降雨作用下滑坡變形穩定性分析

薛世恩，張菊鋒，宋益明

（核工業湖州勘測規劃設計研究院股份有限公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

邊坡的穩定性破壞模式主要可以分為四類，即崩塌、流動、傾倒和滑坡。滑坡破壞是最為普遍的自然災害，中國是遭受滑坡災害導致人員傷亡和經濟損失最嚴重的國家之一[1]。滑坡是一種作用于自然或工程斜坡的大規模侵蝕過程，它是指在重力作用下，大量的巖石、碎片或泥土從斜坡上移動、滑動、墜落的現象，其破壞形式可能是一種也可能是多種不同類型的組合。因此，探明滑坡在破壞過程中所伴隨的控制因素變化，對預防坡體整體失穩具有重要意義。

邊坡滑動的誘因主要來自于三個方面，一是地震作用導致坡體整體的震動破壞；二是人工開挖的影響，當開挖深度或開挖位置不合理時，會造成局部承載能力低于限值，從而引起滑坡；三是降雨作用，雨水會對土體的一系列強度指標產生負面作用，增加滑坡發生的可能性。雷鳴等[2]采用有限元分析方法，測試了不同降雨強度和降雨時長對滑坡穩定性的影響，研究結果表明，滑坡內部的滲流場會因降雨量的增加發生變化，當超過最大載荷能力時，滑坡發生失穩破壞。楊帆等[3]研究發現遞增型降雨雨型對于滑坡的穩定性最為不利。降雨量、降雨強度、降雨時長以及降雨類型對于滑坡的影響已被諸多國內外學者研究分析，得出的結論也不近相似[4-6]。

滑坡監測通常是通過不同的技術手段以達到可以預測滑坡災害并管理滑坡的目的[7-8]。王秒茜等[9-10]通過在滑坡上布置監測桿體的方式，監測桿體的角度傾斜來間接表征滑坡的位移變化，收集滑坡災害信息。本文采用模擬試驗的方法，利用傾角傳感器、孔隙水壓力傳感器和土壓力傳感器來監測滑坡破壞過程中軸向變形、土體應力變化情況，分析降雨作用下引起滑坡失穩的主要參數指標。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

本文采用一系列試驗模型來研究降雨對滑坡變形穩定性的影響，試驗裝置如圖1 所示，主要包括滑坡模型、降雨噴頭和檢測裝置三個部分，其中，T1～T4 為4 個安裝在坡面上用于監測傾角變化的傳感器，孔隙水壓力傳感器和土壓力傳感器分別用P1～P4 和S1～S4 來表示。降雨作用下，滑坡體傾角、應力、變形以及坡面形態等的變化則通過高清照相機、三位激光掃描儀、傾角傳感器、孔隙水壓力傳感器以及土壓力傳感器進行測量。

圖1 模型試驗裝置

滑坡模型由模型箱、基巖和滑體材料三部分組成。依據滑坡模型相似理論和相似判據，并參照某地區滑坡結構特性對試驗所用模型進行等比例縮放。首先，試驗用長1.6m、寬0.6m、高0.5m 的有機玻璃箱體來充當模型箱，基巖采用長1m、寬0.5m、高0.4m 的鋼板來制作，以滿足其各向同性且無變形的假設。基巖與坡面角度均按該地區25°的平均坡度來設定，選用該區域滑坡原狀粉土來充當本模擬試驗的滑體材料。滑坡體成平行四邊形，底邊長0.4m、寬0.5m。試驗土樣經室內擊實試驗得最優含水率和最大干密度分別為16%和1.76g/cm3。結合豫西地區滑坡密實度調查結果，將實驗中粉土干密度控制在1.52g/cm3。模型材料的粘聚力、內摩擦角、滲透系數等力學指標（表1）則通過篩分試驗（圖2）、擊實試驗（圖3）、直剪試驗（圖4）可滲透試驗來獲取。

表1 試驗土體物理力學參數

圖2 土顆粒級配曲線

圖3 擊實試驗曲線

圖4 直接剪切試驗曲線

參照該地區近年來的平均降雨量，試驗采用50mm/h 人工降雨的方式來模擬現場降雨狀況，降雨面積為5m×5m，降雨高度為5m，并由25 個尺寸不同的噴頭來組成降雨裝置。通過變化工作噴頭組合和壓強來實現10～240mm/h 范圍內連續雨強的變化，雨滴大小控制在1.5～5mm，降雨均勻度系數大于0.8，降雨精度±3mm/h。實驗中所使用的傾角傳感器、孔隙水壓力傳感器和土壓力傳感器的測試參數如表2所示。

表2 傳感器參數

1.2 試驗方法

為研究降雨作用下滑坡體的傾斜變形行為，首先將4 個帶有直角鐵片的傾角傳感器安裝在坡面上，T1 置于滑坡模型的后緣，T2～T4以210mm 等水平間距安放在破面上，鐵片插入深度為60mm。采用高清照相機來拍攝坡面的形態變化，拍攝間隔設置為10min/次，使用三維激光掃描儀掃描坡面并生成三維地形點云圖，掃描間隔為20min/次，降雨過程共持續300min。滑坡傾斜變形可分為沿Y 軸的縱向變形（主滑方向）和沿X軸的橫向變形（垂直于主滑方向），傾角傳感器可同時監測兩方向的變形數據。

孔隙水壓力傳感器P1～P4和微型土壓力傳感器S1～S4的埋置位置與傾角傳感器T1～T4 大體相當，均為一個在滑坡后緣位置（P1、S1）以及三個在坡面上（P2～P4、S2～S4），其埋深設定在70mm，兩傳感器間的水平距離控制在160mm 左右。模型上使用的所有監測設備均聯網記錄滑坡不同點位在破壞過程中位移、孔隙水壓力和土壓力的變化情況。

2 試驗結果與分析

2.1 傾斜變形監測結果

圖5（a）、（b）為傾角傳感器T1～T4的測試數據曲線，從圖中可以看出，4 處監測點沿X 軸的橫向變形在整個降雨過程中基本維持在0°上下，變化幅度極小，沿Y 軸方向的傾斜變化曲線在各點處均表現出了明顯的非線性特征，故降雨對于滑坡變形的影響主要體現在縱向變形。本文依據變形曲線的斜率變化，將平緩曲線段、較陡曲線段和陡峭曲線段劃為滑坡破壞過程中的三個階段，即基本穩定階段、變形初始階段和滑坡失穩階段。在第一階段內，由于降雨量相對較小，雨水的作用還未對滑坡造成實質性的影響，因此，滑坡整體可處于相對穩定狀態；進入第二階段，降雨滲透量在滑坡內部逐步增加，進而造成滑坡土體材料強度下降，滑坡前緣會首先因抗剪強度小于剪應力出現局部滑塌破壞，此時滑坡進入初始變形階段，并對整個坡體穩定性產生負面影響；隨著降雨時間不斷延長，第三階段時，坡腳的局部垮塌會不斷向中后方延伸，滑坡面積進一步增加直至滑坡后緣，結構發生整體坍塌破壞形態，滑坡進入失穩階段。

圖5 滑坡角度-時間變化曲線

降雨作用下，滑坡后緣（T1 點）基本穩定階段持續時長約90min，初始變形階段時長跨度約120min，當降雨時間達到210min 后，曲線斜率急劇上升，滑坡進入失穩破壞階段。對比另外三個安裝于坡面處的監測點可得，T2～T3 包含100min 的基本穩定階段后開始進入初始變形階段，而T4 點降雨時長達70min時，首先進入了初始變形階段，且它們進入失穩破壞階段的時間點依次為170min、150min 和115min。坡面監測點的變形隨著坡腳水平距離的減小而增加，越靠近坡腳（T4）變形失穩破壞越早出現。這是由于在重力和滲透的聯合作用下，雨水會首先在坡腳位置處匯集，坡腳土體在雨水侵蝕下有效應力降低，抗剪承載力下降，從而導致變形破壞。坡腳土體的垮塌會使得坡面中上部土樣向下滑動，在經歷更長時間的降雨作用后，坡面整體自下而上均會逐步表現出變形失穩的破壞形態。

本試驗滑坡模型的破壞樣態呈現出牽引式的破壞，滑坡體從坡腳開始變形坍塌引起滑坡整體抗滑能力的降低，垮塌部分逐步向后上方推移至整個滑坡面，最終導致坡體整體失穩破壞。根據角度-時間曲線，坡體在不同階段時的曲線斜率有著非常明顯的變化特點，穩定階段斜率接近為0，初始變形階段斜率緩慢增加接近直線，失穩破壞階段曲線斜率快速增加近似指數變化。因此，通過傾角傳感器來監測滑坡在降雨條件下的軸向位移并以角度-時間曲線的斜率變化模式來預測滑坡處于何種破壞階段，可將傾角變形曲線斜率以近似直線變化時作為滑坡初始變形的預警，此時應實施一些加固坡體的措施來避免結構出現整體失穩破壞。

2.2 孔隙水壓力變化監測結果

圖6為模擬試驗過程中，預先埋置的四處孔隙水壓力傳感器監測數據。從圖中可以看出，坡面孔隙水壓力的變化可以大致分為三個部分，即平滑段、加速上升段和快速下降段。

圖6 滑坡P1-P4點孔隙水壓力變化過程

降雨初期，P1～P4 點孔隙水壓力均保持在0kPa 左右，早期由于降雨量較小，土顆粒孔隙中會存在一定量的空氣，導致滑坡體不能形成通暢的滲透通道，從而使得土體內部孔隙水壓力為產生變化；當降雨時長達到約75min 時，P4 監測點處的孔隙水壓力首先急速上升，20min 后便從0kPa 增長到了0.8kPa，此降雨時間跨度內，坡腳變形增加，穩定性降低，這是由于當降雨量繼續增加時，土粒中的孔隙會逐漸被雨水所填充使土體從非飽和狀態向飽和狀態轉變，滲透系數進一步增加，因此，孔隙水壓力表現出快速增加的變化情況；降雨時長為115min 時，坡腳進入變形失穩狀態，土體內部孔隙水壓力呈快速下降的變化規律，此時間點與傾角傳感器T4 所監測滑坡表現為失穩破壞相一致。孔隙水壓力迅速下降可歸因于過多的雨水含量導致土體抗剪強度的持續降低，直至小于所承受的剪應力時，滑坡表現失穩滑動狀態，內部孔隙水壓力得到釋放，從而孔隙水壓力呈現快速下降的趨勢。

P2 和P3 監測點位于滑坡面中部位置，這兩點處的孔隙水壓力變化時間點比較接近，當降雨時間為95min時，坡腳監測點（P4）孔隙水壓力曲線出現拐點，說明坡腳基本結束了變形初始階段，坡腳處的土體粘聚力降低，縱向變形增加，土體向下滑動。此時，P2 監測點孔隙水壓力加速上升，滑坡中上部進入初始變形階段，P3 監測點也在緊接著的10min后進入滑動變形狀態，滑坡整體表現出初始蠕滑階段。降雨強度繼續增加，雨水滲透土體量不斷增多，滑坡進入坍塌失穩部分逐步從滑坡坡腳向滑坡后緣擴展延伸，在降雨150min 左右，滑坡后緣孔隙水壓力也開始加速上升，變形特征開始呈現。降雨試驗進行到180min時，P1～P4監測點的孔隙水壓力均已表現出加速下降的狀態，此時，坡面整體的滑動破壞已無法避免。

2.3 土壓力變化監測結果

圖7為滑坡監測點S1～S4 處土壓力隨降雨時間的變化曲線，從圖中可以看出，S3 和S4 的土壓力變化較為明顯，而S1 和S2 的土壓力變化僅較有小幅度的增加。降雨過程中土壓力的增加來自兩個方面，一是持續降雨會使得土體內部的含水量不斷增加，坡體的重度會得到提高，導致土壓力緩慢增加；二是土體的滑動擠壓作用，坡腳在降雨條件下會發生變形坍塌，此時坡腳的土體已不能抵抗滑坡上面土體的下滑作用，坡體便會自下而上層層向下滑移，越靠近下部的土體越會被更多上面滑動的土體所擠壓，進而增加土壓力。

圖7 滑坡S1～S4點土壓力壓力變化過程

150min 時，S3 和S4 監測點處土壓力開始呈現較明顯上升規律，結合圖6滑坡孔隙水壓力的變化曲線可知，當降雨時間達150min 左右時，P3 點已表現出完全失穩破壞樣態，P4 點也處于失穩破壞階段，變形坍塌導致上方土體向下方的滑動，加大了土壓力。S3 點土壓力的增加可歸因于S1 和S2 兩部分土體的聯合作用效果，而S4 點土壓力的增加則可以認為是S1、S2 和S3 三部分土體的聯合擠壓作用。因此，S4 曲線比S3 曲線增加的幅度更大，降雨作用下，由于更多土體的滑動擠壓作用，坡腳土壓力會明顯高于滑坡其他區域。

結合傾角傳感器監測的滑坡傾斜變形和坡體孔隙水壓力和土壓力傳感器監測的應力變化結果可得，坡腳處的應力變形最大，且越靠近滑坡后緣結構破壞時限越久。模擬試驗中所設置的三個監測量具有很好的關聯性，結合三個物理量的變化規律特性可用于預測與判斷坡體發生滑動的信息，具有較強的參考價值。

3 結論

本文通過工程地質學模擬試驗方法，以某地區工程地質條件和邊界條件為基礎，并結合人工降雨的方式，通過測試滑坡體在持續降雨過程中四個監測點處的傾斜變形、孔隙水壓力以及土壓力的變化，分析滑坡體的變形及穩定性。根據試驗結果，結論如下。

①傾角傳感器對于監測滑坡體的橫向變形和縱向變形具有很好的適用性，滑坡在降雨作用下的變形主要為Y 軸方向的縱向變形，橫向變形可以忽略不計。

②根據角度-時間變化曲線可將滑坡破壞分為三個階段，即基本穩定階段、變形初始階段以及變形失穩階段。穩定階段角度-時間曲線斜率為0，變形初始階段斜率近似為直線，變形失穩階段曲線斜率近似指數分布。

③土體的孔隙水壓力變化可分為三個階段，即平穩階段、加速上升階段和加速下降階段。降雨前半段，土顆粒內部含水量增加導致孔隙水壓力變大；降雨后期，土體失穩破壞后孔隙水壓力加速釋放。

④坡體在降雨作用下靠近坡腳位置處的土體所承受的土壓力會明顯增加，這是由于滑坡下部會先于上部發生變形坍塌破壞，滑坡土體整體向下滑移產生擠壓作用，導致下部區域土壓力更大。

⑤利用傾角變形、孔隙水壓力變化和土壓力變化來進行降雨條件下滑坡變形穩定性分析時，同一破壞現象發生的時間點在三種測試指標下均可相互應驗，滑坡土體變形失穩演化過程的評價可以通過此三個測試指標來完成。