降雨入渗下膨胀岩渠坡失稳的原位试验研究

张家俊，龚壁卫，王 军，周小文，刘 军

（1.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点试验室，广州 510640；2.长江科学院水利部岩土力学与工程重点试验室，武汉 430010）

降雨入渗下膨胀岩渠坡失稳的原位试验研究

张家俊1，2，龚壁卫2，王 军1，2，周小文1，刘 军2

（1.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点试验室，广州 510640；2.长江科学院水利部岩土力学与工程重点试验室，武汉 430010）

为研究在降雨入渗条件下的膨胀岩（土）渠坡土－水相互作用机理及滑坡成因，在河南新乡南水北调中线工程潞王坟试验段裸坡试验区对不同坡比的2个膨胀岩渠坡进行人工降雨试验，试验中跟踪观测渠坡下渗强度、含水率、吸力及水平位移对降雨的响应规律。对观测成果进行分析后认为，在供水强度大于渠坡下渗能力的情况下，降雨强度及坡度对下渗强度没有影响；裂隙发育深度以内土层受降雨影响最为严重，其含水率在干湿循环过程中大幅波动；不论是陡坡还是缓坡，滞水层的存在均使浅层吸力大幅下降；水分入侵只是膨胀岩（土）渠坡滑动破坏的一个诱发因素，干湿循环所引起的裂隙发育与强度衰减才是其根本原因。

南水北调中线工程；膨胀岩渠坡；原位试验；人工降雨；缓坡滑动；干湿循环

1 概 述

由于黏土矿物的作用，膨胀性岩（土）表现出吸水膨胀、失水收缩的特性，在与自然界的水分能量交换过程中，膨胀岩（土）体的工程性质不断发生变化，主要表现为裂隙的发育、体积膨胀和强度的衰减。在膨胀岩（土）体的损伤积累到一定程度后，降雨入渗将会使膨胀岩（土）体强度进一步降低，从而引发渐进式破坏［1－3］。为研究降雨入渗对膨胀岩（土）边坡稳定性的影响机理，国内岩土工程学者先后开展了现场试验工作，如：龚壁卫、吴宏伟等［4，5］在湖北枣阳市进行膨胀土边坡的人工降雨试验，深入探讨了降雨入渗对孔隙水压力、含水率、土压力和变形的影响；孔令伟等［6，7］在广西南宁设置试验区进行自然条件下膨胀土边坡的长期观测，讨论了各种气象参数对边坡含水率和变形的影响。然而，膨胀岩（土）的特性对非饱和膨胀岩（土）边坡在降雨入渗条件下稳定的影响机理尚有很多难点有待攻克，尤其对南水北调中线工程，研究工作有待进一步加深。

笔者在新乡潞王坟试验段，对裸坡试验区内2个不同坡比的开挖渠坡分别进行了人工降雨试验，降雨过程中2个渠坡均发生了不同程度的滑动破坏，就现场监测数据分析所得，两者破坏的过程及形态差异甚大。本文拟通过分析渠坡下渗强度、含水率、吸力以及水平位移监测数据，探讨此两膨胀岩（土）渠坡在降雨入渗条件下其土－水相互作用机理及滑坡成因的区别与联系。

2 试验场地

2.1 地理位置及气候条件

试验场地位于河南省新乡市潞王坟乡政府附近，属于南水北调中线工程总干渠第Ⅳ渠段。该地属大陆性温带季风型气候区，夏秋两季受太平洋副热带高压控制，炎热多雨，冬春受西伯利亚和蒙古高压控制，干旱少雨。该地多年平均降水574.7 mm，年际降雨变化较大，1月份雨量最小，月平均3.6 mm，7月份最大，月平均180.5 mm，60%～70%左右的降水量主要集中于汛期6－8月份，多以暴雨形式出现。

2.2 渠坡概况及地质条件

根据设计方案，1-1试验区渠道左岸坡比为1∶1.5（下文简称陡坡），右岸坡比1∶2.5（下文简称缓坡），两岸一级马道以下渠坡高均为9 m，降雨试验在此区域进行。2007年12月开挖试验区渠道，其后进行了为期约半年长期监测，期间经历多场大雨，在人工降雨试验前，坡面上已形成大量雨水冲刷而成的冲沟。

地质剖面揭示：左岸降雨区域高程103.5 m以上为重粉质壤土或黄土状重粉质壤土，高程99.5～103.5 m为泥灰岩，弱膨胀为主，成岩较差，其下主要为黏土岩，主要为弱-中膨胀，其中含部分成岩差的泥灰岩夹层；右岸降雨区域高程103.5 m以上为成岩差的泥灰岩层，以下为黏土岩，其中夹杂大范围的粉砂岩分布，该区泥灰岩与黏土岩均以弱膨胀为主，粉砂岩则基本无膨胀。泥灰岩和黏土岩的物理性指标及自由膨胀率指标统计见表1。

表1 膨胀岩物理性指标及自由膨胀率指标统计表Table1 Statistical table of physical properties and free swelling rates of the swelling rock

X射线衍射试验成果表明：泥灰岩黏土矿物成分以伊蒙混层矿物、伊利石、绿泥石为主，各占比例约10%～15%，方解石含量在50%左右，石英含量10%～25%；黏土岩黏土矿物成分以伊蒙混层矿物、高岭石、伊利石为主，其中，伊蒙混层矿物含量低于泥灰岩，为8%～9%，高岭石含量约15%，伊利石含量约14%。与泥灰岩所不同的是，黏土岩40%以上是石英，方解石含量仅9%～18%。

3 试验概况

3.1 监测仪器及布置

左岸陡坡试验区有效降雨面积为640 m2，顺坡向宽16 m，沿渠道方向长28 m；右岸缓坡试验区有效降雨面积为768 m2，顺坡向长16 m，沿渠道方向长28 m。降雨试验前坡内预埋有测斜管、土压力盒以监测渠坡的变形和应力变化。此外，还布置有热传导探头、张力计和体积含水率探头，监测降雨期间坡面的吸力、含水率的变化等（观测仪器统计及布置详见表2、图1、图2）。同时，在降雨的各个阶段，还采用人工手摇钻打孔取样的方法，直接测定不同深度土层的重量含水率。降雨量及降雨强度通过流量计读数换算，同时在坡面不同位置设置雨量计进行定时测读降雨量以与水表读数进行比对。在坡脚设置集水沟，以对坡面出流量进行实时监测。在试验区附近，设有自动监测气象站，定时监测大气降雨及蒸发资料。

3.2 降雨设备及布置

人工降雨是用一个专门设计的喷洒系统来实现的，这个喷洒系统由1台潜水泵，2根主供水管，15根支管及75个喷头组成。喷头排列成5×15矩阵，列间距2m，行间距4m，第一排设在一级马道上，其余4排铺设于坡面。2个主管上各装有1个水表，1个主阀和一个压力表，降雨强度通过主阀进行调节。

表2 监测仪器汇总表Table2 Summary of instruments

图1 左岸陡坡仪器布置图Fig.1 Layout diagram of instruments at the steep slope on the left bank

图2 右岸缓坡仪器布置图Fig.2 Layout diagram of instruments at the gentle slope on the right bank

图3 左岸陡坡模拟降雨强度及下渗强度Fig.3 Simulated rain intensity＆infiltration intensity at the steep slope on the left bank

图4 右岸缓坡模拟降雨强度及下渗强度（第一阶段）Fig.4 Simulated rain＆infiltration intensities at the gentle slope on the right bank（stage 1）

3.3 降雨过程

试验安排在9－11月进行，在试验前与试验中，场地内仅有零星阵雨，坡内水分受大气降雨影响甚微。为了及时采集数据，试验均安排在白天进行，晚上停止降雨，每天分为上、下午2场，中午短暂停雨以便工作人员入场进行观测。

左岸陡坡人工降雨于2008年9月24下午开始，25日中午13：20左右发生滑坡，26日下午降雨结束，共进行5场降雨。右岸缓坡人工降雨试验共分3阶段进行，第一阶段为2008年10月18－21日，第二阶段为2008年11月3－6日，第三阶段为2008年11月21－23日，间歇期降雨停止，让坡体自然风干，但观测工作继续进行。

4 监测成果分析及讨论

4.1 下渗强度

图3、图4分别为左岸陡坡与右岸缓坡的模拟降雨强度和实测下渗强度曲线，其中实测下渗强度由降雨强度减去坡面出流强度计算得出。

左岸陡坡于2008年9月25日下午1点20分左右发生大面积滑坡，以致集水沟破坏，坡面出流量观测因而被迫中止，图3中曲线仅为滑坡发生前数据。右岸缓坡集水沟出口因长时间被水流冲刷而产生渗漏，到降雨第二阶段已基本失效，图4中曲线仅为第一阶段数据。

由图3可见，左岸陡坡在试验初期2 h内，降雨全部转化为坡面下渗，坡面出流量为0。随着坡体浅层含水率的增大以及裂隙的愈合，下渗强度逐渐降低［5］，并于降雨总历时达4 h时降至一个稳定值6.5 mm／h。图4则表明，右岸缓坡下渗强度的变化有着与陡坡相似的规律，然而，其衰减过程相比陡坡更为缓慢，达到稳定下渗需历时10 h降雨，稳定下渗强度也较陡坡更低，仅为1.5 mm／h。

地形坡度对下渗的影响是通过影响供水强度①i′＝i cosα，i′为供水强度；i为降雨强度；α为坡角体现的［8］，即坡越陡，越不利于下渗，越有利于产流。然而，在本次降雨试验中，陡坡的稳定下渗强度却远大于缓坡，可见在稳定下渗阶段，坡度对供水强度的削弱作用并未能影响坡体的下渗强度，人工降雨所产生的供水强度仍然大于坡体的下渗能力。在此情况下，下渗强度的“瓶颈”在于土体的下渗能力，因此即使降雨强度增大，亦只能转化为更高的坡面出流量，下渗依旧按照土体的下渗能力进行。比较图4中降雨强度与下渗强度便可得知，降低降雨强度并不能有效降低下渗强度，这就验证了下渗能力的瓶颈作用。

原状膨胀岩饱和渗透试验结果显示，泥灰岩原状样饱和渗透系数为（2.20～4.80）×10－5，而黏土岩原状样饱和渗透系数为（1.06～1.20）×10－6，这就说明了，为何主要由泥灰岩组成左岸陡坡的饱和下渗能力比主要由黏土岩组成的右岸缓坡的大。

由此可见，在供水强度大于渠坡下渗能力的情况下，降雨强度及坡度对下渗强度没有影响，此时决定下渗强度的是土体的下渗能力。

4.2 含水率

图5、图6分别是陡坡与缓坡坡面中部含水率在降雨过程中的响应情况。其中，左岸1.0 m处探头在试验前出现故障，因而停止对其采集数据。

图5 左岸陡坡坡中含水率响应曲线Fig.5 Response curve of water content at the steep slope on the left bank

图6 右岸缓坡坡中含水率响应曲线Fig.6 Response curve of water content at the gentle slope on the right bank

由图5可以看到，左岸坡中2 m、3 m处含水率在降雨过程中没有太大变化，均维持在38.5%和39.5%水平附近，而0.5 m处含水率则在第二场降雨后由38.0%攀升至41.0%，并一直维持至降雨结束。图6则显示出右岸缓坡0.5 m处含水率在每一阶段降雨试验中均从39.0%上升至41.0%，而在间歇期，则逐步回落至39.0%附近；1.0 m含水率则一直在40.5%～41.5%范围内波动，并没有较大起伏。

无论是陡坡还是缓坡，其浅层含水率（0.5 m）均能对降雨做出迅速响应，而较为深层的含水率在降雨期间则仅作小幅度摆动，此现象的出现与膨胀岩（土）体内发育的裂隙有很大关系。

在降雨初期，雨水总是先把裂隙填满，继而往裂隙间较为完整的土块内部渗透，可见，裂隙的存在相当于是增大了坡体跟雨水的接触面积，缩短了渗透路径，裂隙越发育，土体被切割得越碎散，此作用越明显。因此，在裂隙的作用下浅层含水率能够对降雨做出迅速的响应，同时由于裂隙发育深度有限，此作用又仅存在于裂隙发育深度以内，因而越浅层效果越明显，深层含水率则基本不受此影响。

由于裂隙发育深度以下土体较完整，渗透性较差，因此随着降雨的持续，渗入坡内的水分会逐渐在裂隙发育深度范围内积聚，继而形成一个滞水层。在此滞水层内，裂隙愈合，吸力下降，土体渗透性大幅下降，因而后期降雨很难渗入坡内，大部分的降雨都转化为坡面产流。由于下渗速度缓慢，降雨的影响在短时间内难以达到深层，这就说明了为何在高强度、长历时的人工降雨作用下，深层含水率也仅在小范围内波动。

比较下渗强度变化曲线与含水率响应曲线可以发现，不论陡坡还是缓坡，下渗强度降低到稳定值的时间与浅层含水率升高到最大值的时间基本重合，两者之间的相互影响可见一斑，这也就证明了上述观点的正确性。

由此可见，裂隙发育深度以内土层受降雨影响最为严重，其含水率在干湿循环过程中大幅波动，而裂隙发育深度以下的土体对降雨响应则相对平缓。

4.3 吸力

图7、图8分别是左岸陡坡与右岸缓坡坡面中部吸力在降雨过程中的响应情况。

图7 左岸陡坡坡中吸力反应曲线Fig.7 Response curve of suction at the steep slope on the left bank

如图7所示，陡坡0.5 m处吸力在降雨初期不但没有下降，反而有轻微上升，到第二场降雨时下跌到9 kPa，并一直维持至试验结束。1.0 m处吸力则呈缓慢下跌趋势，从29 kPa逐渐下跌至20 kPa。

由图8可见，每一阶段降雨试验均使缓坡0.5 m处吸力消失，而在间歇期内，随着坡体风干，该处吸力逐步回升。1 m处吸力在试验初期已是处于一个较低水平，在试验过程中并没有太大的起伏，基本是在15 kPa以下低吸力范围内波动。

图8 右岸缓坡坡中吸力反应曲线Fig.8 Response curve of suction at the gentle slope on the right bank

与图5、图6中0.5 m含水率反应曲线比较，可以得知两渠坡0.5 m处含水率上升段与吸力下降段基本重合，而且两者达到极值的时刻也基本一致。

由此可见，吸力与含水率的对应关系相当明显，裂隙对坡体渗透性的影响在吸力的响应上同样有所体现，无论对于陡坡还是缓坡，滞水层的存在均使浅层吸力大幅下降。

4.4 水平位移及滑坡机理分析

图9是左岸坡中浅层水平位移响应曲线，由坡中固定测斜管测出。图10是右岸一级马道上浅层水平位移响应曲线，由坡顶测斜管测出。在图9、图10上同时也绘制出坡中0.5 m处含水率反应曲线以便于进行比较。

图9 左岸一级马道下坡面浅层水平位移反应曲线Fig.9 Response curve of superficial horizontal displacement at the steep slope on the left bank

由图9可见，左岸坡中浅层水平位移与含水率在第一场降雨后并没有立即发生变化，而随着浅层含水率在第二场降雨期间跃升至41%，浅层水平位移开始出现大幅度突变，滑坡发生。在停雨期及试验结束后一段时间内，浅层含水率仍然处于一个较高水平，在此期间水平位移也一直在增长，直到浅层含水率开始下降的时候，位移的增长也同时停止，尔后基本维持在28 mm。以上现象表明，左岸滑坡随含水率增大而发生，滑坡体的运动也因含水率的下降而停止。由此可见，陡坡的滑动破坏与坡体含水率增大密切相关，水分入侵造成的土体自重增大与吸力下降是陡坡滑动的根本原因。左岸滑动面的最终形态见图11。

图10 右岸一级马道上浅层水平位移反应曲线（第一阶段）Fig.10 Response curve of superficial horizontal displacement at the gentle slope on the right bank w ith stage 1 rainfall

图11 左岸滑坡形态Fig.11 Shape of landslide at the steep slope on the left bank

如图10所示，右岸一级马道上浅层水平位移在降雨的作用下基本呈上升趋势，但其幅度微小，最大位移仅为1.4 mm，在第一阶段降雨结束后位移逐步回落至降雨前水平，可见第一阶段降雨并未使右坡产生滑动面，因含水率增大而引起的变形在土体风干后得到恢复。其中，在第二场降雨后，位移出现快速回落，在第三场降雨后又快速回复到原来的水平。由于位移量微小，笔者估计其产生原因可能是坡内水压变化造成测斜管轻微摆动。

随着降雨试验继续，缓坡同样发生了滑动破坏，但其过程相当漫长：第一阶段后期，在坡面中部观察到一隆起带，长度约14 m，隆起高度10～15 cm；第二阶段初期，随着隆起带的继续发育，距其上方约3.5 m处出现一长度与隆起带相当的张开裂隙，宽度约5 cm；直到降雨试验结束，张开裂隙演化成一高约0.5 m陡坎，而隆起带则演化成滑坡前沿，最大隆起量达0.45 m，最终滑动面形态见图12。

图12 右岸滑坡形态Fig.12 Shape of landslide at the gentle slope on the right bank

由含水率与吸力分析成果可知，在每一阶段降雨试验中，右岸缓坡浅层含水率均大幅上升，同时吸力也基本丧失。然而，在降雨第一阶段，含水率的增大并未能引起缓坡滑动面的产生，说明在丧失吸力的情况下，土体剩余的饱和强度依然满足缓坡的稳定需求。而在经历3次干湿循环的过程中，缓坡的滑动破坏逐步浮现，这说明干湿循环在削弱土体强度与推动滑动面产生上起到积极的推动作用。由于膨胀岩（土）湿胀干缩的特殊性，膨胀岩（土）渠坡的干湿循环总是伴随着坡体浅层应力的拉压变换，在此应力诱导的作用下土体裂隙逐步发育，使浅层土体趋于碎散，水分入侵更为容易，同时应力诱导也使缓倾角裂隙逐渐连通，形成潜在滑动面，而其强度也因反复受剪而逐渐降至残余值，此时若遇降雨，在水分入侵增加自重、降低吸力及增大滑动面孔隙水压的三重作用下滑坡便随之而产生。

由此可见，水分入侵只是缓坡滑动的一个诱发因素，而干湿循环所引起的裂隙发育与强度衰减才是其根本原因。由图12中可看出，缓坡滑动面的深度只有1 m，基本处于受降雨剧烈影响的深度之内，可见干湿循环与缓坡滑动面产生的关系之密切。

5 结 论

从不同坡比膨胀岩（土）渠坡的人工降雨试验，可以得到以下几点认识：

（1）在供水强度大于渠坡下渗能力的情况下，降雨强度及坡度对下渗强度没有影响，此时决定下渗强度的是土体的下渗能力。

（2）裂隙发育深度以内土层受降雨影响最为严重，其含水率在干湿循环过程中大幅波动，而裂隙发育深度以下的土体对降雨响应则相对平缓。

（3）不论是陡坡还是缓坡，滞水层的存在均使浅层吸力大幅下降。

（4）陡坡的滑动破坏与坡体含水率增大密切相关，水分入侵是陡坡滑动的根本原因。对于缓坡，水分入侵只是其滑动破坏的一个诱发因素，干湿循环所引起的裂隙发育与强度衰减才是其根本原因。

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［3］ 李青云，濮家骝，包承纲.非饱和膨胀土边坡稳定分析方法［J］.工程力学，2000，3（3）：395－399.（LIQingyun，PU Jia-jun，BAO Cheng-gang.Analyticalmethod of unsaturated expansive soil slope stability［J］.Engineering Mechanics，2000，3（3）：395－399.（in Chinese））

［4］ 詹良通，吴宏伟，包承纲，等.降雨入渗条件下非饱和膨胀土边坡原位监测［J］.岩土力学，2003，24（2）：151－158.（ZHAN Liang-tong，WU Hong-wei，BAO Chenggang，et al.Artificial rainfall Infiltration tests on a well-Instrumented unsaturated expansive soil slope［J］.Rock and Soil Engineering，2003，24（2）：151－158.（in Chinese））

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［7］ 陈建斌，孔令伟，郭爱国，等.降雨蒸发条件下膨胀土边坡的变形特征研究［J］.土木工程学报，2007，40（11）：70－77.（CHEN Jiang-bin，KONG Ling-wei，GUO Ai-guo，etal.Deformation characteristics of expansive soil slopes under precipitation and evaporation［J］.China Civil Engineering Journal，2007，40（11）：70－77.（in Chinese））

［8］ 芮孝芳.水文学原理［M］.北京：中国水利水电出版社，2004.（RUIXiao-fang.Principle of Hydrology［M］.Beijing：China Water Power Press.2004.（in Chinese） ）

（编辑：王 慰）

Field Study of Landslide of Swelling Rock Slope under Artificial Rainfall

ZHANG Jia-jun1，2，GONG Bi-wei2，WANG Jun1，2，ZHOU Xiao-wen1，LIU Jun2
（1.State Key Laboratory of Subtropical Building Science，SCUT，Guangzhou 510640，China；2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Minister ofWater Resources，YRSRI，Wuhan 430010，China）

In order to study the soil-water interactionmechanism and the cause of landslide of a swelling rock slope under precipitation infiltration，an artificial rainfall testwas conducted on two bare swelling rock slopeswith different gradients in the Luwangfen test section of the Middle-route of the S-NWater Transfer Project，the responses of infiltration intensity，water content，suction and horizontal displacement of the slope to the rainfallweremonitored.The study from themonitored data proves as follows：1.The gradient of slope and the rain intensity have no influence to the infiltration intensity when the water supply intensity exceeds the infiltration ability of slope.2.In the slope，the soil stratum is affectedmost severely by rainfall inside the depth of fissures，where thewater content fluctuateswidely in the course ofwetting and drying cycles.3.Thematric suction of the superficial layerwill be greatly decreased owing to the existence of backwater zone.4.The invasion ofwater is only one inducement of the failure of a gentle swelling rock slope，while the development of fissures and theweakening of the shearing strength caused by wetting and drying cycles is the essential cause.

Middle-route of the S-NWater Transfer Project；swelling rock slope；field test；artificial rainfall；gentle slope landslide；wetting＆drying cycle

TU443

A

1001－5485（2010）09－0047－06

2009-11-24

水利部岩土力学与工程重点实验室开放基金（G07－02；G07－15）；水沙科学与水利水电工程国家重点实验室开放基金项目（sklhse－2007－D－01）

张家俊（1984-），男，广东广州人，硕士研究生，主要从事特殊土性质研究，（电话）020-86296369（电子信箱）cynisam＠hotmail.com。