蘇 燕,邱俊炳,蘭斯梅,杜躍亭
(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院,福建福州 350116;2.河南省南陽(yáng)市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院,河南南陽(yáng) 473000)
根據(jù)2010年《全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害通報(bào)》[1],全國(guó)共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害30 670起,包含滑坡22 329起,死亡失蹤10人以上的重大地質(zhì)災(zāi)害事件共19起,其中18起引發(fā)因素為降雨或強(qiáng)降雨.強(qiáng)降雨是引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害、導(dǎo)致人員傷亡和直接經(jīng)濟(jì)損失的主要原因[2].福建省地形以山地丘陵為主,歷來(lái)是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū).在汛期和臺(tái)風(fēng)多發(fā)季,持續(xù)性強(qiáng)降雨在閩江、汀江、九龍江等主要流域常引發(fā)不同程度的滑坡災(zāi)害.福建省已發(fā)現(xiàn)的滑坡約11 094處,其中以土質(zhì)滑坡為主[3].通過(guò)試驗(yàn)研究降雨作用下坡體由變形到滑動(dòng)的過(guò)程,分析不同降雨強(qiáng)度對(duì)滑坡的影響,對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象給出定性的解釋;并用有限元軟件給出坡體滲流和穩(wěn)定性的定量分析.系統(tǒng)研究降雨條件下滑坡體的滲流穩(wěn)定性,有利于促進(jìn)對(duì)實(shí)際工程的了解,對(duì)預(yù)防和預(yù)測(cè)這類滑坡災(zāi)害有重要的指導(dǎo)意義.
根據(jù)福建省山區(qū)滑坡情況,自主設(shè)計(jì)室內(nèi)降雨滑坡框架模型,滑坡槽框架由高透明的有機(jī)玻璃和角鋼螺栓制成,坡腳采用可轉(zhuǎn)動(dòng)支座,通過(guò)大型吊車提取可改變坡角.裝置如圖1所示,模型箱底部采用角鋼支架加鋪10 cm混凝土,用以模擬福建山區(qū)淺層滑坡的基巖.
對(duì)自然降雨的模擬主要考慮降雨強(qiáng)度及降雨時(shí)間,試驗(yàn)中降雨噴頭組采用農(nóng)用三眼噴頭,各噴頭采用梅花形固定,行、列間距都為0.45 m.采用角鋼框架支撐,中間8根橫向鋼筋,用來(lái)固定降雨噴頭組,尺寸為4.6 m×3.6 m,降雨噴頭距試驗(yàn)槽底部4 m.降雨噴頭組采用直徑20 mm的PVC管進(jìn)行串聯(lián),1、3、5、7號(hào)降雨噴頭組由左側(cè)供水管道供水,2、4、6、8號(hào)降雨噴頭組由右側(cè)供水管道供水,供水設(shè)備由蓄水池通過(guò)水泵供水,利用閥門和分流管道來(lái)調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度,降雨噴頭組的布置及供水過(guò)程如圖2所示.
圖1 滑坡體示意圖Fig.1 Typical profiles of the landslide
圖2 降雨噴頭組平面布置示意圖Fig.2 Rain shower set
福建省205國(guó)道某處滑坡,邊坡高22 m,其中基巖高18 m,殘積土厚度為4 m,試驗(yàn)?zāi)P筒捎脦缀蜗嗨票菴L=20,模型箱底部邊界長(zhǎng)寬高為190 cm×100 cm×80 cm,試驗(yàn)填土厚度為20 cm,密度相似比Cρ=1,假設(shè)各向同性,滑坡試驗(yàn)重要參數(shù)取值如下[4]:
式(1)、(2)中:Cg、Cμ、Cφ、Cz、Cθ、Cq、Ck、Ct和Cv分別是重力加速度、泊松系數(shù)、內(nèi)摩擦角、應(yīng)變、體積含水量、降雨強(qiáng)度、滲透系數(shù)、降雨歷時(shí)和流速常數(shù)的相似比.
福建山區(qū)的淺層滑坡土體主要以亞粘土和殘積亞粘土為主,根據(jù)地勘報(bào)告,滑坡土體的主要參數(shù):滑坡土天然重度18.6 kN·m-3,粘聚力c=11.2 kPa,內(nèi)摩擦角 φ =27°,滲透系數(shù)k=2.4 ×10-6cm·s-1.試驗(yàn)中滑坡土體由土、砂和雙飛粉進(jìn)行配制,通過(guò)直剪試驗(yàn)和變水頭試驗(yàn)測(cè)得土體的抗剪強(qiáng)度和滲透系數(shù),并進(jìn)行配比試驗(yàn)方案的對(duì)比,最后采用土∶砂 ∶粉=40∶50∶10的配比(質(zhì)量比)配制.
降雨強(qiáng)度是影響降雨型滑坡的重要因素.降雨強(qiáng)度的大小是相對(duì)于土體滲透系數(shù)而言的,降雨強(qiáng)度大于和小于土體滲透系數(shù)時(shí),產(chǎn)生的滑坡類型不相同.試驗(yàn)中滑坡土的滲透系數(shù)為k'=4.7×10-7cm·s-1,改變降雨強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)照,整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程用攝像機(jī)記錄,以便于觀察和分析坡體的變形.具體試驗(yàn)方案如表1所示.
表1 降雨型滑坡試驗(yàn)方案Tab.1 Rainfall landslide experiments
研究發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)在不同的降雨強(qiáng)度作用下,破壞主要有兩種:塊體破壞和沖蝕破壞.
試驗(yàn)JQ-1、JQ-2發(fā)生塊體滑動(dòng)破壞.塊體滑動(dòng)破壞的發(fā)展過(guò)程如下:隨著降雨入滲,土坡表面產(chǎn)生匯流,降雨下滲,在坡腳處先產(chǎn)生滲透破壞,上部土體因坡腳土體滑動(dòng)而失去支撐,并出現(xiàn)張拉裂縫.隨著降雨入滲的進(jìn)行,塊體沿著張拉裂縫處向下滑動(dòng).此時(shí)滑動(dòng)的土體使得上部土體失去支撐,產(chǎn)生滑坡臨空面,在水體滲透力和水土自身重力作用下,在斜坡上部又再出現(xiàn)張拉裂縫,促使土體再次發(fā)生塊體滑動(dòng),如此重復(fù)破壞產(chǎn)生漸進(jìn)式的塊體滑動(dòng)破壞.JQ-1降雨滑坡破壞過(guò)程見(jiàn)圖3.
圖3 JQ-1滑坡發(fā)生過(guò)程Fig.3 The landslide process of JQ -1
試驗(yàn)JQ-3~JQ-5在坡面產(chǎn)生沖蝕破壞.一些土壤細(xì)顆粒隨著水分的入滲逐漸填塞表層土壤孔隙,從而形成土壤表層結(jié)皮,阻礙了降雨的入滲.另外,由于滑坡土夯實(shí)不是絕對(duì)的均勻,所以在較大的降雨強(qiáng)度作用下,土體表面局部沉降成小溝,雨水很快形成徑流,局部土體顆粒被帶走,隨著降雨歷時(shí)的增長(zhǎng),逐漸變?yōu)闆_溝并越來(lái)越大,沖溝貫穿至土坡底部.沖溝的形成起到了集中排水的作用,土坡表面的雨水通過(guò)沖蝕溝流下,整個(gè)土坡很難或需要很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到飽和,因此坡面沖蝕嚴(yán)重,但較難形成滑坡.這為滑坡預(yù)防提供了參考,在斜坡上修筑排水設(shè)施可以有效地規(guī)避滑坡災(zāi)害的發(fā)生[5].JQ-4降雨滑坡破壞過(guò)程見(jiàn)圖4.
圖4 JQ-4滑坡發(fā)生過(guò)程Fig.4 The landslide process of JQ -4
基于上述試驗(yàn)結(jié)果,選取試驗(yàn)JQ-1工況進(jìn)行有限元軟件SEEP/W計(jì)算分析.在滲流分析中,對(duì)于非飽和材料,參數(shù)主要有土水特征曲線和滲透系數(shù)函數(shù).用Fredlund&Xing模型估計(jì)土體的土水特征曲線[6].飽和狀態(tài)下土體積含水量假定為 Vm=0.47,體積壓縮系數(shù)MV=5×10-6,滲透系數(shù)取k=4.5×10-6cm·s-1.圖5為非飽和狀態(tài)下滑坡土的體積含水量與基質(zhì)吸力的關(guān)系,圖6為土的滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系,通過(guò)飽和狀態(tài)下的體積含水量,由Fredlund&Xing模型擬合得到.根據(jù)圖5、圖6可知,土體的體積含水量越小,基質(zhì)吸力越大,導(dǎo)致滲透系數(shù)降低,這是土體內(nèi)部的空氣氣泡阻礙水體在土體內(nèi)部流動(dòng)的結(jié)果.
圖5 體積含水量和基質(zhì)吸力的關(guān)系Fig.5 Volumetric water content versus matric suction
圖6 滲透系數(shù)和基質(zhì)吸力的關(guān)系Fig.6 Conductivity versus matric suction
SEEP/W滲流分析的有限元模型見(jiàn)圖7,模型尺寸與試驗(yàn)土體的尺寸相同,有限元單元采用結(jié)構(gòu)化四邊形單元.土坡上表面為降雨入滲表面,根據(jù)試驗(yàn)的降雨強(qiáng)度q=40 mm·h-1和表層單元網(wǎng)格長(zhǎng)度,換算成邊界流量2.78×10-6m·s-1,基巖為初始水線,模型右表面坡腳為出滲表面,流量為零.浸潤(rùn)線的位置未知,假定坡腳邊界為潛在的出滲面.起始浸潤(rùn)線首先是土體與基巖的接觸面,這與之前設(shè)置的初始水位線是一致的,下滲雨水在重力的作用下匯向坡腳,因此坡腳的土體最先飽和.隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng),飽和區(qū)從土坡底部逐漸向上部發(fā)展,直至坡面土體全部飽和.
圖8為基巖接觸面斜坡段的土體孔隙水壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律,可以發(fā)現(xiàn)在前720 s,孔隙水壓力向坡腳方向(x=0)先呈逐漸增大、然后減小的趨勢(shì).在第840 s孔隙水壓力開(kāi)始突然增大,坡體出現(xiàn)滑坡,孔隙水壓力突增是造成滑坡的主要原因,這與后面穩(wěn)定計(jì)算得到的在第900 s出現(xiàn)滑坡結(jié)果吻合.圖9為基巖接觸面斜坡段的水力梯度隨時(shí)間的變化規(guī)律,可以發(fā)現(xiàn)水力坡度在900 s時(shí)開(kāi)始突增,與孔隙水壓力的突變時(shí)間一致,另外,水力梯度突變之前坡頂至坡腳各點(diǎn)的基本相同,突變后自坡頂向坡腳逐漸增大,這說(shuō)明滑坡從坡腳位置開(kāi)始破壞,與試驗(yàn)結(jié)果基本一致.
圖7 滑坡土體邊界條件Fig.7 Landslide boundary conditions
圖8 基巖接觸面孔隙水壓力隨時(shí)間的變化Fig.8 Pore water pressure versus time
圖9 基巖接觸面土體水力梯度隨時(shí)間的變化Fig.9 Hydraulic gradient versus time
穩(wěn)定性計(jì)算如圖10所示,得知降雨強(qiáng)度越大,滑坡啟動(dòng)時(shí)間越短,安全系數(shù)降低幅度越大;降雨強(qiáng)度越小,滑坡啟動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng),安全系數(shù)降低幅度越?。畬⒉煌涤陱?qiáng)度下的試驗(yàn)成果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析,兩者降雨強(qiáng)度的滑坡啟動(dòng)時(shí)間基本相似,隨著降雨強(qiáng)度的增大,滑坡發(fā)生時(shí)間越來(lái)越短,當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí),滑坡的啟動(dòng)時(shí)間變化較小,如圖11所示.通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算得到,邊坡為30°時(shí),土體在不同降雨強(qiáng)度作用下的滑坡啟動(dòng)時(shí)間與降雨強(qiáng)度的關(guān)系,見(jiàn)式(3):
式中:t為滑坡啟動(dòng)時(shí)間(min);q為降雨強(qiáng)度(mm·h-1).
圖10 降雨強(qiáng)度對(duì)安全系數(shù)的影響Fig.10 Relationships between rainfall intensity and safety factor
圖11 滑坡啟動(dòng)時(shí)間與降雨強(qiáng)度的關(guān)系Fig.11 Relationships between rainfall intensity and the started time of landslides
1)建立了人工降雨滑坡控制系統(tǒng),研究不同降雨強(qiáng)度對(duì)淺層基巖滑坡的影響.降雨強(qiáng)度大于土體滲透系數(shù)時(shí),滑坡發(fā)生的時(shí)間較短,并在坡體表面形成徑流,產(chǎn)生坡面沖蝕和表層流滑.降雨強(qiáng)度小于土體滲透系數(shù)時(shí),不易產(chǎn)生徑流,雨水滲入到坡腳,使坡腳破壞,進(jìn)而演變?yōu)閴K體滑坡.
2)由數(shù)值模擬可知,對(duì)于降雨型滑坡,孔隙水壓力突增是造成滑坡的主要原因.降雨入滲過(guò)程中坡腳首先飽和,水力梯度突變后自坡頂向坡腳逐漸增大,邊坡從坡腳開(kāi)始破壞.不同的降雨強(qiáng)度的情況下,降雨強(qiáng)度越大,滑坡啟動(dòng)的時(shí)間越短,安全系數(shù)降低幅度越大.當(dāng)邊坡為30°時(shí),降雨強(qiáng)度和滑坡啟動(dòng)時(shí)間的關(guān)系 t= -44.6 ln(q)+238.3.