降雨作用下裂缝对杆塔基础滑坡影响的物理模型试验

2022-07-27周永强宋顶峰付晓东周英博

工程科学与技术 2022年4期

周永强，盛谦,2，宋顶峰，付晓东，方波，赖杰，周英博

(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实验室，湖北武汉 430071；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中建国际投资（湖北）有限公司，湖北武汉 430000；4.中国建筑国际集团有限公司，香港 999077；5.浙江华展工程研究设计院有限公司，浙江宁波 315012；6.火箭军工程大学作战保障学院，陕西西安 710025；7.国网湖北省电力有限公司经济技术研究院，湖北武汉 430077)

近年来，为实现跨大区域、跨流域的水火电互济，“西电东送”和全国联网工程项目相继实施。作为输电线路重要组成部分的高压输电塔是重要的电力工程设施，由于地形环境的限制，不可避免地要架设在滑坡地质灾害易发区域，其安全稳定运行关系到国家经济和人民生活，一旦发生故障或破坏都将造成巨大的经济损失，并引发各种次生灾害。

2007年，降雨造成重庆南岸区最重要的供电线电力铁塔塔基滑坡，供应地区40万人受停电影响。因此，研究降雨作用下杆塔基础滑坡的稳定性具有重要意义。研究表明，降雨是滑坡失稳的一个关键诱发因素。目前，相关学者采用物理模型、数值模拟等方法对降雨型滑坡的失稳过程和力学机制开展大量研究，如：为更好地对降雨诱发浅层滑坡进行研究，李宁等采用非饱和土VG模型与改进的Green–Ampt入渗模型对Mein–Larson降雨入渗模型进行改进，结合无限边坡提出降雨诱发浅层滑坡的简化计算模型。田东方等以Richards方程和有限元法为基础，将滑坡渗流计算域缩小为滑体，依据基岩边坡水平长度和滑体降雨入渗边界饱和情况，修正了降雨入渗边界，实现了考虑径流补给的滑坡降雨入渗简化数值模拟。张永双等采用数值模拟方法分析降雨条件下裂缝的深度、位置和数量对古滑坡复活的影响，结果表明：随裂缝深度的增加，渗流影响范围越来越大，雨水到达滑带的时间也越来越短；随着裂缝数量增加，滑体内渗流场影响范围扩大，饱和时间明显缩短。基于物理模型试验，李龙起和巨能攀实现了光栅测试技术在顺层边坡降雨模型试验中的应用。王俊等基于无限边坡算法构建了较为简单的实验室降雨型滑坡技术性预警系统，通过模型试验考察该预警系统在估算不同降雨强度及不同初始含水状态下滑坡失稳时间的表现，结果表明，基于无限边坡算法预警系统的预警能力具有较好的准确性。为研究库岸古滑坡的变形特征与失稳机制，肖捷夫等以藕塘滑坡为对象，模拟库水涨落和降雨工况及两者联合作用的工况，揭示了库岸古滑坡在库水涨落和降雨条件下的变形特征及失稳机制。基于室内大型滑坡模型试验，王如宾等研究了不同降雨强度下滑坡堆积体的响应规律与变形破坏模式，揭示了降雨诱发滑坡变形的破坏机理。苏立君等以汶川地震灾区震后降雨型碎石土斜坡为研究对象，通过振动台模型试验，分析了震后降雨型碎石土斜坡的稳定性。

上述研究成果为认识降雨型滑坡的失稳过程和机制提供了参考。然而，其研究对象主要为滑坡体，对杆塔基础滑坡的研究不多见。

针对杆塔基础滑坡，黄晨忱等考虑了极端降雨和局部道路开挖工况，分析燕子杆塔基础滑坡的稳定性和地表变形特征，探究滑坡地表变形对坡体上超高压输电线路杆塔基础变形的影响，提出滑坡灾害下杆塔倾斜度的定量计算方法。然而，对在降雨作用下不同相对位置的杆塔基础滑坡有裂缝时的失稳过程的分析比较少。因此，本文以湖北省巴东县燕子杆塔基础滑坡为研究对象，基于物理模型试验，研究降雨作用下不同相对位置杆塔基础滑坡有裂缝时的失稳过程和成灾模式，并在此基础上，总结降雨作用下杆塔基础滑坡成灾模式的分析流程。

1 燕子滑坡概况

燕子滑坡地处长江巫峡与西陵峡之间的过渡地带，属构造侵蚀中低山峡谷地貌单元。总体地势为南高北低、西高东低。岸坡上发育数条近东西向和近南北向的冲沟，冲沟切深3～15 m，使得区内沟壑纵横，地形完整性差。燕子滑坡所处斜坡人类工程活动剧烈，主要为修建公路和住宅区，斜坡形态变化很大，变化频率很高，如图1所示。

图1 燕子滑坡全貌Fig. 1 Overall view of Yanzi landslide

燕子滑坡纵长约400 m，横宽约150 m，面积约为6.0×10m；滑体平均厚度约为10 m，体积约为60.0×10m，滑坡体平面上呈长舌形，后缘呈圈椅状地形，剖面上呈阶梯状，前缘稍陡，坡度为25°～40°，主滑方向约为310°。滑坡区地形前陡后缓，坡度为15°～25°，居民多将缓坡地带改造为耕地。滑体物质成分主要包括粉质黏土夹碎石、碎石土、粉砂岩碎块石、泥岩角砾等，土体呈可塑～硬塑状；滑带为基岩与上覆堆积体的接触面，主要为红色粉质黏土夹碎石，稍具磨圆度，多呈强风化；滑床由Tb紫红色粉砂质泥岩组成，属软弱岩类，力学强度较低，易风化，软蚀。燕子滑坡上高压铁塔塔基为国家盘龙一回500 kV输电网200塔基，属于双回直线塔（图1）。

自2002年以来，由于受到降雨作用的影响，燕子滑坡发生过多次蠕滑变形，坡体中后缘出现多处地表拉张裂缝；2016年，受G209国道巴东长江大桥南岸绕城线公路切坡施工影响，滑坡变形区域位于滑坡中后部，前缘位于铁塔下第4级切坡，后缘位于铁塔后缘约30 m处，两侧以老滑坡边界冲沟为界，如图2所示。

图2 燕子滑坡工程地质剖面图Fig. 2 Engineering geological section of Yanzi landslide

2 降雨作用下杆塔基础滑坡物理模拟试验方案

以燕子滑坡为原型，基于相似比构建缩尺物理模型。根据所在地湖北省巴东县降雨特征分析，设计极限降雨模型，监测滑坡含水率、土压力、土体深部位移、杆塔基础位移等指标，分析降雨作用下杆塔基础变形、滑坡变形特征，以及变形随降雨持时的演化规律，揭示杆塔基础滑坡失稳过程。

2.1 杆塔基础滑坡模型和荷载相似比设计

根据燕子山滑坡现场的地质条件、相似材料模拟理论，以及相似条件，确定相似模拟试验滑坡模型的几何比，假设为500∶1，杆塔基础滑坡模型剖面示意图如图3所示，模型材料和荷载相似比为见表1。

图3 杆塔基础滑坡模型剖面示意图Fig. 3 Schematic diagram of the cross section of the tower foundation landslide model

表1 模型基本参数的相似比
Tab. 1 Similarity ratios of the parameters of the model

物理参数相似比物理参数相似比几何比500∶1黏聚力500∶1密度1∶1降雨量■10 ∶1含水率1∶1历时5■10 ∶1内摩擦角1∶1荷载500∶1 5

2.2 杆塔基础滑坡模型材料

燕子滑坡模型土层主要有3层，包括滑体土、滑带和滑床，力学性质见表2。

表2 岩土体的力学参数
Tab. 2 Mechanical parameters of rock and soil

土层黏聚力/kPa 内摩擦角/(°) 天然重度/(kN·m–3) 泊松比弹性模量/MPa滑体40.07.820.00.40140基岩260.030.025.50.20400滑带土9.418.822.00.3880

滑床基岩稳定，采用砖石砌体构筑，以一定厚度的黏土填筑抹面，构筑坚固、透水性较弱的表面。滑体配比材料主要由江砂（过2 mm 筛）、滑体土（过2 mm筛）、自来水、膨润土构成。江砂主要用来增加内摩擦角和渗透系数，对水起到很好的吸附作用，易使滑体成型；滑体土用来增加黏聚力，减小渗透系数；膨润土起到减小内摩擦角和变形模量的作用。根据相似比理论，几乎很难配比出内摩擦角较小、黏聚力极低的材料；然而，基于前人研究成果，配比材料的内摩擦角的影响要比黏聚力大，因此，在保证配比材料内摩擦角满足条件的情况下，经过多组配比试验，确定砂、滑体土和膨润土的重量比值为8∶16∶1。根据相似比理论，滑带相似材料的黏聚力几乎为0，而其内摩擦角与滑带土内摩擦角几乎一致。因此，经研究，采用双层彩色塑料布，并辅助约1 cm的砂模拟滑带。该材料既能模拟出滑带的透水性质，又能模拟滑带较弱的抗剪强度，符合滑带的基本物理力学性质。

试验滑坡模型中，杆塔基础为灌注桩，岩石嵌固基础的混凝土标号为C20级，假设原型桩桩长10 m，埋深段为9 m，出露段为1 m，截面直径为1 m。根据相似比例，试验桩桩长20 cm；埋深段长为18 cm；出露段长为2 cm；截面直径为0.2 cm，考虑到截面直径太小，设定截面直径为5 cm。由于材料弹性模量相似比为1，试验桩桩身采用钢管，钢管内填埋C20混凝土。

由于物理模型试验装置（模型箱）大小有限（其长、宽、高分别为1.5、1.0和1.0 m），较难通过模型箱将实际工程的精细地形地貌按比例精准复制，但可以简化模拟工程的地形地貌，以进一步通过物理模型试验模拟极端降雨条件下杆塔基础滑坡的失稳过程和相应的成灾模式，为实际工程提供直观上的认识和技术上的支撑。

2.3 试验方案设计

根据滑坡对杆塔的影响，滑坡与杆塔的相对位置关系主要有3种，即：杆塔位于滑坡上、杆塔位于滑坡外的下方及杆塔位于滑坡外的上部，如图4所示。当杆塔位于滑坡内时，杆塔的稳定性与滑坡的变形和破坏直接相关。当杆塔位于滑坡外的下方时，杆塔基础是否会遭到破坏，与滑坡失稳后的破坏形态有关。当杆塔位于滑坡上方时，杆塔基础的失稳情况需要对滑坡失稳后的岩土体稳定性进行重新判断。此外，降雨量是影响滑坡稳定性的重要参数，因此，试验主要通过控制降雨量，实时监测杆塔基础位移及滑坡中的土体压力和变形情况，从而分析杆塔基础滑坡的失稳过程。

图4 杆塔基础与滑坡的相对位置Fig. 4 Relative position of the tower foundation and the landslide

综合滑坡和杆塔基础相对位置关系（图4）、降雨量及滑坡裂缝的分析，设计降雨作用下杆塔基础滑坡试验方案，试验暂不考虑杆塔荷载影响。通过监测滑坡含水率、土压力、孔隙水压力、土体变形和杆塔基础位移，分析降雨作用下滑坡的失稳机制及杆塔基础成灾模式。具体监测方案如图5所示。

图5 监测方案传感器布置图Fig. 5 Sensor layout of the monitoring plan

整个模型布置土压力传感器、孔隙水压力传感器和含水率传感器各4个，传感器的埋深与杆塔基础埋深一致；在每个杆塔基础上部布设位移计1个，共计3个；传感器和位移计的布设位置如图5（b）所示。对于土体内部的变形，试验采用分布式光纤，布设位置如图5（c）红色细线所示。

2.4 杆塔基础滑坡物理模型制作

杆塔基础滑坡物理模型具体制作步骤如图6所示，阐述如下：

图6 物理模型的制作过程Fig. 6 Making process of physical model

1）勾画轮廓。利用马克笔在模型箱边壁上画分层线和模型削坡线。

2）填筑基岩。采用砖石砌体进行构筑；在此基础上，利用黏土填平表面；之后，铺上两层不透水的彩色塑料布，如图6（a）所示。

3）预制滑带。在彩色塑料布上铺设约1 cm厚的砂，在较陡的地方采用较薄细孔的铁丝网辅助，如图6（b）所示。

4）分层填筑。按照计算的每层所需拌合相似材料的质量进行逐层填筑、夯实，直至设定的密度；采用环刀在每层不同位置取样校核，每层厚度10 cm，共9层，如图6（c）所示。

5）调整坡形。借助在模型箱边壁上所画的削坡线，将坡体削成设计的形状，如图6（d）所示。

6）填充边壁材料。为避免雨水从模型箱内壁流下冲刷边界土体，造成不正常坡体破坏，采用双飞粉与水拌合后，填充在土体与模型箱内壁接触处，如图6（e）所示。

7）埋设传感器。为避免传感器在夯实土层的过程中被破坏，选择在模型填筑完成后将传感器埋设值预定位置；分布式光纤按设计的布设方法边填筑边埋设，如图6（f）所示。

8）埋设杆塔基础和位移计。同样地，在预定位置埋设杆塔基础，通过可伸缩的支撑杆和变角度的固定架把位移计固定在杆塔基础上部出露位置，如图6（f）所示。

9）设置裂缝。在杆塔基础下方一定位置，预制一条长约30.0 cm，宽约0.4 cm，深约6.0 cm的裂缝，如图6（g）所示。

10）调试数据采集系统。将传感器连接数据采集仪，并与电脑连接；之后，检测连接线路是否正确，传感器和数据采集仪是否可以正常运行，如图6（h）所示。

11）摄像系统调试。调整摄像机位置，将其放置于最佳观测点。

12）人工降雨。打开模拟降雨设备按设计雨强对坡面实施降雨，直至试验完成。

3 降雨作用下杆塔基础滑坡的物理模型试验

3.1 杆塔基础滑坡破坏过程分析

试验共降雨一次，降雨强度为60 mm/h，降雨持时为从降雨开始至杆塔基础滑坡失稳为止。

试验过程中，杆塔基础滑坡在降雨作用下发生明显的冲刷、滑移，直至失稳破坏，如图7所示，主要现象依次为：

图7 杆塔基础滑坡宏观破坏现象Fig. 7 Macroscopic failure of the tower foundation landslide

1）砂土的冲刷

在前期的降雨初始过程中，坡面被雨滴溅击，由于降雨强度大于土体的入渗速度，因此，随着降雨的增加，滑坡体的表层开始逐渐饱和，表面形成径流并往坡体下部汇聚。此时，坡面的黏土和沙子都会被雨水冲刷，坡面会形成宽度较小的沟道（图7（a））。

2）坡脚的冲刷

随着降雨的进行，由于坡脚土体相对较薄，因此，该处会很快到达饱和状态；加之坡体上的雨水向下汇聚，坡脚（尤其是靠近边壁两侧的坡脚）的土体开始发生冲刷侵蚀，降雨时间越长，坡脚的冲刷越明显（图7（b）），此后滑坡表面也形成了稳定的径流，坡体的地下水位也逐渐形成。

3）预制裂缝的发展

随着降雨的持续入渗，预制裂缝为雨水提供了良好的优势渗流通道，使得雨水在预制裂缝快速聚集，导致预制裂缝逐渐向滑坡右侧延伸，直至形成贯通裂缝（图7（c））。由于预制裂缝的存在，滑坡后缘没有形成明显的张拉裂缝，滑坡局部的变形起始于预制裂缝。

4）坡脚局部失稳

随着降雨的持续，岩土体的黏聚力逐渐减弱，导致预制裂缝的长度、宽度和深度逐渐增加，此时，雨水的暂时累积存储使此处岩土体的下滑力明显增加。随着累积的雨水明显增多，裂缝两端开始有大量雨水夹带土体向下流淌，同时此处的岩土体也开始向下坡脚推移，最终形成右端坡脚局部失稳（图7（d））。

5）坡体多级失稳和杆塔基础失稳

右端坡脚的失稳使右端滑坡失去了支撑作用而形成前端临空面，造成上部岩土体开始产生裂缝并逐渐贯通，从而形成新的局部滑坡。同样地，右端滑坡后缘又开始形成拉裂缝，相应地也产生了多级滑坡失稳（图7（e））。

在整个降雨过程中，滑坡外的底部杆塔基础虽然受到了水流的冲刷，也受到了滑坡最后向下的冲击作用，但由于下滑的速度不大，同时土体给了杆塔基础一个很好的约束作用，最终也没有发生破坏。对于滑坡内的杆塔基础，由于周围土体对杆塔基础有良好的约束作用，虽然降雨入渗使得土体的力学性质降低，导致土体发生变形，也使得对杆塔基础的约束作用降低，但是土体微小的变形还不能使杆塔基础发生较大变形，因此，该位置处的杆塔基础在滑坡失稳前基本也处于稳定状态。但滑坡变形过程中，杆塔基础没有发生剪切破坏，而是在滑坡失稳过程随着滑坡一起向下滑移并向后倾倒，最终整个杆塔基础外露在失稳的滑坡体上。滑坡外的上部杆塔基础破坏过程基本与滑坡体上的杆塔基础一样，只是发生的时间晚于后者（图7（f））。

由观测到的模型试验坡体变形可知，降雨作用下杆塔基础滑坡有裂缝时的破坏模式为：降雨作用下，预制裂缝为雨水提供了良好的优势渗流通道，使得雨水在预制裂缝快速聚集，导致预制裂缝深度、宽度逐渐扩大，并向滑坡右端逐渐延伸并贯通，为雨水提供了暂时的存储空间，存储的雨水使岩土体的下滑力明显增大，使得右端坡脚局部发生失稳而形成多级局部牵引滑动破坏，杆塔基础随滑坡一起失稳并发生倾倒破坏，滑坡后缘外的杆塔基础同样如此。

3.2 土压力的变化

试验共埋设了A1～A4共4个土压力传感器（图5（b）），A1位于滑坡外的底部杆塔基础附近，A2位于滑坡体靠近坡脚，A3位于滑坡体杆塔基础附近，A4位于滑坡外顶部杆塔基础附近，所有土压力传感器埋设深度为10～20 cm。

整个降雨过程测得的土压力变化数据如图8所示。从图8可以看出：除A2外，其他位置的土压力变化基本呈先增大后趋于平稳的分布趋势。这是由于降雨入渗使覆盖于土压传感器上的土体吸水固结压密，加上水的重度，使上部覆盖土体的重量增大，引起土压力增大。A2位置处土体埋深较浅，随着降雨的持续进行，雨水开始汇聚产生径流冲刷坡面，传感器上覆土体减少，导致土压力有一定的减小，之后坡面形成稳定的渗流又使土压力有个上升的过程。从破坏时间上来看，同样地，A2位置处的土压力变化明显早于其他位置，这是由于A2位置上部土体有发生滑移的迹象，这也说明了滑坡始于坡脚失稳。A3位置处的土压力也早于A4位置发生变化，说明了滑坡的失稳为滑坡外顶部土体制造了可能失稳的临空面。

图8 土压力的变化过程Fig. 8 Variation process of earth pressure

3.3 含水率的变化

试验共埋设了B1～B4共4个含水率传感器（图5（b）），B1位于滑坡外的底部杆塔基础附近，B2位于滑坡体靠近坡脚，B3位于滑坡体杆塔基础附近，B4位于滑坡外顶部杆塔基础附近；所有含水率传感器埋设深度均为10～20 cm。

整个降雨过程测得的含水率变化数据如图9所示。同样地，含水率突变点有较明显的先后顺序，由于径流对坡脚积水及地下水位的影响，导致滑坡外底部处有积水，因而滑坡外底部表层土体含水率快速增加至稳定状态；随着雨水的入渗，其他位置深处土体含水率也在缓慢增加，但增加的速度明显小于B1。滑坡破坏前后，土体含水率的变化与土压力的变化基本一致，B2位置的含水率变化明显早于其他位置，其次是 B1和B3位置，最后是B4位置。因为滑坡破坏是起始于预制裂缝造成坡脚局部失稳，导致多级滑坡连锁反应。

图9 土体含水率的变化过程Fig. 9 Variation process of soil moisture content

3.4 坡体内部变形

基于布里渊光时域分析技术（BOTDA），通过埋设在模型内部的光纤在降雨过程中感测到的轴向应变数据，将试验前采集的初始数据与试验进程中采集的数据做差，得到不同降雨时期分布式光纤的轴向应变数据，再将光纤的长度尺寸与在模型边坡内埋设的位置进行坐标计算，进而得到光纤埋设位置处土体的变形情况，如图10所示。图10中，

轴代表光纤的长度，

轴代表光纤的轴向应变值，正负分别代表受拉和受压。

图10 光纤监测坡体内部的变形Fig. 10 Deformation inside the slope monitoried by optical fiber

由图10可知：降雨初期，整个滑面的变形较小，在预制裂缝位置的应变最大，该位置主要承受压应变；随着降雨的持续，滑面其他位置的变形仍然变化不大，但是预制裂缝位置的应变一直增加，直到第211 min时，从预制裂缝位置到坡脚位置，光纤突然受到很大的拉应变，此时，滑坡坡脚发生局部失稳，范围从预制裂缝到坡脚，这与实际情况吻合很好。采用光纤监测可以很好地反映了滑坡内部的变形情况。

3.5 杆塔基础位移的变化

试验共埋设了D1～D3共3个位移计（图5（b）），D1位于滑坡外的底部杆塔基础上，D2位于滑坡体杆塔基础上，D3位于滑坡外顶部杆塔基础上，所有位移传感器都被支撑杆和固定架固定。

整个降雨过程测得的杆塔基础位移变化数据如图11所示。降雨过程中，杆塔基础的变化过程基本是先快速增大后趋于稳定。这是由于随着降雨的进行，水分开始入渗到杆塔基础周围的土体，导致土体强度开始减弱，从而降低了对杆塔基础的约束能力，导致杆塔基础开始朝滑坡向下的方向开始倾斜。同样地，从图11可以明显看出，滑坡体中的杆塔基础开始变形的时间早于滑坡外的杆塔基础，但滑坡外底部杆塔基础的变形速度大于其他位置。整体上看，由于预制裂缝的原因，雨水的快速入渗导致滑坡体上的杆塔基础变形要明显大于滑坡外的杆塔基础，且变形增加的过程比较持久。在滑坡的失稳过程中，滑坡体中的杆塔基础随滑坡一起突然失稳，故D2的位移瞬间增大；D3的突变时间比D2要延后，这也说明了滑坡的失稳为滑坡外顶部土体提供了失稳的临空面；D1位置的位移受下滑土影响，有小幅增大，但影响不大。

图11 杆塔基础位移的变化过程Fig. 11 Variation process of the displacement of the tower foundation

4 降雨作用下杆塔基础滑坡的成灾模式研究

模型试验结果表明，在降雨作用下，燕子杆塔基础滑坡有裂缝时容易发生局部滑坡，因此，基于整体滑坡，难以判定杆塔基础的成灾模式，可以以局部滑坡发生的位置说明3种不同情况，如图12所示。a.杆塔基础处于局部滑坡中，降雨的入渗会使局部滑坡处于变形发展阶段，在此阶段，杆塔基础的破坏与自身承载力有关，包括受力及变形等；如果外在环境超出其自身承载力，杆塔基础会发生相应的破坏，当局部滑坡处于失稳阶段时，杆塔会随局部滑坡一起失稳而遭到整体破坏。b.杆塔基础处于局部滑坡的下方，一旦局部滑坡失稳，滑体在滑动一定距离之后与杆塔发生碰撞，而杆塔是否会发生破坏，与滑坡的破坏形态及杆塔本身抗冲击能力等因素有关系。c.杆塔基础处于局部滑坡上部，一旦局部滑坡失稳，杆塔基础所在坡体地层会产生新的临空面，坡体的变形趋势将会变成在牵引作用下朝着新形成的临空面发生变形破坏，此时，杆塔基础的破坏形式与情况a一致。综上分析可知，滑坡对杆塔的影响是通过两种方式实现的，一种是作用于基础，另一种是直接作用于杆塔杆件。因此，基于物理模型试验结果和前人研究成果，总结了降雨作用下杆塔基础滑坡的成灾模式分析流程，如图13所示。