孟振江 張 凡 彭建兵③ 康塵云 馬鵬輝③ 李 超曹一迪 張 森

(①長安大學，地質工程與測繪學院，西安 710054，中國)(②長安大學，基建處，西安 710064，中國)(③西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室，西安 710054，中國)(④陜西鐵道工程勘查有限公司，西安 710004，中國)

0 引 言

黃土高原是世界上發(fā)育面積最大的黃土地層，面積約31.7萬平方公里，而我國每年約有30%的地質災害發(fā)生在黃土高原地區(qū)，尤其是黃土滑坡災害頻發(fā)(孫萍萍等，2019；Meng et al.，2021)。影響黃土滑坡發(fā)生的因素有很多，比如黃土的地質結構、地震、降雨和人為活動等，其中降雨是滑坡發(fā)生的重要因素(林鴻州等，2009；同霄等，2016)。據(jù)統(tǒng)計，20世紀80年代以來，我國發(fā)生的大型災難性滑坡中，50%都是由強降雨引發(fā)的(Au，1998)，此類滑坡具有突發(fā)性、廣泛分布性、危害大等特點。如1984年8月，隴南、天水因大暴雨，共誘發(fā)了938處黃土滑坡，造成了嚴重的人身傷害和財產損失(王念秦，2004)；云南省東川市蔣家溝每年都會因為降雨發(fā)生大量的滑坡和崩塌，給當?shù)鼐用竦呢敭a和生活帶來巨大的破壞(Hu et al.，2011)。2020年7月21日，中國恩施馬者村在經歷極端強降雨后發(fā)生了災難性滑坡(Xue et al.，2021)。龍萬學等(2008)按觸發(fā)因素將滑坡分為降雨型滑坡、工程滑坡和地震滑坡，其中降雨型滑坡是指主要誘發(fā)因素為降雨的滑坡。降雨型滑坡失穩(wěn)的問題一直是學者們研究的熱點，主要研究手段集中在現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬和模型試驗(Zhou et al.，2002；高華喜等，2007；陳喬等，2018；白潔等，2020；肖捷夫等，2020；Kumar Thakur et al.，2020)。謝守益等(1999)對降雨型滑坡的發(fā)生機制進行了研究，研究結果表明降雨型滑坡存在暴雨誘發(fā)和久雨誘發(fā)兩種情況，并受滑坡物質條件和結構條件控制。目前，利用物理模型試驗對滑坡的變形演化過程、破壞特征等進行研究，在巖土工程問題研究中越來越被重視(王琳等，2020)。詹良通等(2014)通過室內模型試驗揭示了降雨誘發(fā)粉土邊坡的失穩(wěn)模式是由坡腳局部失穩(wěn)向整體發(fā)展，并指出該類滑坡的防治關鍵是坡腳的防護。鐘佩文等(2018)、葉萬軍等(2021)和馬蓓青等(2021)都采用物理模型手段對持續(xù)降雨條件下黃土邊坡的入滲規(guī)律進行了研究，并得出長期降雨會使邊坡穩(wěn)定性持續(xù)降低等結論?；糁緷?2022)通過多手段結合分析研究表明含水率的速率變化是降雨型滑坡失穩(wěn)的關鍵指標，含水率增速達到峰值時邊坡失穩(wěn)，并且強降雨也是影響降雨型邊坡失穩(wěn)的一個重要因素。

然而，相關研究表明黃土中垂直節(jié)理的存在是導致降雨型黃土滑坡發(fā)生的重要因素，節(jié)理是由于邊坡變形造成應力集中形成的，也是邊坡淺層侵蝕的主要原因。雷祥義等(1991)通過研究發(fā)現(xiàn)水分會沿黃土中的裂隙運移至古土壤，從而在層面處形成層間軟弱帶；連寶琴等(2015)通過使用Dips軟件繪制節(jié)理散點圖，得出垂直節(jié)理更易在降雨作用下加劇黃土滑坡形成的結論；張風亮等(2019)通過室內試驗，研究了黃土垂直節(jié)理對滲透性的影響，發(fā)現(xiàn)節(jié)理對土的滲透性的影響隨著節(jié)理的擴張逐漸增大；王麗麗等(2021)使用室內試驗和有限元數(shù)值分析手段進行研究，結果表明節(jié)理的長度對邊坡失穩(wěn)具有重要影響，垂直節(jié)理邊坡的失穩(wěn)以沿節(jié)理面的拉張為主。

綜上可見，以往有關學者開展的滑坡模型試驗研究主要集中在對前期降雨的靜態(tài)觀測、對滑坡體的動力學歸納以及對滑坡機理的宏觀定性分析等方面(劉傳成，2014)，而且大多室內模型試驗因為受空間等條件限制一般尺寸較小，與原型滑坡差距較大，很難真實反映斜坡內部的微觀變化，此外，對于降雨條件下邊坡的動態(tài)變化規(guī)律和內部裂隙的擴張等方面也缺乏專門的、更為細致的研究，尤其是針對存在黃土節(jié)理條件下開展的較為系統(tǒng)全面的滑坡模型試驗研究則相對更少。鑒于此，本文重點圍繞黃土滑坡研究中的薄弱環(huán)節(jié)，以2011年9月17日發(fā)生的西安灞橋滑坡為研究原型，在新建成的、儀器相對完備的、且集人工降雨、實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集為一體的大型物理模擬試驗平臺上開展預設節(jié)理降雨誘發(fā)黃土滑坡的物理模型試驗，通過分析邊坡內部物理場、位移場、壓力場、含水率和節(jié)理擴張等指標的變化特征和水在坡體內部的運移規(guī)律，闡明了降雨過程中節(jié)理對黃土滑坡的影響作用，并進一步揭示了降雨型滑坡發(fā)生的內在機制。研究可為黃土滑坡的成因機理和防災減災提供科學的試驗依據(jù)。

1 原型滑坡基本特征

1.1 滑坡概況

灞橋滑坡坡體上部地層主要是由第四系馬蘭黃土層夾多層古土壤組成，結構疏松，節(jié)理裂隙發(fā)育，古土壤入滲率低于黃土，是區(qū)內的隔水層。黃土層下伏新近系砂質泥巖、紅黏土等，親水性強透水性差，頂面易發(fā)展成滑面。災害點所處的白鹿塬邊坡因長期開挖坡腳取土形成了整體坡腳約為60°的高陡斜坡(圖1a)，該區(qū)域自2011年9月3日開始持續(xù)降雨，累計降雨量達276mm，于9月17日發(fā)生滑坡，坡體寬度約170m，平均高90m，測算滑體平均堆積厚度為12m，滑距超150m，該處先后發(fā)生了3次規(guī)模不一的滑坡，累積總方量約15×104￣￣m3(圖1b)。

圖1 灞橋滑坡滑動范圍Fig.1 Sliding range map of Baqiao Landslidea.2009年8月12日影像;b.2012年6月6日影像

圖2 平硐揭示的黃土節(jié)理發(fā)育特征Fig.2 Characteristics of loess joint development revealed by Pingdonga.平硐口；b.垂直節(jié)理；c.共軛節(jié)理；d.填充物

1.2 研究區(qū)節(jié)理發(fā)育特征

為進一步研究灞橋滑坡發(fā)生的內在原因，經過現(xiàn)場踏勘，我們在滑坡西北側距離坡頂20m處的邊坡位置，選取在黃土層與古土壤層之間開挖了平硐，平硐延伸方向垂直于滑坡方向，頂部為環(huán)形，長40m，高1.8m，寬1.5m(圖2a)。經過現(xiàn)場勘察，在平硐入口3m處，發(fā)現(xiàn)了張開量約為0.5cm的垂直節(jié)理(圖2b)，在平硐入口18m處又觀測到一組走向150°、傾角近垂直的共軛節(jié)理，中間寬度為2～4cm的黃土填充物，且節(jié)理走向與滑坡滑動方向近乎垂直(圖2c、圖2d)。

經現(xiàn)場調查，滑坡發(fā)生后，后壁黃土和古土壤地層界限明顯，節(jié)理裂隙清晰可見，在邊坡卸荷及應力重分布作用下，坡頂又出現(xiàn)圈椅狀拉張裂縫，該裂縫距離坡頂邊緣1.8m，平均張開寬度約0.3m(圖3)。黃土地層厚度較大，滲透性也大于古土壤。邊坡內部的原生垂直節(jié)理在坡頂拉張裂縫受雨水沖刷侵蝕及邊坡內部剪應力作用下持續(xù)擴張并不斷向四周延伸，同時作為滲流通道的節(jié)理裂隙的存在也加速了雨水在邊坡內部的入滲與運移。

圖3 邊坡后緣拉張裂縫Fig.3 Tension cracks on trailing edge of slope

圖4 模型邊坡概化示意圖(據(jù)康塵云，2020)Fig.4 Model generalization diagram(Kang, 2020)a.原型滑坡剖面圖；b.試驗模型剖面圖

2 試驗方案

2.1 模型邊坡概化

以模型試驗相似理論為基礎，結合本次試驗目的和空間條件，對滑坡原型地質環(huán)境條件進行了有側重點的概化，包括工程地質條件以及降雨條件等。根據(jù)對灞橋滑坡現(xiàn)場調繪，滑坡高度為90m，坡度約為60°，研究區(qū)原型邊坡地層結構屬于多層黃土與古土壤互層，較為典型(圖4a)?；诨伦冃螀^(qū)范圍及室內試驗平臺幾何條件，綜合確定模型的相似比為Ci=30，即高為3m，同時填筑模型土層時，在埋深0.5m和1.5m處分別鋪設厚度為0.2m的古土壤層(圖4b)。

2.2 相似材料

本次模型試驗所用的材料主要為黃土和古土壤，為了保證試驗結果盡可能真實可靠，原材料均在原型滑坡發(fā)生區(qū)域現(xiàn)場取樣，經測定，土體物理力學指標參數(shù)見表 1、表 2。另外，為解決在重塑松散土體中難以模擬原生節(jié)理的問題，試驗采用具有一定厚度的高滲透率的砂層來實現(xiàn)節(jié)理導水的特性，取自原型滑坡附近區(qū)域，相關物理參數(shù)和密實度結合試驗黃土和古土壤指標測定，試驗用砂量約3m3。

表 1 黃土物理力學性質Table1 Physical and mechanical properties of loess

2.3 模型試驗系統(tǒng)

本次模型試驗所采用的試驗裝置平臺主要包括模型箱、監(jiān)測系統(tǒng)和降雨系統(tǒng)(圖5、圖6)。

(1)模型箱：模型箱長6m、寬3.7m、高5m，整體為鋼框架結構，側壁為鋼化玻璃，以便在試驗過程中方便肉眼觀測。

圖5 模型箱示意圖Fig.5 Model box schematic

圖6 模型試驗平臺Fig.6 Model test platform

(2)監(jiān)測系統(tǒng)：監(jiān)測系統(tǒng)包括高精度傳感器監(jiān)測系統(tǒng)和影像系統(tǒng)，設有土壓力盒、水分計、孔壓計、測縫計和三維激光掃描儀。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機實時掌握邊坡內部各項指標數(shù)據(jù)的變化，同時配備高清照相機和攝像機記錄斜坡的形態(tài)變化，使用三維激光掃描儀在不同階段對坡面形態(tài)進行數(shù)字建模來確定坡面破壞的區(qū)域差異。

(3)降雨系統(tǒng)：降雨系統(tǒng)由人工降雨自控系統(tǒng)、降雨管路、蓄水箱和排水沉淀池組成。根據(jù)試驗目的可通過操作系統(tǒng)控制雨速，實現(xiàn)模擬大雨、中雨和小雨等雨強工況。

2.4 模型制作過程與試驗步驟

①土層夯實，人工分層并將試驗土層按照設定參數(shù)夯實成型；②預設節(jié)理，在模型邊坡的左側區(qū)域分別設置長1.5m、寬0.1m、高1m，且與邊坡走向平行的垂直節(jié)理，和長1.5m、寬0.1m、垂直高度0.5m、傾角為45°的構造節(jié)理，均采用砂帶來模擬(圖7中邊坡內部白色區(qū)域)；③分層埋設監(jiān)測儀器及連接數(shù)采系統(tǒng)；④削坡至設計坡度；⑤架設監(jiān)測設備；⑥試驗與數(shù)據(jù)采集。試驗監(jiān)測儀器具體布設方案見圖7。

2.5 降雨工況設計

據(jù)柯奇畫等(2018)的研究發(fā)現(xiàn)，目前進行的大多數(shù)人工降雨模擬試驗，模擬降雨試驗的結果與天然降雨觀測結果存在一定差異性，土壤侵蝕量的整體模擬程度不到50%。本次人工降雨工況設定參考灞橋滑坡發(fā)生時的自然降雨情況，灞橋滑坡日降雨量約為20mm，為使模型試驗的侵蝕量與天然降雨條件下的侵蝕接近，設計模型試驗的日降雨量為40mm，試驗降雨12d，累計降雨量480mm。本次試驗中的土壤侵蝕量按照現(xiàn)場邊坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)和依據(jù)土壤流失經驗統(tǒng)計模型計算，整體模擬程度約為50%。

圖7 監(jiān)測儀器布置圖Fig.7 Monitoring instrument layout diagram

3 模型試驗結果

為了試驗結果更為直觀和方便描述，對監(jiān)測儀器進行編碼表示：其中w代表水分計，u代表孔壓計，f代表測縫計；如w11代表含節(jié)理測坡體第1層的靠近坡面?zhèn)鹊牡?個水分計，u53代表含節(jié)理側坡體第5層的靠近坡體最內部的第3個孔壓計，u′41代表不含節(jié)理側坡體第4層的靠近坡面?zhèn)鹊牡?個孔壓計，以此類推。

3.1 含水率變化分析

本試驗在坡體內部預埋了水分計用以監(jiān)測降雨過程中水分的變化，得到了含節(jié)理側與不含節(jié)理側邊坡的水分差異(圖8)。本次試驗共發(fā)生兩次滑坡，在試驗第5d，含節(jié)理側發(fā)生滑坡，無節(jié)理側在試驗第6d發(fā)生滑坡。從圖8a中可以看出，含節(jié)理側坡體靠近坡面的體積含水率除了第1行測點的含水率在滑坡發(fā)生后小于不含節(jié)理側約0.025以外，其余時刻始終大于不含節(jié)理側；位于坡體最深處的第5行測點兩側的含水率相差最大，說明節(jié)理的存在使得雨水充分入滲；從圖8b可以看出，含節(jié)理側坡體靠近節(jié)理的測點的含水率始終高于靠近坡面處的測點，在第2次滑坡發(fā)生后相差逐漸增大至0.075，直至試驗結束時，含節(jié)理側坡體的體積含水率比不含節(jié)理側坡體最大差值為38.17%，充分說明節(jié)理是黃土中的優(yōu)勢滲流通道，對降雨的入滲具有明顯的促進作用。

圖8 土體含水率變化特征Fig.8 Variation characteristics of water content a.含節(jié)理側與不含節(jié)理側近坡面列測點含水率之差; b.含節(jié)理側節(jié)理附近與靠近坡面列測點含水率之差

圖9 孔隙水壓力變化曲線Fig.9 Pore water pressure variationa.含預設節(jié)理側邊坡近坡面列孔壓變化; b.不含節(jié)理側邊坡近坡面列孔壓變化

3.2 孔隙水壓力變化分析

在模型邊坡內部埋設孔壓計來監(jiān)測降雨過程中土體孔隙水壓力的變化趨勢，基于試驗數(shù)據(jù)繪制了孔隙水壓力隨降雨時間變化曲線(圖9)。從圖中可以看出：坡體內部孔隙水壓力的變化大致可以分為3個階段，第1階段為累計降雨量在120mm之前，孔隙水壓力值變化很?。坏?階段為累計降雨量至320mm，此時由于雨水持續(xù)入滲，坡體產生裂縫，孔隙水壓力出現(xiàn)明顯增加，尤其在第2次滑坡發(fā)生前增幅較大，發(fā)生后逐漸消散，其中含節(jié)理側邊坡的測點u12、u11的孔隙水壓力由于節(jié)理的存在波動較大；第3階段為累計降雨量至480mm，此時因降雨產生的孔隙水壓力波動已經開始減小，u42和u′41的孔隙水壓力分別升高到0.69kPa、0.479kPa，埋深2.5m的第5行測點孔隙水壓力基本不變。隨著時間的變化，孔隙水壓力在前期和穩(wěn)定期的增速較小而在滑坡發(fā)生時增速較大，坡體上部對降雨的響應快而且波動較大，而深部則相反。

3.3 節(jié)理裂隙擴張分析

將5個測縫計分別埋設在含節(jié)理側坡體的0.2m、0.5m、1m、1.5m、2m處，將3個測縫計分別埋設在不含節(jié)理側相同位置坡體的0.2m、1.0m、1.5m處，監(jiān)測試驗過程中的節(jié)理裂隙的變化，測縫計張開度隨時間變化曲線見圖10?？梢钥闯觯栽囼灥?d，含節(jié)理側的f3、f4、f5測點開始出現(xiàn)擴張現(xiàn)象，而不含節(jié)理側測點在此時幾乎沒有變化，直至第2次滑坡發(fā)生的前一天，含節(jié)理側的f4測點的張開度已經擴大為46.7mm，而不含節(jié)理側的測點f′4僅有f4測點的一半左右，為22.3mm。在滑坡發(fā)生后，f1、f2、f′1、f′4測點處于穩(wěn)定狀態(tài)，裂縫張開寬度均小于18mm，而f3、f4、f5、f′3則在小幅度擴張后又保持穩(wěn)定，主要是由于滑坡發(fā)生應力釋放，坡體運動逐漸減弱所導致的。

圖10 坡體內部節(jié)理裂隙張開度變化曲線Fig.10 Variation of opening degree of joints and fissures in slope bodya.含節(jié)理側坡體節(jié)理裂隙張開度變化； b.不含節(jié)理側坡體節(jié)理裂隙張開度變化

試驗發(fā)現(xiàn)，位于坡體中部的節(jié)理裂隙的張開寬度最大，其次是中上部、中下部，而坡頂部最小，由于坡體上部含水率逐漸增大時，產生的裂縫很快塌陷并被填充，而坡體深部雨水入滲比較緩慢的位置，張開度反而較大，滑坡發(fā)生時坡體內部節(jié)理裂隙的擴張速率也最快。

在模型箱側面也可以直觀地看出坡體內部的裂隙發(fā)育情況(圖11)，在試驗第4d，模型箱左右兩側都有裂縫的出現(xiàn)，在不含節(jié)理側坡體發(fā)現(xiàn)一條張開寬度約0.5cm、距坡面0.5m的裂縫；而含節(jié)理側坡體發(fā)現(xiàn)的裂縫張開寬度大于不含節(jié)理側，約為1～2cm，可見含節(jié)理側的坡體內部節(jié)理裂隙的擴張約為不含節(jié)理側的2倍。模型側面裂縫出現(xiàn)的原因主要是邊坡在向外移動時，由于土體內部的不連續(xù)面擴展形成潛在滑動面，尤其是因有節(jié)理的存在，雨水更易入滲，導致含節(jié)理側坡體內部的裂縫發(fā)育更為明顯。

圖11 坡體內部裂縫Fig.11 Cracks inside the slopea.不含節(jié)理側坡體;b.含節(jié)理側坡體

3.4 坡體位移變化分析

邊坡位移的變化由設立在模型上表面的9支標志桿來監(jiān)測，在標志桿中部與模型箱體后部某點之間用繩索連接并固定，試驗過程中通過觀測繩索的長度變化量來計算坡體頂面水平方向位移和垂直方向沉降量(圖12)。

圖12 模型邊坡位移標志桿位置圖Fig.12 Location map of model slope displacement marker pole

圖13 邊坡頂面位移變化曲線Fig.13 Displacement of slope top surfacea.水平位移；b.垂直沉降

邊坡頂面位移變化曲線見圖13。試驗第2d，坡體上表面前部兩側邊緣的A1和B1標志桿開始下沉墜落，A1桿的水平和垂直方向的位移變化量分別為0.4cm和0.98cm，B1桿兩個方向的位移變化量則為3.1cm和1.2cm。通過上述現(xiàn)象分析可見，A1和B1兩桿率先墜落的原因是坡體前部邊緣相較于坡體內部的位移變化量大，且兩桿與坡體前部邊緣距離最小，此階段主要特征是坡體表面位移尚小，但在坡體內部的位移已經出現(xiàn)明顯變化；第2階段，在試驗第5d C1桿墜落，水平位移和垂直沉降較前一階段有所增大，分別為1.0cm和1.65cm。此階段內中間3個桿的位移變化量最具代表性，A2、B2和C2的水平方向位移分別為5.1cm、1.4cm和4.6cm，且垂直方向位移較大，但位于坡體兩側的A2和C2桿垂直沉降量大于20cm，遠大于B2桿的10cm沉降量；在第3階段，除坡體后側C3點外，其余8個點水平方向的位移變化量甚微，但是所有點在垂直方向的沉降量隨著試驗的進行仍在逐漸增加，垂直方向位移增量和水平方向位移增量發(fā)生較大差異與土體孔隙在豎直方向的不斷擠壓密實有關。試驗最終階段，邊坡水平位移達到了13.8cm，垂直沉降為37.3cm，表現(xiàn)出了黃土具有的強濕陷性。

通過本次試驗可以看出，存在節(jié)理處坡體內部的含水率、孔隙水壓力、坡體位移等指標的變化時間均早于不含節(jié)理區(qū)域，變化響應程度也強于其他位置，主要是因為隨著雨水在坡體中的入滲，節(jié)理處裂隙的擴張速率強于其他區(qū)域，雨水易從節(jié)理處進入坡體內部，不僅入滲量高于其他位置，而且易在坡面積水形成壓力水頭加速水分入滲，充分證明了節(jié)理在滑坡過程中作為黃土內部的優(yōu)勢滲流通道加速了雨水的入滲，從而逐漸增加坡體重力，土體有效抗剪強度降低，直至誘發(fā)滑坡發(fā)生。

4 結 論

本文基于預設節(jié)理條件下降雨誘發(fā)黃土滑坡的模型試驗，通過實時監(jiān)測邊坡內部的含水率、孔隙水壓力、節(jié)理以及坡體位移等指標的變化，分析了水在邊坡內部的入滲及運移的規(guī)律，揭示了節(jié)理對滑坡的影響作用，主要得出以下結論：

(1)試驗表明，在降雨作用下，預設節(jié)理的邊坡相對于不含節(jié)理側，其土體的含水率增速更快、增幅較大且影響范圍更廣，表明了節(jié)理作為優(yōu)勢通道加速了坡體內部雨水入滲。

(2)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)位于模型邊坡中部位置的裂隙張開寬度最大，滑坡發(fā)生時位于坡體內部的節(jié)理裂隙擴張速率最快。

(3)土體含水率對降雨的敏感度和變化幅度與其埋深成反比，位于淺表處的土體相對于深部土體而言，其含水率對降雨的響應更快而且波動較大。

(4)孔隙水壓力在試驗前期增速較小，而在滑坡發(fā)生時增速較大，且預設節(jié)理側土體的孔隙水壓力上升幅度較大。