葉唐進， 劉依緣， 王澤文， 李俊杰， 李 艷

(1.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部， 大連 116024； 2.西藏大學(xué)工學(xué)院， 拉薩 850000)

川藏公路西藏境內(nèi)斜坡地質(zhì)災(zāi)害極為發(fā)育，尤其是以沖洪積物為主的滾石斜坡，在降雨融雪、地震以及人為活動等條件下極易失穩(wěn)，對公路安全及暢通造成了極大威脅。滾石斜坡是指以沖洪積層為主的高原河谷階地，由于公路工程建設(shè)或河水沖刷等導(dǎo)致斜坡巖土顆粒裸露，在特殊的環(huán)境和氣候作用下，其巖土顆粒不斷滾落和滑動的一種碎屑斜坡，屬于青藏高原河谷路段特有的地質(zhì)災(zāi)害。通過野外調(diào)查統(tǒng)計，國道G318巴塘至拉薩的峽谷地段，由于公路工程建設(shè)和河水沖刷等因素形成了具有一定規(guī)模的滾石災(zāi)害64處，嚴重威脅過往行人及車輛的安全。因此，滾石斜坡在降雨條件下失穩(wěn)的機理研究對公路沿線的滾石斜坡穩(wěn)定性評價和有效治理具有十分重要的作用。

針對類似滾石斜坡的研究，起始于20世紀60～70年代，Ritchie[1]在巖石崩落評價及其防治中提出，巖崩是造成現(xiàn)代公路損壞的極其重要的因素，必須要加以控制；Peckover等[2]給出了一些簡單的處理和預(yù)防崩落方法，但并不全面；Bozzolo等[3]開發(fā)了一個計算機模型用來模擬滾石運動軌跡與邊坡地質(zhì)條件的關(guān)系，得出滾石形成危險區(qū)的范圍。楊志法等[4]將邊坡的滾石機理、防治措施作為值得關(guān)注的地質(zhì)力學(xué)問題提出；葉唐進等[5]結(jié)合野外調(diào)查、數(shù)值模擬初步分析了滾石斜坡的形成和失穩(wěn)主要因素；鄭光等[6]通過碎屑流室內(nèi)滑槽試驗和實例分析，研究了碎屑流的堆積特征及機理。近30年來人們研究滾石斜坡與其他斜坡的研究方法基本類似，主要集中在滾石斜坡的發(fā)育特征、物理力學(xué)性質(zhì)、穩(wěn)定性以及滾石砸中行人和車輛的概率[7]，但并未對滾石斜坡進行嚴格的定義和分類。

針對坡體的降雨模型試驗主要集中在研究泥石流和滑坡，Chen[8]研究表明，降雨量是導(dǎo)致滑坡的重要因素，地勢越高，越容易發(fā)生滑坡；Deng等[9]通過研究青藏高原東南部冰原泥石流，得出氣溫和降雨是產(chǎn)生泥石流的主要因素；李煥強等[10]通過對不同坡角邊坡模型進行人工模擬降雨試驗，實時監(jiān)測坡體前端水平推力、坡體變形、坡體含水率3個方面指標，得到各指標在降雨入滲作用下變化規(guī)律；詹良通等[11]在人工降雨條件下進行了原位邊坡模型試驗，監(jiān)測到非飽和膨脹土的原位數(shù)據(jù)；李靜等[12]采用模型試驗，在室內(nèi)模擬降雨，探究降雨強度對碎石土邊坡穩(wěn)定性的影響，得出降雨時坡體入滲規(guī)律是自上而下逐漸滲透，含水率會隨著降雨時長逐漸穩(wěn)定的結(jié)論；倪凱軍等[13]通過降雨入滲的室內(nèi)邊坡試驗，模擬了降雨過程中雨水在邊坡中的入滲過程及運移規(guī)律；甘建軍等[14]通過室內(nèi)固定式雙滲透降雨物理模型試驗，探究降雨入滲對不同坡度含軟弱夾層堆積體邊坡穩(wěn)定性的影響，得到了孔隙水壓力降雨停止后的滯后效應(yīng)與坡度呈負相關(guān)。雖然此類試驗方法數(shù)據(jù)真實，效果較為顯著，但未見針對滾石坡在野外進行相應(yīng)的模型降雨試驗。

由于滾石斜坡僅在青藏高原存在，研究文獻較少，且定義和分類都不太明確，同時研究主要集中在野外調(diào)查、數(shù)值模擬以及致災(zāi)概率分析，導(dǎo)致滾石斜坡的失穩(wěn)機理不明，治理不徹底。通過野外滾石斜坡的調(diào)查和長期觀測，發(fā)現(xiàn)降雨對滾石斜坡體的破壞具有十分明顯的影響。因此，通過1∶1降雨模型試驗，探究滾石斜坡在降雨條件下的失穩(wěn)機理，并推導(dǎo)其降雨條件下穩(wěn)定性計算的簡布法公式。

1 模型試驗

1.1 坡體幾何特征

滾石坡主要分布于尼洋河谷階地，以及怒江、瀾滄江、金沙江及支流的河谷階地，其主要成分為沖洪積物的卵石、礫石等，具有較高的磨圓度。滾石坡具有形成區(qū)和堆積區(qū)兩部分，其失穩(wěn)方式分為巖土顆粒滾落和局部滑動兩類，如圖1所示。

圖1 野外滾石斜坡失穩(wěn)及工程治理Fig.1 Instability and treatment of rolling stone slope

野外調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，野外滾石斜坡開挖的邊坡坡度在35°～75°，坡體的上部分坡度在33°～36°。因此，試驗的滾石斜坡在原有坡度35°的基礎(chǔ)上，采用人工開挖，改變坡體下半部分的坡度，使其坡體下部分坡度以75°(1號坡)、55°(2號坡)、35°(3號坡)分為3組，每組3個斜坡，如圖2所示，為坡體下部坡度75°和55°的斜坡。考慮其降雨范圍，為避免坡面積水影響試驗結(jié)果，在坡體兩側(cè)1.5 m處，開挖兩條排水通道，利于排水。

1.2 坡體巖土參數(shù)

為使試驗結(jié)果更精確，試驗前對斜坡的相關(guān)參數(shù)進行了采樣和測試，分別獲取了樣品的密度、顆粒級配、含水率、滲透性系數(shù)、黏聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)。

對3組斜坡進行采樣，在室內(nèi)進行篩分稱量，測得3組試驗坡體的顆粒級配如圖3所示。從圖3可知，滾石斜坡的主要成分為沙和礫石、卵石。

圖3 試驗坡體顆粒級配Fig.3 Experimental slope particle grading

通過現(xiàn)場測試和室內(nèi)測試，得出斜坡的密度為1 347.8～1 593.3 kg/m3，含水率為4.74%～13.84%。對其力學(xué)性質(zhì)和滲透性進行測試，得到其內(nèi)摩擦角為34.9°～36.2°，黏聚力為0.10～0.14 kPa，滲透系數(shù)為2.993×10-2～3.966×10-2cm/s。

1.3 試驗裝置及斜坡特征

試驗裝置由人工模擬降雨系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)[15]以及自然滾石斜坡3個部分組成。

人工模擬降雨系統(tǒng)由供水部分、控制調(diào)節(jié)部分以及降雨部分組成，如圖4所示。其供水部分由水池、水泵和回流管構(gòu)成，主要用于提供水源、動力和收集回流水?？刂普{(diào)節(jié)部分由水閥、壓力表、水表及管件組成，主要用于控制降雨量、降雨強度。降雨部分包括輸水伸縮管及連接件、移動卡口、移動橫桿、可調(diào)噴頭和伸縮支架，可調(diào)節(jié)降雨范圍、降雨高度以及降雨方式等。

圖4 人工模擬降雨裝置Fig.4 Artificial rainfall simulator

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由測量含水率、孔隙水壓力、土壓力及雨量的儀器組成。坡體孔隙水壓力采用DMKY微型孔隙水壓力計測量，YE2538儀來采集數(shù)據(jù)；利用RS-485土壤水分濕度傳感器測量坡體土壤含水率；采用HRE-1土壓力計和VW-102B振弦式讀數(shù)儀來測量和收集土壓力數(shù)據(jù)；采用自動讀數(shù)雨量器采集降雨量及降雨強度。通過測試，幾種傳感器均滿足本次降雨試驗的精度要求。

1.4 試驗準備與調(diào)試

首先需在野外找到類似的滾石斜坡，并對斜坡下部坡度進行人工處理，保證其坡度分別為75°、55°、35°，然后在圖5中4#、5#、6#位置鉆取1.5 m的感應(yīng)探頭安放孔。

在設(shè)備安裝之前，需對所有設(shè)備進行測試和檢查，確保所安裝設(shè)備正常運行且誤差在允許范圍內(nèi)。首先安裝斜坡上的感應(yīng)探頭，并將感應(yīng)探頭與數(shù)據(jù)采集和控制中心連接，如圖6所示。儀器埋置情況如圖7所示，在A、B、C3個位置按照每隔50 cm的深度安裝含水率、孔隙水壓力和土壓力探頭，一共安裝3組。其中A、B、C位置分別為圖5中的4#、5#、6#位置，再次對所埋設(shè)感應(yīng)探頭進行逐一檢測和校正。

圖5 斜坡上儀器安裝圖Fig.5 Photo of instrument installation on slope

圖6 數(shù)據(jù)采集和控制中心Fig.6 Data acquisition and control center

圖7 儀器埋置設(shè)計Fig.7 Instrument embedment design drawing

根據(jù)試驗方案準備的降雨強度、降雨量、降雨時長等關(guān)系調(diào)節(jié)降雨系統(tǒng)，安裝調(diào)試雨量器和各感應(yīng)探頭，檢查電源和攝像系統(tǒng)，然后測量初始的孔隙水壓力、土壓力及含水率數(shù)值并記錄，打開攝像儀器和降雨系統(tǒng)開始試驗。按照降雨時長安排關(guān)閉降雨系統(tǒng)，考慮斜坡破壞的滯后效應(yīng)，感應(yīng)探頭需在降雨結(jié)束后繼續(xù)工作2 h。

1.5 試驗結(jié)果分析

1.5.1 顆粒失穩(wěn)及破壞過程

從降雨試驗的巖土顆粒失穩(wěn)來看，降雨開始的1′19″，斜坡高2.1 m處出現(xiàn)第1顆滾石，堆積于斜坡前端平臺0.23 m處，一直到32′18″為止，巖土顆粒不斷滾落，均從1.5～2.2 m的藍色區(qū)域滾落，滾落的順序及位置如圖8(c)所示，當斜坡出現(xiàn)坡面洪流時，再沒有出現(xiàn)巖土顆粒滾落，說明巖土顆粒的滾落發(fā)生在降雨至斜坡表面的坡面洪流期間。

圖8 滾石斜坡失穩(wěn)方式與運動過程Fig.8 Instability mode and movement process of rolling rock slope

從圖8(d)的48′11″開始，在斜坡的左下角坡體較為松軟部位開始出現(xiàn)小的局部滑動，一直到圖8(h)的89′55″，斜坡局部一共滑動了5次，且每次均比前一次規(guī)模要大。在圖8(h)的89′55″處，斜坡頂部出現(xiàn)了大量的拉張裂縫，如果降雨持續(xù)下去，將導(dǎo)致滾石斜坡的整體失穩(wěn)下滑。分析其原因為降雨導(dǎo)致滾石斜坡表面巖土顆粒黏聚力和內(nèi)摩擦角減小，巖土顆粒不斷滾落下滑。

1.5.2 斜坡局部滑動

從試驗現(xiàn)象和圖8可得出，滾石斜坡的破壞分為巖土顆粒失穩(wěn)和局部滑動破壞，現(xiàn)對局部滑動進行分析。為了便于對比分析，將3組斜坡試驗感應(yīng)探頭進行編號，如表1所示。由于A2、A3、C2、C3 4個位置探頭數(shù)據(jù)意義不大，在此不列出比較。

表1 感應(yīng)探頭編號Table 1 Inductive probe number

1.5.3 含水率、孔隙水壓力和土壓力分析

(1)含水率變化規(guī)律。由圖9可知，開始降雨后，3組坡體0.5 m埋深含水率首先增加并達到飽和，然后依次是1 m埋深、1.5 m埋深；在持續(xù)降雨1.9 h時，55°坡體發(fā)生滑動，使其7#、8#和10#含水率均出現(xiàn)下滑，其中10#含水率由34%下降至4%；75°和35°斜坡含水率一直都小于55°斜坡的含水率，且沒出現(xiàn)滑動。試驗表明，斜坡較陡或較緩都不利于降雨入滲，含水率難以到達飽和值，不易失穩(wěn)下滑；而當斜坡在55°時，利于降雨入滲，極易使斜坡含水率達到飽和，從而導(dǎo)致斜坡失穩(wěn)滑動。

圖9 含水率變化曲線Fig.9 Change curve of water content

(2)土壓力變化規(guī)律。由圖10可知，土壓力與含水率變化規(guī)律具有相似之處，受含水率影響，55°斜坡的土壓力最大，在1.9 h處發(fā)生下降，斜坡失穩(wěn)滑動，7#、8#和10#的土壓力同時出現(xiàn)下降，而75°和35°土壓力曲線變化較小。說明降雨入滲，導(dǎo)致斜坡土壓力增大，斜坡失穩(wěn)下滑。

圖10 土壓力變化曲線Fig.10 Change curve of earth pressure

(3)孔隙水壓力變化規(guī)律。由圖11可知，由于孔隙水壓力極為敏感，且單位較小，其曲線出現(xiàn)小小的起伏，但整體規(guī)律還是與含水率及土壓力變化一致。55°斜坡的孔隙水壓力仍然是最大的，且在斜坡失穩(wěn)下滑時孔隙水壓力也急劇降低。而75°和35°斜坡孔隙水壓力變化不太明顯。

圖11 孔隙水壓力變化曲線Fig.11 Change curve of pore water pressure

從試驗曲線分析來看，隨著降雨時長的增加，所有斜坡含水率、孔隙水壓力，土壓力均不斷增加，坡體穩(wěn)定性降低。3組斜坡中，55°斜坡更易降雨入滲達到飽和，從而失穩(wěn)下滑，而75°斜坡較陡降雨不易入滲，35°斜坡為自然斜坡，地表未受人為擾動，降雨也不易入滲。

2 滾石斜坡的失穩(wěn)機理推導(dǎo)

通過野外調(diào)查和模型試驗可知，滾石斜坡的失穩(wěn)分為顆粒失穩(wěn)滾動和局部滑動破壞，由于顆粒失穩(wěn)滾動已經(jīng)進行了相應(yīng)的數(shù)值模擬和理論分析[5]，在此不再進行贅述。下面對滾石斜坡在降雨入滲條件下穩(wěn)定性進行推導(dǎo)。

由于滾石邊坡性質(zhì)與土質(zhì)邊坡較為相似，巖土顆粒之間的咬合力和摩擦力均較大，將土體條分后，條塊側(cè)面的作用力不可忽略，在穩(wěn)定性計算中利用簡布法較為合理。從模型試驗可知滑動面深度為入滲深度，但不超過土體與基巖的接觸面，故計算的基本力學(xué)模型如圖12所示。

Ni為第i條塊在滑面的法向力；Ti為第i條塊在滑面的剪切力；li為第i條塊滑面長度；Wi為第i條塊的自重；xi為第i條塊后側(cè)側(cè)向豎直力；xi+Δxi為第i條塊前側(cè)側(cè)向豎直力；αi為第i條塊滑面的傾角；Ui為第i條塊的底部水壓力；Ei為第i條塊后側(cè)側(cè)向水平力；Ei+ΔEi為第i條塊前側(cè)側(cè)向水平力；Uxi為第i條塊后側(cè)水壓力；Uxi+ΔUxi為第i條塊前側(cè)水壓力；bi為第i條塊的寬度；Gyi為y方向的滲透力分量；Gxi為x方向的滲透力分量；lui為Uxi的作用點到條塊底面的豎直距離；lui+Δlui為Uxi+ΔUxi的作用點到條塊底面的豎直距離；ti為Ei+ΔEi作用點到條塊底面中心的豎直距離

2.1 前提假定

(1)滑動面上切向力Ti等于滑動面上土所發(fā)揮的抗剪強度τfi，即

(1)

式(1)中：φi為第i條塊滑面的摩擦角；ci為第i條塊滑面的黏聚力；K為土坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

(2)給出土條兩側(cè)法向力E的作用點位置，為側(cè)面下1/3處。條塊的靜水壓力是由于降雨入滲的水產(chǎn)生的，忽略地表積水的厚度，靜水壓力的大小為γwh(γw為水的重度，h為降雨入滲深度)，兩側(cè)的靜水壓力的作用位置也為側(cè)面下1/3處。

2.2 公式推導(dǎo)

根據(jù)土的豎向方向力學(xué)平衡∑Fy=0，有

Wi+(xi+Δxi)-xi-Nicosαi-Uicosαi-Tisinαi+Gyi+Pi=0

(2)

式(2)中：Pi為第i條塊豎直向下的地震作用力。

式(2)經(jīng)換算，可變?yōu)?/p>

(3)

根據(jù)土的水平方向力學(xué)平衡∑Fx=0，有

Ei-(Ei+ΔEi)+Nisinαi+Uisinαi-

Ticosαi+Uxi-(Uxi+ΔUxi)+Gxi+Pxi=0

(4)

式(4)中：Pxi為第i條塊向坡前的地震作用力。

式(4)經(jīng)換算，可變?yōu)?/p>

ΔEi=Nisinαi-Ticosαi+(Uisinαi-ΔUxi)+Gxi+Pxi

(5)

將式(3)代入式(5)，化簡得

(6)

根據(jù)假設(shè)(1)，將式(3)和式(1)聯(lián)立求解，化簡可得

(7)

式(7)中：bi為第i條塊的寬度。

為簡化式(7)，令

(8)

將簡化后的式(7)代入式(6)，得

(9)

式(9)中：

Bi=(Wi+Δxi+Gyi+Pi)tanαi

(10)

(11)

對于整個滾石斜坡而言，所有的ΔEi均為內(nèi)力，若滑動土體上無水平外力作用時，則∑ΔEi=0，即

(12)

得滾石斜坡穩(wěn)定安全系數(shù)K為

∑(Wi+Δxi+Gyi+Pi)tanαi

(13)

式(13)中:Δxi項仍然未知，需通過其他條件求解。根據(jù)假設(shè)(2)，土條上各作用力對滑動面中點取矩：

(14)

式(14)中：lyi為x方向的滲透力分量Gxi的作用點到條塊底面的豎直距離。

如果土條寬度很小，則高階項略去，并忽略水壓力產(chǎn)生的彎矩，按力矩平衡可得

(15)

Ei是土條E1與各土條的ΔEi之和，則有

(16)

Δxi=xi+1-xi

(17)

式(13)等號右側(cè)mαi包含了待求項K，是隱函數(shù)，需要采用迭代法計算求解。

3 結(jié)論

利用模型試驗分析降雨和不同坡度條件下滾石斜坡的穩(wěn)定性與含水率、孔隙水壓力及土壓力的映射關(guān)系，并結(jié)合試驗推導(dǎo)了滾石斜坡穩(wěn)定性的簡布法，得出以下結(jié)論。

(1)隨著降雨時長的增加，所有斜坡的含水率、孔隙水壓力和土壓力值均增加，其中55°斜坡含水率更易達到飽和值，驗證了野外不穩(wěn)定滾石坡集中在55°左右的主因。

(2)55°斜坡比75°和35°斜坡更利于降雨入滲，其含水率、土壓力和孔隙水壓力均為最大，從而更容易失穩(wěn)滑動。分析其原因，75°斜坡較陡降雨不易入滲，35°斜坡為自然斜坡，地表未受人為擾動，降雨也不易入滲。

(3)降雨入滲條件下，滾石斜坡的失穩(wěn)破壞首先是巖土顆粒滾落，然后是局部滑動破壞并不斷擴大，與野外調(diào)查現(xiàn)象一致。

(4)結(jié)合模型試驗，推導(dǎo)出滾石斜坡在降雨入滲條件下的簡布法穩(wěn)定性計算公式。

(5)從試驗和理論推導(dǎo)進一步說明：降雨初期滾石斜坡表面巖土顆粒黏聚力和內(nèi)摩擦角減小，巖土顆粒不斷滾落；持續(xù)降雨使?jié)L石斜坡整體含水率和孔隙水壓力增加，最終導(dǎo)致斜坡失穩(wěn)滑動。