基于室内试验的降雨型滑坡机理研究

苏 燕，邱俊炳，兰斯梅，杜跃亭

(1．福州大学土木工程学院，福建福州 350116;2．河南省南阳市水利建筑勘测设计院，河南南阳 473000)

0 引言

根据2010年《全国地质灾害通报》［1］，全国共发生地质灾害30 670起，包含滑坡22 329起，死亡失踪10人以上的重大地质灾害事件共19起，其中18起引发因素为降雨或强降雨．强降雨是引发地质灾害、导致人员伤亡和直接经济损失的主要原因［2］．福建省地形以山地丘陵为主，历来是地质灾害多发地区．在汛期和台风多发季，持续性强降雨在闽江、汀江、九龙江等主要流域常引发不同程度的滑坡灾害．福建省已发现的滑坡约11 094处，其中以土质滑坡为主［3］．通过试验研究降雨作用下坡体由变形到滑动的过程，分析不同降雨强度对滑坡的影响，对试验现象给出定性的解释;并用有限元软件给出坡体渗流和稳定性的定量分析．系统研究降雨条件下滑坡体的渗流稳定性，有利于促进对实际工程的了解，对预防和预测这类滑坡灾害有重要的指导意义．

1 降雨型滑坡试验装置

1．1 试验装置

根据福建省山区滑坡情况，自主设计室内降雨滑坡框架模型，滑坡槽框架由高透明的有机玻璃和角钢螺栓制成，坡脚采用可转动支座，通过大型吊车提取可改变坡角．装置如图1所示，模型箱底部采用角钢支架加铺10 cm混凝土，用以模拟福建山区浅层滑坡的基岩．

对自然降雨的模拟主要考虑降雨强度及降雨时间，试验中降雨喷头组采用农用三眼喷头，各喷头采用梅花形固定，行、列间距都为0．45 m．采用角钢框架支撑，中间8根横向钢筋，用来固定降雨喷头组，尺寸为4．6 m×3．6 m，降雨喷头距试验槽底部4 m．降雨喷头组采用直径20 mm的PVC管进行串联，1、3、5、7号降雨喷头组由左侧供水管道供水，2、4、6、8号降雨喷头组由右侧供水管道供水，供水设备由蓄水池通过水泵供水，利用阀门和分流管道来调节降雨强度，降雨喷头组的布置及供水过程如图2所示．

图1 滑坡体示意图Fig．1 Typical profiles of the landslide

图2 降雨喷头组平面布置示意图Fig．2 Rain shower set

1．2 相似理论与物理力学参数

福建省205国道某处滑坡，边坡高22 m，其中基岩高18 m，残积土厚度为4 m，试验模型采用几何相似比CL=20，模型箱底部边界长宽高为190 cm×100 cm×80 cm，试验填土厚度为20 cm，密度相似比Cρ=1，假设各向同性，滑坡试验重要参数取值如下［4］:

式(1)、(2)中:Cg、Cμ、Cφ、Cz、Cθ、Cq、Ck、Ct和Cv分别是重力加速度、泊松系数、内摩擦角、应变、体积含水量、降雨强度、渗透系数、降雨历时和流速常数的相似比．

福建山区的浅层滑坡土体主要以亚粘土和残积亚粘土为主，根据地勘报告，滑坡土体的主要参数:滑坡土天然重度18．6 kN·m－3，粘聚力c=11．2 kPa，内摩擦角 φ =27°，渗透系数k=2．4 ×10－6cm·s－1．试验中滑坡土体由土、砂和双飞粉进行配制，通过直剪试验和变水头试验测得土体的抗剪强度和渗透系数，并进行配比试验方案的对比，最后采用土∶砂 ∶粉=40∶50∶10的配比(质量比)配制．

1．3 试验方案

降雨强度是影响降雨型滑坡的重要因素．降雨强度的大小是相对于土体渗透系数而言的，降雨强度大于和小于土体渗透系数时，产生的滑坡类型不相同．试验中滑坡土的渗透系数为k'=4．7×10－7cm·s－1，改变降雨强度进行试验对照，整个试验过程用摄像机记录，以便于观察和分析坡体的变形．具体试验方案如表1所示．

表1 降雨型滑坡试验方案Tab．1 Rainfall landslide experiments

1．4 试验现场的定性分析与解释

研究发现，试验在不同的降雨强度作用下，破坏主要有两种:块体破坏和冲蚀破坏．

试验JQ－1、JQ－2发生块体滑动破坏．块体滑动破坏的发展过程如下:随着降雨入渗，土坡表面产生汇流，降雨下渗，在坡脚处先产生渗透破坏，上部土体因坡脚土体滑动而失去支撑，并出现张拉裂缝．随着降雨入渗的进行，块体沿着张拉裂缝处向下滑动．此时滑动的土体使得上部土体失去支撑，产生滑坡临空面，在水体渗透力和水土自身重力作用下，在斜坡上部又再出现张拉裂缝，促使土体再次发生块体滑动，如此重复破坏产生渐进式的块体滑动破坏．JQ－1降雨滑坡破坏过程见图3．

图3 JQ－1滑坡发生过程Fig．3 The landslide process of JQ －1

试验JQ－3～JQ－5在坡面产生冲蚀破坏．一些土壤细颗粒随着水分的入渗逐渐填塞表层土壤孔隙，从而形成土壤表层结皮，阻碍了降雨的入渗．另外，由于滑坡土夯实不是绝对的均匀，所以在较大的降雨强度作用下，土体表面局部沉降成小沟，雨水很快形成径流，局部土体颗粒被带走，随着降雨历时的增长，逐渐变为冲沟并越来越大，冲沟贯穿至土坡底部．冲沟的形成起到了集中排水的作用，土坡表面的雨水通过冲蚀沟流下，整个土坡很难或需要很长时间才能达到饱和，因此坡面冲蚀严重，但较难形成滑坡．这为滑坡预防提供了参考，在斜坡上修筑排水设施可以有效地规避滑坡灾害的发生［5］．JQ－4降雨滑坡破坏过程见图4．

图4 JQ－4滑坡发生过程Fig．4 The landslide process of JQ －4

2 降雨边坡渗流及稳定性分析

2．1 渗流场数值模拟结果

基于上述试验结果，选取试验JQ－1工况进行有限元软件SEEP/W计算分析．在渗流分析中，对于非饱和材料，参数主要有土水特征曲线和渗透系数函数．用Fredlund＆Xing模型估计土体的土水特征曲线［6］．饱和状态下土体积含水量假定为 Vm=0．47，体积压缩系数MV=5×10－6，渗透系数取k=4．5×10－6cm·s－1．图5为非饱和状态下滑坡土的体积含水量与基质吸力的关系，图6为土的渗透系数与基质吸力的关系，通过饱和状态下的体积含水量，由Fredlund＆Xing模型拟合得到．根据图5、图6可知，土体的体积含水量越小，基质吸力越大，导致渗透系数降低，这是土体内部的空气气泡阻碍水体在土体内部流动的结果．

图5 体积含水量和基质吸力的关系Fig．5 Volumetric water content versus matric suction

图6 渗透系数和基质吸力的关系Fig．6 Conductivity versus matric suction

SEEP/W渗流分析的有限元模型见图7，模型尺寸与试验土体的尺寸相同，有限元单元采用结构化四边形单元．土坡上表面为降雨入渗表面，根据试验的降雨强度q=40 mm·h－1和表层单元网格长度，换算成边界流量2．78×10－6m·s－1，基岩为初始水线，模型右表面坡脚为出渗表面，流量为零．浸润线的位置未知，假定坡脚边界为潜在的出渗面．起始浸润线首先是土体与基岩的接触面，这与之前设置的初始水位线是一致的，下渗雨水在重力的作用下汇向坡脚，因此坡脚的土体最先饱和．随着降雨历时的延长，饱和区从土坡底部逐渐向上部发展，直至坡面土体全部饱和．

图8为基岩接触面斜坡段的土体孔隙水压力随时间的变化规律，可以发现在前720 s，孔隙水压力向坡脚方向(x=0)先呈逐渐增大、然后减小的趋势．在第840 s孔隙水压力开始突然增大，坡体出现滑坡，孔隙水压力突增是造成滑坡的主要原因，这与后面稳定计算得到的在第900 s出现滑坡结果吻合．图9为基岩接触面斜坡段的水力梯度随时间的变化规律，可以发现水力坡度在900 s时开始突增，与孔隙水压力的突变时间一致，另外，水力梯度突变之前坡顶至坡脚各点的基本相同，突变后自坡顶向坡脚逐渐增大，这说明滑坡从坡脚位置开始破坏，与试验结果基本一致．

图7 滑坡土体边界条件Fig．7 Landslide boundary conditions

图8 基岩接触面孔隙水压力随时间的变化Fig．8 Pore water pressure versus time

图9 基岩接触面土体水力梯度随时间的变化Fig．9 Hydraulic gradient versus time

2．2 稳定性数值模拟结果

稳定性计算如图10所示，得知降雨强度越大，滑坡启动时间越短，安全系数降低幅度越大;降雨强度越小，滑坡启动时间越长，安全系数降低幅度越小．将不同降雨强度下的试验成果和数值计算结果对比分析，两者降雨强度的滑坡启动时间基本相似，随着降雨强度的增大，滑坡发生时间越来越短，当降雨强度达到一定程度时，滑坡的启动时间变化较小，如图11所示．通过室内试验和数值模拟计算得到，边坡为30°时，土体在不同降雨强度作用下的滑坡启动时间与降雨强度的关系，见式(3):

式中:t为滑坡启动时间(min);q为降雨强度(mm·h－1)．

图10 降雨强度对安全系数的影响Fig．10 Relationships between rainfall intensity and safety factor

图11 滑坡启动时间与降雨强度的关系Fig．11 Relationships between rainfall intensity and the started time of landslides

3 结论

1)建立了人工降雨滑坡控制系统，研究不同降雨强度对浅层基岩滑坡的影响．降雨强度大于土体渗透系数时，滑坡发生的时间较短，并在坡体表面形成径流，产生坡面冲蚀和表层流滑．降雨强度小于土体渗透系数时，不易产生径流，雨水渗入到坡脚，使坡脚破坏，进而演变为块体滑坡．

2)由数值模拟可知，对于降雨型滑坡，孔隙水压力突增是造成滑坡的主要原因．降雨入渗过程中坡脚首先饱和，水力梯度突变后自坡顶向坡脚逐渐增大，边坡从坡脚开始破坏．不同的降雨强度的情况下，降雨强度越大，滑坡启动的时间越短，安全系数降低幅度越大．当边坡为30°时，降雨强度和滑坡启动时间的关系 t= －44．6 ln(q)+238．3．