王建東,張月明,朱 超

(淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司,江蘇 淮安 223002)

0 引 言

已有文獻(xiàn)研究認(rèn)為,降雨是造成滑坡的主要因素[1-2]。為此,許多學(xué)者針對降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性開展了相關(guān)研究。胡明鑒等[3]基于某滑坡作為研究對象,進(jìn)行降雨對滑坡穩(wěn)定性的研究,得出了降雨是激發(fā)滑坡復(fù)雜變化的主要因素等結(jié)論。朱文彬等[4]將Duncan-Chang模型與飽和-非飽和本構(gòu)模型相結(jié)合,通過建立新模型的方式,開展了降雨型滑坡穩(wěn)定性的研究。孫書勤等[5]基于三維有限元仿真軟件FLAC3d,對某滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析,結(jié)果表明,在仿真模擬過程中,天然狀態(tài)下的滑坡體是穩(wěn)定的,僅有坡腳處的局部受到侵蝕,而在暴雨條件下坡體的失穩(wěn)破壞可能性同樣不大,但會發(fā)生局部的牽引式崩塌。張桂榮等[6]對某處滑坡進(jìn)行了不同降雨強(qiáng)度及庫水位升降后穩(wěn)定性的模擬分析,并針對不同降雨強(qiáng)度、時長下的滑坡穩(wěn)定性變化進(jìn)行了探討,結(jié)果表明,導(dǎo)致滑坡發(fā)生失穩(wěn)破壞變形臨界雨量為200m/d。付文韜[7]以西北地區(qū)的黃土-泥巖滑坡和堆積巖滑坡為研究對象,運(yùn)用Geo-Studio的不同模塊以及三維有限元分析軟件 FLAC3D,分析了滑坡在不同降雨工況下的穩(wěn)定趨勢和變形破壞機(jī)制。

本文通過自主設(shè)計模型試驗的方式,針對雨水沖刷作用下水利邊坡失穩(wěn)形態(tài)進(jìn)行研究,對邊坡模型不同點位處的土壓力、孔隙水壓力、基質(zhì)吸力以及含水率進(jìn)行監(jiān)測與分析,研究結(jié)果可為邊坡在雨水沖刷作用下的失穩(wěn)形態(tài)及特性研究提供理論支持。

1 研究概況

強(qiáng)降雨天氣下,造成水利邊坡失穩(wěn)而發(fā)生下滑的現(xiàn)象常有發(fā)生。為了探究雨水動力作用下水利邊坡失穩(wěn)下滑的形態(tài)及滑坡過程,本文通過自主設(shè)計模型試驗的方式開展研究。整個試驗在模型箱里進(jìn)行,模型箱的尺寸為7m×2m×2m(長×寬×高),模型箱主要包括箱體、供水系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(土壓力、孔隙水壓力以及張力)以及攝像記錄系統(tǒng)等。邊坡側(cè)視圖及俯視圖的具體尺寸見圖1。

圖1 邊坡的具體尺寸圖示

該模型主要使用滲壓計、張力計和土壓力計,對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。其中,土壓力計T1、T2、T3、T4、T5分別布置在模型箱體底部四邊形的4個頂點位置以及正中心處,布置具體情況見圖2。布置深度1.7m,收集數(shù)據(jù)的步長10min。

圖2 土壓力計的布置示意圖

張力計采用編號Z1、Z2、Z3、Z4、Z5表示,分別埋設(shè)于邊坡頂部和邊坡表面,埋深分別為1.5、1.2、0.3、0.2和0.6m(邊坡頂端為埋深的零點),張力計的布置示意圖見圖3。

圖3 張力計的布置示意圖

滲壓計采用編號S1-S11表示,其中9只埋設(shè)于試驗箱底部,埋深0.17m,其余兩只埋深0.12m,具體見圖4。

圖4 滲壓計的布置示意圖

2 試驗方案及方法介紹

根據(jù)某水電站的實測邊坡坡腳角度(50°)以及降雨強(qiáng)度(70mm/h),對模型試驗進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)相似比例原理,設(shè)計邊坡滑坡模型,試驗黏土取自該水電站所在位置的邊坡滑坡土樣,滑坡體的具體物理參數(shù)見表1。

表1 滑坡體物理參數(shù)

將黏土按照密度1.7 g/cm3分層裝入模型箱,層厚0.4m。分兩次開展模擬降雨:第一次降雨的時間為開始試驗后的第47h,持續(xù)時間為0.25h;第二次降雨的時間為第71h,降雨持續(xù)時間1.5h。兩次降雨強(qiáng)度均為70mm/h。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 邊坡土壓力變化分析

邊坡在雨水動力沖刷作用下的土壓力變化情況見圖5。由圖5可以發(fā)現(xiàn),在前50h土壓力計測得T1、T4、T5的土壓力無明顯變化,壓力值分別為29.47、12.32和20.90kPa;T4所在位置測得的土壓力在第58h開始有明顯的升高,土壓力計T1、T5測得的壓力均呈減小趨勢。由于該試驗在第47h和第71h進(jìn)行降雨,第71h的降雨引起了邊坡滑坡,T1和T4處的土壓力有明顯下降;而在第105h左右開始對滑坡后的土樣進(jìn)行了清理,由此導(dǎo)致土壓力計測得T1、T4和T5處的土壓力均有明顯減小。其中,土壓力計T4測得的土壓力呈現(xiàn)斷層式下降,而T1處土壓力的下降速率明顯高于T5。

圖5 邊坡受雨水沖刷動力作用下的土壓力變化情況

3.2 邊坡孔隙水壓力變化分析

根據(jù)滲壓計測量的邊坡各處空隙水壓力數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),S1-S6處的數(shù)據(jù)均無明顯變化,而S7-S9有明顯變化,因此選擇S8做進(jìn)一步分析。在整個試驗過程,S8的孔隙水壓力變化情況見圖6。在前60h內(nèi),S8處的孔隙水壓力均無明顯變化,其值均保持為0;而在第60h以后,S8的孔隙水壓力逐漸增大。由于降雨發(fā)生在開始試驗的第47h,降雨強(qiáng)度為70mm/h,隨著雨水的不斷滲入,導(dǎo)致孔隙水的壓力逐漸增大。根據(jù)圖6可以發(fā)現(xiàn),第二次降雨導(dǎo)致孔隙水壓力的增長遠(yuǎn)小于第一次降雨,最終兩次降雨導(dǎo)致的孔隙水壓力最大約為0.15kPa。

圖6 邊坡受雨水沖刷動力作用下的孔隙水壓力變化情況

3.3 邊坡基質(zhì)吸力變化分析

邊坡的基質(zhì)吸力代表邊坡土質(zhì)對水的吸引能力,是研究非飽和土力學(xué)性能的一個重要指標(biāo)。此外,降雨入滲導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)甚至破壞,也需要對基質(zhì)吸力進(jìn)行研究,因此基質(zhì)吸力參數(shù)對研究雨水沖刷動力下的邊坡失穩(wěn)形態(tài)具有重要意義。

圖7為邊坡受雨水沖刷動力作用下的基質(zhì)吸力變化情況。由圖7可以發(fā)現(xiàn),在前40h以內(nèi),張力計Z1、Z2、Z3、Z4、Z5測得的張力均隨著時間的增加而增大。這是由于所使用的黏土均處在非飽和狀態(tài),基質(zhì)吸力均呈現(xiàn)增大的狀態(tài),且隨著時間的增加,試驗中的黏土逐漸趨向于飽和,基質(zhì)吸力也逐漸趨向于穩(wěn)定;在開始試驗的第47h和第71h實施降雨,降雨強(qiáng)度為70mm/h,兩次降雨的持續(xù)時間分別為0.25和1.5h。當(dāng)?shù)谝淮谓涤瓿霈F(xiàn),由于Z1、Z2處在雨水的沖刷下開始出現(xiàn)裂縫,因此該兩處的基質(zhì)吸力均呈現(xiàn)減小狀態(tài);當(dāng)?shù)诙谓涤暝诘?1h開始出現(xiàn),邊坡出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象,Z3、Z4處的基質(zhì)吸力開始降低。根據(jù)圖7可以明顯發(fā)現(xiàn),Z5處的基質(zhì)吸力在第40h以后并無明顯變化,也即Z5所在位置并不受兩次降雨的影響。這主要是由于Z5處的埋深為0.6m,兩次降雨均未滲入到邊坡坡頂?shù)?.6m處,因此Z5處的基質(zhì)吸力在達(dá)到最大值約42kPa后,不會再受降雨的影響而隨著時間發(fā)生變化。

圖7 邊坡受雨水沖刷動力作用下的基質(zhì)吸力變化情況

3.4 邊坡含水率變化分析

當(dāng)邊坡受到雨水沖刷作用時,雨水會不斷入滲至邊坡土壤中,導(dǎo)致邊坡含水率發(fā)生變化。為了探究邊坡發(fā)生滑坡后的邊坡含水率隨深度的變化情況,試驗中,在坡頂沿豎向方向挖取剖面,用以測量邊坡含水率隨邊坡深度的變化情況,結(jié)果見圖8。圖8中,0cm即為模型邊坡的頂部位置,而1.7m為邊坡的最底部(等于模型邊坡的高度)。由圖8可知,在試驗前未經(jīng)歷雨水沖刷作用力的情況下,邊坡深度0～1.7m處的含水率均保持在19.5%;而當(dāng)試驗后,在經(jīng)歷了兩次降雨之后,邊坡0～0.4m處的含水率發(fā)生不同程度的變化。其中,邊坡頂部含水率的增量最大,增量約為4.8%,含水率為24.3%;深度0.2和0.4m處的含水率分別增加至22.3%和21.2%。而當(dāng)深度為0.5m時,試驗前與試驗后的含水量保持一致,并且隨著深度的進(jìn)一步增加,含水率均不再發(fā)生變化。這主要是由于降雨入滲邊坡的深度范圍有限,只會對邊坡0～0.5m范圍的含水率造成影響,并不會影響更深的土壤含水率。

圖8 邊坡含水率隨深度的變化情況

4 結(jié) 論

為了探究雨水動力作用下水利邊坡失穩(wěn)下滑的形態(tài)及滑坡過程,本文通過自主設(shè)計模型試驗的方式進(jìn)行了研究。結(jié)論如下:

1)邊坡在雨水動力沖刷作用下的土壓力會發(fā)生變化,在未進(jìn)行降雨前,監(jiān)測點位處的土壓力均保持不變。當(dāng)開展降雨后,邊坡前腳位置、邊坡底端正中心和邊坡底后腳處的土壓力呈現(xiàn)出不同的變化狀態(tài)。其中,邊坡前腳頂點處的土壓力與底端正中心處在施行降雨后均呈下降趨勢,而邊坡后腳的土壓力在經(jīng)過兩次降雨后,均有增長的趨勢。

2)在開始實施降雨前,邊坡的孔隙水壓力均無明顯變化,其值均保持為0;而在開展降雨之后,隨著雨水的不斷滲入,導(dǎo)致孔隙水的壓力逐漸增大,兩次降雨最終導(dǎo)致的孔隙水壓力最大約為0.15kPa;根據(jù)試驗測得的基質(zhì)吸力在前40h內(nèi)均隨著時間的增加而增大,之后隨著試驗中的黏土逐漸趨向于飽和,基質(zhì)吸力也逐漸趨向于穩(wěn)定;降雨的出現(xiàn)會影響邊坡的基質(zhì)吸力,導(dǎo)致基質(zhì)吸力逐漸變小,但由于邊坡發(fā)生滑坡時雨水并不會入滲至邊坡0.6m深度處,因而該深度處的基質(zhì)吸力并不會降低。

3)當(dāng)邊坡未受到雨水沖刷作用時,邊坡不同深度處的含水率均保持在19.5%左右;而當(dāng)經(jīng)歷降雨作用后,邊坡不同深度處的含水率發(fā)生不同程度的變化。其中,邊坡頂部含水率的增量最大,深度為0.2～0.4m處的含水率也有不同程度的增加;當(dāng)深度為0.5m時,試驗前與試驗后的含水量保持一致,并且隨著深度的進(jìn)一步增加,含水率均不再發(fā)生變化。