降雨条件下松散堆积体边坡稳定性离心模型试验研究

田 海，孔令伟，李 波

（1.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点试验室，湖北 武汉 430071；2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点试验室，湖北 武汉 430010）

1 引 言

我国西部山区广泛发育和分布着第四纪松散堆积体，这类堆积作用形成的地质体，是多种残坡积物、崩坡积物和冲洪积物等松散介质组成的特殊地质体，其结构杂乱无章、分选性差、粒间结合力差、透水性强[1]。随着西部大开发以来，围绕松散堆积体的一些重大工程地质问题造成了系列地质灾害，威胁着人类生存、生活与工程建设安全。

目前，对这类堆积体的研究更多的是关注其地质成因及宏观稳定性。赵建军等[2]研究了西南地区某松散堆积体工程边坡的结构特征，研究了开挖边坡的变形机制并根据模拟结果确定潜在滑动面及支护对策。在降雨对滑坡影响研究方面，降雨诱发边坡失稳实质是导致边坡非饱和区的基质吸力降低，从滑坡诱发机制方面可理解为促使滑移面剪应力增大及抗剪强度降低，进而导致边坡稳定性的降低。目前，国内外一些专家、学者分别从土体渗透性和抗剪强度、非饱和土基质吸力、降雨强度、土坡坡度和植被根系等方面对该问题进行了相应的研究[3-5]。据不完全统计，大部分的滑坡都是在降雨期间出现[6]，可见研究降雨诱发滑坡具有极其重要的意义。

由于离心模型中再现原型的应力场，使得模型和原型应力-应变相等、变形相似、破坏机制相同，离心模型试验技术被誉为土工试验技术发展的里程碑，在岩土工程领域特别是边坡变形和破坏问题研究上得到了广泛应用[7]。

国内外大多根据实测的降雨资料及其引起的滑坡之间的关系来寻求降雨条件下的滑坡机制，而较少采用离心模型试验的方法。一方面由于在离心机中控制降雨量、降雨强度难度较大，不易实现；另一方面，由于水滴在离心场中运动的科氏效应而使降落路径不再与模型箱壁平行，导致雨水不能均匀分布到坡面。虽然有一些学者在边坡降雨离心模型试验方面取得了进展，如通过改变制样时的含水率来代替不同规模的降雨，用注水浸泡[8]来模拟不同时间的雨水入渗，或在边坡顶部实现局部降雨[9]等，这些方法或多或少都有不完善的地方。

本文以四川绵竹地区地震带广泛发育的松散堆积体边坡为研究对象，通过离心模型试验方法，研究了降雨条件对典型松散堆积体边坡稳定性的影响，以揭示堆积体边坡的失稳模式与机制。通过降雨模拟装置，在离心机运行过程中实现了降雨的模拟，同时考虑了土工格栅对边坡降雨失稳的支护效应，分析过程采用离心机定点非接触高速摄影系统并结合粒子图像测速PIV 技术分析其变形特征以及破坏模式。

2 离心机模型试验

本次模型试验是在长江科学院CKY-200 型多功能土工离心机上完成的，主要参数指标：有效容量200 g·t；最大加速度为200 g，无级调速，调速精度为0.1 g；有效半径为3.7 m。

2.1 试验对象及边坡模型设计

试验松散堆积体为四川绵竹市绵茂公路带广泛发育的山坡坡积体，细粒含量相对较少，粗粒石主要为灰岩。离心模型试验选取与原型材料相同的堆积体作为模型填料，控制模型填料的压实度与原型相似。试验所用松散堆积体的天然物性参数见表1。

表1 堆积体物理力学参数Table 1 The physical and mechanical index of deposit soil

现场勘察堆积体中最大粒径范围在 150～60 mm 之间。离心模型试验系统为了消除模型箱的边界效应和填料的粒径效应，模型填料粒径应当不大于20 mm，所以需要对原型填料进行相似级配处理，离心模型填料的级配如表2 所示。

表2 离心模型试验试样的颗粒含量Table 2 Particle size distribution of soil sample

采用原型材料配制模型材料，满足相似关系，模型箱尺寸为1.0 m×0.4 m×0.8 m（长×宽×高），离心模型与原型比尺为1:80，模型尺寸及监测项目布置如图1 所示。松散堆积体边坡离心模型坡度为60°，针对原型堆积体自然边坡存在基岩面倾角，制作边坡模型基岩面角度为20°，模型高度为44 cm，对应原型坡高为35 m。

图1 离心模型试验及监测示意图(单位:cm)Fig.1 Schematic of the centrifugal model test(unit:cm)

模型箱前壁为厚度5 cm 透明钢化玻璃，以便进行宏观数码拍摄。

试验采用离心场非接触位移测量技术，由于模型高速旋转，采用普通的摄影方法很难获得动态土工模型的清晰影像。本文离心模型试验采用定点高速闪光摄影技术，较好地解决了这个问题。定点高速闪光摄影系统的安装如图2 所示。

图2 定点高速闪光摄影系统示意图Fig.2 Schematic of the installation of fixed-spot high-speed flash photography system

2.2 粒子图像测试（PIV）位移分析

PIV 是一种非接触、瞬时、动态、全流场的速度场测量技术，其基本原理如图3 所示[10-11]。利用摄像设备采集图片，将土体变形前、后摄取的灰度图像分割成若干均匀网格。将变形前某一网格在变形后图像指定范围内进行全场匹配和相关运算，根据峰值相关系数确定该网格在变形后的位置，由此可以得到该网格的像素位移，再根据一定的比例关系转换得到网格中心点的物理位移。对变形前所有网格进行类似运算就可以得到整个位移场。

图3 PIV 分析方法的基本原理Fig.3 Principles of PIV analysis

PIV 技术最初被应用在流体力学的试验领域中，在该领域中正在被广泛应用。而土体的变形也可以看作是一个低速流动的过程，所以可以将PIV方法引入到土工试验中。White 等[12]利用PIV 原理开发了GeoPIV 程序，并将该方法引入到压入桩试验的位移量测中，其基本计算流程如图4 所示。本文利用该程序进行PIV 分析，在此基础上开发了位移场显示程序。

图4 GeoPIV 工具包计算框架Fig.4 GeoPIV software usage scheme

2.3 离心模型中的降雨模拟方法

离心场中降雨模拟系统是该试验的关键。目前离心机中常采用的降雨模拟系统[13]为降雨盒底部开孔的方式，传统的盒式降雨系统是在模型顶部放置储水盒，盒底部均匀开孔，并依次铺设土工布和一定厚度的黏土。当盒内注水后，水会渗透穿过黏土和土工布通过盒底部的孔洞形成水滴，在离心场中模拟降雨。传统的盒式降雨系统简单易操作，但存在以下问题：①离心场中雨滴相对较大且降落速度较快，与实际降雨情况存在一定的差别；② 无法严格控制降雨时间。

图5 介质雾化喷嘴Fig.5 Media atomizing nozzle

本文降雨模拟系统采用最新介质雾化喷嘴，如图5 所示。采用介质雾化喷嘴结构模拟降雨最新应用于离心场中的降雨模拟系统。根本原理是采用二流体的空气雾化喷嘴结构将水雾化，即借助一定压力空气的射流使液体雾化。其主要优点是离心场雾化雨滴非常小，更好地模拟原型降雨；通过调整气压可方便控制降雨强度，通过外界控制进水管通水可方便控制降雨时间。

2.4 降雨模拟的比尺关系

降雨的模型比尺关系应该与雨水渗流保持一致，针对岩土工程问题，在离心模型试验中，当模型与原型采用同一种土体，同一水力坡降时得到的渗流时间比尺关系与模型土样缩尺后得到的渗流时间比尺关系是不同的，但由于此项试验研究进行稳态试验，忽略过程中孔压消散问题，故土体运动与渗流的比尺矛盾对本试验所研究的物理力学参数影响较小[14]。降雨强度q 和渗流速度v 的比尺相同，降雨历时tf和渗流时间t 的比尺相同，即：

式中：下标m 和r 分别表示模型和原型；N为离心加速度除以重力加速度(g=9.81 m/s2)的倍数。

2.5 降雨强度参数选取

采用雾化喷头降雨系统模拟降雨，根据上述比尺关系，离心模型试验降雨强度的换算关系为

式中：Qr表示原型降雨强度；M为试验降雨总质量；A为试验降雨面积；t为试验降雨时间；N为模型比尺。

我国气象部门一般采用的降雨强度，标准为：小雨条件10 mm/d，中雨条件24.9 mm/d，大雨条件49.9 mm/d，暴雨条件70～250 mm/d。如试验降雨时间为20 min，降雨量为5 kg，降雨面积为60 cm ×40 cm=2 400 cm2，则模型中降雨强度为 1.042 kg·m-2·min-1。按照模型比尺N=80，依据上述换算关系得到的原型降雨强度为18.75 mm/d，对应为中雨降雨强度条件。

3 试验过程

对制样模型依次开展3 组试验，具体试验条件如表3 所述。作为对比，RC-1 组试验不实施降雨，试验中离心加速度以每级20 g的增量逐级增大至设定加速度80 g，并实时监测坡顶沉降和坡面水平位移变化情况；RC-2 组试验基于RC-1 同样模型，运行离心机，加速度以每级20 g 的增量逐级增大至80 g 稳定后，采用基于介质雾化喷嘴的新型降雨模拟系统进行降雨模拟，并实时监测坡顶沉降和坡面水平位移变化情况；RC-3 组试验仍旧基于RC-1 模型，在离心机加速度至80 g 稳定后，实施降雨模拟，制模时考虑采用边坡防格栅（模型相似材料为窗纱）支护措施研究支护条件下边坡降雨的稳定性。经试验测试窗纱材料（模拟格栅）平均抗拉强度为1.04 kN/m，平均极限延伸率为19.95%，对应原型边坡防护土工格栅的抗拉强度为83 kN/m。

表3 离心模型试验项目Table 3 Programs of centrifugal tests

其中，对于RC-2 和RC-3 组降雨模拟试验选择降雨强度参数为：离心机降雨历时20 min，降雨质量15 kg，对应原型边坡降雨强度为61.45 mm/d，属于强降雨条件，以模拟西南地区堆积体遇强降雨而导致滑塌失稳工况。

图6为模型试验测量系统布置图，图6(a)为RC-1 组试验安装实物图，图6(b)为RC-2 组试验采用新型雾化喷头模拟降雨系统装置图，图6(c)为RC-3 组试验考虑边坡防护格栅的系统装置。

试验步骤：

（1）将现场所取的材料风干后，按照相应的粒组等级进行筛分，并分别装袋备用，按照试验拟定级配进行配料。

（2）模型箱准备，基岩底座浇筑，加工储水箱；在装样前将模型箱擦拭干净，然后在侧壁上贴一层塑料薄膜，以减小边壁阻力的影响，之后将模型箱螺丝钉拧紧，以确保试验过程的安全运行。

（3）进行模型分层制样，在制样过程中，针对RC-3 组试验对边坡防护网采取隔层浅压固定；制样完成经过削坡后，布置观测探头或监测设备，包括位移传感器（LVDT）和红外摄像头等，连接采集信号线，测试采集系统。

（4）开机加速至20、40、60、80 g，记录每个加速度对应状态下LVDT 采集数据的变化值，同时拍摄照片。各组试验均在模型箱顶部布置监控摄像头，监控模型变化以及监测仪器设备的运行情况。

图6 堆积体边坡离心模型试验系统布置图Fig.6 Installation of centrifugal tests for deposit slope

4 离心模型试验结果与分析

图7为RC-1 组离心机试验运行过程中采用定点高速摄影技术得到的起始和终了状态下模型侧面照片，对应加速度分别为20 g和80 g稳定时的状态；结果表明，随着加速度的逐级增大，坡顶沉降与水平位移监测值变化微小，变化幅度在3 mm 以内。该模型在设定的80 g 范围内整体稳定，仅局部坡面颗粒滑落。表明在未降雨条件下，堆积体边坡有较大的安全系数。

图7 RC-1 模型试验离心机运行起始、终了状态侧面照片Fig.7 Photos of RC-1 model at starting and terminal states

RC-2 组离心机试验实施降雨过程中，定点拍摄到降雨开始后10 min 以及降雨结束时两个时刻的边坡模型照片，对应加速度稳定为80 g 状态，如图8 所示。结果表明，未降雨条件下堆积体边坡很稳定，从监测录像观察，离心机运行降雨开始后2 min 左右，坡面开始产生滑落，随着降雨的持续，边坡一定深度范围内的颗粒开始土体径流型态，坡上松散堆积体开沿坡面逐层剥落直至滑移，降雨结束时，边坡内部位移也比较小，边坡表面破坏区域增大。降雨后边坡滑塌断面呈抛物线形状，坡肩垮落最大（如图9 所示），说明降雨引起的泥石流滑坡是这类松散堆积体边坡的主要破坏模式，主要机制是由于雨水入渗使土体含水率增加，促使边坡上固体堆积物质逐渐饱和，导致基质吸力降低、黏聚力减小，边坡的安全系数下降。

图8 RC-2 模型离心机试验降雨模拟不同时刻侧面照片Fig.8 Photos of RC-2 model at different time intervals after rainfall

图9 RC-2 组模型试验降雨后边坡破坏形态Fig.9 Photos of the failure modes of RC-2 centrifugal test after rainfall

土工格栅柔性支护的结构特点是在边坡面范围内分层摊铺格栅后，分层填筑堆积体并压实，层层格栅连接并张紧形成一个支护整体，实现堆积体边坡长期的安全稳定性。RC-3 组离心机试验正是基于这种思想。图10为实施降雨过程中，定点拍摄到的降雨开始后10 min 以及降雨结束时两个时刻的边坡模型照片，对应加速度稳定为80 g 状态。结果表明，随着模拟降雨时间的增长，坡内位移场缓慢增长，主要集中在边坡的中上部，以坡肩处变形最为明显；而边坡内部的位移均很小，受降雨影响较小。整体来看，通过采用窗纱相似材料模拟原型土工格栅对松散堆积体边坡因降雨而导致失稳的支护措施是十分有效的。

图10 RC-3 模型离心机试验降雨模拟不同时刻侧面照片Fig.10 Photos of RC-3 model at different time intervals after rainfall

进一步的分析方法采用粒子图像测速（particle image velocimetry）技术，针对图7、8、10 高清单反相机拍摄的各组试验不同节点的照片，分析区域及网格划分如图11 所示。经过分析，定点高速摄影配合高清数码相机所采集的照片可以取得很好的分析效果。图12～14 分别为RC-1、RC-2 及RC-3 共3 组试验过程中典型节点分析区域的位移场分布，由图可知，经过PIV 程序识别的结果与实物照片具有一致的规律性。因此，利用此摄影采集系统辅助进行PIV 技术分析可以有效地应用于边坡离心模型试验中。

图11 PIV 程序分析区域和网格划分Fig.11 Analytic zone and meshing grid by PIV program

图12 RC-1 模型试验离心机运行起始、终了状态位移场Fig.12 Displacement fields of RC-1 model at starting and terminal states

图13 RC-2 模型离心机试验降雨模拟不同时刻位移场Fig.13 Displacement fields of RC-2 model at different time intervals after rainfall

图14 RC-3 模型离心机试验降雨模拟不同时刻位移场Fig.14 Displacement fields of RC-3 model at different time intervals after rainfall

5 结 论

（1）没有降雨时，松散堆积体边坡在其自重条件下整体处于稳定状态；在中等强度降雨作用下，引起土体抗剪强度降低，边坡形成强大下滑力促使无支护条件下堆积体边坡失稳破坏，试验中降雨模拟系统，能有效控制雨滴的尺寸效应，实现不同降雨强度和历时的降雨模拟。

（2）在强降雨条件下，松散堆积体边坡的破坏模式区别于传统的圆弧滑动，而是堆积体边坡表面逐层滑落，形成泥石流形态。

（3）通过边坡支护离心模型对比试验，发现采用边坡防护格栅对松散堆积体边坡加固，试验结果表明，采用边坡防护格栅是提高松散堆积体边坡稳定性的有效途径。

（4）采用离心机高速定点摄影技术和粒子图像速度计算程序，分别分析了各试验条件下边坡变形位移场变化规律。结果表明：堆积体边坡的变形滑移主要是由于强降雨条件引起的，而采用防护格栅措施可有效遏制边坡的位移变形；试验结果进一步为松散堆积体发育地区边坡地质灾害防治提供重要的技术支持。

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