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)

0 引言

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．

1 降雨型滑坡試驗(yàn)裝置

1．1 試驗(yàn)裝置

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

1．2 相似理論與物理力學(xué)參數(shù)

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．

1．3 試驗(yàn)方案

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

1．4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的定性分析與解釋

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

2 降雨邊坡滲流及穩(wěn)定性分析

2．1 滲流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果

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

2．2 穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果

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

3 結(jié)論

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．