降雨过程中堆积体边坡瞬态稳定性分析

2023-05-30刘晓广王晶莹

河南科技 2023年6期

刘晓广王晶莹

摘要：【目的】以豫西渑池县槐扒滑坡为地质原型，探究降雨条件下堆积体边坡变形破坏启动机制。【方法】基于前人研究建立概化堆积体边坡的地质模型和数值试验模型。【结果】降雨作用下，坡脚首先发生破坏，随后牵引斜坡发生整体变形破坏。边坡灾变过程可描述为3个阶段：①雨水入渗—堆积体边坡浸润变形阶段；②堆积体边坡裂缝发展阶段；③滑坡发生阶段。【结论】其变形破坏过程可以概括为：坡脚变形破坏—中后部变形发展—裂缝发育贯通—滑坡发生。

关键词：堆积体；降雨；模型试验；灾变过程

中图分类号：TU434 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2023）06-0117-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.023

Transient Stability Analysis of Accumulation Slope During Rainfall

LIU Xiaoguang WANG Jingying

（College of Earth Science and Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046， China）

Abstract： [Purposes] Taking Huaiba landslide in Mianchi County， West Henan Province as a geological prototype， the initiation mechanism of slope deformation and failure of accumulation body under the condition of rainfall was investigated. [Methods] The geological model and numerical test model of generalized accumulation slope were established based on previous studies. [Findings] Under the action of rainfall， the slope foot first failed and then the traction slope deformed and failed as a whole. The process of slope disaster can be described as three stages： ① rainwater infiltration — accumulation body slope infiltration deformation stage; ② Development stage of slope crack of accumulation body; ③ stage of landslide occurrence.[Conclusions] The deformation and failure process can be summarized as follows： slope toe deformation and failure—middle and rear deformation development—fracture development—landslide occurrence.

Keywords： accumulation body; rainfall; model test; cataclysmic process

0 引言

在我国滑坡灾害中，堆积体滑坡占据85%以上［1］。堆积体滑坡具有分布范围广、爆发频率高、持续危害大的特点。降雨是触发堆积体滑坡主要因素，深入研究降雨条件下堆积体滑坡的失稳规律，对滑坡灾害预防预报具有重要意义。堆积层边坡具有大孔隙、透水性强、易变形的特点，降雨及地下水是其发生失稳破坏的主要诱因［2-3］。

与现场测试相比室内模型试验监测更全面，能再现灾害发生过程［4］。左自波［5］利用不同级配、坡度、降雨工况下堆积体边坡体积含水量、孔隙水压力、位移、颗粒运移情况，总结了堆积体边坡破坏模式，但未考虑基岩对堆积层的影响。胡航［6］利用模型试验与数值模拟相结合的方法，建立不同坡角在不同降雨工况下的堆积体边坡模型，得出滑坡破坏主要有冲蚀滑移、浅层滑塌、多级后退三种模式，但未考虑土的强度与颗粒级配。张玉等［7］、杨继红等［8］学者研究了降雨和水位升降工况下，将非饱和土渗流理论和强度理论引入到边坡的渗流和稳定性分析中，得到了边坡的瞬态稳定性。刘汉东等［9］将豫西滑坡划分为顺层直剪、跨层斜切、挡墙式。耿正［10］通过室内降雨模型试验研究得到了前缘反倾类型锁骨段滑坡破坏过程，将边坡失稳划分为：稳定阶段、蠕滑阶段、加速滑动阶段、破坏后稳定阶段，但降雨强度较大，边坡破壞表现为雨水的冲蚀破坏。

有关降雨条件下堆积层滑坡的启动机制研究还比较少，建立定量的分析模型研究降雨引发的滑坡失稳规律，对滑坡的滑动机制进行分析，可为此类滑坡的防范和治理提供理论依据。基于前人的研究成果，本研究将数值模拟与模型试验结合，运用非饱和土渗流理论对堆积体边坡降雨过程中的渗流场进行模拟，并把瞬态的孔隙水压力分布和非饱和土强度理论应用到边坡稳定性分析中。

1 堆积体边坡室内模型试验

1.1 地形地貌

豫西渑池县槐扒滑坡如图1所示，该滑波主要是由持续的强降雨和人类活动的影响引起的古滑坡复活。滑坡呈东南高、西北低的地形，滑坡形态呈典型的圈椅状构造。主滑动方向为324°滑坡后缘位于山体北侧临近顶部的山腰处，高程约为390～426 m，存在明显的张拉裂缝，形成15～20 m的土坎。滑坡长约为495 m，滑体宽约为526 m，平均厚度约为20 m。滑坡前缘宽度约为280 m，滑坡面积约为20万m2，属于大中型岩土质滑坡。坡脚为铝土矿的开挖区，矿区开采破坏了原有的稳定结构。该事件作为模型试验的参考：基岩与堆积体接触面呈30°保持不变，这与该地区多数降雨滑坡平均坡度保持一致。

1.2 试验设计

降雨模型试验装置及试验设备如图2所示。主要是由模型箱和降雨控制系统组成，模型的长、宽、高分别为1.73 m、1.00 m、1.00 m。该滑坡模型由上覆堆积层和基岩组成，不考虑基岩的滑动变形。基岩为顺倾层状结构边坡模型，由加气砖砌筑而成，基覆界面用水泥砂浆抹面，堆积体边坡模型在模型箱内分层填土构成，并用击实器击实，降雨强度为30 mm/连续降雨3 h（当地发出红色预警时的降雨量）。

利用孔隙水压力计和三维激光扫描仪获取各项试验数据。孔隙水压力计为DMKY型，量程为0～10 kPa、规格为15.8 mm×21 mm、分辨率为0.01 kPa；三维激光扫描仪能准确地获取扫描对象的位置信息，水平方向可以扫描360°，竖直方向可以扫描270°，扫描精度为±1 mm。整个试验过程中采用定时拍照来获取滑坡表面裂缝形成及演化过程，搭建的模型及孔隙压力测试位置，如图3所示。

模型试验材料堆积层取自河南省槐扒滑坡附近斜坡的滑带土，主要成分为粉土。级配曲线如图4所示。通过直剪实验和渗透实验获得了物理力学参数，见表1。试验用土经过晾晒、筛分、搅拌和称量，均匀的分层压实在模型箱内，使模型边坡达到实验设计厚度。试验控制其重度为17 N/cm3与天然状态容重一致。

2 试验

2.1 坡面变化

模型试验总耗时140 min，滑坡的发展过程如图5所示。随着降雨持续堆积体颜色逐渐加深，25 min左右雨水到达基岩面，降雨38 min时观察到模型右侧出现裂缝约15 cm。降雨46 min时，坡中出现水平方向裂缝，长约35 cm、宽约1～2 cm，裂缝距后缘75 cm；降雨92 min时坡脚出现拉裂缝，坡脚拉裂缝距后缘1 m，坡脚沿着靠近下部的裂缝发生第一次滑动；降雨99 min时坡中拉裂缝扩大至8 cm，随后坡体沿着中间的拉裂缝发生第二次滑动，同时后缘55 cm处出现第三条拉裂缝；降雨112 min时，后缘拉裂缝不断增多，仅2 min堆积体边坡整体破坏。滑坡经历了缓慢生长、加速生长、快速破坏三个阶段。

试验中坡脚最先出现拉裂缝发生破坏，裂缝逐渐向上生长变多，边坡裂缝持续变大最终边坡坍塌破坏。堆积在坡脚与水平向的裂缝形成台阶状坡面，其破坏方式为牵引式滑动破坏，如图6所示。

2.2 坡面位移响应

运用三维激光扫描仪监测水平和竖向位移变化，如图7所示。降雨60 min坡面两侧发生1～4 cm竖直方向的沉降；持续降雨至90 min时，坡脚首先变形在竖直方向上出现4～5 cm的沉降。随后99 min时坡中沉降约10 cm，坡顶出现4～6 cm沉降变形。随着降雨的持续坡中和坡脚分别出现超过10 cm的沉降和隆起，坡脚破坏导致坡中拉裂缝扩大，后缘边坡失去支撑向下蠕动；112 min后缘边坡整体沉降约15 cm，堆积体边坡最大沉降量为20 cm。位移云图可知裂缝由坡脚裂缝向上持续生长呈多级后退现象，边坡失去支撑最终整体破坏。

位移特征点随时间变化情况，如图8所示。降雨初期，仅有坡脚发生了1～4 cm竖向位移变化，坡脚最先饱和基质吸力减小较快［11］，阻滑力变小坡脚隆起。裂缝发展阶段：雨水的冲蚀作用带走了边坡中的细颗粒坡脚最先破坏，坡脚竖向位移出现先下降再上升的现象。坡顶的向下蠕动和坡脚破坏导致坡中竖向位移先上升随后中随之下降。降雨46 min坡中开始产生的水平向裂缝，随着裂缝生长，坡中水平位移逐渐增大。滑坡发生阶段：降雨前90 min内各部分位移变化较小，此后位移变化呈线性增长，在此期间裂缝不断发展边坡整体发生破坏。

2.3 孔隙水压力变化过程

孔隙水压力变化过程，如图9所示.降雨浸润阶段：堆积体缓慢沉降密实但孔隙水压力变化不大。裂缝发展阶段：裂缝增多雨水入渗加快，堆积体内部形成滞水层，孔隙水压力持续升高，但由于雨水的冲蚀带走了坡内细粒结构并形成了新的渗流通道，因此坡脚孔隙水压力表现为先上升后下降。滑坡发生阶段：110 min时坡脚发生第二次滑动堆积体内部孔隙水释放引起压力变小。后缘边坡下滑在坡中堆积，坡中孔隙水压力表现为一直增大。坡顶孔隙水压力在整体破坏前与坡脚孔隙水压力基本一致，滑坡发生后传感器随堆积体一起向下滑动形成新的滞水层，导致孔隙水压力再次升高。

3 数值模拟

3.1 边界条件及初始条件

在堆积体边坡试验基础上，建立非饱和渗流数值模型分析降雨过程中随着雨水入渗堆积体边坡的动态响应规律，如瞬态的浸润线、孔隙水压力等变化特征。模型尺寸为1.73 m×1.00 m，水平方向为X轴，垂直方向为Y轴。根据试验设计确定模型的边界条件，通过设计初始水位和最大孔隙水压力的方式，模拟滑坡初始状态的均一分布的基质吸力。由于基覆界面以下岩土体渗透系数相对较差，因此基覆界面视为不透水边界，降雨强度为30 mm/h。

3.2 非飽和渗透性函数的选取

参考GEO-SLOPE软件内置的土水特征曲线模型经反复校核得到滑坡模型土水特征曲线，本研究主要采用Fredlund & Xing方法确定非饱和渗透系数［12］模型土水特征曲线拟合参数：a=40 kPa（进气值），n=1（形状参数），m=0.8（形状参数），WCsat=0.4（饱和体积含水量）。滑坡体的土水特征曲线如图10所示。

3.3 降雨入渗分析

边坡孔隙水压力变化情况如图11所示，负孔隙水压力趋于0的等值线，为边坡暂态的浸润线，基质吸力基本丧失。降雨初期：边坡饱和度低、入渗量大。30 min后，浸润线已经到达基岩面，坡角岩土体被浸泡变软同时细颗粒也被雨水冲蚀带走强度快速下降。裂缝发展阶段：随着降雨量的增加，使得边坡内部非饱和区域不断缩小，暫态的润线向上部和边坡内部蔓延，坡脚的破坏和边坡重度增加使得下滑力增大向下蠕动，坡中和坡顶裂缝持续生长。发生阶段：降雨90 min后边坡整体饱和度较高，入渗减少降雨以坡面径流和坡内渗流为主，降雨120 min后边坡基本饱和，这与模型试验结果一致。

降雨入渗导致边坡应力状态不断变化，有效应力降低是边坡失稳的主要原因，堆积体边坡有效应力随降雨时间的变化过程如图12所示，边坡含水量增加、基质吸力降低，边坡有效应力也随之降低，边坡发生破坏时有效应力降低至6 kPa以内。

如图13所示，降雨140 min后此时边坡的位移降至最大，边坡整体发生变形不多因此只给出了显著变化的位移场，其中坡中、坡顶位置位移变化最大，与试验监测基本一致，出现较大沉降，最终堆积体边坡发生整体破坏。

4 结论

通过试验研究得到堆积体边坡的失稳机理及破坏模式与实际相符，并得到以下结论。

①随着降雨持续，雨水从坡表入渗，边坡体积含水量增加，重度、下滑力增大、强度降低；后缘边坡孔隙水在坡脚聚集，最先饱和发生破坏，该滑坡为牵引式滑动破坏。

②边坡灾变过程可描述为三个阶段。雨水入渗—堆积体边坡浸润变形阶段：堆积体边坡结构松散、孔隙度大、透水性强，雨水入渗较快，边坡仅出现微小变形孔隙水压力变化不大；整体变形发展阶段：边坡孔隙水压力、土压力逐渐增大，自重增加边坡下滑力增大边坡不断挤密，坡脚滑动牵引中部出现拉裂缝随后裂缝不断增多入渗量增加；滑坡发生阶段：此时模型达到失稳临界值，持续降雨的作用下堆积体浸泡软化，模型内裂缝已经基本充水，边坡内赋存滞水层使得孔隙水压力不断升高，裂缝不断发育直至贯通，后缘边坡开始出现拉裂缝，中部滑动带动整体滑动；因此其变形破坏过程可以概括为：坡脚变形破坏—中后部变形发展—裂缝发育贯通—滑坡发生。

③基岩面作为弱透水层，水分聚集在基岩面，由于雨水冲蚀细颗粒被带走坡脚强度变低最先破坏，边坡中上部土体开始向下缓慢蠕动，边坡整体发生变形，有效应力降低土体抗剪强度减小，堆积体发生顺层滑动。

参考文献：

［1］刘汉东. 边坡失稳定时预报理论与方法［M］. 郑州：黄河水利出版社，1996：42-60.

［2］左自波，张璐璐，程演，等.基于MCMC法的非饱和土渗流参数随机反分析［J］.岩土力学，2013，34（8）：2393-2400.

［3］李新志，贺可强. 地下水在三峡库区堆积层滑坡中的作用［J］.山西建筑，2008（30）： 9-10.

［4］贺可强，阳吉宝，王思敬. 堆积层滑坡位移动力学理论及其应用［M］.北京：科学出版社. 2007.

［5］左自波. 降雨诱发堆积体滑坡室内模型试验研究［D］. 上海：上海交通大学，2013.

［6］胡航. 暴雨诱发大型堆积土体滑坡致灾机理研究［D］. 北京：北方工业大学，2021.

［7］张玉，徐卫亚，邹丽芳，等. 降雨条件下大型滑坡体渗流稳定性分析［J］. 岩土力学，2013，34（3）：833-841.

［8］杨继红，王俊梅，董金玉，等. 水库蓄水过程中堆积体边坡瞬态稳定性分析［J］. 岩土力学，2011，32（S1）：464-470.

［9］刘汉东，张艺冰，鲁丽萍. 豫西锁固型滑坡类型研究［J］. 华北水利水电大学学报（自然科学版），2018，39（6）：1-7.

［10］耿正. 前缘反倾锁固型滑坡模型试验研究［D］. 郑州：华北水利水电大学，2020.