降雨條件下松散堆積體滑坡破壞試驗研究

孫乾征 江興元 周 江 孟生勇

(1.貴州省地質礦產勘查開發局一0 四地質大隊,貴州 都勻 558000;2.貴州大學資源與環境工程學院,貴州 貴陽 550025)

堆積體主要是由粒徑比較小的土體與粒徑相對較大的碎石或巖塊組成的土石混合體,其結構松散,顆粒級配不均勻,孔隙大[1]。因此,由堆積體所引發的滑坡具有高頻、高危的特點。由于堆積體結構松散的性質,導致其透水性極強,當遇到歷時較長、降雨強度較大的降雨條件時堆積體極易發生失穩破壞[2]。降雨入滲改變了斜坡堆積土體的水分分布,導致土體強度降低,已然成為堆積體滑坡最主要的誘導因素之一[3-5]。降雨所引起的滑坡屬于多發性地質災害,不但造成巨大經濟損失,而且會導致人員傷亡,研究降雨條件下松散堆積體滑坡的變形破壞規律,對滑坡災害的預測預報具有重大的工程意義[6]。松散堆積體滑坡過程是非飽和條件下土體破壞的過程,隨著對非飽和土體滑坡穩定性研究的深入,如何定量分析滑坡體降雨入滲規律及其非飽和條件下的變形破壞過程,變得越來越重要。林鴻州等[7]通過人工降雨模型試驗探討了降雨特性對邊坡失穩的影響,并選取出合適的雨量預警參數。譚新等[8]分析了降雨入滲的過程,并提出了如何分析邊坡在不同雨型下的滲流場降雨概念模型。徐光明等[9]通過模擬短期和長期的雨水入滲,證實了降雨入滲下膨脹性開挖邊坡表層土體嚴重削弱了邊坡穩定性。王如賓等[10]通過大型室內模擬人工降雨滑坡模型試驗,研究了降雨強度對滑坡體孔隙水壓力與土壓力變化規律的影響,揭示了降雨誘發滑坡的變形破壞機理。左自波等[11]通過模型試驗,探討了相同降雨條件不同顆粒級配對堆積體土坡穩定性的影響。梁仕華等[12]以不同顆粒級配的砂土為研究對象進行室內試驗,明確了顆粒級配良好的土體含水率與滲透系數越小,由此也會影響堆積土體穩定性。楊宗佶等[13]通過人工降雨模型試驗模擬了礫石土滑坡破壞過程,并揭示了礫石土滑坡破壞是由優先流與基質流的雙滲流場共同作用的結果。以上研究從多個方面考慮了降雨入滲與堆積坡體變形的關系,但對滑坡破壞模式與顆粒遷移的影響研究較少。

基于以上研究所使用的研究方法,本次試驗將采取物理模型的方法,以貴州省內某松散堆積體滑坡為原型,模擬在不同降雨條件下松散堆積土體滑坡的破壞過程,探究松散堆積土體型滑坡的水—力條件過程,解釋堆積土滑坡的優先流與基質流相互關系,并分析降雨條件下土體顆粒的遷移規律,為松散堆積體滑坡的監測預警提供參考。

1 試驗方案及裝置

1.1 試驗方案

為了研究在不同降雨強度下的堆積體滑坡過程中的變形特征、基質吸力與體積含水率變化關系、土體內顆粒級配變化情況,開展了一系列的模擬降雨模型試驗。本試驗在現場滑坡原型的基礎上進行了一定程度的簡化,在現場滑坡區取回松散碎石土,經過篩選后取小于4 cm 以下的碎石土作為試驗土樣。試驗土樣大于2 mm的顆粒質量百分數為70.3%,有效粒徑d10=0.4 mm,連續粒徑d30=2 mm,控制粒徑d60=4.4 mm,10＜Cu=11,1＜Cc=2.27＜5,相關參數及顆粒級配見表1、圖1。試驗模型比例為1 ∶100,模型堆積層的厚度控制在20 cm,模型坡度與現場滑坡坡度為30°。試驗在60、110、170 mm/h 3種降雨條件下進行,布置土壤體積含水量與基質吸力傳感器來記錄數據,模型堆積層內傳感器的布置見圖2 模型槽。

表1 滑坡模擬基本參數Table 1 Basic parameters of landslide simulation

圖1 試驗土體顆粒級配曲線Fig.1 Grading curve of testing soil mass

1.2 試驗裝置

本試驗裝置主要由3個部分組成,人工模擬降雨設備、滑坡模型槽、參數測量系統,降雨模型試驗裝置如圖2所示。

圖2 降雨模型試驗布置Fig.2 Layout of rainfall model test

(1)人工模擬降雨設備。主要包括降雨強度控制系統、降雨動力系統、降雨輸送系統、數據輸出系統4個部分。設備降雨強度為20～200 mm/h,有效面積為30 m2,降雨均勻系數大于86%。

(3)參數測量系統。測量系統主要包括數據采集器(Em50)、體積含水量傳感器(EC-5)、土壤基質吸力傳感器(MPS-6)3個裝置,該測量系統每1 min讀取1個數據并利用軟件ECH2O Utility 進行數據收集。

2 試驗分析

2.1 滑坡模型變形破壞過程分析

60、110、170 mm/h 3種降雨強度條件下,隨著時間的增加,堆積碎石土滑坡的變化如下。

(1)60 mm/h 的降雨強度(圖3(a))。隨著時間與累計降雨量的增大,在14 min 時,試驗土體斜坡坡面侵蝕區侵蝕開始逐漸明顯。隨著時間的推移,坡面侵蝕的不斷加深,在27 min 時,坡面開始形成一個小型弧面,斜坡前緣發生第一級拉裂,并且在弧面下沿的坡體形成臨空面,造成第一級拉裂面,坡腳開始有堆積物出現,此時為初始滑坡破壞,累計降雨量為16.2 mm。隨著降雨量的不斷增大,已有拉裂面的不斷擴大,29 min 時,斜坡形成二級拉裂面。最終斜坡形成多級拉裂,并在坡腳堆積大量上緣土體,斜坡完全破壞,此時累計降雨量為29.3 mm。

(2)110 mm/h 的降雨強度(圖3(b))。斜坡在臨近破壞時,在斜坡坡腳有部分渾濁的水流出,在9 min 時,坡腳發生滑動。隨著時間的增加,滑動面積逐漸增加,此時發生初始滑坡,累計降雨量為16.8 mm。在10 min 時,破壞體積從20%達到了70%,滑坡后緣形成一條貫穿拉裂面。在10.333 min 時,由于雨水沖蝕,滑坡堆積層完全破壞,雨水在滑坡堆積層上形成徑流,此時累計降雨量為18.6 mm。繼續降雨,滑坡土體無變化。

(3)170 mm/h 的降雨強度(圖3(c))。在此降雨強度條件下,斜坡土體的顏色很快由淺變深,在5 min 時,斜坡坡腳發生滑動,此時發生初始破壞,累計降雨量為16.8 mm。在6 min 時,坡腳完全失穩。在7.4 min 時,兩邊坡腳完全破壞,并在雨水的沖刷下形成較大覆蓋面積,此時累計降雨量為20.8 mm,結束降雨,斜坡在降雨條件下潰散。

圖3 3種降雨強度下滑坡模型變形破壞過程Fig.3 Deformation and failure process of landslide model under three rainfall intensities

在降雨強度為60、110、170 mm/h 的條件下,累計降雨總量呈線性增加,滑坡初始滑動時的累計降雨量如表2。

表2 3種降雨強度條件下累計降雨量與降雨歷時變化Table 2 Variation of cumulative rainfall and rainfall duration under three rainfall intensities

2.2 基質吸力與體積含水率變化分析

為了了解破壞過程中基質吸力與體積含水率變化對其過程的影響,降雨試驗過程中,通過體積含水量傳感器(EC-5)和土壤基質吸力傳感器(MPS-6)來反映并記錄其數值,通過兩者的變化情況來代表優先流與基質流的作用效果。

(1)60 mm/h 降雨強度下(圖4(a))。降雨初期,MPS-6 所反映的基質吸力無明顯變化,斜率近似水平無改變,而EC-5 所反映的體積含水率已經開始增加、斜率增大,體現了基質吸力反映的滯后性。隨著降雨歷時增加,基質吸力基本與體積含水率變化同時反映,且變化率較接近,尤其在中后期滑坡變形后。繼續降雨,含水率繼續增大,基質吸力不斷降低,滑坡破壞不斷加劇,含水率達到0.37 時,滑坡完全破壞。說明在60 mm/h 降雨強度下,基質流明顯滯后于優先流。

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(2)110 mm/h 降雨強度下(圖4(b))。降雨初期,MPS-6 所反映的基質吸力大約在半分鐘內無變化,而EC-5 所反映的體積含水率緩慢增加,在半分鐘之后,基質吸力的下降速率明顯大于體積含水率的上升速率,直至滑坡滑動前,兩者相互反映不明顯。大約到9 min 時,滑坡大面積滑動,兩者的反映較明顯,直至含水率達到0.35 時,斜坡破壞完全。造成2種傳感器相互反應不靈敏的原因可能是2種傳感器的間距較遠。說明在110 mm/h 降雨強度下,基質流的滯后性不太明顯。

(3)170 mm/h 降雨強度下(圖4(c))。降雨初期,MPS-6 所反映的基質吸力與EC-5 所反映的體積含水率都迅速變化,且不論在滑坡滑動前后都保持相近變化率反映。說明在170 mm/h 降雨強度下,基質流的滯后性幾乎不存在。

圖4 3種降雨強度下基質吸力與體積含水率變化Fig.4 Variation of matric suction and volumetric water content under three rainfall intensities

2.3 土體顆粒級配變化分析

為了研究不同降雨條件下滑坡土體顆粒的遷移規律,降雨試驗結束后,在完全破壞的滑坡堆積體上進行均勻的取樣。每次試驗取3 組土樣,分別放進烘箱內進行烘干,然后將土樣混合后進行顆粒篩分試驗,并求出土體的有效粒徑d10、連續粒徑d30、控制粒徑d60與試驗前土體顆粒以及特征粒徑進行對比(表3、圖5)。

圖5 3種降雨強度條件下降雨前后土體顆粒級配曲線Fig.5 Soil particle gradation curves before and after rainfall under three rainfall intensities

表3 降雨前后土體顆粒級配參數Table 3 Soil particle gradation parameters before and after rainfall

(1)60 mm/h 降雨強度。試驗后的土體細顆粒所占的比例對比試驗前土體顆粒有較大程度的減小。降雨試驗后小于2 mm的土體顆粒累計質量分數相比降雨試驗前減少了6.43%,且特征粒徑d10從0.4 mm上升到0.6 mm、d30從2 mm上升到2.6 mm、d60從4.4 mm上升到5.6 mm。

(2)110 mm/h 降雨強度。試驗后土體細顆粒所占的比例對比試驗前土體顆粒也有所減少,但程度較小。降雨試驗后小于2 mm的土體顆粒累計質量分數相比降雨試驗前減少了3.34%,且特征粒徑d10從0.45 mm上升到0.5 mm、d30從2.2 mm上升到2.5 mm、d60從4.8 mm上升到5.4 mm。

(3)170 mm/h 降雨強度。試驗后土體細顆粒所占的比例對比試驗前土體顆粒也有所減少,其減少程度與110 mm/h 降雨強度減少程度相似,都不明顯。降雨試驗后小于2 mm的土體顆粒質量分數相比降雨試驗前減少了3.3%,且特征粒徑d10從0.4 mm上升到0.52 mm、d30從1.9 mm上升到2.2 mm,d60從4 mm上升到4.2 mm。

3 試驗結果

從試驗中滑坡變形破壞的過程來看,在60、110、170 mm/h 3種降雨強度不同累計降雨量下,所產生的堆積土滑坡的破壞模式是不同的。60 mm/h 強度下滑坡是隨著降雨歷時逐漸形成多級拉裂斷面,且拉裂面逐步后退,整體是由坡腳向坡頂的多級后退式破壞;而110、170 mm/h 強度下滑坡破壞主要是由雨水沖蝕潰散,形成從坡頂向坡腳的大面積的土體移動,破壞模式類似于泥石流的潰散性破壞。

隨著降雨歷時的增加,滑坡的破壞過程中基質吸力和含水率的變化有明顯的相關性。滑坡破壞完全時,3種降雨強度下體積含水率均在0.35～0.41 之間,未達到飽和含水率,說明滑坡體破壞是在非飽和狀態下完成的。而且是由優先流與基質流共同作用的,試驗中在60 mm/h 下優先流的產生快于基質流,隨著降雨強度的加大,基質流的滯后性逐漸不明顯,170 mm/h 時優先流與基質流基本同時產生。

在3種不同降雨強度條件下,降雨試驗后土體粒徑小于2 mm的土體顆粒累計質量分數都相對試驗前要下降許多,相應的特征顆粒均有所增大,說明在滑坡的破壞前后存在土體細顆粒遷移的現象。特別是在60 mm/h 降雨強度下,試驗后的土體細顆粒占比減少程度比另外2 次降雨強度較大的試驗更加明顯,說明了滑坡前后的顆粒遷移除了與降雨強度有關,還與降雨歷時有關。而且降雨歷時較大時,累計降雨量較大,會使滑坡中細顆粒的遷移更加充分。

4 討 論

(1)從本次試驗滑坡變形的現象來看,在60、110、170 mm/h 的降雨強度下,模型第一次滑動都在坡腳發生,根據李榮建等[14]的研究成果來看,可能是因為現場邊坡客觀存在局部三維效應,而模型邊坡側向邊界的約束會使結果存在部分失真。

(2)試驗中降雨強度60、110、170 mm/h 時,累計降雨量隨時間單調增加,但滑坡破壞降雨量臨界值分別是27.2、16.2、16.8 mm,說明滑坡初始破壞時的降雨量臨界值并不隨著其降雨強度升高而單調減少,這與楊宗佶等[13]通過測斜傳感器得出的結論相似。由Horton[15]的斜坡入滲理論可知,降雨入滲速度通常比坡面漫流的速度慢很多。在本試驗中170 mm/h 降雨強度下的雨水來不及完全入滲,形成速度較快的坡面漫流,侵蝕斜坡表面并導致坡體強度降低,形成濁流后逐漸破壞;降雨速率小于其入滲速率時,雨水入滲相對完全,60 mm/h 降雨強度下,雨水入滲較完全,土體因含水率增大,自重增大后坡體應力狀態達到破壞極限從而導致破壞。

(3)由本次降雨試驗前后的顆粒級配變化所得出的結論來看,降雨歷時與累計降雨量對顆粒遷移的影響較大,其中60 mm/h 降雨強度時,降雨歷時最大,其結果最明顯,驗證了周小軍等[16]通過正交試驗極差所得出的結果,在諸多因素中,降雨歷時是影響顆粒遷移的主要因素。且試驗中在發生失穩之前,能夠觀測到坡腳有細顆粒的堆積,與Cui 等[17]描述的細顆粒堆積坡腳現象類似,但是不甚明顯,原因可能是土樣粒徑與降雨強度不同所引起。

5 結 論

本研究以貴州山區某松散堆積體滑坡為實例,取現場松散滑坡堆積土樣在室內進行人工降雨滑坡模型試驗,對比了60、110、170 mm/h 不同降雨條件滑坡的破壞過程,得到其試驗土體參數的變化曲線,分析降雨入滲造成堆積體滑坡的響應規律,得出以下結論:

(1)由滑坡模型變形破壞過程來看,松散堆積體滑坡的破壞模式與降雨強度有關。隨著降雨強度的增加,雨水入滲能力的減弱,滑坡體會由入滲完全的多級拉裂破壞模式轉變為類似于泥石流的潰散性破壞模式。

(2)斜坡土體的變形破壞是一個非飽和狀態,且是由優先流與基質流共同作用所產生的結果。基質流在滑坡過程中存在滯后性,隨著降雨強度的增加,入滲程度逐漸減小,基質流的滯后性會逐漸不明顯。

(3)滑坡體破壞必然會導致細顆粒遷移,滑坡破壞模式的不同會影響顆粒遷移的程度。在相同坡度條件下,降雨強度較小時降雨歷時較大,拉裂破壞模式下雨水入滲完全,顆粒遷移比較充分。也說明堆積體滑坡的顆粒遷移與降雨條件有關。