降雨條件下花崗巖殘積土邊坡失穩(wěn)模式及預(yù)警閾值現(xiàn)場試驗(yàn)

李榮華, 何明寧, 江思義, 潘宏堅(jiān)

(廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站, 南寧 530200)

廣西地區(qū)山地丘陵區(qū)域,花崗巖、變質(zhì)巖分布面積大、風(fēng)化強(qiáng)烈、風(fēng)化殘積層厚度大,地質(zhì)環(huán)境條件脆弱,屬斜坡類地質(zhì)災(zāi)害中～高中易發(fā)區(qū)[1-2]。在強(qiáng)降雨沖刷及入滲侵蝕作用下,斜坡更加容易突發(fā)滑坡、崩塌、坡面泥石流等地質(zhì)災(zāi)害,嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷纳?cái)產(chǎn)安全[3-4]。

近年來,潘永亮等[5]和蘇永華等[6]通過建立降雨入滲Green-Ampt數(shù)學(xué)模型,研究了不同降雨強(qiáng)度下邊坡的變形和破壞過程。曾昌祿等[7]和王述紅等[8]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了邊坡的穩(wěn)定性與邊坡坡度、邊坡巖層及降雨強(qiáng)度的關(guān)系。曹碩鵬等[9]和張碩等[10]通過分別開展紅黏土和黃土邊坡降雨入滲及沖刷模型試驗(yàn),研究紅黏土與黃土邊坡的裂隙演化規(guī)律。胡華等[11-12]采用4種不同降雨等級條件下花崗巖殘積土邊坡模型強(qiáng)降雨模擬試驗(yàn),研究降雨強(qiáng)度和邊坡坡度對其破壞模式的影響特性。馬蓓青等[13]和馬強(qiáng)等[14]采用人工降雨裝置進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn),研究了持續(xù)降雨條件下黃土邊坡的穩(wěn)定性,測量土體含水率、密度、滑坡剪切帶位置以及裂縫的發(fā)育等情況。林江宇等[15]和韓廷文等[16]通過采用FLAC3D和GeoStudio等軟件研究了不同降雨條件下巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律。蔣中明等[17]基于飽和非飽和理論,采用FLAC3D軟件研究了軟巖邊坡在極端長期降雨條件下的穩(wěn)定性。史振寧[18]分析了邊坡在降雨過程中滲流場的分布特點(diǎn)及變化規(guī)律。蔡榮坤等[19]以福建省云平高速云霄段花崗巖風(fēng)化層中的某兩級路塹邊坡為例,按照強(qiáng)度折減有限元方法分析了邊坡在一般工況、地下水滲流工況和降雨入滲工況下的邊坡失穩(wěn)滑動模式。劉愛華等[20]、章亮等[21]和楊攀等[22]通過降雨誘發(fā)土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的模型試驗(yàn),探討降雨特性對邊坡失穩(wěn)的影響,并獲取了合適的雨量預(yù)警參數(shù)。李龍起等[23]、張卓等[24]和杜忠原等[25]引入了滲透力的概念,分別通過室內(nèi)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)值分析等方法,研究了含軟弱夾層下巖質(zhì)邊坡在降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性。

上述研究成果表明,在考慮降雨因素下邊坡的穩(wěn)定性分析與降雨強(qiáng)度與邊坡的地質(zhì)條件等因素密切相關(guān),且目前關(guān)于不同降雨強(qiáng)度條件下花崗巖殘積土斜坡的現(xiàn)場試驗(yàn)較少。通過試驗(yàn)獲取不同降雨強(qiáng)度引發(fā)斜坡失穩(wěn)的降雨持續(xù)時間閾值、降雨量閾值、土壤含水率閾值,進(jìn)一步提高氣象地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測準(zhǔn)確度和開展短臨預(yù)警提供關(guān)鍵數(shù)據(jù),為分析研究斜坡穩(wěn)定性、劃分地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、提出防治地質(zhì)災(zāi)害防治措施及方案提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)場地布設(shè)

本次試驗(yàn)的4塊場地,均位于清灣鎮(zhèn)龍城世紀(jì)佳園房地產(chǎn)開發(fā)項(xiàng)目規(guī)劃用地紅線范圍內(nèi)的丘陵坡面上。試驗(yàn)區(qū)位于北流至廣東寶圩二級公路(S215省道)西側(cè)約50 m處,交通較為便利,如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)場地地理位置Fig.1 Geographical location of the test site

試驗(yàn)場地地層巖性由上往下為粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖,邊坡高度為11.5～22 m。

1號試驗(yàn)場地位于南北走向的丘陵西側(cè)坡面南端,坡面斜長L1約30.2 m、平均坡度23°,坡高11.5 m。2號試驗(yàn)場地位于1號場地北側(cè)5 m外,順坡向長23 m、南北向?qū)?5 m、面積約713 m2,坡面斜長L2約26.3 m、平均坡度28.9°,坡高14.5 m。3號試驗(yàn)場地位于2號場地北側(cè)5 m。坡面斜長L3為35 m、平均坡度33°,坡高22 m。場地西部邊緣坡腳為3～5 m高的土質(zhì)邊坡,邊坡為以往修筑灌溉渠道切坡形成,無護(hù)坡及坡面排水設(shè)施。4號試驗(yàn)場地位于三號場地北側(cè)5 m外,大部分位于老滑坡體上,坡面斜長L4約38 m、平均坡度29°,坡高18 m,坡面植被覆蓋率約95%,現(xiàn)場試驗(yàn)場地概況如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場試驗(yàn)場地概況Fig.2 Overview of field test site

1.2 試驗(yàn)方案

為研究不同降雨強(qiáng)度下花崗巖邊坡失穩(wěn)破壞模式,開展了4種不同降雨強(qiáng)度下的邊坡降雨模型試驗(yàn)。通過特大暴雨(175 mm/h)、大暴雨(150 mm/h)、暴雨(125 mm/h)、大雨(75 mm/h)4種降雨強(qiáng)度下的邊坡變形特征和邊坡不同位置處含水率隨時間變化規(guī)律。各場地降雨強(qiáng)度及歷時如表1所示。

表1 模擬試驗(yàn)降雨強(qiáng)度等級與降雨歷時Table 1 Rainfall intensity grade and rainfall duration

測試元件主要包括位移計(jì)與加速度計(jì),分別測量邊坡降雨后的位移與含水率變化規(guī)律。位移主要布設(shè)在各級邊坡的坡頂、坡中、坡腳,其中位移測點(diǎn)布設(shè)在坡表,含水率測試元件布設(shè)在埋深0.8 m處。場地1的位移測點(diǎn)為WY-01～WY-03,加速度計(jì)測點(diǎn)為YL01～YL-03,場地2的位移測點(diǎn)為WY-04～WY-06;含水率測點(diǎn)為YL04～YL-06,場地3、場地4的位移與含水率測點(diǎn)分別為WY-07～WY-12,YL-07～YL-12。測點(diǎn)具體布設(shè)圖如圖3所示。

圖3 各場地位移測點(diǎn)與雨量計(jì)測點(diǎn)布設(shè)圖Fig.3 Layout of displacement measuring points and rainfall measuring points at each site

1.3 試驗(yàn)步驟

本次試驗(yàn)按組進(jìn)行,每個場地進(jìn)行一組試驗(yàn),主要包含場地的基建、設(shè)備的安裝與調(diào)試、噴淋、雨量計(jì)布設(shè)、監(jiān)測及記錄等流程,具體試驗(yàn)方法大致如下。

(1)試驗(yàn)場地基建。采用流量32 m3/h、揚(yáng)程100 m的變頻式潛水泵分組向試驗(yàn)場地連續(xù)供水。

(2)設(shè)備安裝與調(diào)試。包含供電設(shè)備、抽水設(shè)備、照明設(shè)備等。其中選用濰柴動力四缸100 kW三相柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電供抽水設(shè)備用電;采用接220 V民用電源向監(jiān)控、照明設(shè)備連續(xù)供電。采用液晶顯示數(shù)字式渦輪流量計(jì)與自調(diào)式減壓閥相結(jié)合的方法,控制斜坡上的各水平供水管的水壓及流量,使各個噴頭的水壓保持一致,確保模擬降雨分布均勻。

(3)雨量計(jì)布設(shè)。在每塊試驗(yàn)場地上均勻布置3臺雨量監(jiān)測站,實(shí)時監(jiān)測模擬的降雨強(qiáng)度并相互校正,確保模擬的降雨強(qiáng)度符合試驗(yàn)要求。

(4)位移計(jì)布設(shè)。采用桂林賽普電子科技有限公司提供的3臺傾角加速度監(jiān)測儀,分3個位置連續(xù)監(jiān)測斜坡變形及0.8 m深度土壤含水率變化情況;采用上海華測導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司提供的6臺GPS RTK分3個監(jiān)測斷面連續(xù)監(jiān)控監(jiān)測斜坡位移情況。

(5)噴淋試驗(yàn)。采用蝶形自旋式噴頭360°旋轉(zhuǎn)灑水來模擬降雨,試驗(yàn)出口水壓在0.15 MPa,噴頭均勻噴灑水滴的半徑為3.0 m。

(6)監(jiān)測并記錄斜坡變形。采用紅光激光測距儀、自動拉伸式鋼卷尺,拉索松脫式位移報(bào)警器與人工定期、不定期巡視監(jiān)測紀(jì)錄的方式觀測斜坡局部變形情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 位移變化規(guī)律

不同降雨強(qiáng)度條件下(75～175 mm/h),各邊坡不同位置處(坡腳、坡中、坡頂)的位移隨時間變化規(guī)律分別如圖4～圖7所示。

圖4 S1邊坡累計(jì)位移-時間曲線(125 mm/h)Fig.4 Cumulative displacement-time curve of S1 slope (125 mm/h)

圖5 S2邊坡累計(jì)位移-時間曲線(150 mm/h)Fig.5 Cumulative displacement-time curve of S2 slope (150 mm/h)

圖6 S3邊坡累計(jì)位移-時間曲線(175 mm/h)Fig.6 Cumulative displacement curve of S3 (175 mm/h)

圖7 S4邊坡累計(jì)位移-時間曲線(75 mm/h)Fig.7 Cumulative displacement-time curve of S4 slope (75 mm/h)

由圖4～圖7可知,4組邊坡的坡頂、坡中、坡腳累計(jì)位移與時間呈非線性關(guān)系,且不同降雨強(qiáng)度下斜坡的變形均集中在邊坡下部。當(dāng)降雨強(qiáng)度小于125 mm/h,位移-時間曲線呈S形,即先緩慢增大后陡增,最后趨于穩(wěn)定;而當(dāng)降雨強(qiáng)度大于125 mm/h,位移-時間曲線坡腳與坡中位移仍在不斷增加。坡腳位移最大,坡頂與坡中相接近,這是由于坡腳出現(xiàn)部分失穩(wěn),造成整體位移陡增,隨后位移增長速率變緩。

由圖5與圖6可知:當(dāng)降雨強(qiáng)度為150 mm/h與175 mm/h時,兩處邊坡各位置處的位移變化規(guī)律基本相同。其中坡頂位移最先增加,隨后坡中與坡腳幾乎同時增加,而隨著降雨量的增大,邊坡失穩(wěn)趨勢明顯,最終位移變化情況為坡腳最大,坡中次之,坡頂最小。

綜上所述,降雨條件下花崗巖殘積土邊坡的變形顯著位置為坡腳。當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時,坡腳與坡中的位移增長較快,表現(xiàn)為整體滑動模式。

2.2 含水率變化規(guī)律

邊坡不同位置處含水率的變化規(guī)律分別如圖8～圖11。

圖8 S1邊坡不同位置處含水率-時間曲線(125 mm/h)Fig.8 Water-time curve ateach positions of S1 slope (125 mm/h)

由圖8可知:降雨強(qiáng)度為125 mm/h時,試驗(yàn)前,邊坡各位置處土壤含水率均保持在20%左右,但隨著降雨量的增大,各位置處土壤含水率增幅顯著不同,坡腳位置處含水率增幅最大150%。其中,0～20 min,YL-01土壤含水率20%迅速上升到30%左右,并一直維持到試驗(yàn)停止;YL-02土壤含水率迅速上升到40%,一直維持到停止噴淋55 min后;此后1 h內(nèi)開始逐步下降到27%左右。下部監(jiān)測斷面YL-03土壤含水率試驗(yàn)開始后的前27 min,迅速提升到47%,后一直維持在47%～49%,斜坡開始變形時,土壤含水率為49%。

由圖9可知:試驗(yàn)前,3個測點(diǎn)的土壤含水率均保持在20%左右。降雨強(qiáng)度為150 mm/h時,隨著降雨的進(jìn)行含水率先增大后基本保持含水率為30%左右。其中坡頂監(jiān)測斷面土壤含水率試驗(yàn)前20 min內(nèi)由20%迅速上升到30%,并一直維持到試驗(yàn)結(jié)束。中部土壤含水率在噴淋試驗(yàn)在前15 min迅速上升到40%,此后開始逐步下降到27%,并一直維持到試驗(yàn)結(jié)束。下部監(jiān)測斷面土壤含水率在試驗(yàn)開始后的前27 min迅速提升至47%;后一直維持在47%～49%,斜坡開始變形時,土壤含水率為49%,保持3 h后,含水率開始迅速下降到30%左右,到試驗(yàn)停止。

圖9 S2邊坡各位置含水率-時間曲線(150 mm/h)Fig.9 Water-time curve at each position of S2 slope (150 mm/h)

由圖10可知:噴淋試驗(yàn)開始前,2個監(jiān)測斷面的土壤含水率均保持在17%～22%。上部監(jiān)測斷面土壤含水率在噴淋試驗(yàn)后15 min保持在20%;此后12 min即上升到29%,此后26 h一直在26%～30%小幅波動;中部監(jiān)測斷面土壤含水率:在前39 min一直維持在20%左右;此后23 min內(nèi)迅速上升到30%左右,至試驗(yàn)停止后含水率一直在30%～34%波動。下部監(jiān)測斷面土壤含水率在試驗(yàn)開始后的前15 min,一直保持在22%左右,此后在1 h內(nèi)逐步提升到47%～49%。

圖10 S3邊坡各位置處含水率-時間曲線(175 mm/h)Fig.10 Water-time curve at each position of S3 slope (175 mm/h)

由圖11可知:降雨強(qiáng)度為75 mm/h時,試驗(yàn)開始前,3個監(jiān)測斷面的土壤含水率均保持在18%～23%。上部監(jiān)測斷面土壤含水率試驗(yàn)2 h內(nèi)逐步上升到40%并維持至試驗(yàn)結(jié)束;中部監(jiān)測斷面與下部監(jiān)測斷面土壤含水率的變化規(guī)律基本保持一致,均在試驗(yàn)開始后的450 min內(nèi)從17%逐步上升到28%,后在45 min內(nèi)迅速上升至50%。

圖11 S4邊坡各位置處含水率-時間曲線(75 mm/h)Fig.11 Water-time-curve at each position of S4 (75 mm/h)

綜上所述,在降雨作用下,邊坡坡腳處含水率最大、坡中次之、坡頂最小。且邊坡的含水率顯著變化受降雨強(qiáng)度顯著影響。降雨強(qiáng)度為75 mm/h,斜坡下部坡面淺層土壤在130～150 min含水率能從20%顯著上升到40%。而當(dāng)降雨強(qiáng)度大于150 mm/h時,在僅1～2 h即上升到42%～50%,當(dāng)斜坡淺層土壤含水率上升到42%～45%時,斜坡開始出現(xiàn)開裂、蠕動變形等失穩(wěn)征兆;當(dāng)土壤含水率上升到47%～50%時,坡面土體開始崩解并迅速發(fā)生滑坡、崩塌。

2.3 斜坡變形失穩(wěn)特征及演化過程

為探明不同降雨強(qiáng)度下花崗巖殘積土邊坡的失穩(wěn)特征,在監(jiān)測不同強(qiáng)度條件下邊坡各測點(diǎn)的位移與含水率變化率同時,也對不同降雨強(qiáng)度下各邊坡的失穩(wěn)特征進(jìn)行了分析,4組邊坡(S1～S4)最終的失穩(wěn)特征如圖12所示。

圖12 S1～S4邊坡失穩(wěn)特征Fig.12 Instability characteristics of S1～S4 slope

4種不同降雨強(qiáng)度下,斜坡發(fā)生不同失穩(wěn)破壞模式,均表現(xiàn)為漸進(jìn)失效模式,且均在降雨后90～135 min開始發(fā)生顯著變形。各邊坡的失穩(wěn)破壞變形演化過程如下。

由圖12(a)可知:S1邊坡后緣斜坡發(fā)生開裂并迅速擴(kuò)展,裂縫外側(cè)坡體即發(fā)生較大規(guī)模的快速滑坡,表現(xiàn)為“淺層整體滑動與崩塌”。其中滑坡體寬23 m、長約5 m、厚0.5～1.5 m、體積約120 m3,邊坡坡面濕潤滲水面積逐步擴(kuò)大。其中降雨145 min時自動監(jiān)測儀(WY01、WY02)及蜂鳴報(bào)警器均開始報(bào)警開始變形,至降雨后170 min發(fā)生失穩(wěn)破壞,共持續(xù)25 min左右。

由圖12(b)可知:S2試驗(yàn)場地前沿邊坡后緣斜坡發(fā)生開裂,裂縫迅速擴(kuò)展,后發(fā)生較大規(guī)模的快速滑坡,滑坡層位為坡殘積層,表現(xiàn)為“深層局部滑動模式”。其中滑坡體寬13 m、長約8.5 m、厚約2.0 m、體積約200 m3。試驗(yàn)進(jìn)行到92 min時,自動監(jiān)測儀報(bào)警器均開始報(bào)警開始變形,到降雨后110 min邊坡發(fā)生失穩(wěn),共持續(xù)18 min。

由圖12(c)可知:S3試驗(yàn)場地中部及下部坡面開始發(fā)生崩解、開裂,2～5 min后即發(fā)生2處滑坡并發(fā)展為坡面泥石流?；麦w寬15 m、長約8.0 m、厚約2.0 m、體積約240 m3。在水流沖刷下,2個滑坡體連為一體形成坡面泥石流,失穩(wěn)模式為“深層整體滑動”。其中試驗(yàn)進(jìn)行到85 min,動監(jiān)測儀及人工設(shè)置的報(bào)警器均開始報(bào)警,到105 min邊坡發(fā)生整體滑動,開始變形及失穩(wěn)破壞過程歷時共20 min。

由圖12(d)可知:S4邊坡坡面開始濕潤并緩慢滲水,試驗(yàn)場地中部及下部坡面開始發(fā)生崩解、開裂,渠道邊坡發(fā)生局部滑坡。其中滑坡體寬6～9 m、長8～12 m、厚0.5～1.0 m、體積50～75 m3,表現(xiàn)為淺層局部滑動模式。試驗(yàn)進(jìn)行至367 min時,位移報(bào)警器均開始報(bào)警,到502 min邊坡發(fā)生整體滑動,歷時共135 min。

綜上所述,不同降雨強(qiáng)度的斜坡均發(fā)生不同失穩(wěn)破壞模式,根據(jù)降雨強(qiáng)度的不同失穩(wěn)模式可分為“淺層局部滑動、淺層整體滑動、深層局部滑動和深層整體滑動”4種模式。邊坡的失穩(wěn)破壞模式與降雨強(qiáng)度顯著相關(guān),當(dāng)降雨強(qiáng)度較小(75 mm/h),斜坡失穩(wěn)模式表現(xiàn)為淺層滑動模式,當(dāng)降雨強(qiáng)度較大(150 mm/h),斜坡失穩(wěn)模式表現(xiàn)為深層滑動模式。

2.4 降雨閾值的確定

根據(jù)上述4組試驗(yàn)成果,本次試驗(yàn)所獲取的4個降雨強(qiáng)度等級的連續(xù)降雨引發(fā)斜坡失穩(wěn)所對應(yīng)的降雨時間、降雨量、土壤含水率等關(guān)鍵性指標(biāo)閾值分別如表3所示。各降雨強(qiáng)度下花崗巖殘積土邊坡關(guān)鍵性指標(biāo)變化規(guī)律如圖13所示。

表3 各降雨強(qiáng)度引發(fā)斜坡失穩(wěn)破壞關(guān)鍵指標(biāo)性閾值表Table 3 Rainfall intensity of key thresholds of slope instability

圖13 各降雨強(qiáng)度下花崗巖殘積土邊坡關(guān)鍵性指標(biāo)Fig.13 Key indexes of granite residual soil slope under different rainfall intensities

由圖13可知:邊坡開始變形界限含水率與完全失穩(wěn)的變形的界限含水率與降雨強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)度不顯著,而邊坡變形持續(xù)時間受降雨強(qiáng)度影響顯著。75～175 mm/h不同降雨強(qiáng)度下,邊坡的變形界限含水率ws與失穩(wěn)破壞的界限含水率wd均分別為42%、47%。當(dāng)降雨強(qiáng)度超過125 mm/h,滑坡失穩(wěn)破壞的時間僅持續(xù)20 min,降雨強(qiáng)度為75 mm/h,斜坡失穩(wěn)變形的時間為140 min。

3 結(jié)論

為研究降雨條件下花崗變質(zhì)巖邊坡穩(wěn)定性、劃分地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、提出防治地質(zhì)災(zāi)害防治措施及方案。通過不同降雨強(qiáng)度條件花崗變質(zhì)巖邊坡失穩(wěn)試驗(yàn),分析了降雨持續(xù)時間下土壤含水率與邊坡位移變化規(guī)律,得到以下結(jié)論。

(1)斜坡失穩(wěn)破壞與土壤含水率顯著相關(guān),存在界限含水率。當(dāng)斜坡淺層土壤含水率達(dá)到邊坡變形界限含水率42%時,斜坡開始出現(xiàn)開裂、蠕動變形等失穩(wěn)征兆;當(dāng)土壤含水率上升到邊坡失穩(wěn)破壞界限含水率47%時,坡面土體開始崩解并迅速發(fā)生滑坡、崩塌。

(2)邊坡的失穩(wěn)破壞模式與降雨強(qiáng)度顯著相關(guān),基于降雨強(qiáng)度可分為淺層局部滑動、淺層整體滑動與崩塌、深層局部滑動、深層整體滑動4種模式。其中降雨強(qiáng)度較小(75 mm/h),斜坡失穩(wěn)模式表現(xiàn)為淺層滑動模式,而當(dāng)降雨強(qiáng)度較大(150 mm/h),斜坡失穩(wěn)模式表現(xiàn)為深層滑動模式。

(3)邊坡變形界限含水率及失穩(wěn)破壞的界限含水率,受降雨強(qiáng)度影響不顯著,而邊坡變形持續(xù)時間受降雨強(qiáng)度影響顯著。當(dāng)降雨強(qiáng)度超過125 mm/h,滑坡失穩(wěn)破壞的時間僅持續(xù)20 min,而當(dāng)降雨強(qiáng)度為75 mm/h,斜坡失穩(wěn)變形的持續(xù)時間140 min。