降雨及坡体组成对堆积型边坡稳定性的试验研究

林泽雨， 刘爱华， 张 巍， 何卓名， 周学民， 王甦宇

(华南农业大学水利与土木工程学院， 广州 510642)

滑坡灾害作为当今自然灾害中十分普遍的一类灾害，对人民的生命及财产安全有着巨大的威胁。随着人类工程的数量与规模的不断增长，堆积体滑坡灾害在滑坡灾害中的比例不断增大。事实上，无论是在铁路和公路等的路桥建设中，在堆石坝和淤泥堤等的水利工程建设中，还是在城市渣土填埋场、矿山排土场等工程中，堆积体边坡稳定性的治理防护与研究工作都有着重要意义[1-7]。

影响堆积体稳定性的因素主要有岩土材料的基本特征(如形状、尺寸、粗糙度、不同堆积材料配比等)、堆积方式及含水率等。目前对堆积体稳定性影响的研究主要有数值模拟和物理试验两种方式。郭将等[8]用有限元与极限平衡分析的方法对马达岭滑坡数值模拟，得出了强降雨及长时间降雨都会使滑坡的稳定性系数降低，并得出了地震横向力比竖向力对滑坡稳定性的影响更大的结论；王浩等[7]用极限平衡法和数值分析法对某排土场的堆积体进行了数值分析，得出了暴雨是破坏堆积体稳定性的重要因素的结论，并验算得出加固治理后对堆积体稳定性具有重要意义；刘兴宁等[9]用颗粒离散元法建立了云南某水电站堆积体滑坡模型，该模型可预测堆积体滑坡情况；李俊业等[10]、李叶鑫等[11]、魏宝龙等[12]都用GEO-SLOPE软件对堆积体进行计算分析，分别得出了在非极端降雨条件下一定量的前期降雨量有利于增强其稳定性，降雨土壤含水率随着降雨强度的增大而增大且雨强越大堆积体安全系数越低，暴雨对堆积体的致灾机理与滑坡机制；田海等[13]采用模型箱的方法，研究了降雨条件下四川绵竹市绵茂公路带堆积体的变形滑坡情况，并验证了边坡防护格栅对堆积体稳定性的有利作用；赵建军等[14]通过物理试验，研究了降雨强度在18 mm/h的条件下，雨水渗透及堆载对碎石土堆积体稳定性的影响，研究表明孔隙水压力在坡体失稳过程中起着关键作用；冯文凯等[15]通过对欢喜坡冰水堆积体的现场试验，研究了降雨强度和降雨时间对该堆积体稳定性的影响，得出了降雨强度和降雨时间的增大都会降低堆积体的稳定性的结论。

总体来说，目前对堆积体稳定性的研究依旧不足，研究多采用数值模拟的方式，堆积体稳定性的物理试验研究相对较少，且研究材料较为单一，多针对某一特定堆积体，研究因素多为单一因素。研究组分具有特殊性，较难将研究成果广泛应用于工程实际中。

现从堆积体材料的组成出发，通过对比不同降雨强度条件下不同含土率、不同骨料比例的堆积体的稳定性，探究堆积体组成对堆积体稳定性的影响。研究成果可为天然堆积体或工程中的人工堆积体的稳定性分析评价提供指导，对堆积体滑坡灾害的预防与治理工作具有重要意义。

1 试验仪器、设备工具、材料与试验原理、方法

1.1 试验仪器、设备工具、材料

试验的主要仪器、设备、工具有XHZ-JY102便携式全自动人工模拟降雨器、电子数显倾角仪、直尺卷尺等。

XHZ-JY102便携式全自动人工模拟降雨器是专门为科研实验研制开发的一种喷射型人工模拟仿真降雨设备。设备的核心系统可分为三大部分。①降雨系统：主要由降雨喷头、电磁阀等组成，主要功能是把供水系统供来的水源模拟成自然降水，喷落到地面；②控制系统：主要由控制部分和数据采集部分组成，主要功能是对供水系统和降雨系统的工作状态进行控制和对雨量计测量的数据进行采集、处理、保存；③供水系统：主要由水泵和供水管路组成，主要功能是给降雨系统提供水源支持。该设备适用于室内和室外需要人工模拟降雨并且控制降雨雨强和降雨时间的各种试验场合。降雨面积为1～20 m2，降雨高度为4 m。经标定后的降雨强度有15、20、30、40、60、70、80、90、100、110、120、140、160、180、200 mm/h。降雨均匀度大于0.75。雨滴大小调控范围为0.3～6 mm。降雨测量误差≤2%。降雨设备如图1所示。

图1 XHZ-JY102便携式全自动人工模拟降雨器Fig.1 XHZ-JY102 portable automatic artificial simulated rainfall device

电子数显倾角仪用于测量坡度，测量范围为±180°，测量精度为0.1°。

试验的主要材料有粒径为20～40 mm的碎石、粒径为30～55 mm的卵石、天然含水率为3%的南方红土。

1.2 试验原理与试验方法

以自然堆积体为试验对象，通过模拟降雨的方式，得到不同条件下堆积体的滑动情况，以此来判断该条件下堆积体的稳定性情况。

预选定3组不同骨料配比的堆积体材料进行试验，其中两组堆积体的临界坡度相近，另外一组与这两组堆积体的临界坡度相差较大。经试验测定：①鹅卵石∶碎石=8∶2、土石比为100%时自然堆积坡度(临界坡度)为35°；②鹅卵石∶碎石=7∶3、土石比为100%时自然堆积坡度(临界坡度)为35.6°；③鹅卵石∶碎石=2∶8、土石比为100%时自然堆积坡度(临界坡度)为41.2°。故此3组骨料配比可满足试验要求，选取此3组骨料配比作为试验组。

为满足控制变量法的唯一变量规则，每组试验控制堆积坡度不变。为保证每组堆积体能正常堆积，且在受到降雨影响时能顺利发生滑坡，控制每组试验的堆积坡度为35°。

试验步骤如下：①将碎石、卵石、红土按比例配置好，混合均匀；②将混合好的材料堆积成小圆锥体，控制堆积坡度为35°；③测量堆积体的坡度、高度、直径等参数，做好照片记录；④采用人工模拟降雨器进行人工降雨，记录降雨过程中堆积体的变化情况及变化的时间节点，做好照片记录；⑤记录降雨完成后堆积体的坡度、高度、直径等参数，做好照片记录；⑥将数据及照片进行整理、对比及分析。

2 试验结果与讨论

2.1 不同土石比条件下的滑坡现象

保持堆积体土石总质量为50 kg，堆积体骨料比例为鹅卵石∶碎石=8∶2，堆积坡度约为35°，降雨强度为60 mm/h，降雨时长为1 h，降雨量为60 mm的条件不变，探索土石比分别为40%、80%、100%、150%、200%时初始滑坡发生时间及滑坡规模等现象，试验结果如表1所示。试验获得的最终滑坡规模如图2所示。

表1 不同土石比条件下的滑坡现象Table 1 Landslide phenomenon under different soil-rock ratios

图2 同等降雨条件下不同土石比对滑坡规模的影响Fig.2 Influence of different soil-rock ratios on landslide’s scale under the same raining conditions

由表1可得试验结果如下：①土石比为40%时滑坡现象不明显(经试验得小于40%时滑坡现象均不明显)，降雨直接冲刷掉堆积体表面土壤，而对石头组成的堆积体骨架无明显作用，当土石比大于80%以后，初始滑坡发生时间均在18 min左右；②随着土石比的增大，滑坡规模也逐渐增大，滑坡现象逐渐明显，冲刷效果逐渐加强。

因此，为既能达到较好的滑坡效果又能较好地区分滑坡规模，选取的土石比为100%时作为以下试验的堆积体土石比。

2.2 不同降雨强度条件下的滑坡现象

选择3种骨料比例进行不同降雨强度条件下的滑坡试验，骨料比例分别为：①鹅卵石∶碎石=8∶2，土石比为100%，经测定自然堆积坡度(临界坡度)为35°；②鹅卵石∶碎石=7∶3，土石比为100%，经测定自然堆积坡度(临界坡度)为35.6°；③鹅卵石∶碎石=2∶8，土石比为100%，经测定自然堆积坡度(临界坡度)为41.2°。

2.2.1 第1组骨料试验

保持土石总质量为50 kg，堆积坡度约为35°，堆积体土石比为100%，堆积体骨料比例为鹅卵石∶碎石=8∶2，降雨量为60 mm的条件不变，探索降雨强度分别为60、100、160、200 mm/h时初始滑坡发生时间及滑坡规模等现象。试验结果如表2所示。试验获得的最终滑坡规模如图3所示。

图3 不同降雨条件对滑坡规模的影响(鹅卵石∶碎石=8∶2)Fig.3 Influence of different raining conditions on landslide’s scale (cobblestone∶gravel=8∶2)

表2 不同雨强条件下的滑坡现象Table 2 Landslide phenomena under different rain intensity conditions

2.2.2 第2组骨料试验

保持土石总质量为50 kg，堆积坡度约为35°，堆积体土石比为100%，堆积体骨料比例为鹅卵石∶碎石=7∶3，降雨量为60 mm的条件不变，探索降雨强度分别为60、100、160、200 mm/h时初始滑坡发生时间及滑坡规模等现象，试验结果如表3所示。试验获得的最终滑坡规模如图4所示。

表3 不同雨强条件下的滑坡现象Table 3 Landslide phenomena under different rain intensity conditions

图4 不同降雨条件对滑坡规模的影响(鹅卵石∶碎石=7∶3)Fig.4 Influence of different raining conditions on landslide’s scale (cobblestone∶gravel=7∶3)

2.2.3 第3组骨料试验

保持土石总质量为50 kg，堆积坡度约为35°，堆积体土石比为100%，堆积体骨料比例为鹅卵石∶碎石=2∶8，降雨量为60 mm的条件不变，探索降雨强度分别为60、100、160、200 mm/h时初始滑坡发生时间及滑坡规模等现象，试验结果如表4所示。试验获得的最终滑坡规模如图5所示。

表4 不同雨强条件下的滑坡现象Table 4 Landslide phenomena under different rain intensity conditions

图5 不同降雨条件对滑坡规模的影响(鹅卵石∶碎石=2∶8)Fig.5 Influence of different raining conditions on landslide’s scale (cobblestone∶gravel=2∶8)

2.2.4 试验结果分析

由2.2.1、2.2.2、2.2.3节试验结果可得：①随着降雨强度增大，初始滑坡发生时间逐渐变短，其中，雨强由100 mm/h增大到160 mm/h时初始滑坡发生时间发生急剧增加现象；②随着降雨强度增大，堆积体的滑坡严重程度逐渐增大，在雨强从 100 mm/h 增大到160 mm/h时滑坡规模陡然增大，160 mm/h以上的雨强对堆积体的破坏程度十分严重。

2.3 不同骨料条件下的滑坡现象

分析堆积体的不同骨料对稳定性的影响，分别对降雨强度为60、100、160、200 mm/h下3种骨料的堆积体进行数据分析。

2.3.1 降雨强度为60 mm/h

保持土石总质量为50 kg，堆积坡度约为35°，堆积体土石比为100%，堆积体骨料比例为鹅卵石∶碎石=8∶2、鹅卵石∶碎石=7∶3、鹅卵石∶碎石=2∶8，降雨量为60 mm的条件不变，探索降雨强度为 60 mm/h 时初始滑坡发生时间及滑坡规模等现象，试验结果如表5所示。试验获得的最终滑坡规模如图6所示。

表5 不同骨料的堆积体滑坡现象Table 5 Landslide phenomenon of accumulation bodies with different aggregates

图6 不同骨料组成对滑坡规模的影响(雨强：60 mm/h)Fig.6 Influence of different aggregate compositions on landslide’s scale (rainfall intensity: 60 mm/h)

2.3.2 降雨强度为100 mm/h

保持土石总质量为50 kg，堆积坡度约为35°，堆积体土石比为100%，堆积体骨料比例为鹅卵石∶碎石=8∶2、鹅卵石∶碎石=7∶3、鹅卵石∶碎石=2∶8，降雨量为600 mm的条件不变，探索降雨强度为 100 mm/h 时初始滑坡发生时间及滑坡规模等现象，试验结果如表6所示。试验获得的最终滑坡规模如图7所示。

表6 不同骨料的堆积体滑坡现象Table 6 Landslide phenomenon of accumulation bodies with different aggregates

图7 不同骨料组成对滑坡规模的影响(雨强：100 mm/h)Fig.7 Influence of different aggregate compositions on landslide’s scale (rainfall intensity: 100 mm/h)

2.3.3 降雨强度为160 mm/h

保持土石总质量为50 kg，堆积坡度约为35°，堆积体土石比为100%，堆积体骨料比例为鹅卵石∶碎石=8∶2、鹅卵石∶碎石=7∶3、鹅卵石∶碎石=2∶8，降雨量为60 mm的条件不变，探索降雨强度为 160 mm/h 时初始滑坡发生时间及滑坡规模等现象，试验结果如表7所示。试验获得的最终滑坡规模如图8所示。

表7 不同骨料的堆积体滑坡现象Table 7 Landslide phenomenon of accumulation bodies with different aggregates

图8 不同骨料组成对滑坡规模的影响(雨强：160 mm/h)Fig.8 Influence of different aggregate compositions on landslide’s scale (rainfall intensity: 160 mm/h)

2.3.4 降雨强度为200 mm/h

保持土石总质量为50 kg，堆积坡度约为35°，堆积体土石比为100%，堆积体骨料比例为鹅卵石∶碎石=8∶2、鹅卵石∶碎石=7∶3、鹅卵石∶碎石=2∶8，降雨量为60 mm的条件不变，探索降雨强度为 200 mm/h 时初始滑坡发生时间及滑坡规模等现象。试验结果如表8所示。试验获得的最终滑坡规模如图9所示。

表8 不同骨料的堆积体滑坡现象Table 8 Landslide phenomenon of accumulation bodies with different aggregates

图9 不同骨料组成对滑坡规模的影响(雨强：200 mm/h)Fig.9 Influence of different aggregate compositions on landslide’s scale (rainfall intensity: 200 mm/h)

2.3.5 试验结果分析

由2.2.1、2.2.2、2.2.3节试验结果可得：①临界坡度大的堆积体，初始滑坡发生时间越长，如图10所示；②临界坡度大的堆积体，滑坡规模相对更为严重，当降雨强度达到200 mm/h时，虽然3组堆积体滑坡高度变化有所差异，但3组堆积体破坏程度都相当严重；③临界坡度相近的堆积体，初始滑坡发生时间和最终滑坡规模也相近。

图10 不同临界坡度堆积体滑坡时间对比Fig.10 Comparison of landslide time of accumulation bodies with different critical slopes

3 结论

(1)岩石骨料和泥土混合的堆积体中，不同含土率的堆积体发生滑坡的时间差异较小，但随着含土率的增大，滑坡的破坏程度不断增大。因泥土受雨水冲刷作用严重，使含土率大的堆积体的稳定性相比含土率小的堆积体较差。

(2)降雨量一定的情况下随着降雨强度的增大，降雨对堆积体的破坏作用也越来越明显，主要表现在滑落岩土的体积越来越大，泥土冲刷越来越严重。较大的雨强能在短时间内对堆积体造成巨大的破坏。

(3)临界坡度越大的堆积体其稳定性越好，其较好的稳定性表现在发生滑坡所需的时间越长，且最终的滑坡规模越小，临界坡度相近的堆积体滑坡发生情况也相近。但随雨强的增大，不同临界坡度堆积体的最终滑坡规模都表现为十分严重。

(4)在工程实际中，应着重监测含土率较大、临界坡度较小的堆积体，且降雨量一定的情况下，短时强降雨对堆积坡体的破坏十分严重。