降雨诱发堆积体滑坡水土响应与稳定性时空演化试验研究

2023-01-30孟生勇江兴元孙乾征史文兵

水文地质工程地质 2023年1期

孟生勇，江兴元,2，杨义，孙乾征，史文兵,2

（1.贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳 550025；2.贵州大学喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室，贵州贵阳 550025；3.贵州省地质矿产勘查开发局一〇四地质大队，贵州都匀 558000）

受内外营力作用，山区斜坡的表面或坡脚附近常形成大量松散堆积体[1]，在极端气候尤其是连续强降雨影响下，松散堆积体极有可能发生失稳形成破坏力极强的滑坡泥石流灾害[2]。同时，由于山区工程活动较频繁，不可避免对这些堆积体形成扰动，导致斜坡变形开裂，为降雨入渗提供优势通道，加速了堆积体的失稳。因此探究山区松散堆积体在降雨作用下的稳定性问题具有重要的现实意义。

Cuomo等[3]、Ghosh等[4]对滑坡变形进行区域性评估，利用地质观测并结合边坡稳定性分析手段，发现所有可能类型和空间尺度的滑坡都表现出明显的时空特征和演化。白永健等[5]、冯文凯等[6]结合室内试验与数值模拟，总结了降雨型滑坡在空间上的灾变过程，分析了降雨在不同入渗时期对滑坡体产生的影响。国内外研究学者都尝试通过斜坡不同位置的变形发展与稳定性演化去分析斜坡变形机制。Wang等[7]、左自波等[8]、涂国祥等[9]、Orense等[10]基于室内试验研究了降雨诱发滑坡的破坏模式、运动过程、斜坡体渗流规律以及孔隙水压力对斜坡的影响。Sasahara等[11−12]、李爱国等[13]、Bordoni等[14]研究了入渗过程斜坡体内剪切应变的变化与孔隙水压力、体积含水率、基质吸力之间的关系，利用基质吸力等参数分析降雨入渗对斜坡稳定性的影响，并基于剪切应变和孔隙水压力的关系建立了降雨条件下的边坡失稳模型。Hu等[15−16]针对一些松散碎石堆积体在降雨和地表径流作用下形成流化滑动的现象开展大量水槽试验，研究了松散堆积体内部潜蚀和细颗粒含量对这一现象的影响规律。张玉成等[17]、唐军峰等[18]发现水库蓄水诱发滑坡系列因素中，滑带土强度浸水弱化是较为关键的控制因素。杨宗佶等[19]通过足尺人工降雨试验模拟了典型砾石土滑坡堆积体的破坏发展过程，并采用VG模型分析了入渗过程中坡体吸应力的变化规律，揭示了斜坡破坏发展过程是优先流和基质流场共同作用的结果。上述研究表明，降雨入渗过程滑坡水土响应具体表现为：降雨入渗使坡体含水率逐渐增大，坡体不同深度处孔隙水压力急速增加，导致土中吸力大幅降低甚至消散，有效应力不断减小；而且，含水率的增大还会引起边坡土体重度增大和抗剪强度降低[20−23]，进一步促进斜坡破坏发展。

已有降雨诱发滑坡的研究大多侧重于考虑土体的颗粒粒径、细颗粒含量等对斜坡破坏的影响机制，而对斜坡稳定性时空演化的研究相对较少。基于此，本文以贵州省某滑坡为原型，利用自行设计的室内模拟降雨水槽模型，开展降雨条件下堆积层滑坡降雨入渗模型试验，重构试样的土-水特征曲线，分析降雨入渗过程中孔隙水压力、基质吸力和含水率的变化规律，探讨斜坡破坏发展过程与稳定性时空演化规律，以期为降雨条件下堆积层斜坡的监测预警和防灾减灾提供理论指导。

1 试验与理论方法

1.1 模型试验

（1）试验原型

以贵州省思南县凉山村下街滑坡为原型。该滑坡区属于低中山沟槽地貌，地势东南低西北高，地形起伏较大，最大高差130 m。斜坡坡度15°～30°，主滑方向134°，平面呈“长舌”型，平均宽度180 m，纵长420 m，平均厚度6 m，体积约4.6×105m3。钻探揭示滑体主要为第四系堆积物碎石土；滑床为中～上志留统韩家店群（S2-3h）泥岩，隔水性强，地层产状为135°～178°∠10°～15°。2014 年 7 月持续近 3 d 的强降雨导致大量地表水汇集、入渗，坡体后缘发育大量交错拉张、剪切裂缝。如图1所示，滑坡后缘整体下错、中部局部垮塌，前缘受挤压向前滑动，出现多级破坏；滑坡右侧受滑动区影响发生变形，使S304省道交通中断，大量房屋开裂、倒塌，22户居民受灾。

图1 思南县凉山村下街滑坡工程地质平面图与特征图Fig.1 Geomorphic map and feature map of Xiajie landslide

（2）试验材料

凉山村下街滑坡堆积体结构松散，透水性强，细颗粒含量较低。通过现场取样测试，土体比重、天然含水率、饱和体积含水率、渗透系数分别为2.33、17.5%、48.9%、1.04×10−3cm/s。通过筛分试验分析，土体的限制粒径、中值粒径和有效粒径分别为7.00，2.70，0.54 mm，不均匀系数为12.73，曲率系数为2.04，为级配良好土。为满足室内模型试验水槽模型最大容许粒径要求，将原始碎石土粒径≥20 mm的颗粒剔除，原始滑体和试验土体级配见图2。

图2 原始滑体和试验土体颗粒级配Fig.2 Particle gradation of original and testing soil

（3）试验方案

基岩面与斜坡倾角分别取为15°、25°，试验材料取自滑坡现场，降雨强度为暴雨级别（45 mm/h）。试验具体流程为：①降雨系统距离模型顶面距离为1.40 m，通过流量计以及喷头数量控制降雨强度并标定其均匀性，达92.91%。②以13%的初始含水率配置试验材料，分6层填筑，模型相对密实度为0.27，布设数据监测剖面I-I'、并埋设体积含水率传感器（VWC）、孔隙水压力传感器（P）、基质吸力传感器（SWP）各9个共3 层，见图3（a）（b）；各传感器编号分别为：VWC1——VWC9、P1——P9、SWP1——SWP9。③模型堆砌完成后，数据采集各位置传感器初始数据，利用三维激光扫描仪获取斜坡形态。

图3 试验模型装置及传感器（单位：mm）Fig.3 Test model device and sensors （unit: mm）

（4）相似性分析

为了使模型试验结果尽可能与滑坡实际变化一致，试验在几何、物理性质及边界条件上与滑坡原型保持相似。（a）几何相似：按照缩尺比约1∶360开展模型试验，模型长、宽、高分别为1.2，0.5，0.3 m，设计坡度为40°。（b）物理性质相似：试验材料取自滑坡原型，为满足试验要求剔除了少部分大颗粒，但保留了原型土体宽级配的特性，以反映松散堆积体的结构和物理性质。（c）边界条件相似：原型土体结构较松散，渗透性好，斜坡主要发生非饱和浅层破坏，且不存在潜在地下水上升影响；因此，模型试验前缘边界设计为透水边界，保证土体的非饱和状态和自由透水条件。

1.2 理论分析

（1）土-水特征曲线

Brooks-Corey（BC）模型[24]、Van Genuchten（VG）模型[25]及 FredlundXing（FX）模型[26]被广泛用来拟合土体的土-水特征曲线。BC模型是与土体“孔径分布指数（λ）”相关的幂函数，根据进气压力值（ψb），该模型为非光滑或开放形式，比较适用于吸力变化较小的情况，如可排出孔隙水的粗粒土。模型表达式为：

式中：Se——有效饱和度；

θ——体积含水率/%；

θr、θs——残余、饱和含水率/%；

ψ——基质吸力/kPa。

VG模型是一个封闭、平滑的模型，表达式为：

式中：α、n、m——拟合参数，其中m=n−1/n。

FX模型的一般表达式为：

式中：C(ψ)——修正因子，可确保含水率为0时模型吸力值为106kPa。

（2）边坡稳定性分析理论

通常使用“无限斜坡稳定性模型”的极限平衡理论对降雨诱发的浅层滑坡进行稳定性评价，Lu等[27]将经典评价模型扩展至非饱和条件，其表达式为：

式中：Fs(z,t)——不同时刻不同深度处稳定性系数；

z、t——深度、时间；

σs(z,t)——吸应力，是ψ(z,t)与Se的函数；

γd、γw——土体干重度、水的重度/（kN·m−3）；

c'——有效黏聚力/kPa；

φ'——有效内摩擦角/（°）；

β——斜坡倾角/（°）。

2 试验结果

试验降雨历时90 min，累计降雨量67.5 mm，斜坡破坏过程见图4，经历3个阶段：

图4 斜坡模型破坏发展过程Fig.4 Development process of slope

（1）微裂隙发育阶段，t=0～30 min。降雨初始，坡顶面雨水入渗，土体浸润线迁移方向大致与斜坡面平行；随着入渗的持续，湿润锋逐渐下移至斜坡中下部，坡体含水率逐渐增大。而且，斜坡面水分沿坡面向下流动，坡肩和坡面位置发生局部侵蚀。此阶段坡顶沉降约5 cm，由于沉降不均匀性和坡面侵蚀作用，在坡顶及坡面附近开始出现张拉微小裂缝，坡面向下发生短距离蠕动，见图4（b）。

（2）局部破坏阶段，t=30～45 min。浸润线下移至斜坡下部，坡顶沉降约7 cm，前缘向前滑移了约20 cm，坡顶和坡面发育的裂缝进一步扩展并发生局部坍塌。坡脚附近有较小颗粒汇集，形成流滑现象，见图4（c）。

（3）整体破坏阶段，t=45～90 min。浸润线已完全迁移至模型底部，坡顶下沉近10 cm，大量滑体堆积于坡脚附近；此时降雨入渗形成稳定渗流并自坡体流出，斜坡进一步发生破坏，并呈现出“多级式后退型”破坏，见图4（d）。

斜坡破坏过程呈现出“初期拉裂-局部坍塌-塑性滑动”破坏模式，与滑坡原型实际变化一致。

3 分析与讨论

3.1 土水响应规律

图5为斜坡内不同深度处体积含水率、基质吸力以及孔隙水压力变化规律。降雨初期，t=5 min时，5 cm深度处9号点（VWC9）的体积含水率迅速激增到28.1%。t=13 min，坡肩发生局部破坏，基质吸力迅速下降至11.1 kPa；此时斜坡中部15 cm 深度处（VWC7）的体积含水率短时间内激增至37%并保持相对稳定。t=18 min，雨水入渗至斜坡坡脚，基质吸力迅速降至11.8 kPa。t=24 min，坡面受坡肩坍塌及基质吸力骤减影响而发生局部破坏。t=62 min，坡肩出现大规模坍塌，使得VWC7的体积含水率短时间内出现骤减现象，见图5（b）；t=66 min，坡脚Z=25 cm深度附近受坡面坍塌影响而发生多次滑动，使得该位置处VWC4的体积含水率发生多次突升和骤减，见图5（c）。入渗过程体积含水率变化特征为：靠近坡表处（VWC9、VWC7、VWC4）的体积含水率达45%～47.1%，明显高于斜坡后缘的体积含水率（37%～38%）；而斜坡底层位置（VWC1）的体积含水率达到48.75%，其原因是在降雨作用下土体中较小颗粒不断向斜坡前缘及底部运移，并在斜坡前缘基覆面附近汇集，形成相对隔水带，降低了基覆面附近土体的渗透性，使底层土体较长时间处于饱和状态。

图5 不同深度处含水率、基质吸力以及孔隙水压力变化Fig.5 Relationship between water content, substrate suction and stability factor at different depths

图5（d）为斜坡不同深度处的孔隙水压力变化曲线，整体上呈现出“急速上升”、“出现裂纹或坍塌而骤降”以及“缓慢上升”的演化过程。t=8 min时，降雨入渗至后缘监测点（P8）附近，孔隙水压力迅速上升至0.4 kPa；当坡体产生微裂隙或坍塌时，孔隙水压力突降至0.15 kPa。其他监测点孔隙水压力的变化呈现出类似规律，其原因是坡体产生裂隙或坍塌使得传感器短时间暴露在空气中，孔隙水压力耗散较快。值得注意的是，靠近坡肩（P9）的孔隙水压力在入渗过程中变化不明显，峰值约为0.16 kPa，原因是试验过程中坡肩附近变形破坏较明显，坡肩土体被冲刷侵蚀，孔隙水压力耗散较快。由于斜坡产生的变形破坏影响，坡表附近（P7）的孔隙水压力峰值可达2 kPa，而坡体后缘峰值约为1.61 kPa。试验表明，入渗时体积含水率发生突变的过程中，基质吸力迅速下降，在斜坡底部甚至消散；而孔隙水压力则快速上升，有效应力下降，降低了土体的抗剪强度，促进了斜坡变形破坏，使坡体稳定性进一步降低。

3.2 边坡稳定性分析

（1）土体强度特征

设计5组不同含水率土样直剪试验，结果见图6。体积含水率为 12% 时，c'和φ'分别为 4.49 kPa、37.08°；随着含水率逐渐升高，c'和φ'大幅度被削弱；体积含水率增加到 36% 时，c'和φ'为 0.27 kPa、3.39°，衰减 90%以上。构建不同含水率条件下c'和φ'的指数函数表达式，见式（5）和式（6），为后文构建不同深度和含水率条件下的斜坡稳定性演化提供依据。

图6 不同含水率条件下试样强度衰减曲线Fig.6 Strength decay curve of sample under different volumetric water contents

（2）土-水特征曲线

基于土体中基质吸力与含水率的耦合关系进行土-水特征曲线的重构（图7）。FX模型与BC模型与试验数据的相关性较低，特别是斜坡高含水率阶段，模型拟合度较差，在入渗过程中对优先流的响应不如VG模型（R2=0.83）。另外，土体颗粒级配对模型拟合参数有较大影响[28,29]。因此，基于VG模型构建的土-水特征模型。

图7 试验土体的土-水特征曲线Fig.7 SWCC of the experimental soil

（3）边坡稳定性分析

结合边坡稳定性评价模型、土体强度演化函数及土-水特征曲线，通过MATLAB程序计算监测点位置稳定性系数；监测点之间的稳定性系数通过Origin绘制“XYZ等高线图”进行映射（图8），其原理是通过已知监测点数据插值计算。稳定性分析所用参数以t=10 min为例进行说明：c'、φ'根据土体强度特征衰减函数而得，不同深度处φ'变化较小，取均值；吸力通过监测数据由VG模型计算而得；坡角为25°、残余含水率为3%，具体见表1。

图8 斜坡不同时刻稳定性系数演化云图Fig.8 Evolution nephogram of slope stability coefficient at different time points

表1 斜坡稳定性分析土体参数（t=10 min）Table 1 Soil parameters for slope stability analysis (t=10 min)

图8（a）——（e）为斜坡不同时刻稳定性系数（Fs）演化云图，云图表现出的发展破坏特征与试验结果基本一致。降雨初期，斜坡坡肩及坡面附近最先发生沉陷和局部剪切变形，微裂隙开始孕育发展，稳定性系数下降至1.8左右，见图8（b）。随着降雨过程持续，斜坡微裂隙进一步发展，促进了降雨入渗，结合图5（d）孔隙水压力的变化，加速了斜坡剪切变形，导致坡面局部坍塌。t=25～30 min阶段，坡面局部位置稳定性系数降至0.5～0.9，发生破坏并向斜坡前缘滑动，坡脚附近见有较小颗粒汇集，形成流滑现象，见图8（c）（d）以及图4（c）。t=40 min左右，斜坡后缘及坡面大部分区域稳定性系数下降至0.4～0.9，坡面已基本坍塌；坡脚附近稳定性系数下降至0.4以下，并发生多次滑动破坏，坡面最终形成稳定的渗流并不断对坡面形成塑性滑动破坏，见图8（e）以及图4（d）。云图显示斜坡后缘稳定性比前缘及坡肩附近下降的速度慢，原因是降雨入渗过程土体中的较小颗粒不断向斜坡前缘及基覆面运移并汇集，降低了基覆面附近土层的渗透性。