降雨作用下滑坡變形穩(wěn)定性分析

薛世恩，張菊鋒，宋益明

（核工業(yè)湖州勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

邊坡的穩(wěn)定性破壞模式主要可以分為四類，即崩塌、流動(dòng)、傾倒和滑坡?；缕茐氖亲顬槠毡榈淖匀粸?zāi)害，中國(guó)是遭受滑坡災(zāi)害導(dǎo)致人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失最嚴(yán)重的國(guó)家之一[1]?；率且环N作用于自然或工程斜坡的大規(guī)模侵蝕過程，它是指在重力作用下，大量的巖石、碎片或泥土從斜坡上移動(dòng)、滑動(dòng)、墜落的現(xiàn)象，其破壞形式可能是一種也可能是多種不同類型的組合。因此，探明滑坡在破壞過程中所伴隨的控制因素變化，對(duì)預(yù)防坡體整體失穩(wěn)具有重要意義。

邊坡滑動(dòng)的誘因主要來自于三個(gè)方面，一是地震作用導(dǎo)致坡體整體的震動(dòng)破壞；二是人工開挖的影響，當(dāng)開挖深度或開挖位置不合理時(shí)，會(huì)造成局部承載能力低于限值，從而引起滑坡；三是降雨作用，雨水會(huì)對(duì)土體的一系列強(qiáng)度指標(biāo)產(chǎn)生負(fù)面作用，增加滑坡發(fā)生的可能性。雷鳴等[2]采用有限元分析方法，測(cè)試了不同降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)長(zhǎng)對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響，研究結(jié)果表明，滑坡內(nèi)部的滲流場(chǎng)會(huì)因降雨量的增加發(fā)生變化，當(dāng)超過最大載荷能力時(shí)，滑坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。楊帆等[3]研究發(fā)現(xiàn)遞增型降雨雨型對(duì)于滑坡的穩(wěn)定性最為不利。降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)長(zhǎng)以及降雨類型對(duì)于滑坡的影響已被諸多國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究分析，得出的結(jié)論也不近相似[4-6]。

滑坡監(jiān)測(cè)通常是通過不同的技術(shù)手段以達(dá)到可以預(yù)測(cè)滑坡災(zāi)害并管理滑坡的目的[7-8]。王秒茜等[9-10]通過在滑坡上布置監(jiān)測(cè)桿體的方式，監(jiān)測(cè)桿體的角度傾斜來間接表征滑坡的位移變化，收集滑坡災(zāi)害信息。本文采用模擬試驗(yàn)的方法，利用傾角傳感器、孔隙水壓力傳感器和土壓力傳感器來監(jiān)測(cè)滑坡破壞過程中軸向變形、土體應(yīng)力變化情況，分析降雨作用下引起滑坡失穩(wěn)的主要參數(shù)指標(biāo)。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本文采用一系列試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠硌芯拷涤陮?duì)滑坡變形穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)裝置如圖1 所示，主要包括滑坡模型、降雨噴頭和檢測(cè)裝置三個(gè)部分，其中，T1～T4 為4 個(gè)安裝在坡面上用于監(jiān)測(cè)傾角變化的傳感器，孔隙水壓力傳感器和土壓力傳感器分別用P1～P4 和S1～S4 來表示。降雨作用下，滑坡體傾角、應(yīng)力、變形以及坡面形態(tài)等的變化則通過高清照相機(jī)、三位激光掃描儀、傾角傳感器、孔隙水壓力傳感器以及土壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量。

圖1 模型試驗(yàn)裝置

滑坡模型由模型箱、基巖和滑體材料三部分組成。依據(jù)滑坡模型相似理論和相似判據(jù)，并參照某地區(qū)滑坡結(jié)構(gòu)特性對(duì)試驗(yàn)所用模型進(jìn)行等比例縮放。首先，試驗(yàn)用長(zhǎng)1.6m、寬0.6m、高0.5m 的有機(jī)玻璃箱體來充當(dāng)模型箱，基巖采用長(zhǎng)1m、寬0.5m、高0.4m 的鋼板來制作，以滿足其各向同性且無變形的假設(shè)?；鶐r與坡面角度均按該地區(qū)25°的平均坡度來設(shè)定，選用該區(qū)域滑坡原狀粉土來充當(dāng)本模擬試驗(yàn)的滑體材料?；麦w成平行四邊形，底邊長(zhǎng)0.4m、寬0.5m。試驗(yàn)土樣經(jīng)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)得最優(yōu)含水率和最大干密度分別為16%和1.76g/cm3。結(jié)合豫西地區(qū)滑坡密實(shí)度調(diào)查結(jié)果，將實(shí)驗(yàn)中粉土干密度控制在1.52g/cm3。模型材料的粘聚力、內(nèi)摩擦角、滲透系數(shù)等力學(xué)指標(biāo)（表1）則通過篩分試驗(yàn)（圖2）、擊實(shí)試驗(yàn)（圖3）、直剪試驗(yàn)（圖4）可滲透試驗(yàn)來獲取。

表1 試驗(yàn)土體物理力學(xué)參數(shù)

圖2 土顆粒級(jí)配曲線

圖3 擊實(shí)試驗(yàn)曲線

圖4 直接剪切試驗(yàn)曲線

參照該地區(qū)近年來的平均降雨量，試驗(yàn)采用50mm/h 人工降雨的方式來模擬現(xiàn)場(chǎng)降雨?duì)顩r，降雨面積為5m×5m，降雨高度為5m，并由25 個(gè)尺寸不同的噴頭來組成降雨裝置。通過變化工作噴頭組合和壓強(qiáng)來實(shí)現(xiàn)10～240mm/h 范圍內(nèi)連續(xù)雨強(qiáng)的變化，雨滴大小控制在1.5～5mm，降雨均勻度系數(shù)大于0.8，降雨精度±3mm/h。實(shí)驗(yàn)中所使用的傾角傳感器、孔隙水壓力傳感器和土壓力傳感器的測(cè)試參數(shù)如表2所示。

表2 傳感器參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

為研究降雨作用下滑坡體的傾斜變形行為，首先將4 個(gè)帶有直角鐵片的傾角傳感器安裝在坡面上，T1 置于滑坡模型的后緣，T2～T4以210mm 等水平間距安放在破面上，鐵片插入深度為60mm。采用高清照相機(jī)來拍攝坡面的形態(tài)變化，拍攝間隔設(shè)置為10min/次，使用三維激光掃描儀掃描坡面并生成三維地形點(diǎn)云圖，掃描間隔為20min/次，降雨過程共持續(xù)300min?；聝A斜變形可分為沿Y 軸的縱向變形（主滑方向）和沿X軸的橫向變形（垂直于主滑方向），傾角傳感器可同時(shí)監(jiān)測(cè)兩方向的變形數(shù)據(jù)。

孔隙水壓力傳感器P1～P4和微型土壓力傳感器S1～S4的埋置位置與傾角傳感器T1～T4 大體相當(dāng)，均為一個(gè)在滑坡后緣位置（P1、S1）以及三個(gè)在坡面上（P2～P4、S2～S4），其埋深設(shè)定在70mm，兩傳感器間的水平距離控制在160mm 左右。模型上使用的所有監(jiān)測(cè)設(shè)備均聯(lián)網(wǎng)記錄滑坡不同點(diǎn)位在破壞過程中位移、孔隙水壓力和土壓力的變化情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 傾斜變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖5（a）、（b）為傾角傳感器T1～T4的測(cè)試數(shù)據(jù)曲線，從圖中可以看出，4 處監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿X 軸的橫向變形在整個(gè)降雨過程中基本維持在0°上下，變化幅度極小，沿Y 軸方向的傾斜變化曲線在各點(diǎn)處均表現(xiàn)出了明顯的非線性特征，故降雨對(duì)于滑坡變形的影響主要體現(xiàn)在縱向變形。本文依據(jù)變形曲線的斜率變化，將平緩曲線段、較陡曲線段和陡峭曲線段劃為滑坡破壞過程中的三個(gè)階段，即基本穩(wěn)定階段、變形初始階段和滑坡失穩(wěn)階段。在第一階段內(nèi)，由于降雨量相對(duì)較小，雨水的作用還未對(duì)滑坡造成實(shí)質(zhì)性的影響，因此，滑坡整體可處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；進(jìn)入第二階段，降雨滲透量在滑坡內(nèi)部逐步增加，進(jìn)而造成滑坡土體材料強(qiáng)度下降，滑坡前緣會(huì)首先因抗剪強(qiáng)度小于剪應(yīng)力出現(xiàn)局部滑塌破壞，此時(shí)滑坡進(jìn)入初始變形階段，并對(duì)整個(gè)坡體穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響；隨著降雨時(shí)間不斷延長(zhǎng)，第三階段時(shí)，坡腳的局部垮塌會(huì)不斷向中后方延伸，滑坡面積進(jìn)一步增加直至滑坡后緣，結(jié)構(gòu)發(fā)生整體坍塌破壞形態(tài)，滑坡進(jìn)入失穩(wěn)階段。

圖5 滑坡角度-時(shí)間變化曲線

降雨作用下，滑坡后緣（T1 點(diǎn)）基本穩(wěn)定階段持續(xù)時(shí)長(zhǎng)約90min，初始變形階段時(shí)長(zhǎng)跨度約120min，當(dāng)降雨時(shí)間達(dá)到210min 后，曲線斜率急劇上升，滑坡進(jìn)入失穩(wěn)破壞階段。對(duì)比另外三個(gè)安裝于坡面處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)可得，T2～T3 包含100min 的基本穩(wěn)定階段后開始進(jìn)入初始變形階段，而T4 點(diǎn)降雨時(shí)長(zhǎng)達(dá)70min時(shí)，首先進(jìn)入了初始變形階段，且它們進(jìn)入失穩(wěn)破壞階段的時(shí)間點(diǎn)依次為170min、150min 和115min。坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形隨著坡腳水平距離的減小而增加，越靠近坡腳（T4）變形失穩(wěn)破壞越早出現(xiàn)。這是由于在重力和滲透的聯(lián)合作用下，雨水會(huì)首先在坡腳位置處匯集，坡腳土體在雨水侵蝕下有效應(yīng)力降低，抗剪承載力下降，從而導(dǎo)致變形破壞。坡腳土體的垮塌會(huì)使得坡面中上部土樣向下滑動(dòng)，在經(jīng)歷更長(zhǎng)時(shí)間的降雨作用后，坡面整體自下而上均會(huì)逐步表現(xiàn)出變形失穩(wěn)的破壞形態(tài)。

本試驗(yàn)滑坡模型的破壞樣態(tài)呈現(xiàn)出牽引式的破壞，滑坡體從坡腳開始變形坍塌引起滑坡整體抗滑能力的降低，垮塌部分逐步向后上方推移至整個(gè)滑坡面，最終導(dǎo)致坡體整體失穩(wěn)破壞。根據(jù)角度-時(shí)間曲線，坡體在不同階段時(shí)的曲線斜率有著非常明顯的變化特點(diǎn)，穩(wěn)定階段斜率接近為0，初始變形階段斜率緩慢增加接近直線，失穩(wěn)破壞階段曲線斜率快速增加近似指數(shù)變化。因此，通過傾角傳感器來監(jiān)測(cè)滑坡在降雨條件下的軸向位移并以角度-時(shí)間曲線的斜率變化模式來預(yù)測(cè)滑坡處于何種破壞階段，可將傾角變形曲線斜率以近似直線變化時(shí)作為滑坡初始變形的預(yù)警，此時(shí)應(yīng)實(shí)施一些加固坡體的措施來避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體失穩(wěn)破壞。

2.2 孔隙水壓力變化監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖6為模擬試驗(yàn)過程中，預(yù)先埋置的四處孔隙水壓力傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，坡面孔隙水壓力的變化可以大致分為三個(gè)部分，即平滑段、加速上升段和快速下降段。

圖6 滑坡P1-P4點(diǎn)孔隙水壓力變化過程

降雨初期，P1～P4 點(diǎn)孔隙水壓力均保持在0kPa 左右，早期由于降雨量較小，土顆?？紫吨袝?huì)存在一定量的空氣，導(dǎo)致滑坡體不能形成通暢的滲透通道，從而使得土體內(nèi)部孔隙水壓力為產(chǎn)生變化；當(dāng)降雨時(shí)長(zhǎng)達(dá)到約75min 時(shí)，P4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的孔隙水壓力首先急速上升，20min 后便從0kPa 增長(zhǎng)到了0.8kPa，此降雨時(shí)間跨度內(nèi)，坡腳變形增加，穩(wěn)定性降低，這是由于當(dāng)降雨量繼續(xù)增加時(shí)，土粒中的孔隙會(huì)逐漸被雨水所填充使土體從非飽和狀態(tài)向飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變，滲透系數(shù)進(jìn)一步增加，因此，孔隙水壓力表現(xiàn)出快速增加的變化情況；降雨時(shí)長(zhǎng)為115min 時(shí)，坡腳進(jìn)入變形失穩(wěn)狀態(tài)，土體內(nèi)部孔隙水壓力呈快速下降的變化規(guī)律，此時(shí)間點(diǎn)與傾角傳感器T4 所監(jiān)測(cè)滑坡表現(xiàn)為失穩(wěn)破壞相一致?？紫端畨毫ρ杆傧陆悼蓺w因于過多的雨水含量導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度的持續(xù)降低，直至小于所承受的剪應(yīng)力時(shí)，滑坡表現(xiàn)失穩(wěn)滑動(dòng)狀態(tài)，內(nèi)部孔隙水壓力得到釋放，從而孔隙水壓力呈現(xiàn)快速下降的趨勢(shì)。

P2 和P3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于滑坡面中部位置，這兩點(diǎn)處的孔隙水壓力變化時(shí)間點(diǎn)比較接近，當(dāng)降雨時(shí)間為95min時(shí)，坡腳監(jiān)測(cè)點(diǎn)（P4）孔隙水壓力曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，說明坡腳基本結(jié)束了變形初始階段，坡腳處的土體粘聚力降低，縱向變形增加，土體向下滑動(dòng)。此時(shí)，P2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力加速上升，滑坡中上部進(jìn)入初始變形階段，P3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)也在緊接著的10min后進(jìn)入滑動(dòng)變形狀態(tài)，滑坡整體表現(xiàn)出初始蠕滑階段。降雨強(qiáng)度繼續(xù)增加，雨水滲透土體量不斷增多，滑坡進(jìn)入坍塌失穩(wěn)部分逐步從滑坡坡腳向滑坡后緣擴(kuò)展延伸，在降雨150min 左右，滑坡后緣孔隙水壓力也開始加速上升，變形特征開始呈現(xiàn)。降雨試驗(yàn)進(jìn)行到180min時(shí)，P1～P4監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力均已表現(xiàn)出加速下降的狀態(tài)，此時(shí)，坡面整體的滑動(dòng)破壞已無法避免。

2.3 土壓力變化監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖7為滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)S1～S4 處土壓力隨降雨時(shí)間的變化曲線，從圖中可以看出，S3 和S4 的土壓力變化較為明顯，而S1 和S2 的土壓力變化僅較有小幅度的增加。降雨過程中土壓力的增加來自兩個(gè)方面，一是持續(xù)降雨會(huì)使得土體內(nèi)部的含水量不斷增加，坡體的重度會(huì)得到提高，導(dǎo)致土壓力緩慢增加；二是土體的滑動(dòng)擠壓作用，坡腳在降雨條件下會(huì)發(fā)生變形坍塌，此時(shí)坡腳的土體已不能抵抗滑坡上面土體的下滑作用，坡體便會(huì)自下而上層層向下滑移，越靠近下部的土體越會(huì)被更多上面滑動(dòng)的土體所擠壓，進(jìn)而增加土壓力。

圖7 滑坡S1～S4點(diǎn)土壓力壓力變化過程

150min 時(shí)，S3 和S4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處土壓力開始呈現(xiàn)較明顯上升規(guī)律，結(jié)合圖6滑坡孔隙水壓力的變化曲線可知，當(dāng)降雨時(shí)間達(dá)150min 左右時(shí)，P3 點(diǎn)已表現(xiàn)出完全失穩(wěn)破壞樣態(tài)，P4 點(diǎn)也處于失穩(wěn)破壞階段，變形坍塌導(dǎo)致上方土體向下方的滑動(dòng)，加大了土壓力。S3 點(diǎn)土壓力的增加可歸因于S1 和S2 兩部分土體的聯(lián)合作用效果，而S4 點(diǎn)土壓力的增加則可以認(rèn)為是S1、S2 和S3 三部分土體的聯(lián)合擠壓作用。因此，S4 曲線比S3 曲線增加的幅度更大，降雨作用下，由于更多土體的滑動(dòng)擠壓作用，坡腳土壓力會(huì)明顯高于滑坡其他區(qū)域。

結(jié)合傾角傳感器監(jiān)測(cè)的滑坡傾斜變形和坡體孔隙水壓力和土壓力傳感器監(jiān)測(cè)的應(yīng)力變化結(jié)果可得，坡腳處的應(yīng)力變形最大，且越靠近滑坡后緣結(jié)構(gòu)破壞時(shí)限越久。模擬試驗(yàn)中所設(shè)置的三個(gè)監(jiān)測(cè)量具有很好的關(guān)聯(lián)性，結(jié)合三個(gè)物理量的變化規(guī)律特性可用于預(yù)測(cè)與判斷坡體發(fā)生滑動(dòng)的信息，具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。

3 結(jié)論

本文通過工程地質(zhì)學(xué)模擬試驗(yàn)方法，以某地區(qū)工程地質(zhì)條件和邊界條件為基礎(chǔ)，并結(jié)合人工降雨的方式，通過測(cè)試滑坡體在持續(xù)降雨過程中四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的傾斜變形、孔隙水壓力以及土壓力的變化，分析滑坡體的變形及穩(wěn)定性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)論如下。

①傾角傳感器對(duì)于監(jiān)測(cè)滑坡體的橫向變形和縱向變形具有很好的適用性，滑坡在降雨作用下的變形主要為Y 軸方向的縱向變形，橫向變形可以忽略不計(jì)。

②根據(jù)角度-時(shí)間變化曲線可將滑坡破壞分為三個(gè)階段，即基本穩(wěn)定階段、變形初始階段以及變形失穩(wěn)階段。穩(wěn)定階段角度-時(shí)間曲線斜率為0，變形初始階段斜率近似為直線，變形失穩(wěn)階段曲線斜率近似指數(shù)分布。

③土體的孔隙水壓力變化可分為三個(gè)階段，即平穩(wěn)階段、加速上升階段和加速下降階段。降雨前半段，土顆粒內(nèi)部含水量增加導(dǎo)致孔隙水壓力變大；降雨后期，土體失穩(wěn)破壞后孔隙水壓力加速釋放。

④坡體在降雨作用下靠近坡腳位置處的土體所承受的土壓力會(huì)明顯增加，這是由于滑坡下部會(huì)先于上部發(fā)生變形坍塌破壞，滑坡土體整體向下滑移產(chǎn)生擠壓作用，導(dǎo)致下部區(qū)域土壓力更大。

⑤利用傾角變形、孔隙水壓力變化和土壓力變化來進(jìn)行降雨條件下滑坡變形穩(wěn)定性分析時(shí)，同一破壞現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)在三種測(cè)試指標(biāo)下均可相互應(yīng)驗(yàn)，滑坡土體變形失穩(wěn)演化過程的評(píng)價(jià)可以通過此三個(gè)測(cè)試指標(biāo)來完成。