降雨作用下滑坡变形稳定性分析

薛世恩，张菊锋，宋益明

（核工业湖州勘测规划设计研究院股份有限公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

边坡的稳定性破坏模式主要可以分为四类，即崩塌、流动、倾倒和滑坡。滑坡破坏是最为普遍的自然灾害，中国是遭受滑坡灾害导致人员伤亡和经济损失最严重的国家之一[1]。滑坡是一种作用于自然或工程斜坡的大规模侵蚀过程，它是指在重力作用下，大量的岩石、碎片或泥土从斜坡上移动、滑动、坠落的现象，其破坏形式可能是一种也可能是多种不同类型的组合。因此，探明滑坡在破坏过程中所伴随的控制因素变化，对预防坡体整体失稳具有重要意义。

边坡滑动的诱因主要来自于三个方面，一是地震作用导致坡体整体的震动破坏；二是人工开挖的影响，当开挖深度或开挖位置不合理时，会造成局部承载能力低于限值，从而引起滑坡；三是降雨作用，雨水会对土体的一系列强度指标产生负面作用，增加滑坡发生的可能性。雷鸣等[2]采用有限元分析方法，测试了不同降雨强度和降雨时长对滑坡稳定性的影响，研究结果表明，滑坡内部的渗流场会因降雨量的增加发生变化，当超过最大载荷能力时，滑坡发生失稳破坏。杨帆等[3]研究发现递增型降雨雨型对于滑坡的稳定性最为不利。降雨量、降雨强度、降雨时长以及降雨类型对于滑坡的影响已被诸多国内外学者研究分析，得出的结论也不近相似[4-6]。

滑坡监测通常是通过不同的技术手段以达到可以预测滑坡灾害并管理滑坡的目的[7-8]。王秒茜等[9-10]通过在滑坡上布置监测杆体的方式，监测杆体的角度倾斜来间接表征滑坡的位移变化，收集滑坡灾害信息。本文采用模拟试验的方法，利用倾角传感器、孔隙水压力传感器和土压力传感器来监测滑坡破坏过程中轴向变形、土体应力变化情况，分析降雨作用下引起滑坡失稳的主要参数指标。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

本文采用一系列试验模型来研究降雨对滑坡变形稳定性的影响，试验装置如图1 所示，主要包括滑坡模型、降雨喷头和检测装置三个部分，其中，T1～T4 为4 个安装在坡面上用于监测倾角变化的传感器，孔隙水压力传感器和土压力传感器分别用P1～P4 和S1～S4 来表示。降雨作用下，滑坡体倾角、应力、变形以及坡面形态等的变化则通过高清照相机、三位激光扫描仪、倾角传感器、孔隙水压力传感器以及土压力传感器进行测量。

图1 模型试验装置

滑坡模型由模型箱、基岩和滑体材料三部分组成。依据滑坡模型相似理论和相似判据，并参照某地区滑坡结构特性对试验所用模型进行等比例缩放。首先，试验用长1.6m、宽0.6m、高0.5m 的有机玻璃箱体来充当模型箱，基岩采用长1m、宽0.5m、高0.4m 的钢板来制作，以满足其各向同性且无变形的假设。基岩与坡面角度均按该地区25°的平均坡度来设定，选用该区域滑坡原状粉土来充当本模拟试验的滑体材料。滑坡体成平行四边形，底边长0.4m、宽0.5m。试验土样经室内击实试验得最优含水率和最大干密度分别为16%和1.76g/cm3。结合豫西地区滑坡密实度调查结果，将实验中粉土干密度控制在1.52g/cm3。模型材料的粘聚力、内摩擦角、渗透系数等力学指标（表1）则通过筛分试验（图2）、击实试验（图3）、直剪试验（图4）可渗透试验来获取。

表1 试验土体物理力学参数

图2 土颗粒级配曲线

图3 击实试验曲线

图4 直接剪切试验曲线

参照该地区近年来的平均降雨量，试验采用50mm/h 人工降雨的方式来模拟现场降雨状况，降雨面积为5m×5m，降雨高度为5m，并由25 个尺寸不同的喷头来组成降雨装置。通过变化工作喷头组合和压强来实现10～240mm/h 范围内连续雨强的变化，雨滴大小控制在1.5～5mm，降雨均匀度系数大于0.8，降雨精度±3mm/h。实验中所使用的倾角传感器、孔隙水压力传感器和土压力传感器的测试参数如表2所示。

表2 传感器参数

1.2 试验方法

为研究降雨作用下滑坡体的倾斜变形行为，首先将4 个带有直角铁片的倾角传感器安装在坡面上，T1 置于滑坡模型的后缘，T2～T4以210mm 等水平间距安放在破面上，铁片插入深度为60mm。采用高清照相机来拍摄坡面的形态变化，拍摄间隔设置为10min/次，使用三维激光扫描仪扫描坡面并生成三维地形点云图，扫描间隔为20min/次，降雨过程共持续300min。滑坡倾斜变形可分为沿Y 轴的纵向变形（主滑方向）和沿X轴的横向变形（垂直于主滑方向），倾角传感器可同时监测两方向的变形数据。

孔隙水压力传感器P1～P4和微型土压力传感器S1～S4的埋置位置与倾角传感器T1～T4 大体相当，均为一个在滑坡后缘位置（P1、S1）以及三个在坡面上（P2～P4、S2～S4），其埋深设定在70mm，两传感器间的水平距离控制在160mm 左右。模型上使用的所有监测设备均联网记录滑坡不同点位在破坏过程中位移、孔隙水压力和土压力的变化情况。

2 试验结果与分析

2.1 倾斜变形监测结果

图5（a）、（b）为倾角传感器T1～T4的测试数据曲线，从图中可以看出，4 处监测点沿X 轴的横向变形在整个降雨过程中基本维持在0°上下，变化幅度极小，沿Y 轴方向的倾斜变化曲线在各点处均表现出了明显的非线性特征，故降雨对于滑坡变形的影响主要体现在纵向变形。本文依据变形曲线的斜率变化，将平缓曲线段、较陡曲线段和陡峭曲线段划为滑坡破坏过程中的三个阶段，即基本稳定阶段、变形初始阶段和滑坡失稳阶段。在第一阶段内，由于降雨量相对较小，雨水的作用还未对滑坡造成实质性的影响，因此，滑坡整体可处于相对稳定状态；进入第二阶段，降雨渗透量在滑坡内部逐步增加，进而造成滑坡土体材料强度下降，滑坡前缘会首先因抗剪强度小于剪应力出现局部滑塌破坏，此时滑坡进入初始变形阶段，并对整个坡体稳定性产生负面影响；随着降雨时间不断延长，第三阶段时，坡脚的局部垮塌会不断向中后方延伸，滑坡面积进一步增加直至滑坡后缘，结构发生整体坍塌破坏形态，滑坡进入失稳阶段。

图5 滑坡角度-时间变化曲线

降雨作用下，滑坡后缘（T1 点）基本稳定阶段持续时长约90min，初始变形阶段时长跨度约120min，当降雨时间达到210min 后，曲线斜率急剧上升，滑坡进入失稳破坏阶段。对比另外三个安装于坡面处的监测点可得，T2～T3 包含100min 的基本稳定阶段后开始进入初始变形阶段，而T4 点降雨时长达70min时，首先进入了初始变形阶段，且它们进入失稳破坏阶段的时间点依次为170min、150min 和115min。坡面监测点的变形随着坡脚水平距离的减小而增加，越靠近坡脚（T4）变形失稳破坏越早出现。这是由于在重力和渗透的联合作用下，雨水会首先在坡脚位置处汇集，坡脚土体在雨水侵蚀下有效应力降低，抗剪承载力下降，从而导致变形破坏。坡脚土体的垮塌会使得坡面中上部土样向下滑动，在经历更长时间的降雨作用后，坡面整体自下而上均会逐步表现出变形失稳的破坏形态。

本试验滑坡模型的破坏样态呈现出牵引式的破坏，滑坡体从坡脚开始变形坍塌引起滑坡整体抗滑能力的降低，垮塌部分逐步向后上方推移至整个滑坡面，最终导致坡体整体失稳破坏。根据角度-时间曲线，坡体在不同阶段时的曲线斜率有着非常明显的变化特点，稳定阶段斜率接近为0，初始变形阶段斜率缓慢增加接近直线，失稳破坏阶段曲线斜率快速增加近似指数变化。因此，通过倾角传感器来监测滑坡在降雨条件下的轴向位移并以角度-时间曲线的斜率变化模式来预测滑坡处于何种破坏阶段，可将倾角变形曲线斜率以近似直线变化时作为滑坡初始变形的预警，此时应实施一些加固坡体的措施来避免结构出现整体失稳破坏。

2.2 孔隙水压力变化监测结果

图6为模拟试验过程中，预先埋置的四处孔隙水压力传感器监测数据。从图中可以看出，坡面孔隙水压力的变化可以大致分为三个部分，即平滑段、加速上升段和快速下降段。

图6 滑坡P1-P4点孔隙水压力变化过程

降雨初期，P1～P4 点孔隙水压力均保持在0kPa 左右，早期由于降雨量较小，土颗粒孔隙中会存在一定量的空气，导致滑坡体不能形成通畅的渗透通道，从而使得土体内部孔隙水压力为产生变化；当降雨时长达到约75min 时，P4 监测点处的孔隙水压力首先急速上升，20min 后便从0kPa 增长到了0.8kPa，此降雨时间跨度内，坡脚变形增加，稳定性降低，这是由于当降雨量继续增加时，土粒中的孔隙会逐渐被雨水所填充使土体从非饱和状态向饱和状态转变，渗透系数进一步增加，因此，孔隙水压力表现出快速增加的变化情况；降雨时长为115min 时，坡脚进入变形失稳状态，土体内部孔隙水压力呈快速下降的变化规律，此时间点与倾角传感器T4 所监测滑坡表现为失稳破坏相一致。孔隙水压力迅速下降可归因于过多的雨水含量导致土体抗剪强度的持续降低，直至小于所承受的剪应力时，滑坡表现失稳滑动状态，内部孔隙水压力得到释放，从而孔隙水压力呈现快速下降的趋势。

P2 和P3 监测点位于滑坡面中部位置，这两点处的孔隙水压力变化时间点比较接近，当降雨时间为95min时，坡脚监测点（P4）孔隙水压力曲线出现拐点，说明坡脚基本结束了变形初始阶段，坡脚处的土体粘聚力降低，纵向变形增加，土体向下滑动。此时，P2 监测点孔隙水压力加速上升，滑坡中上部进入初始变形阶段，P3 监测点也在紧接着的10min后进入滑动变形状态，滑坡整体表现出初始蠕滑阶段。降雨强度继续增加，雨水渗透土体量不断增多，滑坡进入坍塌失稳部分逐步从滑坡坡脚向滑坡后缘扩展延伸，在降雨150min 左右，滑坡后缘孔隙水压力也开始加速上升，变形特征开始呈现。降雨试验进行到180min时，P1～P4监测点的孔隙水压力均已表现出加速下降的状态，此时，坡面整体的滑动破坏已无法避免。

2.3 土压力变化监测结果

图7为滑坡监测点S1～S4 处土压力随降雨时间的变化曲线，从图中可以看出，S3 和S4 的土压力变化较为明显，而S1 和S2 的土压力变化仅较有小幅度的增加。降雨过程中土压力的增加来自两个方面，一是持续降雨会使得土体内部的含水量不断增加，坡体的重度会得到提高，导致土压力缓慢增加；二是土体的滑动挤压作用，坡脚在降雨条件下会发生变形坍塌，此时坡脚的土体已不能抵抗滑坡上面土体的下滑作用，坡体便会自下而上层层向下滑移，越靠近下部的土体越会被更多上面滑动的土体所挤压，进而增加土压力。

图7 滑坡S1～S4点土压力压力变化过程

150min 时，S3 和S4 监测点处土压力开始呈现较明显上升规律，结合图6滑坡孔隙水压力的变化曲线可知，当降雨时间达150min 左右时，P3 点已表现出完全失稳破坏样态，P4 点也处于失稳破坏阶段，变形坍塌导致上方土体向下方的滑动，加大了土压力。S3 点土压力的增加可归因于S1 和S2 两部分土体的联合作用效果，而S4 点土压力的增加则可以认为是S1、S2 和S3 三部分土体的联合挤压作用。因此，S4 曲线比S3 曲线增加的幅度更大，降雨作用下，由于更多土体的滑动挤压作用，坡脚土压力会明显高于滑坡其他区域。

结合倾角传感器监测的滑坡倾斜变形和坡体孔隙水压力和土压力传感器监测的应力变化结果可得，坡脚处的应力变形最大，且越靠近滑坡后缘结构破坏时限越久。模拟试验中所设置的三个监测量具有很好的关联性，结合三个物理量的变化规律特性可用于预测与判断坡体发生滑动的信息，具有较强的参考价值。

3 结论

本文通过工程地质学模拟试验方法，以某地区工程地质条件和边界条件为基础，并结合人工降雨的方式，通过测试滑坡体在持续降雨过程中四个监测点处的倾斜变形、孔隙水压力以及土压力的变化，分析滑坡体的变形及稳定性。根据试验结果，结论如下。

①倾角传感器对于监测滑坡体的横向变形和纵向变形具有很好的适用性，滑坡在降雨作用下的变形主要为Y 轴方向的纵向变形，横向变形可以忽略不计。

②根据角度-时间变化曲线可将滑坡破坏分为三个阶段，即基本稳定阶段、变形初始阶段以及变形失稳阶段。稳定阶段角度-时间曲线斜率为0，变形初始阶段斜率近似为直线，变形失稳阶段曲线斜率近似指数分布。

③土体的孔隙水压力变化可分为三个阶段，即平稳阶段、加速上升阶段和加速下降阶段。降雨前半段，土颗粒内部含水量增加导致孔隙水压力变大；降雨后期，土体失稳破坏后孔隙水压力加速释放。

④坡体在降雨作用下靠近坡脚位置处的土体所承受的土压力会明显增加，这是由于滑坡下部会先于上部发生变形坍塌破坏，滑坡土体整体向下滑移产生挤压作用，导致下部区域土压力更大。

⑤利用倾角变形、孔隙水压力变化和土压力变化来进行降雨条件下滑坡变形稳定性分析时，同一破坏现象发生的时间点在三种测试指标下均可相互应验，滑坡土体变形失稳演化过程的评价可以通过此三个测试指标来完成。