不同工況下土壤滑坡失穩(wěn)現(xiàn)象的研究

郭彥濤

（河北省邯鄲水文勘測研究中心，河北 邯鄲 056000）

關(guān)鍵字：水槽試驗(yàn)；降雨；排水溝；土壤失穩(wěn)；滑坡破壞

0 引 言

土壤滑坡是一種不穩(wěn)定現(xiàn)象，如泥石流受強(qiáng)烈或長期降雨影響，對厚度＜2m 的表層沉積物有一定影響，往往會對社會穩(wěn)定、人民生活造成巨大傷害[1-2]。土壤發(fā)生滑坡破壞的特殊性及危害性在于滑坡幾乎沒有先兆跡象，因此研究該過程的觸發(fā)因素是一個重要課題，可為土壤滑坡風(fēng)險管理提供有用信息。目前已有眾多學(xué)者對其進(jìn)行研究，如周永強(qiáng)等學(xué)者通過物理模型試驗(yàn)，對土體滑坡現(xiàn)象進(jìn)行研究，得到極端降雨條件下不同位置滑坡發(fā)生失穩(wěn)的變化規(guī)律。如張恩銘等學(xué)者通過室內(nèi)斜板試驗(yàn)建立對應(yīng)數(shù)值模擬模型，對滑坡運(yùn)動過程和堆積形態(tài)進(jìn)行研究，得出巖體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對巖體破壞形式影響最大。張衛(wèi)杰等學(xué)者以SPH 方法為基礎(chǔ)，結(jié)合等效粘度概念和賓漢姆流體模型分析滑坡變形過程，得出不同工況下滑坡滑動距離與速度的演化規(guī)律。梅偉等學(xué)者通過物質(zhì)點(diǎn)方法模擬滑坡變形過程，研究得到滑坡破壞模式的定量特征，為實(shí)現(xiàn)多個滑坡破壞模式的風(fēng)險定量研究提供新路徑[2-4]。文章將土壤滑坡實(shí)際情況與前人研究相結(jié)合，已知土壤滑坡通常都在無預(yù)警的情況下直接發(fā)生，因此為分析土壤滑坡的觸發(fā)因素及變化規(guī)律，提前預(yù)測自然災(zāi)害的發(fā)生時間、狀態(tài)，減輕土壤滑坡失穩(wěn)破壞對國家社會生命財產(chǎn)的傷害和基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的破壞，文章將通過水槽試驗(yàn)進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

玻璃水槽長136cm、寬50cm、高35cm，水槽角度可通過螺桿改變。為確保土壤顆粒與水槽底部之間的摩擦力與水槽內(nèi)部顆粒之間的摩擦力相同，在水槽底部表面放置一塊粗糙的塑料底板。在土壤前方固定一塊滲透性屏障容納破壞后的土壤，并用攝像機(jī)記錄土壤發(fā)生破壞的時間和位置。降雨模擬器由水槽上方的灑水裝置組成，為保證降雨均勻性，將供水水壓恒定在3.2bar，對應(yīng)降雨強(qiáng)度為1.1mm/min。

文章試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考邯鄲山體滑坡事故，該地區(qū)常因降雨而引發(fā)土壤滑坡失穩(wěn)破壞，令民眾財產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重受損。結(jié)合地區(qū)特點(diǎn)，設(shè)置文章水槽試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)，其中水槽坡度38°，試驗(yàn)土壤厚度13cm。試驗(yàn)過程中為減少土壤滑坡對邊坡的干擾，在水槽土體和滲透性屏障之間放置一個傾角為30°的土楔，以確保在土壤內(nèi)部發(fā)生破壞。校準(zhǔn)降雨系統(tǒng)并確定土壤幾何結(jié)構(gòu)后開始水槽試驗(yàn)，通過改變土壤孔隙率和初始含水量分別在有無排水溝的條件下開展試驗(yàn)，觀察并記錄土壤發(fā)生破壞的模式和觸發(fā)時間。

文章主要變量有4 種孔隙率（30%、35%、37%和40%）、5 種初始含水量（4%、6%、8%、10%和12%），并以土壤孔隙率為35%，初始含水量不超過10%為主要參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過降雨模擬器控制降雨強(qiáng)度，圖1 所示水文圖，為下午4 點(diǎn)至9 點(diǎn)在滑坡事件中每隔15min 的降水量。

圖1 水文圖

通過以上參數(shù)，盡可能準(zhǔn)確地重現(xiàn)滑坡失穩(wěn)事件，事件特點(diǎn)為持續(xù)時間短且具有高強(qiáng)度的峰值，如晚上7:00 至7:15 累積的降雨量為21.3mm，對應(yīng)降雨強(qiáng)度約為1.4mm/min，5h 內(nèi)總降雨量為194mm。考慮到水槽試驗(yàn)平均土壤厚度與真實(shí)土壤厚度的關(guān)系，為在現(xiàn)場保持相同降雨強(qiáng)度，應(yīng)在7 : 00 至7 : 15 時，將降雨強(qiáng)度提高至1.4mm/min。降雨模擬器的開啟和關(guān)閉狀態(tài)如表1 所示，以確保降雨峰值可集中在各時間段內(nèi)。

表1 降雨模擬器的開啟-關(guān)閉狀態(tài)

部分土壤屬于大孔隙結(jié)構(gòu)，為天然排水溝，故土壤中部分入滲水流存在優(yōu)先流動的方向。為模擬該方向，用包裹在塑料網(wǎng)中的礫石制作6 個長約30cm、寬約1cm 的小排水溝，放置于土壤中。

1.2 試驗(yàn)材料

文章試驗(yàn)材料的粒度分布曲線如圖2 所示，并通過三軸試驗(yàn)裝置獲得材料性能，詳見表2。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可知試驗(yàn)材料中礫石和砂石含量較高，總占比為88.7%；粉土和黏土含量最少，總占比為11.3%；當(dāng)其有效黏聚力為0 時，產(chǎn)生的內(nèi)摩擦角約等于36.3°。

表2 測試材料性能

圖2 測試材料特性

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 恒定降雨無排水條件下土壤破壞

通過水槽試驗(yàn)觀察出降雨誘發(fā)的土壤破壞現(xiàn)象發(fā)生的非常迅速，當(dāng)土壤孔隙率n=40%，含水量w=8%時，土壤初期不存在失穩(wěn)跡象，破壞面僅在土壤剖面內(nèi)進(jìn)行發(fā)育；又過2min 左右，土壤發(fā)生明顯斷裂破壞。當(dāng)土壤孔隙率n均等于35%、左圖含水量w=4%、右圖含水量w=8%時，觀察到左圖土壤破壞面位于水槽上部，右圖土壤破壞面位于水槽中下部。總結(jié)得出：當(dāng)土壤孔隙率相同、含水量不同時，含水量越小水槽上部越容易發(fā)生斷裂破壞。

在恒定降雨和無排水溝條件下，列出表3 所示試驗(yàn)1～17 的土壤初始條件和破壞時間，其中Sr表示飽和度，Tf表示土壤破壞時間。

表3 試驗(yàn)1-17 的土壤初始條件和破壞時間

依據(jù)水槽試驗(yàn)現(xiàn)象，結(jié)合表3 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可知土壤初始條件（孔隙率和含水量）對土壤邊坡發(fā)生破壞的時間和形式有一定影響。當(dāng)其他工況相同時，土壤發(fā)生破壞時間隨孔隙率的增加而減少。如圖3 土壤孔隙率n=35%時，土壤發(fā)生破壞的持續(xù)時間最長，因此該孔隙率對初始含水量的變化情況最敏感。與之對應(yīng)，當(dāng)孔隙率n=37%～40%時，隨著初始含水量的變化，兩者土壤發(fā)生破壞的持續(xù)時間較短。

圖3 不同孔隙率的破壞時間關(guān)系圖

2.2 非恒定降雨無排水條件下土壤破壞

當(dāng)孔隙率n=30%、含水量w=12%時，土壤未發(fā)生明顯破壞，僅土壤腳趾表層處逐漸被侵蝕，這是由于水槽傾斜期間土壤過度潮濕而造成的。且孔隙率n=30%時，土壤相對固結(jié)，即使在潮濕條件下土壤也很難發(fā)生大規(guī)模質(zhì)量運(yùn)動，故著重分析孔隙率n=35%時的試驗(yàn)現(xiàn)象。當(dāng)孔隙率n=37%、含水量w=4%時，大約10min 后，水槽土壤上部表面發(fā)生斷裂，這是由于濕潤鋒造成漸進(jìn)式淺層流動而引發(fā)的破壞。漸進(jìn)式淺層流動的出現(xiàn)有利于本層形成相對下墊面更濕潤的表層區(qū)域，從而在土壤剖面的上部發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

在非恒定降雨和無排水溝條件下，列出表4 所示試驗(yàn)18～21 的土壤初始條件和破壞時間，其中Tc表示累計降雨時間。數(shù)據(jù)表明：孔隙率相同情況下，土壤含水量越高，土壤發(fā)生破壞時間越短，坍塌速度越快。

表4 試驗(yàn)18～21 的土壤初始條件和破壞時間

2.3 恒定降雨有排水條件下土壤破壞

在恒定降雨和有排水溝條件下，列出表5 所示試驗(yàn)22～25 的土壤初始條件和破壞時間。

表5 試驗(yàn)22～25 的土壤初始條件和破壞時間

通過水槽試驗(yàn)可知試驗(yàn)22～25 土壤發(fā)生破壞時的土壤體積均大于之前試驗(yàn)發(fā)生破壞時的土壤體積。當(dāng)含水量w=10%時，破壞面位于水槽上部排水溝處；而當(dāng)含水量w=6%時，土壤發(fā)生雙裂縫破壞，可能是由于以下兩種原因：①由礫石構(gòu)成的排水溝通水時導(dǎo)致周圍滲透性土壤的局部水壓增加，從而造成失穩(wěn)破壞現(xiàn)象；②由于土壤壓實(shí)度較低，排水溝的存在令土壤體積內(nèi)形成一個局部薄弱區(qū)。

2.4 非恒定降雨有排水條件下土壤破壞

試驗(yàn)26～29 的土壤初始條件和破壞時間，見表6。在非恒定降雨和有排水溝條件下，列出表6 所示試驗(yàn)26～29 的土壤初始條件和破壞時間。

表6 試驗(yàn)26～29 的土壤初始條件和破壞時間

通過水槽試驗(yàn)現(xiàn)象，可知孔隙率固定為35%，土壤含水量w=4%時，將發(fā)生多重斷裂現(xiàn)象；當(dāng)土壤含水量w=8%時，將發(fā)生水槽下半部分局部失穩(wěn)現(xiàn)象。且相同工況下，有排水溝土壤發(fā)生破壞時的體積均大于無排水溝土壤發(fā)生破壞時的體積，這是因?yàn)橛信潘疁蠒r土壤整體穩(wěn)定性有所降低。

3 結(jié) 論

文章通過水槽試驗(yàn)，針對有無恒定降雨、排水管道下不同工況的土壤破壞現(xiàn)象進(jìn)行相關(guān)研究，主要得出如下結(jié)論：

1）在恒定降雨和無排水溝條件下，固定土壤含水量，土壤發(fā)生失穩(wěn)破壞速度隨孔隙率的增加而加快。

2）在非恒定降雨和無排水溝條件下，固定土壤孔隙率，土壤發(fā)生失穩(wěn)破壞速度隨含水量的增加而加快。

3）在恒定降雨和有排水溝條件下，固定土壤孔隙率，土壤破壞程度隨含水量的增加而增加。

4）在有排水溝條件下，土壤發(fā)生破壞的體積均大于無排水溝土壤發(fā)生破壞的體積。