降雨条件下松散堆积体滑坡破坏试验研究

2022-11-08孙乾征江兴元孟生勇

金属矿山 2022年10期

孙乾征江兴元周江孟生勇

(1.贵州省地质矿产勘查开发局一0 四地质大队,贵州都匀 558000;2.贵州大学资源与环境工程学院,贵州贵阳 550025)

堆积体主要是由粒径比较小的土体与粒径相对较大的碎石或岩块组成的土石混合体,其结构松散,颗粒级配不均匀,孔隙大[1]。因此,由堆积体所引发的滑坡具有高频、高危的特点。由于堆积体结构松散的性质,导致其透水性极强,当遇到历时较长、降雨强度较大的降雨条件时堆积体极易发生失稳破坏[2]。降雨入渗改变了斜坡堆积土体的水分分布,导致土体强度降低,已然成为堆积体滑坡最主要的诱导因素之一[3-5]。降雨所引起的滑坡属于多发性地质灾害,不但造成巨大经济损失,而且会导致人员伤亡,研究降雨条件下松散堆积体滑坡的变形破坏规律,对滑坡灾害的预测预报具有重大的工程意义[6]。松散堆积体滑坡过程是非饱和条件下土体破坏的过程,随着对非饱和土体滑坡稳定性研究的深入,如何定量分析滑坡体降雨入渗规律及其非饱和条件下的变形破坏过程,变得越来越重要。林鸿州等[7]通过人工降雨模型试验探讨了降雨特性对边坡失稳的影响,并选取出合适的雨量预警参数。谭新等[8]分析了降雨入渗的过程,并提出了如何分析边坡在不同雨型下的渗流场降雨概念模型。徐光明等[9]通过模拟短期和长期的雨水入渗,证实了降雨入渗下膨胀性开挖边坡表层土体严重削弱了边坡稳定性。王如宾等[10]通过大型室内模拟人工降雨滑坡模型试验,研究了降雨强度对滑坡体孔隙水压力与土压力变化规律的影响,揭示了降雨诱发滑坡的变形破坏机理。左自波等[11]通过模型试验,探讨了相同降雨条件不同颗粒级配对堆积体土坡稳定性的影响。梁仕华等[12]以不同颗粒级配的砂土为研究对象进行室内试验,明确了颗粒级配良好的土体含水率与渗透系数越小,由此也会影响堆积土体稳定性。杨宗佶等[13]通过人工降雨模型试验模拟了砾石土滑坡破坏过程,并揭示了砾石土滑坡破坏是由优先流与基质流的双渗流场共同作用的结果。以上研究从多个方面考虑了降雨入渗与堆积坡体变形的关系,但对滑坡破坏模式与颗粒迁移的影响研究较少。

基于以上研究所使用的研究方法,本次试验将采取物理模型的方法,以贵州省内某松散堆积体滑坡为原型,模拟在不同降雨条件下松散堆积土体滑坡的破坏过程,探究松散堆积土体型滑坡的水—力条件过程,解释堆积土滑坡的优先流与基质流相互关系,并分析降雨条件下土体颗粒的迁移规律,为松散堆积体滑坡的监测预警提供参考。

1 试验方案及装置

1.1 试验方案

为了研究在不同降雨强度下的堆积体滑坡过程中的变形特征、基质吸力与体积含水率变化关系、土体内颗粒级配变化情况,开展了一系列的模拟降雨模型试验。本试验在现场滑坡原型的基础上进行了一定程度的简化,在现场滑坡区取回松散碎石土,经过筛选后取小于4 cm 以下的碎石土作为试验土样。试验土样大于2 mm的颗粒质量百分数为70.3%,有效粒径d10=0.4 mm,连续粒径d30=2 mm,控制粒径d60=4.4 mm,10＜Cu=11,1＜Cc=2.27＜5,相关参数及颗粒级配见表1、图1。试验模型比例为1 ∶100,模型堆积层的厚度控制在20 cm,模型坡度与现场滑坡坡度为30°。试验在60、110、170 mm/h 3种降雨条件下进行,布置土壤体积含水量与基质吸力传感器来记录数据,模型堆积层内传感器的布置见图2 模型槽。

表1 滑坡模拟基本参数Table 1 Basic parameters of landslide simulation

图1 试验土体颗粒级配曲线Fig.1 Grading curve of testing soil mass

1.2 试验装置

本试验装置主要由3个部分组成,人工模拟降雨设备、滑坡模型槽、参数测量系统,降雨模型试验装置如图2所示。

图2 降雨模型试验布置Fig.2 Layout of rainfall model test

(1)人工模拟降雨设备。主要包括降雨强度控制系统、降雨动力系统、降雨输送系统、数据输出系统4个部分。设备降雨强度为20～200 mm/h,有效面积为30 m2,降雨均匀系数大于86%。

(3)参数测量系统。测量系统主要包括数据采集器(Em50)、体积含水量传感器(EC-5)、土壤基质吸力传感器(MPS-6)3个装置,该测量系统每1 min读取1个数据并利用软件ECH2O Utility 进行数据收集。

2 试验分析

2.1 滑坡模型变形破坏过程分析

60、110、170 mm/h 3种降雨强度条件下,随着时间的增加,堆积碎石土滑坡的变化如下。

(1)60 mm/h 的降雨强度(图3(a))。随着时间与累计降雨量的增大,在14 min 时,试验土体斜坡坡面侵蚀区侵蚀开始逐渐明显。随着时间的推移,坡面侵蚀的不断加深,在27 min 时,坡面开始形成一个小型弧面,斜坡前缘发生第一级拉裂,并且在弧面下沿的坡体形成临空面,造成第一级拉裂面,坡脚开始有堆积物出现,此时为初始滑坡破坏,累计降雨量为16.2 mm。随着降雨量的不断增大,已有拉裂面的不断扩大,29 min 时,斜坡形成二级拉裂面。最终斜坡形成多级拉裂,并在坡脚堆积大量上缘土体,斜坡完全破坏,此时累计降雨量为29.3 mm。

(2)110 mm/h 的降雨强度(图3(b))。斜坡在临近破坏时,在斜坡坡脚有部分浑浊的水流出,在9 min 时,坡脚发生滑动。随着时间的增加,滑动面积逐渐增加,此时发生初始滑坡,累计降雨量为16.8 mm。在10 min 时,破坏体积从20%达到了70%,滑坡后缘形成一条贯穿拉裂面。在10.333 min 时,由于雨水冲蚀,滑坡堆积层完全破坏,雨水在滑坡堆积层上形成径流,此时累计降雨量为18.6 mm。继续降雨,滑坡土体无变化。

(3)170 mm/h 的降雨强度(图3(c))。在此降雨强度条件下,斜坡土体的颜色很快由浅变深,在5 min 时,斜坡坡脚发生滑动,此时发生初始破坏,累计降雨量为16.8 mm。在6 min 时,坡脚完全失稳。在7.4 min 时,两边坡脚完全破坏,并在雨水的冲刷下形成较大覆盖面积,此时累计降雨量为20.8 mm,结束降雨,斜坡在降雨条件下溃散。

图3 3种降雨强度下滑坡模型变形破坏过程Fig.3 Deformation and failure process of landslide model under three rainfall intensities

在降雨强度为60、110、170 mm/h 的条件下,累计降雨总量呈线性增加,滑坡初始滑动时的累计降雨量如表2。

表2 3种降雨强度条件下累计降雨量与降雨历时变化Table 2 Variation of cumulative rainfall and rainfall duration under three rainfall intensities

2.2 基质吸力与体积含水率变化分析

为了了解破坏过程中基质吸力与体积含水率变化对其过程的影响,降雨试验过程中,通过体积含水量传感器(EC-5)和土壤基质吸力传感器(MPS-6)来反映并记录其数值,通过两者的变化情况来代表优先流与基质流的作用效果。

(1)60 mm/h 降雨强度下(图4(a))。降雨初期,MPS-6 所反映的基质吸力无明显变化,斜率近似水平无改变,而EC-5 所反映的体积含水率已经开始增加、斜率增大,体现了基质吸力反映的滞后性。随着降雨历时增加,基质吸力基本与体积含水率变化同时反映,且变化率较接近,尤其在中后期滑坡变形后。继续降雨,含水率继续增大,基质吸力不断降低,滑坡破坏不断加剧,含水率达到0.37 时,滑坡完全破坏。说明在60 mm/h 降雨强度下,基质流明显滞后于优先流。

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(2)110 mm/h 降雨强度下(图4(b))。降雨初期,MPS-6 所反映的基质吸力大约在半分钟内无变化,而EC-5 所反映的体积含水率缓慢增加,在半分钟之后,基质吸力的下降速率明显大于体积含水率的上升速率,直至滑坡滑动前,两者相互反映不明显。大约到9 min 时,滑坡大面积滑动,两者的反映较明显,直至含水率达到0.35 时,斜坡破坏完全。造成2种传感器相互反应不灵敏的原因可能是2种传感器的间距较远。说明在110 mm/h 降雨强度下,基质流的滞后性不太明显。

(3)170 mm/h 降雨强度下(图4(c))。降雨初期,MPS-6 所反映的基质吸力与EC-5 所反映的体积含水率都迅速变化,且不论在滑坡滑动前后都保持相近变化率反映。说明在170 mm/h 降雨强度下,基质流的滞后性几乎不存在。

图4 3种降雨强度下基质吸力与体积含水率变化Fig.4 Variation of matric suction and volumetric water content under three rainfall intensities

2.3 土体颗粒级配变化分析

为了研究不同降雨条件下滑坡土体颗粒的迁移规律,降雨试验结束后,在完全破坏的滑坡堆积体上进行均匀的取样。每次试验取3 组土样,分别放进烘箱内进行烘干,然后将土样混合后进行颗粒筛分试验,并求出土体的有效粒径d10、连续粒径d30、控制粒径d60与试验前土体颗粒以及特征粒径进行对比(表3、图5)。

图5 3种降雨强度条件下降雨前后土体颗粒级配曲线Fig.5 Soil particle gradation curves before and after rainfall under three rainfall intensities

表3 降雨前后土体颗粒级配参数Table 3 Soil particle gradation parameters before and after rainfall

(1)60 mm/h 降雨强度。试验后的土体细颗粒所占的比例对比试验前土体颗粒有较大程度的减小。降雨试验后小于2 mm的土体颗粒累计质量分数相比降雨试验前减少了6.43%,且特征粒径d10从0.4 mm上升到0.6 mm、d30从2 mm上升到2.6 mm、d60从4.4 mm上升到5.6 mm。

(2)110 mm/h 降雨强度。试验后土体细颗粒所占的比例对比试验前土体颗粒也有所减少,但程度较小。降雨试验后小于2 mm的土体颗粒累计质量分数相比降雨试验前减少了3.34%,且特征粒径d10从0.45 mm上升到0.5 mm、d30从2.2 mm上升到2.5 mm、d60从4.8 mm上升到5.4 mm。

(3)170 mm/h 降雨强度。试验后土体细颗粒所占的比例对比试验前土体颗粒也有所减少,其减少程度与110 mm/h 降雨强度减少程度相似,都不明显。降雨试验后小于2 mm的土体颗粒质量分数相比降雨试验前减少了3.3%,且特征粒径d10从0.4 mm上升到0.52 mm、d30从1.9 mm上升到2.2 mm,d60从4 mm上升到4.2 mm。

3 试验结果

从试验中滑坡变形破坏的过程来看,在60、110、170 mm/h 3种降雨强度不同累计降雨量下,所产生的堆积土滑坡的破坏模式是不同的。60 mm/h 强度下滑坡是随着降雨历时逐渐形成多级拉裂断面,且拉裂面逐步后退,整体是由坡脚向坡顶的多级后退式破坏;而110、170 mm/h 强度下滑坡破坏主要是由雨水冲蚀溃散,形成从坡顶向坡脚的大面积的土体移动,破坏模式类似于泥石流的溃散性破坏。

随着降雨历时的增加,滑坡的破坏过程中基质吸力和含水率的变化有明显的相关性。滑坡破坏完全时,3种降雨强度下体积含水率均在0.35～0.41 之间,未达到饱和含水率,说明滑坡体破坏是在非饱和状态下完成的。而且是由优先流与基质流共同作用的,试验中在60 mm/h 下优先流的产生快于基质流,随着降雨强度的加大,基质流的滞后性逐渐不明显,170 mm/h 时优先流与基质流基本同时产生。

在3种不同降雨强度条件下,降雨试验后土体粒径小于2 mm的土体颗粒累计质量分数都相对试验前要下降许多,相应的特征颗粒均有所增大,说明在滑坡的破坏前后存在土体细颗粒迁移的现象。特别是在60 mm/h 降雨强度下,试验后的土体细颗粒占比减少程度比另外2 次降雨强度较大的试验更加明显,说明了滑坡前后的颗粒迁移除了与降雨强度有关,还与降雨历时有关。而且降雨历时较大时,累计降雨量较大,会使滑坡中细颗粒的迁移更加充分。

4 讨论

(1)从本次试验滑坡变形的现象来看,在60、110、170 mm/h 的降雨强度下,模型第一次滑动都在坡脚发生,根据李荣建等[14]的研究成果来看,可能是因为现场边坡客观存在局部三维效应,而模型边坡侧向边界的约束会使结果存在部分失真。

(2)试验中降雨强度60、110、170 mm/h 时,累计降雨量随时间单调增加,但滑坡破坏降雨量临界值分别是27.2、16.2、16.8 mm,说明滑坡初始破坏时的降雨量临界值并不随着其降雨强度升高而单调减少,这与杨宗佶等[13]通过测斜传感器得出的结论相似。由Horton[15]的斜坡入渗理论可知,降雨入渗速度通常比坡面漫流的速度慢很多。在本试验中170 mm/h 降雨强度下的雨水来不及完全入渗,形成速度较快的坡面漫流,侵蚀斜坡表面并导致坡体强度降低,形成浊流后逐渐破坏;降雨速率小于其入渗速率时,雨水入渗相对完全,60 mm/h 降雨强度下,雨水入渗较完全,土体因含水率增大,自重增大后坡体应力状态达到破坏极限从而导致破坏。

(3)由本次降雨试验前后的颗粒级配变化所得出的结论来看,降雨历时与累计降雨量对颗粒迁移的影响较大,其中60 mm/h 降雨强度时,降雨历时最大,其结果最明显,验证了周小军等[16]通过正交试验极差所得出的结果,在诸多因素中,降雨历时是影响颗粒迁移的主要因素。且试验中在发生失稳之前,能够观测到坡脚有细颗粒的堆积,与Cui 等[17]描述的细颗粒堆积坡脚现象类似,但是不甚明显,原因可能是土样粒径与降雨强度不同所引起。