降雨型滑坡浅层滑动对土体含水率变化的响应

2022-08-09霍志涛占清华

长江科学院院报 2022年7期

霍志涛，李高，，王力，占清华，李玉

(1.中国地质调查局长沙自然资源综合调查中心，湖南宁乡 410600； 2.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北宜昌 443002； 3.中南地质科技创新中心，武汉 430000)

1 研究背景

降雨是滑坡最主要的诱发因素之一[1-3]。在过去的研究中，降雨型滑坡一直是专家学者研究的重点课题[4-6]，一些学者分别关注了降雨强度[7-9]、前期降雨过程[10]以及干湿循环[11]等作用与滑坡发生的相关性，研究发现降雨对滑坡的影响主要体现在雨水入渗导致的坡体内含水率增加，土体基质吸力减小和孔隙水压力增加，使得滑坡土体力学强度降低，进而影响滑坡稳定性[12-15]。这些研究确定了土体含水率是影响滑坡稳定性的关键因素，因此，后续的研究重点关注了滑坡稳定性对土体含水率变化的响应关系。史振宁等[16]通过降雨入渗试验得出在雨强不变的条件下，初始含水率越高，导致滑坡失稳所需的降雨时间越短。Cascini等[17]对缓动式低速降雨型滑坡进行了模拟研究，认为含水率增加导致孔隙水压力变化是缓动式滑坡持续运动的主要原因。包小华等[18]通过室内边坡模型试验，发现随着含水率的增加，基质吸力逐渐降低为0，边坡由非饱和状态变为饱和状态后，最终发生破坏，同时还指出，通过监测边坡不同位置的体积含水率，可以为渗流引发的边坡失稳预警机制提供参考依据。唐扬等[19]研究了滑坡体稳定性在持续降雨条件下的变化情况，发现在降雨初期，前期含水率对滑坡稳定性影响较大。在特殊土边坡研究方面，孔令伟等[20]通过对膨胀土边坡的降雨入渗试验发现蒸发作用使得膨胀土水分丧失导致土体开裂，再发生降雨时，土体含水率迅速增加，最终加速边坡变形。谢妮等[21]通过现场降雨试验研究黄土边坡破坏规律，结果表明降雨对浅层土体吸力和含水量影响较大，加上雨水的冲刷作用综合影响了土体的强度。

上述研究表明，含水率是研究降雨型滑坡的一个重要指标，然而实际上多数滑坡在非饱和状态时发生。因此，研究土体含水率及含水率衍生指标(如含水率变化速率)与滑坡的相关性显得尤为重要。本文通过现场监测、室内外试验等多种手段研究了降雨型滑坡与含水率的相关性，探索了含水率变化速率与降雨条件下滑坡致灾的响应关系，并进一步讨论了含水率变化速率与降雨过程的相关性，为揭示降雨型滑坡致灾机理进而为滑坡预警预报提供新思路。

2 滑坡含水率与位移现场监测结果与分析

为探究降雨条件下滑坡土体变形演化与含水率的响应关系，选取江西省赣州市于都县罗坳镇岩背村钟屋组一处典型降雨型滑坡开展滑坡地表位移及含水率等关键指标现场监测。

2.1 监测方案

滑坡物质组成上部为人工素填土，下部为坡残积含碎石粉质黏土，滑带为基覆界面，滑床为石炭系梓山组(C1Z)中—薄层状粉砂岩与泥岩互层，局部夹煤层。滑体厚度平均约4 m，面积约34 000 m2，体积约136 000 m3。根据滑坡现场调查和前期资料分析，该滑坡可能发生变形的部位主要在滑坡中后部，因此，在滑坡中后部埋设体积含水率监测装置，深度为0.8 m和1.3 m，编号为W1、W2，GNSS(全球导航卫星系统)位移监测共布设了G01、G02、G03三个点，日降雨量由高精度翻斗雨量计监测。滑坡及监测点布置平面图及剖面图见图1。

图1 监测点布置平面图及剖面图Fig.1 Sectional view and layout of monitoring points

2.2 地表位移监测结果

如图2所示，研究区2020年2月2日前未发生明显降雨，相应地，G01、G03两测点均未见明显变形。G02测点呈现缓慢变形现象，自2020年2月2日后降雨较明显，在2月15—16日，土体发生 1次明显位移，3测点位移增幅依次为82%、44%和89%，随后降雨频次和强度均增大，特别地，出现了1次降雨量达122.78 mm的大暴雨，但3测点均未见明显位移。

图2 位移随日降雨量的变化Fig.2 Displacement as a function of daily rainfall

通过地表位移监测结果可知，滑坡变形与前期降雨有明显相关性，即在久旱后发生一定频次的降雨对滑坡的影响较大，若前期保持一定的降雨频次和降雨量，再次降雨甚至短时强降雨则对滑坡影响较小。

2.3 体积含水率监测结果

如图3所示，2020年2月2日前几乎未发生明显降雨，两监测点体积含水率均呈减小趋势。发生明显降雨后，0.8 m处体积含水率迅速增加，增速达5.65 m3/(m3·d)。1.3 m测点在2月15日体积含水率由9.19 m3/m3迅速增至15.24 m3/m3，含水率变化速率达4.05 m3/(m3·d)。该测点体积含水率对降雨的响应滞后约3 d。随后两测点含水率均在14 m3/m3附近波动，在3月15日，0.8 m及1.3 m测点含水率均有不同程度的增加，含水率变化速率依次为2.33、2.46 m3/(m3·d)，这与当天发生大暴雨相关。

图3 体积含水率随时间的变化Fig.3 Volumetric water content as a function of time

从以上结果可知，含水率变化与前期降雨以及雨强明显相关，当久旱后再发生明显降雨时，土体含水率增速较快，且雨强的剧增也会影响到含水率的变化速率。

2.4 地表位移对体积含水率的响应

从监测成果看出，滑坡发生明显位移与土体含水率增加尤其是增加速率时间上较一致。为分析滑坡变形与土体含水率相关性，建立G02测点位移及位移速率与含水率以及含水率变化速率关系曲线作进一步分析。

如图4、图5所示，在2020年2月1—5日，0.8 m测点含水率增速较快，增速为5.65 m3/(m3·d)，1.3 m含水率增速较慢，3处位移测点位移稳定在35 mm附近，位移速率在零值小幅度波动。至2月15日，0.8 m测点含水率增加至峰值后保持在峰值附近波动，1.3 m测点含水率开始增大且增速较快，增速为4.05 m3/(m3·d)，此时G02测点位移达70 mm，位移速率达到峰值23.6 mm/d。此后，0.8 m和1.3 m处含水率均达到饱和状态，在3月15日，两处含水率变化速率有小幅度增加，位移基本不变，位移速率在零值小幅度波动。

图4 体积含水率及位移、位移速率随时间的变化Fig.4 Curves of volumetric water content，displacement and displacement rate against time

图5 位移、位移速率与含水率变化速率关系曲线Fig.5 Relations of displacement and displacement rate versus change rate of water content

综上可知，滑坡变形与降雨入渗深度及含水率增速均相关，含水率快速增大可致滑坡下滑力急剧增大，最终使得滑坡变形加剧。

3 滑坡含水率及位移现场降雨模型试验量测与分析

由前文监测结果可知，滑体含水率变化速率是滑坡发生明显位移的重要影响因素。为进一步探究降雨条件下滑坡失稳破坏与土体含水率及含水率变化速率的关系，选取江西省赣州市鼎龙乡一处典型降雨型滑坡开展现场原位降雨试验，试验监测地表位移及滑坡内部含水率，并记录滑坡破坏状态。

3.1 试验方案及传感器布置

试验滑坡为变质岩风化土，滑坡高、宽以及坡长分别约4、4、7 m，平均坡度约73°，研究区降雨主要发生在夏季，经野外调查发现边坡变形失稳的主要原因是强降雨。因此设计大暴雨降雨方案，即降雨强度为8 mm/h，一次降雨7.5 h，考虑到试验的供水条件，完成一次降雨后暂停5 h进行降雨补给，试验共进行92 h，每天降雨约120 mm。试验共安装2个地表位移传感器，分别位于边坡中部(编号为5#、6#)。结合前文现场监测结果可知，降雨对深度为1.0 m左右含水率影响较大，故在滑坡平台埋设4个不同位置深度为1.0 m的高精度含水率传感器。含水率监测点编号以W2-1示例，2表示2#测点，1表示监测点深度为1.0 m，其他编号以此类推，滑坡平面及含水率量测点布置示意图见图6，现场埋设含水率传感器见图7。

图6 滑坡平面及含水率量测点布置示意图Fig.6 Schematic diagram of the layout of water content measuring points

图7 含水率传感器现场埋设Fig.7 Embedded water content sensor on site

3.2 地表位移试验结果

如图8(a)所示，在滑坡平台上部开展降雨试验。降雨试验进行至第28 h左右，滑坡右侧发生大范围破坏，如图8(b)所示，破坏厚度约1.5 m，方量约6 m3。随即6#位移测点附近产生明显裂缝，如图8(c)所示，相应的6#测点位移及位移速率随时间变化曲线如图9所示，6#测点位移增加超80 mm，位移速率为145.82 mm/h，随后位移曲线呈阶梯型增加，在试验进行到第51 h左右，5#测点位移增加了近14 mm，位移速率为21.12 mm/h。至第67 h左右，5#测点位移增加了近9 mm，位移速率为16.98 mm/h。随着降雨入渗，位移呈现持续增加且增加速率减小的特征，即发生阶段位移后保持稳定状态，滑坡最终状态如图8(d)所示。

图8 滑坡演化过程Fig.8 Evolution process of the landslide

图9 测点位移及位移速率随时间的变化曲线Fig.9 Curves of the displacement and displacement rate at measuring points against time

从地表位移及滑坡破坏结果可看出，滑坡破坏厚度较小，属于典型的浅层滑动破坏；滑坡发生明显失稳破坏与6#监测点的急剧位移及位移速率的急剧变化时间上具有一致性。因此，6#监测点地表位移及位移速率是该浅层滑坡失稳破坏的关键判据。

3.3 地表位移对土体含水率的响应

为探究滑坡变形与土体含水率及其变化速率的相关性，建立6#测点位移及速率与土体含水率关系，如图10所示。在强降雨条件下，含水率平均开始增加时间约为第25 h，位移在第28 h增加至86 mm，相应地，位移速率在第28 h时增加到峰值145.82 mm/h。随着降雨试验持续，各测点含水率逐渐增加至饱和状态。结合含水率与位移及位移速率曲线可知，边坡位移主要发生在含水率变化曲线较陡的时间段，即在含水率增速较快时，位移及位移增速达到峰值，故位移与含水率增加速率有明显的相关性。

图10 位移及位移速率与含水率同步变化对比Fig.10 Displacement and displacement rate versus simultaneous variation of volumetric water content

由前文可知，试验第28 h左右，测点位移增加幅度较大且变化速率增大至峰值，与此相对应边坡发生大范围破坏，且该时间段含水率变化速率变化较明显。因此，为进一步分析边坡变形与含水率变化速率的相关性，建立滑坡体积含水率变化速率与6#测点位移及速率关系曲线，如图11所示。含水率变化速率在达到阶段峰值时，相对应位移速率均达到最大。即4个测孔土体含水率变化速率均在28 h达到峰值，分别为12.8、12、17.6、4 m3/(m3·h)，此时典型测点6#位移增加86 mm，位移速率为145.82 mm/h，随后含水率变化速率降低后，位移增幅及位移速率明显减小，在试验至40～60 h，各测点含水率有不同程度的小幅度增加，对应测点位移有近20 mm的增幅，含水率平均变化速率约为7 m3/(m3·h)。

图11 坡体位移及位移速率与含水率变化速率关系曲线Fig.11 Relations of displacement and displacement rate against water content change rate

通过以上分析可得，土体含水率变化速率达到峰值时，地表位移增幅以及变化速率也相应到达峰值，与此同时滑坡发生了大范围失稳破坏。因此含水率变化速率是滑坡失稳破坏的关键指标，而强降雨是滑坡含水率变化速率急剧增加的关键影响因素。

4 含水率对降雨过程响应的一维降雨入渗试验

根据现场监测结果发现，在土体含水率饱和前，土体深度越浅，含水率变化速度越快。前文针对深度1.0 m左右滑坡体积含水率进行了探究，为进一步精确表征1.0 m以内含水率变化速率对降雨的响应关系，选取现场试验原状土样重塑后进行室内一维土样降雨入渗试验，如图12所示，以探究含水率及变化速率在不同雨强下的响应关系。

图12 一维土样降雨入渗试验Fig.12 One-dimensional rainfall infiltration test through soil column

4.1 降雨试验方案及试验装置

土样取自现场试验原状土，土样取回后均匀晾晒，进一步将土样粉碎并过2 mm筛，测出土样初始含水率后，计算加水量，均匀加水后密封静置，经量测配置后土样平均含水率约为13%，与现场土样初始含水率较接近，土样干密度为1.43 g/cm3，饱和渗透系数为1.5×10-3cm/s。本次降雨试验设计3种降雨工况，雨强q分别为8、10、12 mm/h，每次降雨至底部土样完全饱和为止。

试验装置为全透明圆筒形玻璃钢，上端开口下端封闭，总高0.8 m，内径为0.5 m。含水率传感器埋设深度依次为0.1、0.3、0.5、0.7 m，每层布置3个含水率传感器，每层试验结果取该层3个含水率平均值。传感器编号以W2-0.5为例，其中2为工况2，0.5为0.5 m深度监测点，其他编号以此类推，布置示意图见图13。

图13 传感器布置示意图Fig.13 Schematic diagram of sensor layout

4.2 体积含水率对不同降雨强度的响应结果及分析

4.2.1 工况1(雨强8 mm/h)条件下体积含水率试验结果

如图14所示，降雨总历时1 620 min。土样初始含水率约为13 m3/m3，饱和含水率约为38 m3/m3，含水率变幅为25 m3/m3。0.1～0.7 m测点含水率起始增加时间依次为112、403、715、1 155 min，即随着深度的增加，含水率变化越慢。整体上，每层含水率变化速率呈现先增大后减小的趋势。含水率变化速率峰值依次为0.34、0.33、0.40、0.25 m3/(m3·min)，含水率变化速率到达峰值时间依次为157.5、472.5、787.5、1 440 min。

图14 体积含水率及变化速率随时间的变化(q=8 mm/h)Fig.14 Changes of volumetric water content and water content change rate against time (q=8 mm/h)

4.2.2 工况2(雨强10 mm/h)条件下体积含水率试验结果

如图15所示，降雨总历时1 328 min。土样初始及饱和含水率与工况1较一致。0.1～0.7 m含水率起始增加时间依次为57、263、472、705 min，随深度的增加，含水率增加速率越慢。0.1～0.7 m测点含水率变化速率峰值依次为0.38、0.37、0.47、0.42 m3/(m3·min)，含水率变化速率到达峰值时间依次为90、292.5、517.5、765 min。

图15 体积含水率及变化速率随时间的变化(q=10 mm/h)Fig.15 Changes of volumetric water content and water content change rate against time (q=10 mm/h)

4.2.3 工况3(雨强12 mm/h)条件下体积含水率试验结果

如图16所示，降雨总历时1 148 min。含水率起始增加时间依次为43、194、437、726 min。测点含水率变化速率峰值依次为0.45、0.38、0.49、0.7 m3/(m3·min)，含水率变化速率到达峰值时间依次为67.5、247.5、495、765 min。

图16 体积含水率及变化速率随时间的变化(q=12 mm/h)Fig.16 Changes of volumetric water content and water content change rate against time (q=12 mm/h)

由一维降雨入渗试验结果建立不同雨强下含水率变化速率峰值随深度的变化曲线以及不同雨强下各深度处含水率变化速率到达峰值时间曲线，如图17所示，每层含水率变化速率峰值均随雨强的增加而增加。深度为0.1 m处不同雨强下含水率变化速率到达峰值时间较接近，随着深度的增加，雨强为8 mm/h 对应相同深度含水率变化速率到达峰值所需时间较长，整体上，雨强越大，相同深度含水率变化速率到达峰值所需时间越短。

图17 不同雨强下含水率变化速率峰值及到达峰值时间Fig.17 Peaks of water content change rate under different rainfall intensities and the time of peaks

从以上分析可看出，不同降雨强度对土体含水率影响不同，在相同初始条件下，随着降雨强度的增大，相同深度处含水率变化时间越早，且含水率变化速率峰值越大，含水率变化速率到达峰值速度越快。

5 讨论

基于滑坡含水率及位移现场监测结果与分析可知，滑坡变形与前期降雨有明显相关性，主要体现在久旱后发生一定频次的降雨，含水率速率急剧增加，进而降低了滑坡的稳定性，致使滑坡发生明显变形。而前期保持一定的降雨频次和降雨量，再次降雨甚至短时强降雨则对滑坡影响较小，但雨强的剧增会影响到含水率的变化速率。为进一步验证降雨条件下滑坡失稳破坏与土体含水率及含水率变化速率的关系，开展了现场降雨模型试验，从模型试验结果可知，滑坡失稳破坏主要发生在含水率变化曲线较陡时间段，即在含水率增速较快时，位移及位移增速达到峰值，证实了滑坡变形与含水率增加速率有明显的相关性。基于此，利用现场试验的土样，通过一维降雨入渗试验探究了降雨过程对含水率的影响，得出了降雨强度是含水率变化速率的重要影响因素。