降雨诱发直线型黄土填方边坡失稳模型试验

2021-12-07陈林万张晓超裴向军龚伟翔钟玉健

水文地质工程地质 2021年6期

陈林万，张晓超，裴向军，张硕，龚伟翔，钟玉健

（1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059；2.华北水利水电大学地球科学与工程学院，河南郑州 450045）

黄土结构疏松，有着极强的水敏性，在降雨入渗下容易诱发黄土滑坡[1−2]。黄土地区年降雨量小，但空间和时间上分布极不均匀，导致黄土滑坡多发生在降雨量高的区域，且多发生在雨季[3]。兰州地区2000—2015年发生的重大黄土滑坡中，在4—9月由降雨诱发的滑坡占比达到63%[4]。降雨型黄土滑坡危害性大，如2013年7月，延安地区遭受百年不遇持续性降雨，引发大量地质灾害，造成严重经济损失和大量人员伤亡[5]。此外，降雨诱发黄土填方边坡失稳也时有发生，如2015年5月4日，连续降雨诱发河南灵宝某直立型支挡填方边坡破坏产生滑塌，造成3 户20 间房屋掩埋，4 户23 间受损[6]。

随着“治沟造地”“固沟保塬”“平山造城”等工程在黄土高原陆续开展，出现了许多黄土填方边坡。针对黄土填方边坡的研究，主要集中在填方边坡变形破坏机制[7−8]和失稳机理[6,9]方面，也有学者对黄土填方边坡物理模拟过程中微观变形破坏[10]和支挡结构变形破坏进行分析[11]。目前，对于降雨诱发滑坡机理的研究方法主要是现场试验[12]、数值模拟[13]和模型试验。其中模型试验有着原位试验和数值模拟不可替代的优点。模型试验不仅试验现象直观，而且还能综合考虑模拟原位试验的边界条件，基本能反映滑坡体内外各种因素的相互影响。林鸿州等[14]通过降雨诱发土质边坡失稳的模型试验，探讨降雨特性对边坡失稳的影响，并提出降雨型滑坡存在“门槛累积雨量”；Wu 等[15]、周春梅等[16]基于模型试验，探讨了降雨作用下滑坡的变形破坏特征；周杨等[17]则探究了降雨条件下黄土滑坡的破坏模式；张钧等[18]、罗浩等[19]、李玉瑞等[20]研究了降雨作用下边坡失稳机制；Zhang 等[21]通过模型试验对黄土填方边坡进行研究，提出了降雨诱发边坡失稳的预警阈值模型和新的预警框架。

综上所述，研究人员对降雨诱发滑坡做了较深入的研究，对滑坡的破坏过程、破坏模式和形成机理已有较清晰的认识。然而对黄土填方边坡失稳研究较少，尤其是对直线型黄土填方边坡的变形破坏过程以及失稳模式研究欠缺。直线型填方边坡是指坡面形态为直线，高度小于20 m、土质均匀的填方边坡[22−23]。基于此，本文以直线型黄土填方边坡为研究对象，采用室内模型试验方法，结合传感器监测和三维激光扫描，研究降雨条件下直线型黄土填方边坡的降雨入渗、变形响应、裂缝演化特征、土颗粒运移以及边坡变形破坏模式，以期为直线型黄土填方边坡的工程建设和滑坡地质灾害防治提供一定的理论参考。

1 模型试验设计

1.1 试验装置

本次试验在成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室进行。试验装置采用自主研制的降雨模拟试验系统，主要由模型槽、降雨装置、测量系统组成（图1），具体如下：

图1 试验仪器Fig.1 Experimental instruments

（1）模型槽：长2.5 m、宽1 m、高1.5 m，三面是透明的有机玻璃，通过角钢连接，底面是不透水的高强度钢板。为观测湿润锋的运移和填方边坡的变形，在模型槽左侧有机玻璃上绘制10 cm×10 cm 的网格，用于坐标参考和基准点的控制。在试验进行之前，先在模型槽内侧有机玻璃上涂抹凡士林，减小模型槽对填方边坡的边界效应。

（2）降雨装置：主要由水箱、水表阀门、压力表、供水水管和低压超细雾化降雨喷头组成。低压超细雾化降雨喷头共有16 个，分4 排4 列布置，相邻喷头间距30 cm。试验时打开水表阀门，调节压力表，以此控制降雨强度，然后水由压力表经供水水管到达降雨喷头，模拟降雨。

（3）测量系统：由基质吸力传感器、体积含水率传感器、数据采集仪、三维激光扫描仪和高清数码相机组成。基质吸力传感器和体积含水率传感器采用美国Decagon 公司生产的MPS-6 基质吸力传感器和EC-5 体积含水率传感器；数据采集系统采用Em50 采集系统，三维激光扫描仪采用奥地利RIEGL 公司研制的riegl 三维激光扫描仪。

1.2 试验材料

试验土样使用重塑黄土，土样采自延安市安塞县南沟新鲜剖面的马兰黄土，其颗粒级配曲线见图2，根据其粒径的百分含量（表1）可知，该试验用土为粉质黏土。通过击实试验得到土样的最大干密度为1.73 g/cm3，最优含水率为15.7%。其余基本物理指标见表2。取回土样后将其晒干碾碎，然后过2 mm 的标准筛。

图2 试验用土颗粒级配曲线Fig.2 Grading curve of the test soil

表1 试验用土不同粒径体积百分比Table 1 Volume percentage of different particle sizes in the test soils

表2 试验用土的基本物理指标Table 2 Basic physical indicators of the test soils

1.3 试验方案

（1）传感器埋设

本次试验传感器埋设共2 个断面，体积含水率和基质吸力各一个断面，两相邻传感器之间的间距不小于6R（R为传感器直径），以减小传感器之间的相互影响。传感器布置时要远离模型槽边界，防止雨水沿着模型槽边界下渗，对试验造成干扰。

本次试验传感器布置2 个深度，第一深度距坡面垂直距离10 cm，共4 个基质吸力和4 个体积含水率传感器；第二深度距坡面垂直距离20 cm，1 个基质吸力和1 个体积含水率传感器，见图3。每层基质吸力和体积含水率传感器间隔20 cm。

图3 试验传感器布设Fig.3 Sensor arrangement for the test

（2）模型制作

模型制作分原始边坡和填方边坡，制作流程相同。原始边坡制作过程中对每层土体尽可能的压实，确保密实度大于填方边坡，模拟天然黄土边坡。填方边坡分6 层填筑，每层高度为10 cm，每填筑完一层土体进行下一层填筑之前，需将该层土体表面刮毛，使两层土体充分接触，尽可能的使填方边坡均匀。并且每填筑完成一层时，都要采用6.18 cm×2.0 cm 的环刀取样，测其含水率和密度，用于换算密实度（表3），如果密实度没有达到预定值0.9，则继续压实。填筑完成后按47°坡角切坡，之后在其表面铺上塑料薄膜，养护24 h。

表3 模型填筑后不同层位的密实度Table 3 Density of different layers after model filling

（3）降雨方案

降雨强度的设置是根据研究区极端降雨和试验的均匀度共同确定的。根据延安气象局2013年降雨资料，最大的降雨强度为22.8 mm/h。在进行室内降雨试验时，要求降雨的均匀度大于80%。当降雨强度为18 mm/h时降雨强度均匀度为87.5%，满足试验要求。所以试验的降雨强度设置为18 mm/h。降雨类型采用间隙型降雨，降雨方案如表4所示。

表4 降雨方案Table 4 Rainfall schemes

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（4）数据采集与分析

试验过程中自动采集体积含水率和基质吸力，采集频率均为1 次/min。采用riegl 三维激光扫描仪监测填方坡面的变形，该仪器具有高速度、高密度、高精度的特点。填方边坡每出现一次显著变形就扫描一次。

2 直线型黄土填方边坡变形破坏过程分析

基于坡体内含水率及基质吸力的监测，得到降雨入渗过程中含水率、基质吸力随时间变化关系如图4、图5所示，不同埋设深度的传感器响应时间见表5、表6所示，并采用如图6 的示意图计算湿润锋运移速率[17]。湿润锋平均运移速率等于水分运移深度除以水分运移的时间，计算公式为：

图6 湿润锋运移示意图Fig.6 Schematic diagram of wet front migration

表5 降雨过程中不同监测点含水率响应时间Table 5 Response time of water content at different monitoring points during rainfall

表6 降雨过程中不同监测点基质吸力响应时间Table 6 Response time of matric suction at different monitoring points during rainfall

图4 降雨过程中填方边坡不同位置的含水率变化曲线Fig.4 Variation curve of water content in different positions of the fill slope during rainfall

图5 降雨过程中填方边坡不同位置基质吸力变化曲线Fig.5 Variation curve of matric suction at different positions of the fill slope during rainfall

对于斜坡，湿润锋平行于斜面，此时水分运移速率需转化成传感器到斜坡的垂直距离除以水分运移到传感器位置的时间，计算公式为：

式中：v湿润锋—湿润锋平均运移速率/（m·s−1）；

H—仪器埋设深度/m；

t—水分运移到传感器所用时间/s；

α—坡度/（°）。

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根据降雨入渗条件下边坡的变形破坏特征不同，将黄土填方边坡的变形破坏过程分为四个阶段，分别为降雨入渗阶段、坡顶冲沟破坏及坡脚局部破坏、边坡整体失稳破坏和边坡块体分割及流滑破坏。

2.1 降雨入渗阶段

试验前期，边坡入渗率大于降雨强度，雨水以入渗为主，边坡无明显的变形破坏现象。

2.2 坡顶冲沟破坏及坡脚局部破坏

随着降雨的持续入渗，湿润锋的下移，各监测点的传感器开始对降雨产生响应。含水率最先响应的是位于坡顶10 cm 深处的EC-4，响应时间33 min（表5），读数为13.95%。EC-4 最先响应是由于该监测点位于坡顶。来自原始边坡的雨水在填方边坡坡顶富集，增大了雨水的入渗量；坡顶是以垂直入渗为主，坡顶的湿润锋运移速率大于坡面其他地方（表7）。含水率其次响应的是位于坡脚10 cm 深处的EC-1，响应时间43 min（表5），读数为15.99%。EC-1 其次响应是因为随着降雨持续，土体饱和度增加使其入渗能力减弱，产生坡面径流，雨水在坡脚处汇集，湿润锋下移。降雨历时59 min 时，位于坡面20 cm 深的EC-5 开始响应，读数为14.65%。EC-5 较EC-3 先响应是因为在降雨进行到38 min 时，在离EC-4 传感器3 cm 处雨水汇集并侵蚀边坡导致细沟发育（图7a），为雨水下渗提供优势通道，雨水沿着细沟向下入渗侵蚀。随着降雨的持续和原始坡面的雨水在此富集，在水流的冲击下向下侵蚀，细沟逐渐从坡顶向坡脚发展形成冲沟，冲沟的发育加快了雨水入渗，从表5 可以看出EC-5 监测点的湿润锋较2#、3#含水率监测点都要快，最终导致EC-5 较先响应，这表明填方边坡坡顶冲沟的发育对其内部含水率变化有着极大的影响，在实际填方边坡中要做好坡顶的排水措施，防止坡顶冲沟的产生。降雨历时在72 min、74 min时，位于坡面10 cm 深处的监测点EC-3 和EC-2 分别响应，读数分别为16.41%、15.14%。各传感器响应后，总体上读数都呈上升趋势，到达峰值后逐渐趋于平稳。

图7 降雨过程中填方边坡裂缝演化特征Fig.7 Crack evolution characteristics of the fill slope during rainfall

表7 湿润锋平均运移速率Table 7 Average velocity of the wetting front

从图5 中可将基质吸力的变化分为3 个阶段：平稳期、下降期和稳定期。降雨前期雨水还未下渗到各监测点，都保持着初始值不变，即平稳期。随着降雨的持续，不同位置处的监测点先后响应，响应顺序为MPS-4、MPS-2、MPS-1、MPS-3、MPS-5（表6），响应后读数开始下降，即下降期。前半部分急剧下降，下降速度快；后半部分较缓，下降速度较慢。在降雨前期，填方边坡表面的水势梯度较陡，降雨入渗较快，但随着降雨的进行，雨水在填方边坡内部的影响区逐渐增大，水势梯度随之减小，基质吸力也不断降低，入渗速率也随之减慢。此外，降雨前期填方边坡处于非饱和状态，填方坡面不会产生坡面径流，全部入渗到填方体内，但随着雨水的入渗，土体逐渐达到饱和状态后，孔隙因存在许多气泡而减小过水断面，甚至堵塞细小流水通道致使水分运移减弱，基质吸力下降速率也随之减弱。最后随含水率增加，基质吸力降到最低并保持稳定，即稳定期。

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当降雨进行到295 min 时，坡脚出现鼓胀裂缝，形状呈“几”字型的裂缝LF1，长40 cm，如图7（b）所示。但边坡变形量没有发生变化，只是在坡顶可见冲沟发育，表明此时边坡内部并未产生变形破坏，如图8（a）所示。填方边坡前缘是雨水最集中的地方，加之受填方边坡坡顶冲沟影响，致使边坡前缘土体遇水软化。从含水率和基质吸力随降雨入渗变化（图4、图5）都可以看出，土体随含水率增大，基质吸力减小到接近最低值。基质吸力对非饱和土的抗剪强度有一定贡献，它的减小将导致抗剪强度降低，边坡前缘土体容易破坏。

2.3 边坡整体失稳破坏

裂缝发育初期，随着雨水持续入渗，含水率在不断增大的同时基质吸力减小，导致土体孔隙水压力增大，间接地使偏应力增加。虽然偏应力的增加会使应力路径有向破坏方向发展的趋势，但是由于裂缝排水条件较好，雨水主要以径流为主，入渗率减弱，不会在坡体内汇集产生局部饱水带，土体的孔隙水压力就不会快速上升致使非饱和土在较短时间内达到饱和状态，非饱和土体的有效应力也不会快速减小，应力路径达不到破坏线，填方边坡便不会发生整体破坏[24]，如图7（c）所示。随着降雨的持续，冲沟和裂缝为雨水入渗提供优势通道，雨水能快速入渗到坡体内，致使坡体内的渗流场、变形场以及应力场发生改变。在308 min 时，位于坡体20 cm 深的EC-5 含水率的监测数达到峰值51.09%（图4），基质吸力除MPS-5 外都已经达到最低值（图5），它的降低导致孔隙水压力增大，滑动面剪切力学性质劣化，塑性区逐渐贯通，最后边坡以冲沟和填方交界面为滑坡边界整体向临空面滑出，填方边坡整体失稳。此时边坡变形量突然变大，在边坡后缘滑塌区的变形量从0 cm 骤增到10 cm，边坡中前缘的堆积区的变形量也从0 cm 骤增到8 cm，如图8（b）所示。变形量的突然增大表明填方边坡内部已经发生破坏，并且该破坏过程用时较短，边坡整体滑动有突发性的特征。边坡失稳后在左侧坡肩产生剪切裂缝LF4 和LF5，长度分别为3 cm 和4 cm，如图8（d）所示。它的产生表明在此处剪切应力集中。并且边坡的变形范围和变形量都有进一步发展的趋势，如图8（c）所示。

2.4 边坡块体分割及流滑破坏

边坡整体失稳后裂缝开始演化，并且有坡脚向坡顶发展的趋势，如图7（e）所示。裂缝在静水压力和动水压力共同作用下朝着更宽更长的方向发展，且在边坡后缘产生张拉裂缝LF14,张开度2 cm，下错3 cm，表明在此区域边坡拉应力集中。最后各裂缝延伸贯通并分割填方坡体，如图7（f）所示，使边坡成块体状。随后雨水沿着裂缝向填方边坡内入渗，在边坡内出现暂态滞水，降低边坡内部土体的抗剪强度，随着雨水不断充填裂缝，产生顺坡向的扩张力，使裂缝不断增大，逐渐加剧填方边坡的变形破坏[25]。边坡滑塌区和堆积区的范围和变形量都在不断增加，表明边坡仍在持续滑动，如图8（d）（e）所示。在420 min 时填方边坡土体已呈泥流状态，在土-水协同作用下发生流滑破坏，滑体的运动距离更远、堆积区和滑塌区的变形量也达到最大，堆积的最大厚度达到15 cm，滑塌区最大变形量有17 cm，如图8（f）所示。

图8 降雨入渗过程中填方边坡变形响应云图Fig.8 Cloud image of deformation response of the fill slope during rainfall infiltration

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3 填方边坡土颗粒运移分析

试验结束后，分别从坡顶、坡中、坡脚和堆积体上采样进行颗分试验，得到不同位置处颗粒级配曲线。降雨过程中填方边坡土颗粒的运移如图9 和表8所示。

表8 填方边坡不同位置处颗粒级配参数Table 8 Gradation parameters of particles at different positions of the fill slope

图9 填方边坡不同位置处颗粒级配曲线Fig.9 Particle gradation curve at different positions of the fill slope

随着降雨的持续，在填方坡面形成径流，地表水径流带着填方边坡后缘的细颗粒向前缘运移，在填方边坡前缘堆积，最后造成填方边坡后缘粗颗粒多，前缘细颗粒多的情形。坡顶的有效粒径D10均大于坡中、坡脚和堆积体，颗粒大小从0.012 mm 降低到0.006 mm，说明土体颗粒在降雨过程中从坡顶向坡脚流失；控制粒径D60坡顶大于堆积体，颗粒大小从0.040 mm 降低到0.035 mm；坡顶的中值粒径D30均大于坡中、坡脚和堆积体，颗粒大小从0.025 mm 降低到0.016 mm。

土颗粒运移对填方边坡变形破坏的影响主要有两方面：①填方边坡受降雨入渗和地表水的影响，后缘细小颗粒在降雨入渗和地表水径流过程中被带出，然后在坡脚堆积。细颗粒越多的边坡前缘渗透系数越小，雨水更容易在坡脚汇集，致使坡脚孔隙水压力增加，降低了土体的有效应力，导致土体的抗剪强度降低，进而影响填方坡体的变形破坏。②随着土颗粒的流失土体孔隙不断扩大，抗渗能力减弱，渗流速度随降雨的持续不断增大，土体颗粒将被水流持续带走，致使填方坡体局部坍塌破坏。

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4 降雨诱发直线型黄土填方边坡变形破坏模式

图10 降雨过程中填方边坡变形破坏模式图Fig.10 Deformation and failure mode of the fill slope during rainfall

（1）坡顶冲沟破坏-坡脚软化阶段：降雨初期填方边坡入渗能力大于降雨强度，坡面无径流产生。随着降雨的持续，湿润区不断增大，雨水入渗能力减弱产生坡面径流，坡体表面细小颗粒被雨水带走，在坡顶逐渐形成细沟侵蚀。细沟长时间被雨水冲刷，形成冲沟破坏。填方边坡前缘是剪切应力集中区，加之填方边坡后缘侵蚀形成冲沟后，雨水在填方边坡前缘富集，土体湿润锋下移，含水率增加而基质吸力下降产生孔隙水压力，使土体抗剪强度降低，填方边坡前缘增湿软化，且逐渐向后缘发展，前缘逐渐形成临空面，如图10（a）（b）所示。

（2）局部牵引坍塌-整体失稳阶段：在自重和降雨入渗的共同作用下，填方边坡前缘向临空面发展，形成局部的坍塌和剥落，如图10（c）所示。体积含水率和基质吸力监测表明，土体从非饱和状态到饱和状态，滑面软化产生塑性变形，最终在填方边坡深部体积含水率到达峰值时，滑动面塑性区贯通，边坡沿着填方边坡交界面和冲沟边界向临空面整体滑动，在填方边坡前缘软化处滑出，如图10（d）所示。

（3）块体分割-流滑破坏阶段：随着雨水的累积，在鼓胀裂缝、剪切裂缝和冲沟的共同作用下将填方边坡块体分割，如图10（e）所示。裂缝和冲沟以及滑坡后壁为雨水提供了优势入渗通道，坡面径流转化成地下水径流，雨水在坡体内部富集，改变坡体内部的渗流场并产生渗透力。渗透力的产生改变了其应力环境，加之降雨的累积增加了土体重度，下滑力增大，这些因素共同作用下加速填方边坡变形破坏。最后边坡土体呈泥流状态，在雨水驱动下土体向填方边坡前缘运动，表现出流滑破坏，如图10（f）（g）所示。