降雨作用下土石混合體穩定性研究

楊 芍

(中國水利水電第七工程局有限公司南方分公司，廣東 深圳 518131)

0 引言

我國西南地區擁有山地、丘陵、高原、平原等地貌，復雜多樣的地形地貌伴隨地震、降雨的作用，地質災害頻發。土石混合體在降雨的作用下容易變形失穩，使災害范圍內的建筑物受損害，嚴重威脅到人民的生命財產安全。

受其自身復雜、不規律的組成結構影響，研究土石混合體的性質不同于一般土體。土石混合體內部塊石的形狀、含量及塊石的分布等都會影響其剪切強度。為了應對降雨下土石混合體的滑坡致災情形，大量學者展開降雨條件下土石混合體穩定性能的研究。一些學者通過對現場降雨試驗的監測，研究降雨對土石混合體內部含水率、孔隙水壓力、基質吸力和土體位移的影響[1-3]。一些學者通過建立降雨下土石混合體滑坡的物理模型，研究影響邊坡穩定性的因素，包括土石混合體的塊石含量、降雨的強度和歷時等[4-7]。還有學者通過數值模擬的方法研究降雨對土石混合體內部性質的影響，并對邊坡在雨水入滲后的滲流場、應力場及邊坡穩定性系數的變化進行研究[8-11]。

總結上述學者的研究成果，觀察發現主要集中于研究土石混合體的力學性質和邊坡整體的變形失穩，土石混合體內部塊石空間分布對坡體穩定性的影響分析考慮較少。因此，針對降雨下土石混合體邊坡變形失穩規律的研究，綜合考慮塊石空間分布、降雨強度和坡度三個主要影響因素，采用極差和方差分析，研究土石混合體內部結構對整體變形失穩的影響規律。

1 試驗裝置與試驗材料

1.1 試驗材料

物理模型試驗中的土石混合體斜坡，采用的塊石和土顆粒均為試驗現場就近購置。對土顆粒進行處理，篩取粒徑大于50 mm的粗顆粒。依據土工試驗所測得的土顆粒級配曲線，制備本試驗土樣的顆粒級配。

1.2 試驗模型

采用模型試驗模擬降雨下的土石混合體斜坡。模型斜坡堆積體尺寸為：1 243 mm×600 mm×400 mm(長×寬×高)。降雨模擬采用JLC-RY1型便捷式全自動人工降雨模擬系統，該系統包括噴淋單元、供水管線、增壓單元、控制單元、儲水桶、雨量傳感器等。本系統的降雨高度為3 000 mm，降雨面積為0.72 m2(見圖1)。

1.3 試驗方案

試驗考慮塊石空間分布、降雨強度和坡度三種因素，每種因素有四個因素水平。塊石的空間分布分為前中端、后緣、頂層、中下層，詳細分布位置如圖2所示?；谡鸷筱氪ǖ湫徒涤曛峦潦旌象w滑坡等災害的研究，并收集降雨數據。本試驗中設置四種降雨強度：60 mm/h,100 mm/h,140 mm/h,180 mm/h。坡體坡度為：25°,35°,45°,55°。試驗根據L16(43)正交表實施，試驗總組數為16組，如表1所示。

表1 L16正交試驗表

2 多因素正交試驗結果分析

2.1 試驗檢測指標

為表征降雨條件下土石混合體邊坡的失穩機制，提出四個時間節點和兩個持續性時間。四個時間節點分別對應降雨條件下四種現象的最早開始時間：最早開始出現裂縫時間te(track)；裂縫出現后，擴展至橫向裂縫最早達到坡寬的時間tu(track)；最早開始出現坡體坍滑的時間te′(track)；坡體出現坍滑現象后，坍滑范圍最早達到坡寬的時間或者坍滑達到坡頂的時間tu′(track)。

兩個持續性時間由下列式子計算得出：

t(valid)=tu(track)-te(track)。

t′(valid)=tu′(track)-te′(track)。

其中,t(valid)為邊坡災害預警和機動時間；t′(valid)為邊坡局部滑坡災害與大面積滑坡災害發生之間的預警和機動時間。

2.2 極差分析

正交試驗結果如表2所示。為研究塊石空間分布、降雨強度、坡度三種因素對土石混合體邊坡穩定性的主要因素，以及各影響因素的主次關系，對表2中的數據進行極差分析，計算結果填入表3中。

由表2,表3可知，針對每一個檢測指標，各影響因素極差值大小均為：坡度>降雨強度>塊石空間分布。坡度對每個指標的影響最大，其次是降雨強度，影響最小的因素是塊石空間。且坡度的影響作用遠遠大于其他兩個因素，說明坡度是本試驗中影響土石混合體邊坡穩定性的最主要因素。

表2 正交試驗結果表

表3 各參數對各檢測指標的極差分析

對于最早開始出現裂縫時間te(track)，可以發現在降雨強度為100 mm/h條件下，塊石空間分布于土石混合體中下層，坡體坡度為45°時te(track)最小，即T14試驗組。說明該環境下的土石混合體更容易出現裂縫，需重視野外現場的實時監測與巡視工作。

對于裂縫擴展最早達到坡寬的時間tu(track)，出現最大的極差為98.86，其值為降雨強度極差的3倍、塊石空間分布極差的5倍多。最大極差所對應的影響因素為坡度，說明坡度變化對土石混合體邊坡裂縫擴展的影響最大并且遠遠大于其他兩個因素?？梢园l現在降雨強度為180 mm/h條件下，塊石空間分布于土石混合體前中端，坡體坡度為55°時tu(track)最小，即T4試驗組。說明從裂縫出現后，該環境下的土石混合體更容易發展為達到坡寬的橫向裂縫，此時同樣需重視實際野外現場的監測與巡視工作。

觀察發現T8實驗組te′(track)最小，即在降雨強度為180 mm/h條件下，塊石空間分布于土石混合體后緣，坡體坡度為45°時更容易出現坡體的坍滑。這一結論不同于上述te(track)和tu(track)，說明土石混合體最早出現坍滑的時間與坡體裂縫的發展時間不具有很大的相關性。

T8實驗組的tu′(track)最小，說明在該環境下的土石混合體坡體更容易從開始出現坍滑發展為完全坍滑。可以發現該結論與上述te′(track)結論一致，坡體完全坍滑的時間與坡體裂縫的發展時間相關性小，與坡面最早坍滑時間相關性顯著。

根據公式計算正交試驗各組t(valid)和t′(valid)，計算結果如表4所示。

表4 正交試驗t(valid),t′(valid)結果表

由表4可知，T4試驗組的t(valid)和t′(valid)均最小，即降雨強度為180 mm/h條件下，塊石空間分布于土石混合體前中端，坡體坡度為55°。說明在該環境下土石混合體從出現裂縫待擴展至坡寬橫向裂縫的時間、出現坍滑發展為完全坍滑的時間最短，這就意味著留給人們預警災害和采取措施的機動時間更短。因此，對于此類環境下的土石混合體邊坡需要重點關注。

2.3 方差分析

為研究各因素對土石混合體邊坡穩定性的顯著性大小，對表3中的數據進行方差計算，得到各檢測指標的方差分析表見表5～表8。

表5 檢測指標te(track)的方差分析

表6 檢測指標tu(track)的方差分析

表7 檢測指標t'e(track)的方差分析

表8 檢測指標t'u(track)的方差分析

通過表5～表8中數據分析，各檢測指標的方差分析中，坡度的顯著性水平均小于0.05，說明坡度對土石混合體邊坡穩定性具有顯著性影響,而降雨強度的顯著性水平均大于0.05，說明降雨強度對土石混合體邊坡穩定性沒有明顯影響。

觀察表5～表8中坡度因素的F比值，各檢測指標由大到小依次為：tu′(track)>tu(track)>te′(track)>te(track)。即針對坡度影響因素，對土石混合體坡體坍滑的顯著性影響大于坡體裂縫擴展的顯著性影響，說明坡度因素更容易造成土石混合體坡體的坍滑。對于坡體裂縫發展來說，主要影響原因可能是降雨使得雨水滲入土石混合體，增加坡體自重水壓力，降低土體的抗剪強度，從而導致裂縫的擴展貫通。

3 結論

1)極差分析中，各檢測指標的極差大小均為：坡度>降雨強度>塊石空間分布，坡度因素對土石混合體邊坡穩定性影響最大。te(track),tu(track)最小值所處實驗組不同，且不同于te′(track),tu′(track)。而te′(track),tu′(track),t(valid)和t′(valid)最小值均為同一試驗組，裂縫的擴展和坡體的完全坍滑時間與裂縫和坍滑最早出現的時間無關，與裂縫擴展至坡寬橫向裂縫的時間差和出現坍滑發展為完全坍滑的時間差相關，應重點關注此類情況下的土石混合體。2)方差分析中，坡度較降雨強度對土石混合體邊坡穩定性具有顯著性影響。且坡度對于土石混合體坍滑顯著性影響大于坡度對土石混合體裂縫擴展貫通至坡寬的顯著性影響。