霍志濤，李 高，，王 力，占清華，李 玉

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局長沙自然資源綜合調(diào)查中心，湖南 寧鄉(xiāng) 410600； 2.三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室，湖北 宜昌 443002； 3.中南地質(zhì)科技創(chuàng)新中心，武漢 430000)

1 研究背景

降雨是滑坡最主要的誘發(fā)因素之一[1-3]。在過去的研究中，降雨型滑坡一直是專家學(xué)者研究的重點課題[4-6]，一些學(xué)者分別關(guān)注了降雨強度[7-9]、前期降雨過程[10]以及干濕循環(huán)[11]等作用與滑坡發(fā)生的相關(guān)性，研究發(fā)現(xiàn)降雨對滑坡的影響主要體現(xiàn)在雨水入滲導(dǎo)致的坡體內(nèi)含水率增加，土體基質(zhì)吸力減小和孔隙水壓力增加，使得滑坡土體力學(xué)強度降低，進(jìn)而影響滑坡穩(wěn)定性[12-15]。這些研究確定了土體含水率是影響滑坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，因此，后續(xù)的研究重點關(guān)注了滑坡穩(wěn)定性對土體含水率變化的響應(yīng)關(guān)系。史振寧等[16]通過降雨入滲試驗得出在雨強不變的條件下，初始含水率越高，導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)所需的降雨時間越短。Cascini等[17]對緩動式低速降雨型滑坡進(jìn)行了模擬研究，認(rèn)為含水率增加導(dǎo)致孔隙水壓力變化是緩動式滑坡持續(xù)運動的主要原因。包小華等[18]通過室內(nèi)邊坡模型試驗，發(fā)現(xiàn)隨著含水率的增加，基質(zhì)吸力逐漸降低為0，邊坡由非飽和狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)后，最終發(fā)生破壞，同時還指出，通過監(jiān)測邊坡不同位置的體積含水率，可以為滲流引發(fā)的邊坡失穩(wěn)預(yù)警機制提供參考依據(jù)。唐揚等[19]研究了滑坡體穩(wěn)定性在持續(xù)降雨條件下的變化情況，發(fā)現(xiàn)在降雨初期，前期含水率對滑坡穩(wěn)定性影響較大。在特殊土邊坡研究方面，孔令偉等[20]通過對膨脹土邊坡的降雨入滲試驗發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)作用使得膨脹土水分喪失導(dǎo)致土體開裂，再發(fā)生降雨時，土體含水率迅速增加，最終加速邊坡變形。謝妮等[21]通過現(xiàn)場降雨試驗研究黃土邊坡破壞規(guī)律，結(jié)果表明降雨對淺層土體吸力和含水量影響較大，加上雨水的沖刷作用綜合影響了土體的強度。

上述研究表明，含水率是研究降雨型滑坡的一個重要指標(biāo)，然而實際上多數(shù)滑坡在非飽和狀態(tài)時發(fā)生。因此，研究土體含水率及含水率衍生指標(biāo)(如含水率變化速率)與滑坡的相關(guān)性顯得尤為重要。本文通過現(xiàn)場監(jiān)測、室內(nèi)外試驗等多種手段研究了降雨型滑坡與含水率的相關(guān)性，探索了含水率變化速率與降雨條件下滑坡致災(zāi)的響應(yīng)關(guān)系，并進(jìn)一步討論了含水率變化速率與降雨過程的相關(guān)性，為揭示降雨型滑坡致災(zāi)機理進(jìn)而為滑坡預(yù)警預(yù)報提供新思路。

2 滑坡含水率與位移現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與分析

為探究降雨條件下滑坡土體變形演化與含水率的響應(yīng)關(guān)系，選取江西省贛州市于都縣羅坳鎮(zhèn)巖背村鐘屋組一處典型降雨型滑坡開展滑坡地表位移及含水率等關(guān)鍵指標(biāo)現(xiàn)場監(jiān)測。

2.1 監(jiān)測方案

滑坡物質(zhì)組成上部為人工素填土，下部為坡殘積含碎石粉質(zhì)黏土，滑帶為基覆界面，滑床為石炭系梓山組(C1Z)中—薄層狀粉砂巖與泥巖互層，局部夾煤層。滑體厚度平均約4 m，面積約34 000 m2，體積約136 000 m3。根據(jù)滑坡現(xiàn)場調(diào)查和前期資料分析，該滑坡可能發(fā)生變形的部位主要在滑坡中后部，因此，在滑坡中后部埋設(shè)體積含水率監(jiān)測裝置，深度為0.8 m和1.3 m，編號為W1、W2，GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))位移監(jiān)測共布設(shè)了G01、G02、G03三個點，日降雨量由高精度翻斗雨量計監(jiān)測?；录氨O(jiān)測點布置平面圖及剖面圖見圖1。

圖1 監(jiān)測點布置平面圖及剖面圖Fig.1 Sectional view and layout of monitoring points

2.2 地表位移監(jiān)測結(jié)果

如圖2所示，研究區(qū)2020年2月2日前未發(fā)生明顯降雨，相應(yīng)地，G01、G03兩測點均未見明顯變形。G02測點呈現(xiàn)緩慢變形現(xiàn)象，自2020年2月2日后降雨較明顯，在2月15—16日，土體發(fā)生 1次明顯位移，3測點位移增幅依次為82%、44%和89%，隨后降雨頻次和強度均增大，特別地，出現(xiàn)了1次降雨量達(dá)122.78 mm的大暴雨，但3測點均未見明顯位移。

圖2 位移隨日降雨量的變化Fig.2 Displacement as a function of daily rainfall

通過地表位移監(jiān)測結(jié)果可知，滑坡變形與前期降雨有明顯相關(guān)性，即在久旱后發(fā)生一定頻次的降雨對滑坡的影響較大，若前期保持一定的降雨頻次和降雨量，再次降雨甚至短時強降雨則對滑坡影響較小。

2.3 體積含水率監(jiān)測結(jié)果

如圖3所示，2020年2月2日前幾乎未發(fā)生明顯降雨，兩監(jiān)測點體積含水率均呈減小趨勢。發(fā)生明顯降雨后，0.8 m處體積含水率迅速增加，增速達(dá)5.65 m3/(m3·d)。1.3 m測點在2月15日體積含水率由9.19 m3/m3迅速增至15.24 m3/m3，含水率變化速率達(dá)4.05 m3/(m3·d)。該測點體積含水率對降雨的響應(yīng)滯后約3 d。隨后兩測點含水率均在14 m3/m3附近波動，在3月15日，0.8 m及1.3 m測點含水率均有不同程度的增加，含水率變化速率依次為2.33、2.46 m3/(m3·d)，這與當(dāng)天發(fā)生大暴雨相關(guān)。

圖3 體積含水率隨時間的變化Fig.3 Volumetric water content as a function of time

從以上結(jié)果可知，含水率變化與前期降雨以及雨強明顯相關(guān)，當(dāng)久旱后再發(fā)生明顯降雨時，土體含水率增速較快，且雨強的劇增也會影響到含水率的變化速率。

2.4 地表位移對體積含水率的響應(yīng)

從監(jiān)測成果看出，滑坡發(fā)生明顯位移與土體含水率增加尤其是增加速率時間上較一致。為分析滑坡變形與土體含水率相關(guān)性，建立G02測點位移及位移速率與含水率以及含水率變化速率關(guān)系曲線作進(jìn)一步分析。

如圖4、圖5所示，在2020年2月1—5日，0.8 m測點含水率增速較快，增速為5.65 m3/(m3·d)，1.3 m含水率增速較慢，3處位移測點位移穩(wěn)定在35 mm附近，位移速率在零值小幅度波動。至2月15日，0.8 m測點含水率增加至峰值后保持在峰值附近波動，1.3 m測點含水率開始增大且增速較快，增速為4.05 m3/(m3·d)，此時G02測點位移達(dá)70 mm，位移速率達(dá)到峰值23.6 mm/d。此后，0.8 m和1.3 m處含水率均達(dá)到飽和狀態(tài)，在3月15日，兩處含水率變化速率有小幅度增加，位移基本不變，位移速率在零值小幅度波動。

圖4 體積含水率及位移、位移速率隨時間的變化Fig.4 Curves of volumetric water content，displacement and displacement rate against time

圖5 位移、位移速率與含水率變化速率關(guān)系曲線Fig.5 Relations of displacement and displacement rate versus change rate of water content

綜上可知，滑坡變形與降雨入滲深度及含水率增速均相關(guān)，含水率快速增大可致滑坡下滑力急劇增大，最終使得滑坡變形加劇。

3 滑坡含水率及位移現(xiàn)場降雨模型試驗量測與分析

由前文監(jiān)測結(jié)果可知，滑體含水率變化速率是滑坡發(fā)生明顯位移的重要影響因素。為進(jìn)一步探究降雨條件下滑坡失穩(wěn)破壞與土體含水率及含水率變化速率的關(guān)系，選取江西省贛州市鼎龍鄉(xiāng)一處典型降雨型滑坡開展現(xiàn)場原位降雨試驗，試驗監(jiān)測地表位移及滑坡內(nèi)部含水率，并記錄滑坡破壞狀態(tài)。

3.1 試驗方案及傳感器布置

試驗滑坡為變質(zhì)巖風(fēng)化土，滑坡高、寬以及坡長分別約4、4、7 m，平均坡度約73°，研究區(qū)降雨主要發(fā)生在夏季，經(jīng)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)邊坡變形失穩(wěn)的主要原因是強降雨。因此設(shè)計大暴雨降雨方案，即降雨強度為8 mm/h，一次降雨7.5 h，考慮到試驗的供水條件，完成一次降雨后暫停5 h進(jìn)行降雨補給，試驗共進(jìn)行92 h，每天降雨約120 mm。試驗共安裝2個地表位移傳感器，分別位于邊坡中部(編號為5#、6#)。結(jié)合前文現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果可知，降雨對深度為1.0 m左右含水率影響較大，故在滑坡平臺埋設(shè)4個不同位置深度為1.0 m的高精度含水率傳感器。含水率監(jiān)測點編號以W2-1示例，2表示2#測點，1表示監(jiān)測點深度為1.0 m，其他編號以此類推，滑坡平面及含水率量測點布置示意圖見圖6，現(xiàn)場埋設(shè)含水率傳感器見圖7。

圖6 滑坡平面及含水率量測點布置示意圖Fig.6 Schematic diagram of the layout of water content measuring points

圖7 含水率傳感器現(xiàn)場埋設(shè)Fig.7 Embedded water content sensor on site

3.2 地表位移試驗結(jié)果

如圖8(a)所示，在滑坡平臺上部開展降雨試驗。降雨試驗進(jìn)行至第28 h左右，滑坡右側(cè)發(fā)生大范圍破壞，如圖8(b)所示，破壞厚度約1.5 m，方量約6 m3。隨即6#位移測點附近產(chǎn)生明顯裂縫，如圖8(c)所示，相應(yīng)的6#測點位移及位移速率隨時間變化曲線如圖9所示，6#測點位移增加超80 mm，位移速率為145.82 mm/h，隨后位移曲線呈階梯型增加，在試驗進(jìn)行到第51 h左右，5#測點位移增加了近14 mm，位移速率為21.12 mm/h。至第67 h左右，5#測點位移增加了近9 mm，位移速率為16.98 mm/h。隨著降雨入滲，位移呈現(xiàn)持續(xù)增加且增加速率減小的特征，即發(fā)生階段位移后保持穩(wěn)定狀態(tài)，滑坡最終狀態(tài)如圖8(d)所示。

圖8 滑坡演化過程Fig.8 Evolution process of the landslide

圖9 測點位移及位移速率隨時間的變化曲線Fig.9 Curves of the displacement and displacement rate at measuring points against time

從地表位移及滑坡破壞結(jié)果可看出，滑坡破壞厚度較小，屬于典型的淺層滑動破壞；滑坡發(fā)生明顯失穩(wěn)破壞與6#監(jiān)測點的急劇位移及位移速率的急劇變化時間上具有一致性。因此，6#監(jiān)測點地表位移及位移速率是該淺層滑坡失穩(wěn)破壞的關(guān)鍵判據(jù)。

3.3 地表位移對土體含水率的響應(yīng)

為探究滑坡變形與土體含水率及其變化速率的相關(guān)性，建立6#測點位移及速率與土體含水率關(guān)系，如圖10所示。在強降雨條件下，含水率平均開始增加時間約為第25 h，位移在第28 h增加至86 mm，相應(yīng)地，位移速率在第28 h時增加到峰值145.82 mm/h。隨著降雨試驗持續(xù)，各測點含水率逐漸增加至飽和狀態(tài)。結(jié)合含水率與位移及位移速率曲線可知，邊坡位移主要發(fā)生在含水率變化曲線較陡的時間段，即在含水率增速較快時，位移及位移增速達(dá)到峰值，故位移與含水率增加速率有明顯的相關(guān)性。

圖10 位移及位移速率與含水率同步變化對比Fig.10 Displacement and displacement rate versus simultaneous variation of volumetric water content

由前文可知，試驗第28 h左右，測點位移增加幅度較大且變化速率增大至峰值，與此相對應(yīng)邊坡發(fā)生大范圍破壞，且該時間段含水率變化速率變化較明顯。因此，為進(jìn)一步分析邊坡變形與含水率變化速率的相關(guān)性，建立滑坡體積含水率變化速率與6#測點位移及速率關(guān)系曲線，如圖11所示。含水率變化速率在達(dá)到階段峰值時，相對應(yīng)位移速率均達(dá)到最大。即4個測孔土體含水率變化速率均在28 h達(dá)到峰值，分別為12.8、12、17.6、4 m3/(m3·h)，此時典型測點6#位移增加86 mm，位移速率為145.82 mm/h，隨后含水率變化速率降低后，位移增幅及位移速率明顯減小，在試驗至40～60 h，各測點含水率有不同程度的小幅度增加，對應(yīng)測點位移有近20 mm的增幅，含水率平均變化速率約為7 m3/(m3·h)。

圖11 坡體位移及位移速率與含水率變化速率關(guān)系曲線Fig.11 Relations of displacement and displacement rate against water content change rate

通過以上分析可得，土體含水率變化速率達(dá)到峰值時，地表位移增幅以及變化速率也相應(yīng)到達(dá)峰值，與此同時滑坡發(fā)生了大范圍失穩(wěn)破壞。因此含水率變化速率是滑坡失穩(wěn)破壞的關(guān)鍵指標(biāo)，而強降雨是滑坡含水率變化速率急劇增加的關(guān)鍵影響因素。

4 含水率對降雨過程響應(yīng)的一維降雨入滲試驗

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在土體含水率飽和前，土體深度越淺，含水率變化速度越快。前文針對深度1.0 m左右滑坡體積含水率進(jìn)行了探究，為進(jìn)一步精確表征1.0 m以內(nèi)含水率變化速率對降雨的響應(yīng)關(guān)系，選取現(xiàn)場試驗原狀土樣重塑后進(jìn)行室內(nèi)一維土樣降雨入滲試驗，如圖12所示，以探究含水率及變化速率在不同雨強下的響應(yīng)關(guān)系。

圖12 一維土樣降雨入滲試驗Fig.12 One-dimensional rainfall infiltration test through soil column

4.1 降雨試驗方案及試驗裝置

土樣取自現(xiàn)場試驗原狀土，土樣取回后均勻晾曬，進(jìn)一步將土樣粉碎并過2 mm篩，測出土樣初始含水率后，計算加水量，均勻加水后密封靜置，經(jīng)量測配置后土樣平均含水率約為13%，與現(xiàn)場土樣初始含水率較接近，土樣干密度為1.43 g/cm3，飽和滲透系數(shù)為1.5×10-3cm/s。本次降雨試驗設(shè)計3種降雨工況，雨強q分別為8、10、12 mm/h，每次降雨至底部土樣完全飽和為止。

試驗裝置為全透明圓筒形玻璃鋼，上端開口下端封閉，總高0.8 m，內(nèi)徑為0.5 m。含水率傳感器埋設(shè)深度依次為0.1、0.3、0.5、0.7 m，每層布置3個含水率傳感器，每層試驗結(jié)果取該層3個含水率平均值。傳感器編號以W2-0.5為例，其中2為工況2，0.5為0.5 m深度監(jiān)測點，其他編號以此類推，布置示意圖見圖13。

圖13 傳感器布置示意圖Fig.13 Schematic diagram of sensor layout

4.2 體積含水率對不同降雨強度的響應(yīng)結(jié)果及分析

4.2.1 工況1(雨強8 mm/h)條件下體積含水率試驗結(jié)果

如圖14所示，降雨總歷時1 620 min。土樣初始含水率約為13 m3/m3，飽和含水率約為38 m3/m3，含水率變幅為25 m3/m3。0.1～0.7 m測點含水率起始增加時間依次為112、403、715、1 155 min，即隨著深度的增加，含水率變化越慢。整體上，每層含水率變化速率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。含水率變化速率峰值依次為0.34、0.33、0.40、0.25 m3/(m3·min)，含水率變化速率到達(dá)峰值時間依次為157.5、472.5、787.5、1 440 min。

圖14 體積含水率及變化速率隨時間的變化(q=8 mm/h)Fig.14 Changes of volumetric water content and water content change rate against time (q=8 mm/h)

4.2.2 工況2(雨強10 mm/h)條件下體積含水率試驗結(jié)果

如圖15所示，降雨總歷時1 328 min。土樣初始及飽和含水率與工況1較一致。0.1～0.7 m含水率起始增加時間依次為57、263、472、705 min，隨深度的增加，含水率增加速率越慢。0.1～0.7 m測點含水率變化速率峰值依次為0.38、0.37、0.47、0.42 m3/(m3·min)，含水率變化速率到達(dá)峰值時間依次為90、292.5、517.5、765 min。

圖15 體積含水率及變化速率隨時間的變化(q=10 mm/h)Fig.15 Changes of volumetric water content and water content change rate against time (q=10 mm/h)

4.2.3 工況3(雨強12 mm/h)條件下體積含水率試驗結(jié)果

如圖16所示，降雨總歷時1 148 min。含水率起始增加時間依次為43、194、437、726 min。測點含水率變化速率峰值依次為0.45、0.38、0.49、0.7 m3/(m3·min)，含水率變化速率到達(dá)峰值時間依次為67.5、247.5、495、765 min。

圖16 體積含水率及變化速率隨時間的變化(q=12 mm/h)Fig.16 Changes of volumetric water content and water content change rate against time (q=12 mm/h)

由一維降雨入滲試驗結(jié)果建立不同雨強下含水率變化速率峰值隨深度的變化曲線以及不同雨強下各深度處含水率變化速率到達(dá)峰值時間曲線，如圖17所示，每層含水率變化速率峰值均隨雨強的增加而增加。深度為0.1 m處不同雨強下含水率變化速率到達(dá)峰值時間較接近，隨著深度的增加，雨強為8 mm/h 對應(yīng)相同深度含水率變化速率到達(dá)峰值所需時間較長，整體上，雨強越大，相同深度含水率變化速率到達(dá)峰值所需時間越短。

圖17 不同雨強下含水率變化速率峰值及到達(dá)峰值時間Fig.17 Peaks of water content change rate under different rainfall intensities and the time of peaks

從以上分析可看出，不同降雨強度對土體含水率影響不同，在相同初始條件下，隨著降雨強度的增大，相同深度處含水率變化時間越早，且含水率變化速率峰值越大，含水率變化速率到達(dá)峰值速度越快。

5 討 論

基于滑坡含水率及位移現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與分析可知，滑坡變形與前期降雨有明顯相關(guān)性，主要體現(xiàn)在久旱后發(fā)生一定頻次的降雨，含水率速率急劇增加，進(jìn)而降低了滑坡的穩(wěn)定性，致使滑坡發(fā)生明顯變形。而前期保持一定的降雨頻次和降雨量，再次降雨甚至短時強降雨則對滑坡影響較小，但雨強的劇增會影響到含水率的變化速率。為進(jìn)一步驗證降雨條件下滑坡失穩(wěn)破壞與土體含水率及含水率變化速率的關(guān)系，開展了現(xiàn)場降雨模型試驗，從模型試驗結(jié)果可知，滑坡失穩(wěn)破壞主要發(fā)生在含水率變化曲線較陡時間段，即在含水率增速較快時，位移及位移增速達(dá)到峰值，證實了滑坡變形與含水率增加速率有明顯的相關(guān)性。基于此，利用現(xiàn)場試驗的土樣，通過一維降雨入滲試驗探究了降雨過程對含水率的影響，得出了降雨強度是含水率變化速率的重要影響因素。

6 結(jié) 論

本文結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測及室內(nèi)外降雨入滲試驗對典型降雨型滑坡開展了研究，結(jié)論如下：

(1)降雨對滑坡的影響主要體現(xiàn)在降雨引起滑坡內(nèi)部含水率變化速率的增加，含水率的快速增加使得滑坡穩(wěn)定性急劇降低最終導(dǎo)致滑坡災(zāi)害發(fā)生，因此含水率變化速率是滑坡致災(zāi)的關(guān)鍵指標(biāo)。

(2)前期降雨過程是含水率變化速率增長的重要影響因素。在降雨入滲范圍內(nèi)，若滑坡經(jīng)歷久旱條件后，再發(fā)生高頻降雨，易使土體含水率迅速增加。

(3)強降雨易引起含水率變化速率快速增加至峰值，進(jìn)而誘發(fā)滑坡發(fā)生淺層失穩(wěn)破壞；相同初始條件下，降雨強度越大，含水率變化速率越大，含水率變化速率到達(dá)峰值速度越快。