降雨過程中堆積體邊坡瞬態穩定性分析

劉曉廣 王晶瑩

摘 要：【目的】以豫西澠池縣槐扒滑坡為地質原型，探究降雨條件下堆積體邊坡變形破壞啟動機制。【方法】基于前人研究建立概化堆積體邊坡的地質模型和數值試驗模型。【結果】降雨作用下，坡腳首先發生破壞，隨后牽引斜坡發生整體變形破壞。邊坡災變過程可描述為3個階段：①雨水入滲—堆積體邊坡浸潤變形階段；②堆積體邊坡裂縫發展階段；③滑坡發生階段。【結論】其變形破壞過程可以概括為：坡腳變形破壞—中后部變形發展—裂縫發育貫通—滑坡發生。

關鍵詞：堆積體；降雨；模型試驗；災變過程

中圖分類號：TU434? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）06-0117-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.023

Transient Stability Analysis of Accumulation Slope During Rainfall

LIU Xiaoguang? ?WANG Jingying

（College of Earth Science and Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046， China）

Abstract： [Purposes] Taking Huaiba landslide in Mianchi County， West Henan Province as a geological prototype， the initiation mechanism of slope deformation and failure of accumulation body under the condition of rainfall was investigated. [Methods] The geological model and numerical test model of generalized accumulation slope were established based on previous studies. [Findings] Under the action of rainfall， the slope foot first failed and then the traction slope deformed and failed as a whole. The process of slope disaster can be described as three stages： ① rainwater infiltration — accumulation body slope infiltration deformation stage; ② Development stage of slope crack of accumulation body; ③ stage of landslide occurrence.[Conclusions] The deformation and failure process can be summarized as follows： slope toe deformation and failure—middle and rear deformation development—fracture development—landslide occurrence.

Keywords： accumulation body; rainfall; model test; cataclysmic process

0 引言

在我國滑坡災害中，堆積體滑坡占據85%以上［1］。堆積體滑坡具有分布范圍廣、爆發頻率高、持續危害大的特點。降雨是觸發堆積體滑坡主要因素，深入研究降雨條件下堆積體滑坡的失穩規律，對滑坡災害預防預報具有重要意義。堆積層邊坡具有大孔隙、透水性強、易變形的特點，降雨及地下水是其發生失穩破壞的主要誘因［2-3］。

與現場測試相比室內模型試驗監測更全面，能再現災害發生過程［4］。左自波［5］利用不同級配、坡度、降雨工況下堆積體邊坡體積含水量、孔隙水壓力、位移、顆粒運移情況，總結了堆積體邊坡破壞模式，但未考慮基巖對堆積層的影響。胡航［6］利用模型試驗與數值模擬相結合的方法，建立不同坡角在不同降雨工況下的堆積體邊坡模型，得出滑坡破壞主要有沖蝕滑移、淺層滑塌、多級后退三種模式，但未考慮土的強度與顆粒級配。張玉等［7］、楊繼紅等［8］學者研究了降雨和水位升降工況下，將非飽和土滲流理論和強度理論引入到邊坡的滲流和穩定性分析中，得到了邊坡的瞬態穩定性。劉漢東等［9］將豫西滑坡劃分為順層直剪、跨層斜切、擋墻式。耿正［10］通過室內降雨模型試驗研究得到了前緣反傾類型鎖骨段滑坡破壞過程，將邊坡失穩劃分為：穩定階段、蠕滑階段、加速滑動階段、破壞后穩定階段，但降雨強度較大，邊坡破壞表現為雨水的沖蝕破壞。

有關降雨條件下堆積層滑坡的啟動機制研究還比較少，建立定量的分析模型研究降雨引發的滑坡失穩規律，對滑坡的滑動機制進行分析，可為此類滑坡的防范和治理提供理論依據。基于前人的研究成果，本研究將數值模擬與模型試驗結合，運用非飽和土滲流理論對堆積體邊坡降雨過程中的滲流場進行模擬，并把瞬態的孔隙水壓力分布和非飽和土強度理論應用到邊坡穩定性分析中。

1 堆積體邊坡室內模型試驗

1.1 地形地貌

豫西澠池縣槐扒滑坡如圖1所示，該滑波主要是由持續的強降雨和人類活動的影響引起的古滑坡復活。滑坡呈東南高、西北低的地形，滑坡形態呈典型的圈椅狀構造。主滑動方向為324°滑坡后緣位于山體北側臨近頂部的山腰處，高程約為390～426 m，存在明顯的張拉裂縫，形成15～20 m的土坎。滑坡長約為495 m，滑體寬約為526 m，平均厚度約為20 m。滑坡前緣寬度約為280 m，滑坡面積約為20萬m2，屬于大中型巖土質滑坡。坡腳為鋁土礦的開挖區，礦區開采破壞了原有的穩定結構。該事件作為模型試驗的參考：基巖與堆積體接觸面呈30°保持不變，這與該地區多數降雨滑坡平均坡度保持一致。

1.2 試驗設計

降雨模型試驗裝置及試驗設備如圖2所示。主要是由模型箱和降雨控制系統組成，模型的長、寬、高分別為1.73 m、1.00 m、1.00 m。該滑坡模型由上覆堆積層和基巖組成，不考慮基巖的滑動變形。基巖為順傾層狀結構邊坡模型，由加氣磚砌筑而成，基覆界面用水泥砂漿抹面，堆積體邊坡模型在模型箱內分層填土構成，并用擊實器擊實，降雨強度為30 mm/連續降雨3 h（當地發出紅色預警時的降雨量）。

利用孔隙水壓力計和三維激光掃描儀獲取各項試驗數據。孔隙水壓力計為DMKY型，量程為0～10 kPa、規格為15.8 mm×21 mm、分辨率為0.01 kPa；三維激光掃描儀能準確地獲取掃描對象的位置信息，水平方向可以掃描360°，豎直方向可以掃描270°，掃描精度為±1 mm。整個試驗過程中采用定時拍照來獲取滑坡表面裂縫形成及演化過程，搭建的模型及孔隙壓力測試位置，如圖3所示。

模型試驗材料堆積層取自河南省槐扒滑坡附近斜坡的滑帶土，主要成分為粉土。級配曲線如圖4所示。通過直剪實驗和滲透實驗獲得了物理力學參數，見表1。試驗用土經過晾曬、篩分、攪拌和稱量，均勻的分層壓實在模型箱內，使模型邊坡達到實驗設計厚度。試驗控制其重度為17 N/cm3與天然狀態容重一致。

2 試驗

2.1 坡面變化

模型試驗總耗時140 min，滑坡的發展過程如圖5所示。隨著降雨持續堆積體顏色逐漸加深，25 min左右雨水到達基巖面，降雨38 min時觀察到模型右側出現裂縫約15 cm。降雨46 min時，坡中出現水平方向裂縫，長約35 cm、寬約1～2 cm，裂縫距后緣75 cm；降雨92 min時坡腳出現拉裂縫，坡腳拉裂縫距后緣1 m，坡腳沿著靠近下部的裂縫發生第一次滑動；降雨99 min時坡中拉裂縫擴大至8 cm，隨后坡體沿著中間的拉裂縫發生第二次滑動，同時后緣55 cm處出現第三條拉裂縫；降雨112 min時，后緣拉裂縫不斷增多，僅2 min堆積體邊坡整體破壞。滑坡經歷了緩慢生長、加速生長、快速破壞三個階段。

試驗中坡腳最先出現拉裂縫發生破壞，裂縫逐漸向上生長變多，邊坡裂縫持續變大最終邊坡坍塌破壞。堆積在坡腳與水平向的裂縫形成臺階狀坡面，其破壞方式為牽引式滑動破壞，如圖6所示。

2.2 坡面位移響應

運用三維激光掃描儀監測水平和豎向位移變化，如圖7所示。降雨60 min坡面兩側發生1～4 cm豎直方向的沉降；持續降雨至90 min時，坡腳首先變形在豎直方向上出現4～5 cm的沉降。隨后99 min時坡中沉降約10 cm，坡頂出現4～6 cm沉降變形。隨著降雨的持續坡中和坡腳分別出現超過10 cm的沉降和隆起，坡腳破壞導致坡中拉裂縫擴大，后緣邊坡失去支撐向下蠕動；112 min后緣邊坡整體沉降約15 cm，堆積體邊坡最大沉降量為20 cm。位移云圖可知裂縫由坡腳裂縫向上持續生長呈多級后退現象，邊坡失去支撐最終整體破壞。

位移特征點隨時間變化情況，如圖8所示。降雨初期，僅有坡腳發生了1～4 cm豎向位移變化，坡腳最先飽和基質吸力減小較快［11］，阻滑力變小坡腳隆起。裂縫發展階段：雨水的沖蝕作用帶走了邊坡中的細顆粒坡腳最先破壞，坡腳豎向位移出現先下降再上升的現象。坡頂的向下蠕動和坡腳破壞導致坡中豎向位移先上升隨后中隨之下降。降雨46 min坡中開始產生的水平向裂縫，隨著裂縫生長，坡中水平位移逐漸增大。滑坡發生階段：降雨前90 min內各部分位移變化較小，此后位移變化呈線性增長，在此期間裂縫不斷發展邊坡整體發生破壞。

2.3 孔隙水壓力變化過程

孔隙水壓力變化過程，如圖9所示.降雨浸潤階段：堆積體緩慢沉降密實但孔隙水壓力變化不大。裂縫發展階段：裂縫增多雨水入滲加快，堆積體內部形成滯水層，孔隙水壓力持續升高，但由于雨水的沖蝕帶走了坡內細粒結構并形成了新的滲流通道，因此坡腳孔隙水壓力表現為先上升后下降。滑坡發生階段：110 min時坡腳發生第二次滑動堆積體內部孔隙水釋放引起壓力變小。后緣邊坡下滑在坡中堆積，坡中孔隙水壓力表現為一直增大。坡頂孔隙水壓力在整體破壞前與坡腳孔隙水壓力基本一致，滑坡發生后傳感器隨堆積體一起向下滑動形成新的滯水層，導致孔隙水壓力再次升高。

3 數值模擬

3.1 邊界條件及初始條件

在堆積體邊坡試驗基礎上，建立非飽和滲流數值模型分析降雨過程中隨著雨水入滲堆積體邊坡的動態響應規律，如瞬態的浸潤線、孔隙水壓力等變化特征。模型尺寸為1.73 m×1.00 m，水平方向為X軸，垂直方向為Y軸。根據試驗設計確定模型的邊界條件，通過設計初始水位和最大孔隙水壓力的方式，模擬滑坡初始狀態的均一分布的基質吸力。由于基覆界面以下巖土體滲透系數相對較差，因此基覆界面視為不透水邊界，降雨強度為30 mm/h。

3.2 非飽和滲透性函數的選取

參考GEO-SLOPE軟件內置的土水特征曲線模型經反復校核得到滑坡模型土水特征曲線，本研究主要采用Fredlund & Xing方法確定非飽和滲透系數［12］模型土水特征曲線擬合參數：a=40 kPa（進氣值），n=1（形狀參數），m=0.8（形狀參數），WCsat=0.4（飽和體積含水量）。滑坡體的土水特征曲線如圖10所示。

3.3 降雨入滲分析

邊坡孔隙水壓力變化情況如圖11所示，負孔隙水壓力趨于0的等值線，為邊坡暫態的浸潤線，基質吸力基本喪失。降雨初期：邊坡飽和度低、入滲量大。30 min后，浸潤線已經到達基巖面，坡角巖土體被浸泡變軟同時細顆粒也被雨水沖蝕帶走強度快速下降。裂縫發展階段：隨著降雨量的增加，使得邊坡內部非飽和區域不斷縮小，暫態的潤線向上部和邊坡內部蔓延，坡腳的破壞和邊坡重度增加使得下滑力增大向下蠕動，坡中和坡頂裂縫持續生長。發生階段：降雨90 min后邊坡整體飽和度較高，入滲減少降雨以坡面徑流和坡內滲流為主，降雨120 min后邊坡基本飽和，這與模型試驗結果一致。

降雨入滲導致邊坡應力狀態不斷變化，有效應力降低是邊坡失穩的主要原因，堆積體邊坡有效應力隨降雨時間的變化過程如圖12所示，邊坡含水量增加、基質吸力降低，邊坡有效應力也隨之降低，邊坡發生破壞時有效應力降低至6 kPa以內。

如圖13所示，降雨140 min后此時邊坡的位移降至最大，邊坡整體發生變形不多因此只給出了顯著變化的位移場，其中坡中、坡頂位置位移變化最大，與試驗監測基本一致，出現較大沉降，最終堆積體邊坡發生整體破壞。

4 結論

通過試驗研究得到堆積體邊坡的失穩機理及破壞模式與實際相符，并得到以下結論。

①隨著降雨持續，雨水從坡表入滲，邊坡體積含水量增加，重度、下滑力增大、強度降低；后緣邊坡孔隙水在坡腳聚集，最先飽和發生破壞，該滑坡為牽引式滑動破壞。

②邊坡災變過程可描述為三個階段。雨水入滲—堆積體邊坡浸潤變形階段：堆積體邊坡結構松散、孔隙度大、透水性強，雨水入滲較快，邊坡僅出現微小變形孔隙水壓力變化不大；整體變形發展階段：邊坡孔隙水壓力、土壓力逐漸增大，自重增加邊坡下滑力增大邊坡不斷擠密，坡腳滑動牽引中部出現拉裂縫隨后裂縫不斷增多入滲量增加；滑坡發生階段：此時模型達到失穩臨界值，持續降雨的作用下堆積體浸泡軟化，模型內裂縫已經基本充水，邊坡內賦存滯水層使得孔隙水壓力不斷升高，裂縫不斷發育直至貫通，后緣邊坡開始出現拉裂縫，中部滑動帶動整體滑動；因此其變形破壞過程可以概括為：坡腳變形破壞—中后部變形發展—裂縫發育貫通—滑坡發生。

③基巖面作為弱透水層，水分聚集在基巖面，由于雨水沖蝕細顆粒被帶走坡腳強度變低最先破壞，邊坡中上部土體開始向下緩慢蠕動，邊坡整體發生變形，有效應力降低土體抗剪強度減小，堆積體發生順層滑動。

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