潘以恒，李雪平，吳麗清，王　威，譚福林

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，武漢　430074)

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牽引式滑坡降雨預(yù)警判據(jù)的模型試驗(yàn)研究

潘以恒，李雪平，吳麗清，王威，譚福林

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，武漢430074)

以河南省靈寶市麥尖窩滑坡作為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行室內(nèi)人工降雨模型試驗(yàn)，研究降雨作用下牽引式滑坡的變形破壞規(guī)律，并提出適用于研究區(qū)的降雨預(yù)警判據(jù)。采用含水率傳感器、坡面示蹤點(diǎn)和數(shù)碼相機(jī)等儀器設(shè)備對(duì)關(guān)鍵部位含水率、坡面變形和裂縫發(fā)育情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、記錄。試驗(yàn)表明：在強(qiáng)降雨作用下，邊坡表現(xiàn)為自下而上的漸進(jìn)式牽引變形破壞。通過分析模型各關(guān)鍵部位的變形破壞特征和含水率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定牽引式滑坡變形破壞過程中的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)，并將整個(gè)過程劃分為變形啟動(dòng)、變形加速和整體破壞3個(gè)階段?；谝陨献冃纹茐哪Ｊ?，提出以滑坡坡腳、坡肩表面出現(xiàn)貫通裂縫時(shí)的持續(xù)累計(jì)雨量E1(75mm)、E2(180mm)分別作為麥尖窩滑坡的橙色、紅色降雨預(yù)警判據(jù)。

牽引式滑坡；模型試驗(yàn)；累計(jì)雨量；破壞規(guī)律;預(yù)警判據(jù)

1　研究背景

滑坡是我國(guó)主要的地質(zhì)災(zāi)害類型之一，其中以降雨誘發(fā)型滑坡分布最廣，發(fā)生頻率最高，危害最大。根據(jù)全國(guó)290個(gè)縣市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查結(jié)果，滑坡在地質(zhì)災(zāi)害中所占比例高達(dá)51%，而暴雨誘發(fā)的滑坡比重占滑坡總數(shù)的90%[1]。牽引式滑坡作為一種重要的滑坡形態(tài)，其演化模式主要表現(xiàn)為邊坡下部土體率先滑動(dòng)，上覆土體在失去支撐的情況下逐步發(fā)生牽引狀滑動(dòng)[2]?？紤]到降雨作為誘發(fā)滑坡因素的重要性、活躍性以及牽引式滑坡存在的普遍性，研究降雨作用下牽引式滑坡的變形破壞規(guī)律和相應(yīng)的降雨預(yù)警判據(jù)具有其重要意義。

室內(nèi)人工降雨模型試驗(yàn)作為研究降雨作用下滑坡失穩(wěn)破壞模式的主要手段，能直觀地觀測(cè)滑坡體滑動(dòng)過程中的變形特征，同時(shí)能通過監(jiān)測(cè)手段定量地獲取滑體中的土壓力、含水率、滑體位移等物理參數(shù)，從而多方位地闡明降雨作用下滑坡的演化過程[3]。羅先啟等[4]建立了室內(nèi)人工降雨控制系統(tǒng)、水庫(kù)水位控制系統(tǒng)和多物理量測(cè)試系統(tǒng)，以石榴樹包滑坡為例，研究了水庫(kù)型滑坡變形破壞規(guī)律。武彩萍等[5]建立了黃土裸坡室內(nèi)模型并模擬人工降雨，通過綜合監(jiān)測(cè)來觀察降雨過程中坡面形態(tài)的變化并分析降水入滲對(duì)黃土滑坡的影響。林鴻州等[6]通過降雨誘發(fā)土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的模型試驗(yàn)探討降雨特性對(duì)邊坡失穩(wěn)的影響，揭示了降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的作用機(jī)制，并以此建議采用降雨強(qiáng)度與累計(jì)雨量作為雨量預(yù)警基準(zhǔn)所需的參數(shù)。張敏等[7]設(shè)計(jì)了一套降雨模擬系統(tǒng)，并通過降雨條件下砂土邊坡的離心模型試驗(yàn)成功應(yīng)用了該系統(tǒng)，研究了邊坡降雨入滲過程。

降雨預(yù)警判據(jù)方面，學(xué)者更多地通過歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)律統(tǒng)計(jì)得到降雨臨界值，并以此作為預(yù)警判據(jù)[8-10]。而結(jié)合滑坡宏觀變形特征提出降雨預(yù)警判據(jù)的成果仍很有限。本文以麥尖窩滑坡為研究對(duì)象，在野外地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過開展室內(nèi)人工降雨試驗(yàn)，揭示牽引式滑坡在降雨作用下的變形破壞規(guī)律，選取合適的降雨參數(shù)作為滑坡降雨預(yù)警判據(jù)。

2　模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1研究區(qū)概況

麥尖窩滑坡位于河南省靈寶市五畝鄉(xiāng)，為大型土質(zhì)滑坡風(fēng)脈寺滑坡的次級(jí)滑坡。滑坡剖面呈階梯狀，上緩下陡(見圖1)。平面呈圈椅狀，整體南高北低，后壁為黃土，坡頂標(biāo)高722.70m，最寬處約為110m，前緣標(biāo)高660.03m，前緣最窄處寬度約為40m，中部寬度均勻變化，平均寬度約80m，縱向長(zhǎng)度約240m，面積1.92×104m2，為土質(zhì)中型滑坡。

圖1麥尖窩滑坡工程地質(zhì)剖面

Fig.1EngineeringgeologicalprofileofMaijianwolandslide

滑坡物質(zhì)主要由黃土狀粉質(zhì)黏土組成，含古土壤及鈣質(zhì)結(jié)核層，以層狀結(jié)構(gòu)為主，垂直節(jié)理、孔隙較發(fā)育。滑床巖性較為復(fù)雜，由各種性質(zhì)不同的巖土層組成，層狀結(jié)構(gòu)，含鈣核，局部有鈣質(zhì)結(jié)核層。降雨是影響坡體穩(wěn)定性的主導(dǎo)因素，研究區(qū)年內(nèi)降雨量多集中在夏季，占全年降雨量的50.8%，且多暴雨，最大24h降雨量118.9mm。

2.2模型概化

為了研究麥尖窩滑坡在降雨條件下的變形破壞規(guī)律，根據(jù)滑坡工程地質(zhì)勘查資料，基于相似理論，取幾何相似常數(shù)為160，對(duì)滑坡典型地質(zhì)剖面(圖1)進(jìn)行概化，建立與研究對(duì)象應(yīng)力邊界條件相近的地質(zhì)力學(xué)模型。概化模型長(zhǎng)150cm，寬50cm，前緣高度10cm，后緣高度55cm，前緣坡角37°，滑坡中后部較平緩，角度為5°，如圖2所示。針對(duì)滑坡原型中存在的節(jié)理發(fā)育等現(xiàn)象，采取適當(dāng)減少擊實(shí)次數(shù)和降低模型材料的力學(xué)參數(shù)來加以考慮。

△代表含水率傳感器圖2　滑坡概化模型Fig.2　Generalized landslide model

2.3相似比例設(shè)計(jì)及模型材料

根據(jù)試驗(yàn)條件及操作可行性，確定幾何相似常數(shù)Cl=160，由相似理論推導(dǎo)得到試驗(yàn)各物理量相似比為：CE=160，Cε=Cφ=1，其中CE,Cε和Cφ分別為彈性模量相似常數(shù)、應(yīng)變相似常數(shù)和摩擦角相似常數(shù)。

在現(xiàn)場(chǎng)土工試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行滑體土配比試驗(yàn)，最終確定滑體模型材料主要構(gòu)成成分為61%的烘干滑體土(過2mm篩)、22%的水、17%的江砂(過2mm篩)。江砂可以增加內(nèi)摩擦角及滲透系數(shù)，使滑體易于成型[3]?；卜€(wěn)定性較高，滑床模型由水泥混凝土砌筑而成，采用砂漿涂抹滑床表面確保其堅(jiān)固平整?；略屯馏w和模型土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　滑坡原型與模型物理力學(xué)參數(shù)Table 1　Physico-mechanical parameters of prototypelandslide and its model

2.4試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)概化后的模型尺寸，設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)框架尺寸為150cm(長(zhǎng))×54cm(寬)×100cm(高)，框架正面為鋼化玻璃，邊長(zhǎng)為10cm的網(wǎng)格線。本次試驗(yàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備包括1套含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(含1臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀和5個(gè)含水率傳感器)、2臺(tái)數(shù)碼照相機(jī)(用于記錄滑坡模型形態(tài)變化及裂縫發(fā)育情況)和坡面位移示蹤點(diǎn)(用于觀測(cè)坡面位移變化情況)，概化模型尺寸及含水率傳感器布設(shè)位置如圖2所示。

降雨模擬系統(tǒng)主要參考由張敏等[7]設(shè)計(jì)的一套模型試驗(yàn)降雨模擬系統(tǒng)，系統(tǒng)由供水系統(tǒng)、降雨水槽2部分組成。降雨水槽長(zhǎng)140cm，寬60cm，高10cm。供水系統(tǒng)包括流量表、1根直徑3cm的供水主管、4根直徑5mm的分支水管和連接主管與分管的接頭，4根分支水管按降雨水槽尺寸對(duì)稱分布以保證降雨均勻。為滿足模型試驗(yàn)中降雨覆蓋面積和降雨均勻度需求，降雨水槽布設(shè)了11行，27列共297個(gè)孔徑為3mm的圓形降水孔，通過調(diào)節(jié)閥門控制進(jìn)水量達(dá)到控制降雨強(qiáng)度的目的。

3　試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1試驗(yàn)過程

本次試驗(yàn)降雨模擬情況如表2所示，試驗(yàn)進(jìn)行至當(dāng)天下午16:38時(shí)，判斷滑坡模型整體不再發(fā)生滑動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)束。整個(gè)試驗(yàn)過程累計(jì)雨量856mm，歷時(shí)7h30min。試驗(yàn)初始降雨強(qiáng)度為100mm/h，下午14:00將降雨強(qiáng)度由100mm/h增加至140mm/h并保持這一降雨強(qiáng)度直到試驗(yàn)結(jié)束，整個(gè)試驗(yàn)過程的平均降雨強(qiáng)度為114mm/h。

表2　模擬降雨過程Table 2　Simulated rainfall process

含水率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集頻率為每10min采集一次，同時(shí)使用數(shù)碼相機(jī)完整記錄試驗(yàn)過程中滑坡模型裂縫的發(fā)生、擴(kuò)展和貫通,以及坡面和坡體形態(tài)的變化。

3.2結(jié)果分析

3.2.1模型變形特征分析

圖3和圖4分別展示了試驗(yàn)過程中滑坡裂縫以及坡面形態(tài)的變化情況。根據(jù)坡面位移示蹤點(diǎn)位置變化情況可知，模型坡腳最先出現(xiàn)位移并發(fā)生破壞，此后坡肩產(chǎn)生較大變形并最終拉裂破壞，坡頂土體變形較小，整體位移呈現(xiàn)自上而下逐漸增大的規(guī)律。

(a)坡腳裂縫(b)坡肩裂縫

圖3滑坡裂縫

Fig.3Cracksoflandslide

從模型各處出現(xiàn)關(guān)鍵性裂縫的時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步展開討論。當(dāng)T=45min時(shí)，坡腳開裂出現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)的貫通裂縫，如圖3(a)所示。當(dāng)T=78min時(shí)，裂縫逐步向內(nèi)發(fā)育切割坡腳土體，使其形成破碎土塊，破碎的土塊由坡面徑流帶入框架前緣的雨水回收裝置。在試驗(yàn)進(jìn)行到110min左右時(shí)(累計(jì)雨量E2=180mm)，坡肩表面在前部土體重力牽引作用下出現(xiàn)狹長(zhǎng)的貫通拉裂縫，如圖3(b)所示。將45min至110min這一階段稱為滑坡失穩(wěn)的變形啟動(dòng)階段，對(duì)比圖4(a)與圖4(b)中第一排示蹤點(diǎn)可知，模型坡腳在這一時(shí)段內(nèi)產(chǎn)生了較大變形直至破壞。變形啟動(dòng)階段開始的標(biāo)志為T=45min時(shí)坡腳表面出現(xiàn)貫通裂縫，這一時(shí)刻的累計(jì)雨量E1=75mm。而在T=110min之后，降雨和坡面徑流迅速由坡肩處的貫通裂縫滲入坡體內(nèi)部，使得模型中部土體含水率在短時(shí)間內(nèi)急劇增加，達(dá)到飽和狀態(tài)，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度和基質(zhì)吸力大幅度減小，此時(shí)滑坡變形失穩(wěn)進(jìn)入加速階段。對(duì)比圖4(b)與圖4(c)中第2、第3排示蹤點(diǎn)可知，模型坡肩的變形破壞主要發(fā)生在這一時(shí)段內(nèi)。

(a)T=78 min　　　　　　　(b) T=110 min

(c) T=324 min　　　　　　(d) T=440 min圖4　滑坡坡面變化過程Fig.4　Variation process of landslide surface

在變形加速階段中，模型自坡肩處開始發(fā)生局部范圍滑動(dòng)，滑動(dòng)范圍和頻率隨時(shí)間逐漸增大。在試驗(yàn)進(jìn)行至324min時(shí)，坡肩土體已與模型后部土體分離，模型中前部已完全破壞。為確保滑坡模型完全失穩(wěn)，模擬降雨至450min，判斷模型不會(huì)發(fā)生進(jìn)一步滑動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

試驗(yàn)中，模型所表現(xiàn)的變形破壞模式是典型的自下而上漸進(jìn)式牽引破壞模式。首先，坡腳土體在降雨和坡面徑流沖蝕、浸泡下逐漸喪失抗剪強(qiáng)度和基質(zhì)吸力，出現(xiàn)裂縫、部分塊體滑移現(xiàn)象。隨著坡腳裂縫貫通以及土體的沖刷流失，出現(xiàn)了一個(gè)局部臨空面。坡體中部土體在重力作用的牽引下產(chǎn)生向臨空面滑動(dòng)的趨勢(shì)，當(dāng)土體抗剪強(qiáng)度在降雨作用下進(jìn)一步降低，下滑力超過抗滑力時(shí)，坡肩處開始形成拉裂縫并進(jìn)一步擴(kuò)展，直至完全貫通，最終發(fā)生大規(guī)?；瑒?dòng)。

3.2.2浸潤(rùn)線及含水率分析

圖5反映了試驗(yàn)過程中土體浸潤(rùn)線的變化情況，圖中紅色曲線即為浸潤(rùn)線。從圖中可以看出浸潤(rùn)線由模型表層向模型內(nèi)部逐步收縮，最終趨于穩(wěn)定。通過觀察，試驗(yàn)過程中降水對(duì)坡腳土體的影響持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，坡肩和坡頂次之。以浸潤(rùn)線為界，浸潤(rùn)線下方的土體基本不受降水影響，而越向外的土體受降水影響則越大。

(b) T=343 min圖5　浸潤(rùn)線變化Fig.5　Development of wetting front

圖6為滑坡模型各部位含水率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖。試驗(yàn)開始階段，各測(cè)點(diǎn)含水率均無明顯變化。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到30～60min這一時(shí)段，由于測(cè)點(diǎn)A，E埋深較淺，二者含水率開始增大，其余測(cè)點(diǎn)含水率仍無變化。參照?qǐng)D2，測(cè)點(diǎn)A埋設(shè)于坡頂且埋深較淺，坡頂角度平緩有利于雨水的滲透，使得測(cè)點(diǎn)A含水率迅速增大。測(cè)點(diǎn)E埋設(shè)于坡腳，埋深較淺，在試驗(yàn)初始階段，由于模型前陡后緩，降雨在前部坡面主要形成徑流，入滲作用相對(duì)模型后部較小，使得測(cè)點(diǎn)E含水率增長(zhǎng)速率較測(cè)點(diǎn)A略小。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至40min之后，測(cè)點(diǎn)E的含水率開始出現(xiàn)陡增，并最先達(dá)到峰值，結(jié)合試驗(yàn)過程中坡腳裂縫貫通的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)分析可知，測(cè)點(diǎn)E含水率陡增應(yīng)是由于水流通過貫通裂縫迅速灌入坡腳土體內(nèi)部所致。

圖6　各測(cè)點(diǎn)時(shí)間-含水率變化曲線Fig.6　Time-moisture curves of monitoring points

在90min至120min這一時(shí)段內(nèi)，測(cè)點(diǎn)C和測(cè)點(diǎn)D的含水率均出現(xiàn)了不同程度的增大，根據(jù)之前對(duì)模型坡肩變形特征的分析，正是在這一時(shí)間段內(nèi)，坡肩表面開始形成拉裂縫并逐步貫通。測(cè)點(diǎn)C含水率于此期間大幅度增大并接近峰值，參照?qǐng)D2中測(cè)點(diǎn)C的埋設(shè)位置，可以得出在這一時(shí)段內(nèi)坡肩土體開始受到水的影響并達(dá)到飽和。測(cè)點(diǎn)D埋設(shè)于坡肩下方，埋深較大，在這一時(shí)段含水率有所增加，但并不明顯。在試驗(yàn)進(jìn)行到120min之后，測(cè)點(diǎn)D含水率開始顯著增大，并于180min左右達(dá)到峰值。整個(gè)試驗(yàn)過程中，測(cè)點(diǎn)B含水率始終沒有發(fā)生變化，結(jié)合圖5所示的浸潤(rùn)線變化情況可知，B點(diǎn)始終處于浸潤(rùn)線下方，未受到水的影響。

土體含水率是描述土體含水程度的指標(biāo)，直接影響著土體的抗剪強(qiáng)度和基質(zhì)吸力[6]?；谀Ｐ妥冃纹茐倪^程，通過對(duì)模型各位置測(cè)點(diǎn)含水率曲線分析可知，坡肩測(cè)點(diǎn)C，D及坡腳測(cè)點(diǎn)E含水率的陡增都與各自所處區(qū)域裂縫的出現(xiàn)、擴(kuò)展有著密切聯(lián)系。裂縫為雨水和徑流進(jìn)入坡體內(nèi)部提供了良好的通道，而貫通裂縫作為最佳的滲流通道，更直接影響著邊坡土體飽和度和坡體穩(wěn)定性。因此將各關(guān)鍵部位裂縫貫通的時(shí)刻作為滑坡變形破壞過程中各階段的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)具有其合理性，將這些時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的持續(xù)累計(jì)雨量作為滑坡降雨預(yù)警判據(jù)也具有其實(shí)際意義。

4　結(jié)　論

(1)模型試驗(yàn)研究表明，在強(qiáng)降雨作用下，牽引式滑坡的變形破壞過程主要由以下3個(gè)階段組成：變形啟動(dòng)階段，主要表現(xiàn)為坡腳開裂破壞；變形加速階段，主要表現(xiàn)為坡肩在重力牽引發(fā)生拉裂破壞；整體破壞階段，主要表現(xiàn)為坡體內(nèi)部裂縫完全貫通，邊坡發(fā)生整體滑移。

(2)基于試驗(yàn)驗(yàn)證的變形破壞模式，分別以變形啟動(dòng)階段、變形加速階段的初始時(shí)刻即坡腳、坡肩表面裂縫貫通時(shí)刻的累計(jì)雨量E1(75mm)、E2(180mm)作為麥尖窩滑坡的降雨預(yù)警判據(jù)。當(dāng)麥尖窩滑坡區(qū)一次持續(xù)累計(jì)雨量達(dá)到180mm時(shí)，進(jìn)行滑坡紅色預(yù)警；達(dá)到75mm時(shí)，進(jìn)行滑坡橙色預(yù)警；在75mm以下時(shí)，滑坡處于安全狀態(tài)。

(3)根據(jù)試驗(yàn)過程中降雨對(duì)麥尖窩滑坡各部位影響方式的不同，提出如下防護(hù)治理建議：坡頂防護(hù)應(yīng)以防滲為主；坡面應(yīng)以防沖刷侵蝕為主；坡腳為重點(diǎn)防護(hù)治理對(duì)象，日常應(yīng)及時(shí)疏排積水，做好坡腳防滲，嚴(yán)禁開挖坡腳土體；同時(shí)對(duì)滑坡各關(guān)鍵部位的裂縫應(yīng)當(dāng)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控和治理，做好裂縫周邊的防水工作并防止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

Model Test on Rainfall Warning Criteria of Retrogressive Landslide

PAN Yi-heng, LI Xue-ping, WU Li-qing, WANG Wei, TAN Fu-lin

(FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Indoorartificialrainfallsimulationtestwasconductedtoinvestigatethemechanismofretrogressivelandslide,andthecriteriaofrainfallwarningforthestudywereproposed.TheMaijianwolandslideinLingbaoCityofHenanProvincewastakenasacasestudy.Inthemodeltest,moisturesensors,trackingpointsanddigitalcameraswereadoptedtorecordvariationsinthemoistureofcrucialparts,thesurfacedeformationandcrackpropagation.Researchresultsshowedthattherainstormledtodestructionfromthebottomofslopetothetopgraduallyasaretrogressivemode.Theslopefailureprocesswasdividedintothreestagesasdeformationactivation,deformationaccelerationandintegraldestructioninaccordancewiththecriticaltimepointsbyanalyzingthedeformationcharacteristicsandmoisturemonitoringdataofcrucialparts.Accordingtotheabovefailuremode,thecumulativerainfallsE1(75mm)andE2(180mm)wererespectivelysetastheorangeandredwarningcriteriafortheMaijianwolandslidewhentherewerepenetratingcracksontheslopetoeandshoulder.

retrogressivelandslide;modeltest;cumulativerainfall;destructionregularity;warningcriteria

2015-07-06;

2015-10-09

潘以恒(1991-)，男，福建泉州人，碩士，主要從事巖土體穩(wěn)定性及其應(yīng)用方面的研究，(電話)15271896689(電子信箱)774977690@qq.com。

10.11988/ckyyb.20150576

2016,33(09):111-115

P642.2

A

1001-5485(2016)09-0111-05