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        基于室內(nèi)試驗的降雨型滑坡機理研究

        2015-12-29 05:08:54邱俊炳蘭斯梅杜躍亭
        關(guān)鍵詞:坡腳基巖滲透系數(shù)

        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.河南省南陽市水利建筑勘測設(shè)計院,河南南陽 473000)

        0 引言

        根據(jù)2010年《全國地質(zhì)災(zāi)害通報》[1],全國共發(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)因素為降雨或強降雨.強降雨是引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害、導(dǎo)致人員傷亡和直接經(jīng)濟損失的主要原因[2].福建省地形以山地丘陵為主,歷來是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū).在汛期和臺風(fēng)多發(fā)季,持續(xù)性強降雨在閩江、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].通過試驗研究降雨作用下坡體由變形到滑動的過程,分析不同降雨強度對滑坡的影響,對試驗現(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,有利于促進對實際工程的了解,對預(yù)防和預(yù)測這類滑坡災(zāi)害有重要的指導(dǎo)意義.

        1 降雨型滑坡試驗裝置

        1.1 試驗裝置

        根據(jù)福建省山區(qū)滑坡情況,自主設(shè)計室內(nèi)降雨滑坡框架模型,滑坡槽框架由高透明的有機玻璃和角鋼螺栓制成,坡腳采用可轉(zhuǎn)動支座,通過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.

        對自然降雨的模擬主要考慮降雨強度及降雨時間,試驗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,用來固定降雨噴頭組,尺寸為4.6 m×3.6 m,降雨噴頭距試驗槽底部4 m.降雨噴頭組采用直徑20 mm的PVC管進行串聯(lián),1、3、5、7號降雨噴頭組由左側(cè)供水管道供水,2、4、6、8號降雨噴頭組由右側(cè)供水管道供水,供水設(shè)備由蓄水池通過水泵供水,利用閥門和分流管道來調(diào)節(jié)降雨強度,降雨噴頭組的布置及供水過程如圖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?zāi)P筒捎脦缀蜗嗨票菴L=20,模型箱底部邊界長寬高為190 cm×100 cm×80 cm,試驗填土厚度為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、降雨強度、滲透系數(shù)、降雨歷時和流速常數(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.試驗中滑坡土體由土、砂和雙飛粉進行配制,通過直剪試驗和變水頭試驗測得土體的抗剪強度和滲透系數(shù),并進行配比試驗方案的對比,最后采用土∶砂 ∶粉=40∶50∶10的配比(質(zhì)量比)配制.

        1.3 試驗方案

        降雨強度是影響降雨型滑坡的重要因素.降雨強度的大小是相對于土體滲透系數(shù)而言的,降雨強度大于和小于土體滲透系數(shù)時,產(chǎn)生的滑坡類型不相同.試驗中滑坡土的滲透系數(shù)為k'=4.7×10-7cm·s-1,改變降雨強度進行試驗對照,整個試驗過程用攝像機記錄,以便于觀察和分析坡體的變形.具體試驗方案如表1所示.

        表1 降雨型滑坡試驗方案Tab.1 Rainfall landslide experiments

        1.4 試驗現(xiàn)場的定性分析與解釋

        研究發(fā)現(xiàn),試驗在不同的降雨強度作用下,破壞主要有兩種:塊體破壞和沖蝕破壞.

        試驗JQ-1、JQ-2發(fā)生塊體滑動破壞.塊體滑動破壞的發(fā)展過程如下: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而失去支撐,并出現(xiàn)張拉裂縫.隨著降雨入滲的進行,塊體沿著張拉裂縫處向下滑動.此時滑動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,如此重復(fù)破壞產(chǎn)生漸進式的塊體滑動破壞.JQ-1降雨滑坡破壞過程見圖3.

        圖3 JQ-1滑坡發(fā)生過程Fig.3 The landslide process of JQ -1

        試驗JQ-3~JQ-5在坡面產(chǎn)生沖蝕破壞.一些土壤細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,由于滑坡土夯實不是絕對的均勻,所以在較大的降雨強度作用下,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,隨著降雨歷時的增長,逐漸變?yōu)闆_溝并越來越大,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沖蝕溝流下,整個土坡很難或需要很長時間才能達到飽和,因此坡面沖蝕嚴重,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降雨滑坡破壞過程見圖4.

        圖4 JQ-4滑坡發(fā)生過程Fig.4 The landslide process of JQ -4

        2 降雨邊坡滲流及穩(wěn)定性分析

        2.1 滲流場數(shù)值模擬結(jié)果

        基于上述試驗結(jié)果,選取試驗JQ-1工況進行有限元軟件SEEP/W計算分析.在滲流分析中,對于非飽和材料,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圖7,模型尺寸與試驗土體的尺寸相同,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)試驗的降雨強度q=40 mm·h-1和表層單元網(wǎng)格長度,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.浸潤線的位置未知,假定坡腳邊界為潛在的出滲面.起始浸潤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.隨著降雨歷時的延長,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.在第840 s孔隙水壓力開始突然增大,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間的變化規(guī)律,可以發(fā)現(xiàn)水力坡度在900 s時開始突增,與孔隙水壓力的突變時間一致,另外,水力梯度突變之前坡頂至坡腳各點的基本相同,突變后自坡頂向坡腳逐漸增大,這說明滑坡從坡腳位置開始破壞,與試驗結(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)定性計算如圖10所示,得知降雨強度越大,滑坡啟動時間越短,安全系數(shù)降低幅度越大;降雨強度越小,滑坡啟動時間越長,安全系數(shù)降低幅度越小.將不同降雨強度下的試驗成果和數(shù)值計算結(jié)果對比分析,兩者降雨強度的滑坡啟動時間基本相似,隨著降雨強度的增大,滑坡發(fā)生時間越來越短,當降雨強度達到一定程度時,滑坡的啟動時間變化較小,如圖11所示.通過室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬計算得到,邊坡為30°時,土體在不同降雨強度作用下的滑坡啟動時間與降雨強度的關(guān)系,見式(3):

        式中:t為滑坡啟動時間(min);q為降雨強度(mm·h-1).

        圖10 降雨強度對安全系數(shù)的影響Fig.10 Relationships between rainfall intensity and safety factor

        圖11 滑坡啟動時間與降雨強度的關(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),研究不同降雨強度對淺層基巖滑坡的影響.降雨強度大于土體滲透系數(shù)時,滑坡發(fā)生的時間較短,并在坡體表面形成徑流,產(chǎn)生坡面沖蝕和表層流滑.降雨強度小于土體滲透系數(shù)時,不易產(chǎn)生徑流,雨水滲入到坡腳,使坡腳破壞,進而演變?yōu)閴K體滑坡.

        2)由數(shù)值模擬可知,對于降雨型滑坡,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,邊坡從坡腳開始破壞.不同的降雨強度的情況下,降雨強度越大,滑坡啟動的時間越短,安全系數(shù)降低幅度越大.當邊坡為30°時,降雨強度和滑坡啟動時間的關(guān)系 t= -44.6 ln(q)+238.3.

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