一半,對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成重大威脅。誘發(fā)滑坡的因素主要包括地形地貌、巖土類型、地質(zhì)構(gòu)造等內(nèi)在條件和降雨、地震、人為開挖或堆載等外力作用[1]。

在外力作用方面,降雨是誘發(fā)滑坡最主要的因素[2]。近年來極端性強(qiáng)降雨頻發(fā),2021年,中國共發(fā)生42次強(qiáng)降雨過程,面降水量659 mm,諸如2021年7月河南暴雨和10月山西暴雨等極端強(qiáng)降雨天氣嚴(yán)重影響邊坡穩(wěn)定性[3]。高強(qiáng)度降雨使雨水大量入滲坡體,改變了巖土滲流場,軟化了巖土體,使其強(qiáng)度降低造成失穩(wěn)。相關(guān)學(xué)者通過設(shè)置不同的邊坡條件,包括不同的邊坡形態(tài)[4],坡度[5],壓實(shí)度[6],初始含水率[7],庫水漲落聯(lián)合作用[8]等等,從降雨誘發(fā)滑坡的啟動(dòng)機(jī)制[9]、降雨入滲規(guī)律[10]、變形特征[11]、破壞機(jī)制[12]等多個(gè)角度進(jìn)行了研究。如王守甲[13]以四種能夠反映破壞模式的降雨類型為控制條件,探究了邊坡位移和垂直位移方向率不同的分布規(guī)律,得到了失穩(wěn)預(yù)警的時(shí)間和閾值。張率寧[14]、崔富杰[15]和Chinkulkijniwat等[16]分別分析了降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)以及降雨類型等因素對(duì)邊坡的滲流和穩(wěn)定性的影響;Troncone等[17]和Liu等[18]進(jìn)一步提出了降雨誘發(fā)滑坡運(yùn)動(dòng)的預(yù)測模型。

在內(nèi)在條件方面,土體性質(zhì)是最重要的內(nèi)因[19]。花崗巖巖土特性穩(wěn)定,強(qiáng)度較高,風(fēng)化會(huì)令其抗剪強(qiáng)度大大降低。主流研究發(fā)現(xiàn)花崗巖滑坡的大多發(fā)生在全風(fēng)化帶,其已經(jīng)完全風(fēng)化成礫質(zhì)黏性土狀,工程力學(xué)條件差,在降雨條件下,土體內(nèi)飽和度變化進(jìn)一步引發(fā)失穩(wěn)[20]。如劉廣寧等[21]引入流體力學(xué)相似原理以韋伯準(zhǔn)則作為降雨相似標(biāo)準(zhǔn),分析了全-強(qiáng)花崗巖邊坡對(duì)降雨入滲的響應(yīng)規(guī)律。胡華[22]從細(xì)觀角度研究了強(qiáng)降雨條件下花崗巖殘積土邊坡模型坡體的細(xì)觀滑移規(guī)律。馮文凱等[23]通過原位降雨物理模擬試驗(yàn),探究了強(qiáng)烈風(fēng)化地區(qū)滑坡的成災(zāi)機(jī)理。

在對(duì)強(qiáng)烈風(fēng)化巖地區(qū)降雨誘發(fā)滑坡的研究中,室內(nèi)模型試驗(yàn)是較為常用的方法[24]。然而當(dāng)前研究中多采用小型模型箱,考慮到比尺效應(yīng),試驗(yàn)數(shù)據(jù)難以反映真實(shí)條件下的結(jié)果。另外,雨強(qiáng)大小是當(dāng)前研究中的主控因素,而大多數(shù)研究將降雨強(qiáng)度設(shè)置為小雨、中雨、暴雨,未考慮五十年一遇極端降雨的情況?；诖?現(xiàn)以強(qiáng)烈風(fēng)化巖地區(qū)返嶺前滑坡為實(shí)例,在系統(tǒng)分析試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)條件和降雨特征的基礎(chǔ)上,進(jìn)行三組不同降雨條件下的大尺度室內(nèi)模型試驗(yàn),分析不同降雨模式下邊坡土體對(duì)降雨入滲的響應(yīng)規(guī)律、變形過程與破壞模式。總結(jié)強(qiáng)烈風(fēng)化地區(qū)極端降雨誘發(fā)花崗巖類滑坡的機(jī)理與降雨成災(zāi)過程,以期為該類地區(qū)的滑坡預(yù)警與防治提供參考。

1 滑坡概括

返嶺前滑坡位于青島市嶗山風(fēng)景區(qū)返嶺前村,地貌類型為構(gòu)造剝蝕的低山區(qū),總體地形為前緣較緩,中后部較陡的斜坡地形(圖1)。返嶺前滑坡屬于類土質(zhì)滑坡(滑面在全風(fēng)化花崗巖中),平面面積約4.04×104m2,滑體平均厚度12 m,體積約 48.48×104m3,為中型滑坡;前緣高程 3～5 m,距離海面 5～10 m;后緣高程55～85 m,順公路長度 290 m?；潞缶墳榛鶐r與第四系分界線,剪出口為殘破積邊界。滑坡整體坡度較陡,平均坡度為 23°,坡向與滑坡方向均為130°～140°,區(qū)內(nèi)發(fā)育三條沖溝。

圖1 滑坡地理概況

通過現(xiàn)場踏勘,并結(jié)合鉆探、物探的實(shí)際情況,將滑帶定為全風(fēng)化花崗巖,位于全風(fēng)化層之中(圖2)。全風(fēng)化花崗巖呈砂狀,手捏易碎,遇水極易軟化、崩解,透水性較強(qiáng),原巖結(jié)構(gòu)不易辨認(rèn)。第四系殘、崩坡積物厚度4.3～5.7 m,全風(fēng)化花崗巖層厚度1.5～10.8 m,強(qiáng)風(fēng)化花崗巖厚度2～6.3 m。

圖2 工程地質(zhì)剖面圖

2020年7月23日,受強(qiáng)降雨影響,該處滑坡發(fā)生滑動(dòng),滑坡體掩埋了坡腳處旅游專用道路(S212),沖毀了旅游專用路東側(cè)的停車場,造成3輛汽車被掩埋,幸未造成人員傷亡。根據(jù)資料顯示,區(qū)內(nèi)降雨集中在5—8月(圖3)。

圖3 研究區(qū)降雨資料(2020年)

發(fā)生滑坡前一周內(nèi)連續(xù)降雨近4 d,其中7月22日單日降雨175.96 mm,為典型的降雨誘發(fā)滑坡(圖4)。選取該滑坡為研究對(duì)象,開展降雨作用下滑坡模型試驗(yàn)研究,對(duì)揭示風(fēng)化程度較高巖質(zhì)邊坡地區(qū)降雨誘發(fā)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的演化規(guī)律及邊坡失穩(wěn)機(jī)制具有重要意義。

圖4 降雨時(shí)序圖(2020年7月)

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

2.1 模型設(shè)置

據(jù)返嶺前滑坡特征分析,為研究全風(fēng)化花崗巖地層滑動(dòng)及不同降雨條件下入滲響應(yīng)規(guī)律、變形過程與破壞模式,選擇已經(jīng)發(fā)生滑坡的主滑斷面作為試驗(yàn)剖面,模擬范圍為由全風(fēng)化花崗巖和表層殘積土構(gòu)成的滑體,其尖滅點(diǎn)至滑坡后緣出口,模擬高度為75 m,模擬長度為210 m。

本模型試驗(yàn)采用三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大型滑坡模擬實(shí)驗(yàn)裝置(圖5),主體采用鋼架強(qiáng)化玻璃箱,箱體長8 m,高3.5 m,寬 0.8 m。為便于數(shù)據(jù)的觀測,模型箱剖面方向上透明且布有5 cm×5 cm 方格網(wǎng)。試驗(yàn)箱上方安裝定水頭降雨裝置用于模擬不同的降雨強(qiáng)度。試驗(yàn)箱下方安裝液壓升降系統(tǒng)用于根據(jù)滑坡的地形條件控制坡高,模擬出自然坡度。

圖5 滑坡物理模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.2 相似比及材料參數(shù)

物理模型試驗(yàn)中模型材料的選取至關(guān)重要,其物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)應(yīng)與原型巖土特性參數(shù)對(duì)應(yīng)或相似。依據(jù)相似三原則——幾何相似、物理性質(zhì)相似及力學(xué)條件相似,確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀蜗嗨票菴l=1∶30。根據(jù)相似原理,材料特性其他物理參數(shù)選取如表1。

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)與相似比

野外調(diào)查表明,返嶺前滑坡滑體淺表層含水量較低,表層殘積土和全風(fēng)化花崗巖地層水土特性極為相似,降雨入滲主要沿著空隙滲入到強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層(不透水界面),誘發(fā)了滑坡。因此,模擬時(shí)將表層殘積土與全風(fēng)化花崗巖一同考慮為滑體?；w土的力學(xué)參數(shù)和水土特性等參數(shù)相似比極為重要,故試驗(yàn)滑動(dòng)層飽和滲透采用工程地質(zhì)類比法,即采用地層巖性、顆粒粒徑比、含水量等綜合確定。由于滑床為不透水的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層,降雨時(shí)地下水沿滑動(dòng)面流動(dòng),滑帶土?xí)M(jìn)一步飽和,c和φ將進(jìn)一步降低。本實(shí)驗(yàn)除滿足土工模型試驗(yàn)的相似性外,仍應(yīng)考慮降雨入滲相似性,在參考肖捷夫[25]對(duì)滑坡相似材料配比的敏感性研究和朱權(quán)威等[26]對(duì)巖質(zhì)邊坡的滲流研究后,確定滑坡物理模型所用相似材料配比,其中滑帶土材料采用滑體土與玻璃珠配比結(jié)合,見表2。

表2 滑坡相似材料配比

2.3 模型制作

如圖6所示,采用基準(zhǔn)配合比配制模型材料后,進(jìn)行滑坡物理模擬模型的制作。

(1)滑床制作:由于滑床為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,滲透性極低,采用C30水泥混凝土砌成長7.84 m、高2.46 m、坡度約為21°的直角楔體以模擬不透水的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層,底層以方磚填充。

(2)滑帶制作:在滑床表面先鋪設(shè)一層牛皮紙,然后鋪設(shè)厚度約1～2 cm的滑帶土層,采用疊瓦式自滑坡體后緣向前緣鋪設(shè),從坡頂尖滅點(diǎn)向坡腳處逐漸增厚,以模型箱兩側(cè)方格線確定厚度,鋪好后擊實(shí)。

(3)滑體制作:按照主滑動(dòng)面地質(zhì)剖面圖同比縮小滑體厚度,以模型箱兩側(cè)方格線確定模型厚度,定量配置滑體土分層鋪設(shè)并擊實(shí),最后鋪設(shè)成一個(gè)完整的滑坡模擬體。

2.4 監(jiān)測點(diǎn)布置

如圖7所示為本次試驗(yàn)使用的多種數(shù)據(jù)采集儀器,為確保監(jiān)測降雨滑坡整體變形破壞特征,分析降雨時(shí)土體水土特性對(duì)滑坡破壞的影響,分別在坡體前、中、后緣布置3個(gè)主監(jiān)測面,并在前中段,中后段布置2個(gè)副監(jiān)測面。在主監(jiān)測面土表埋置位移傳感器和土壓力傳感器,在所有監(jiān)測面的土表和土底均埋設(shè)孔隙水壓力和水分傳感器。布置孔隙水壓力傳感器時(shí)在正上方鋪設(shè)厚0.5 cm的標(biāo)準(zhǔn)砂以減小土顆粒對(duì)傳感器的影響;布置土壓力傳感器時(shí)應(yīng)垂直于試驗(yàn)?zāi)Ｐ突瑒?dòng)方向豎立埋設(shè),并由馬鞍座固定。最后通過數(shù)據(jù)采集儀隔固定時(shí)間采集數(shù)據(jù)。布置如表3及圖8所示。

表3 儀器明細(xì)

圖7 監(jiān)測儀器

圖8 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

2.5 降雨模擬方案

根據(jù)青島嶗山的水文氣象資料,對(duì)返嶺前滑坡區(qū)域的降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析:原型滑坡2007年8月11日達(dá)到50年一遇的降雨強(qiáng)度,為64 mm/h,于2020年7月22日2:00—23:00 連續(xù)降雨21 h,累計(jì)降雨量175.96 mm。根據(jù)相似比原則,以降雨強(qiáng)度作為控制因素,綜合考量降雨量并進(jìn)行修正,重現(xiàn)50年一遇以及2020年導(dǎo)致滑坡發(fā)生的降雨條件,確定了可能誘發(fā)滑坡過程的三組不同降雨條件作為試驗(yàn)方案如表4所示。其中分組N1～N3分別為50年一遇(連續(xù))、大暴雨(連續(xù))、暴雨(連續(xù))。

表4 模型降雨方案

試驗(yàn)采用連續(xù)降雨的方式,模型材料的重度通過對(duì)材料稱重除以堆積體體積進(jìn)行控制,含水率通過在填土過程中均勻噴淋加以控制。先用雨布遮住模型啟動(dòng)定水頭降雨系統(tǒng),待降雨均勻并達(dá)到設(shè)計(jì)雨強(qiáng)時(shí)后才打開雨布開始計(jì)時(shí)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 位移監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果分析

圖9為不同降雨工況下各個(gè)位移監(jiān)測點(diǎn)的時(shí)程曲線,由此分析地表變形對(duì)降雨入滲的響應(yīng)過程。

圖9 降雨-地表變形的響應(yīng)過程曲線

(1)在不同降雨強(qiáng)度條件下,各監(jiān)測點(diǎn)的位移變化趨勢(shì)基本一致。隨著降雨的進(jìn)行,雨水沿孔隙或微裂縫入滲,滑坡體力學(xué)強(qiáng)度降低,位移開始增加,坡體發(fā)生漸近型變形破壞,在降雨結(jié)束時(shí)位移達(dá)到最大值,并逐漸穩(wěn)定。降雨強(qiáng)度越大,地表位移越大,同時(shí)達(dá)到最大值所需時(shí)間越短。其中50年一遇降雨工況下(N1)1.0 h左右坡體失穩(wěn),1.75 h左右位移達(dá)到最大值;大暴雨工況下(N2)1.5 h左右坡體失穩(wěn),2.1 h位移達(dá)到最大值;而暴雨工況下(N3)截至降雨結(jié)束,坡體位移持續(xù)增大。

(2)在不同的降雨強(qiáng)度條件下,由于雨水入滲速率的不同,地表變形有一定的滯后效應(yīng)。降雨強(qiáng)度越大,變形滯后時(shí)間越短,工況N1～N3的滯后效應(yīng)分別為0.4、0.6和1.2 h。

(3)分析變形空間分布規(guī)律,在相同降雨條件下,總是坡腳處最先產(chǎn)生微小變形,坡體后緣和中緣隨后開始變形。當(dāng)坡體破壞完全時(shí),中緣變形速率劇減,而前緣和后緣變形速率轉(zhuǎn)折點(diǎn)相對(duì)滯后。變形量中緣(T2)最大,后緣(T1)次之,坡腳處(T3)最小。

(4)另外,在降雨結(jié)束后地表位移有一定程度的減小,這是因?yàn)楸敬卧囼?yàn)采用拉線式位移傳感器,在降雨過程中雨水對(duì)拉繩的沖擊力及殘留的重力使得測點(diǎn)數(shù)據(jù)偏大,隨著降雨的結(jié)束和殘留雨水的蒸發(fā),拉繩有所回彈造成位移減小。

3.2 應(yīng)力監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 孔隙水壓力

降雨入滲使坡體內(nèi)形成局部飽和區(qū),引起孔隙水壓力變化,圖10為不同降雨工況下各個(gè)孔隙水壓力監(jiān)測點(diǎn)的時(shí)程曲線,由此分析孔隙水壓力對(duì)降雨入滲的響應(yīng)過程。

圖10 降雨-孔隙水壓力的響應(yīng)過程曲線

(1)各測點(diǎn)處孔隙水壓力在不同的降雨強(qiáng)度下的變化曲線趨勢(shì)基本一致,均經(jīng)歷緩慢增大,急速增大,快速下降的過程。試驗(yàn)初期,部分測點(diǎn)孔壓為負(fù),這是因?yàn)榉秋柡屯馏w中土顆粒間的液-氣界面為彎曲面,存在基質(zhì)吸力。隨著降雨的進(jìn)行,土體含水率逐漸增大,土體內(nèi)滲流作用增大,逐漸形成穩(wěn)定的滲流通道,孔壓緩慢增大?；掳l(fā)生前,土體擠壓變形較大,排水不及時(shí)產(chǎn)生超靜孔隙水壓力,使得孔壓激增。坡體整體破壞時(shí),孔隙水得以快速消散,孔壓快速下降。當(dāng)降雨停止后,滲流作用逐漸停止,靜孔隙水壓力逐漸消散,孔壓下降。

(2)在空間規(guī)律上,滑坡體相同深度,不同部位孔壓變化存在差異?；虑熬?P8、P9)和中部(P4、P5、P6、P7)響應(yīng)時(shí)間較短。這是因?yàn)殡S著降雨進(jìn)行,雨水在滑坡前緣、中部匯集,形成地下水位,孔壓率先累積。

(3)對(duì)于相同監(jiān)測剖面,不同深度處孔壓變化亦存在差異。坡體淺表土體水壓力的變化歷史跟水流在垂向裂縫的滲透密切相關(guān),坡體表層(P2、P4、P6、P8)孔壓變化幅度大于內(nèi)部(P1、P3、P5、P7、P9)孔壓。在降雨結(jié)束后,表層孔壓迅速衰減,而內(nèi)部孔壓繼續(xù)上升,存在滯后效應(yīng)。

(4)另外,降雨強(qiáng)度越大(N1>N2>N3),入滲速率提高,滲流作用增強(qiáng),土體飽和時(shí)間縮短,使得孔壓響應(yīng)時(shí)間越短,變化速率越大。

3.2.2 土壓力

圖11為不同降雨工況下各個(gè)土壓力監(jiān)測點(diǎn)的時(shí)程曲線,由此分析土壓力對(duì)降雨入滲的響應(yīng)過程。

圖11 降雨-土壓力的響應(yīng)過程曲線

(1)各測點(diǎn)處土壓力在不同降雨強(qiáng)度下的變化曲線趨勢(shì)基本一致,且與坡體變形發(fā)展及孔隙水壓力變化有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在降雨過程中,土體由非飽和逐漸趨于飽和狀態(tài),土壓傳感器上覆土體由于雨水入滲增大重度,從而增大了土壓力。在這一過程中,坡體表面發(fā)生脹縮效應(yīng),形成拉裂縫,產(chǎn)生雨水入滲的優(yōu)勢(shì)流通道,進(jìn)一步加強(qiáng)滲流作用。降雨結(jié)束后,坡體水分沿滲流通道排除,土體重度減小,土壓力緩慢降低。

(2)結(jié)合坡體變形規(guī)律分析,由于發(fā)生的是漸變型破壞,應(yīng)力重分布使得出現(xiàn)應(yīng)力突變現(xiàn)象。當(dāng)坡體發(fā)生局部和整體破壞時(shí),土體出現(xiàn)垂直方向上的張拉破壞,土壓力出現(xiàn)驟降。坡腳處最先發(fā)生土壓力驟降,中后部垂向土壓力緊隨其后開始減小。

(3)在不同的降雨工況下,降雨強(qiáng)度越大,由入滲導(dǎo)致的土壓力變化越快,趨勢(shì)越明顯。

3.3 含水率監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果分析

圖12為不同降雨工況下各個(gè)含水率監(jiān)測點(diǎn)的時(shí)程曲線,由此分析含水率對(duì)降雨入滲的響應(yīng)過程。

圖12 降雨-含水率的響應(yīng)過程曲線

(1)各測點(diǎn)處土壓力在不同降雨強(qiáng)度下的變化曲線趨勢(shì)基本一致,初始含水率為5.8%～18.3%,均經(jīng)歷緩慢增長,急速增長和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的過程。降雨首先通過坡表孔隙入滲,當(dāng)濕潤鋒達(dá)到監(jiān)測點(diǎn)時(shí)體積含水率上升。隨著降雨的進(jìn)行,坡體變形產(chǎn)生的拉裂縫為降雨入滲提供優(yōu)勢(shì)滲流通道,使得滑坡內(nèi)部含水率迅速上升。

(2)邊坡入滲速度在不同位置處存在差異,坡體后緣與表層監(jiān)測點(diǎn)位比坡體前緣與深部響應(yīng)更為迅速。其中后緣點(diǎn)位(H1、H2、H3)的含水率很快達(dá)到飽和,一是因?yàn)榻涤甑拇怪比霛B,二是因?yàn)榛潞缶壿^陡且厚度較薄,在降雨條件下后緣很快達(dá)到飽和,然后向前浸潤。

(3)在同一監(jiān)測斷面,坡體深部含水率明顯大于表層含水率。這是因?yàn)橛晁?jīng)巖土空隙入滲到達(dá)滑帶附近后(H1、H3、H5、H7、H9)開始聚集并趨于飽和,而坡體表層(H2、H4、H6、H8)則在向下入滲和降雨補(bǔ)給之間達(dá)到平衡后保持穩(wěn)定。

(4)降雨強(qiáng)度越大,含水率增速越大,到達(dá)含水率最大值的時(shí)間越短。

(5)另外,在工況N1和工況N2降雨條件下,坡腳(H8、H9)出現(xiàn)下降,這是因?yàn)橛晁疀_刷破壞了滑坡前緣,致使排泄路徑逐漸增大,坡體儲(chǔ)水能力減弱導(dǎo)致。

4 破壞過程與模式分析

圖13是工況N2條件下滑坡變形過程。根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合各參數(shù)對(duì)降雨入滲的響應(yīng)過程分析,可將降雨誘發(fā)全風(fēng)化花崗巖破壞過程分為以下四個(gè)階段。

圖13 破壞模式圖

(1)浸潤侵蝕階段。在降雨初期,坡面浸潤,土壤表層出現(xiàn)輕微侵蝕破壞[圖13(a)、14(a)]。攜帶動(dòng)能的雨滴落下濺蝕破壞了坡面土粒。降雨使坡面不斷被浸潤,沖刷并帶走坡體表層較松散的土質(zhì),形成多個(gè)沖蝕坑。

(2)表層變形階段。降雨持續(xù)進(jìn)行,沖刷并帶走坡面堆積的松散物質(zhì),強(qiáng)風(fēng)化巖體的高孔隙率使溝內(nèi)水流發(fā)生快速的下蝕及側(cè)蝕作用。同時(shí)土壓和孔隙水壓力增大,出現(xiàn)應(yīng)力重分布,在拉應(yīng)力集中的部位邊裂紋和裂縫形成,并不斷擴(kuò)展[圖13(b)、14(b)]。由此產(chǎn)生的優(yōu)勢(shì)流入滲進(jìn)一步加強(qiáng)了滲流作用。

(3)破壞加深階段。隨著降雨入滲,土體由不飽和狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)為飽和狀態(tài),坡體內(nèi)部開始處于不穩(wěn)定狀態(tài),向臨空面蠕動(dòng)。在雨水沖刷及滲流雙重作用下,前緣坡腳溝頭出現(xiàn)垮塌,坡體在拉應(yīng)力作用下邊裂紋和拉裂縫逐漸加深、貫通[圖14(c)]。這進(jìn)一步使得裂縫周圍土體聯(lián)結(jié)減弱,降低了基質(zhì)吸力,受多條拉裂縫影響的后緣土體,其下滑力超過抗剪強(qiáng)度及有效應(yīng)力,發(fā)生流土破壞,中后緣在上部土體的推移下形成“鼓狀凸起”。同時(shí)由于中緣土體滑動(dòng)速度的差異,呈現(xiàn)“片狀溜滑”現(xiàn)象[圖13(c)、14(d)]。

圖14 變形破壞圖

(4)整體失穩(wěn)階段。隨著降雨持續(xù),地下水位形成,滑坡土體受到托浮力作用,坡面表層土體趨于飽和,坡體的抗滑力減小。其中飽和后的滑帶土為滑坡提供了潛在滑動(dòng)面,坡體發(fā)生整體失穩(wěn)。前緣、中緣發(fā)生“片狀溜滑”,呈“泥石流”狀緩慢向坡腳處堆積,滑坡出現(xiàn)有效臨空面,后緣完全崩解,最終產(chǎn)生了整體的推移式破壞[圖13(d)、14(e)]。這與華南強(qiáng)烈風(fēng)化地區(qū)降雨誘發(fā)滑坡的成災(zāi)特征相似[18]。

5 結(jié)論

基于相似理論,通過合理選取滑坡土體相似材料,監(jiān)測降雨過程中土體參數(shù)的變化進(jìn)行了大型滑坡模型試驗(yàn),探究了全風(fēng)化花崗巖滑坡在不同降雨強(qiáng)度下的失穩(wěn)機(jī)理,分析了坡體變形、土壓、孔隙水壓力及含水率對(duì)降雨入滲的響應(yīng)規(guī)律,其研究成果可為強(qiáng)烈風(fēng)化花崗巖地區(qū)的滑坡預(yù)警與治理提供指導(dǎo)。得到如下主要結(jié)論。

(1)降雨誘發(fā)全風(fēng)化花崗巖滑坡經(jīng)歷了浸潤侵蝕、表層變形、破壞加深和整體失穩(wěn)4個(gè)階段,而非快速的、突然發(fā)生整體破壞。在極端暴雨條件下,坡體前緣、中緣發(fā)生“片狀溜滑”,后緣崩解,滑坡為整體的推移式滑坡。

(2) 在不同降雨強(qiáng)度條件下,坡體發(fā)生漸近型變形破壞,地表變形、坡體土壓、孔隙水壓力和含水率變化有一定的滯后效應(yīng),降雨強(qiáng)度越大,降雨入滲速率越高,土壓力、孔隙水壓力和含水率變化越快,滯后效應(yīng)越弱。

(3)坡體變形破壞與降雨入滲具有一定的空間分布規(guī)律,具體表現(xiàn)為:在相同降雨條件下,坡腳處最先變形,坡體后緣和中緣隨后開始變形,變形量中緣最大,后緣次之,坡腳處最小;孔隙水壓力響應(yīng)則是前緣和中部快于后緣,變化幅度坡體表層大于內(nèi)部;坡體后緣與表層的含水率響應(yīng)快于坡體前緣與深部。