人工降雨入渗边坡破坏试验研究

张 磊，郭海庆，谢兴华，谈叶飞，邢小弟

(1．南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029;2．河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098;3．河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京210098)

影响边坡稳定的因素除了边坡本身的物质成份、结构条件等内部因素外，还有如降雨入渗、库水位升降、地震、人类活动等外部因素．物质结构条件是边坡本身固有的，其特性和状态决定着边坡的稳定状况．环境条件最为活跃，是诱发滑坡发生的主要因素，对边坡变形和破坏的影响比较明显和迅速，它们通过影响边坡的物质因素影响边坡的稳定性［1］．降雨是一种常见的天气现象，大量统计资料表明，绝大多数的滑坡发生在降雨期间或降雨之后．高坝泄洪时的雾化雨强度是天然降雨的几倍到几十倍，对边坡稳定的危害也大大强于天然降雨．

以往的研究多注重降雨对边坡外部的动能作用［2－5］，即雨水下落时的溅蚀作用与雨水形成的径流冲刷作用，引起坡体岩土颗粒扩散、迁移、局部沉积，冲毁坡面植被层并在坡面形成错综复杂的冲蚀沟，侵蚀坡脚，破坏坡体．对降雨入渗后边坡内部发生的水土物理作用进行系统性研究较少．

20世纪90年代以来，我国学者更加注重通过试验的方法研究降雨入渗条件下多物理量的变化规律．詹良通等［6］在湖北枣阳选取了一个11 m高的典型非饱和膨胀土边坡进行人工降雨模拟试验和原位监测，对边坡土体中的水分、孔隙水压力、应力状态以及土体的变形进行监测，探讨边坡中土－水相互作用机理和土边坡失稳机理．胡明鉴等［7］在蒋家沟流域滑坡堆积斜坡上选定坡度42°的试验场地进行试验，着重分析了降雨条件下土体力学性质的改变和边坡稳定性的变化．谢妮［8］对非饱和土边坡进行野外人工降雨试验，介绍了现场监测降雨量、表面径流量、孔隙水压力(吸力)以及含水量的测量方法、所需仪器及其埋设要点．为了解降雨强度和累积雨量对边坡中水分入渗的效果及其对滑坡发生发展的影响，林鸿州等［9］进行了一系列粉细砂边坡的模型试验，认为降雨型滑坡存在“门槛累积雨量”．Huang等［10］在1．77 m×0．7 m×1．5 m的刚性模型槽内开展了3种降雨强度条件下的人工夯实砂土边坡的模型试验，试验结果表明:进入边坡土体中的水首先从坡趾部渗出，渗流作用导致边坡先从坡趾部破坏，然后使滑动面不断向后发展．

雾化降雨为一种环境条件，降雨入渗增大土体的含水率，产生孔隙水压力，形成渗流，对土体的强度、边坡受力状态等物质结构条件产生影响．为了研究这种环境条件下砂坡破坏的发展过程中，含水率、孔隙水压力的变化及分布规律，入渗水分在滑坡孕育发展过程中的作用，本文建立了边坡、人工模拟降雨的物理实验装置．

图1 模型槽及模型边坡示意图(单位:mm)Fig．1 Chamber model and slope model(unit:mm)

1 试验装置及模型边坡

1．1 试验装置

本试验平台的主体部分包括1 m×1 m×0．6 m(长×宽×高)的模型槽(见图1)、多物理量测试系统、数据采集系统和动态图像采集系统．

模型槽的材质采用有机玻璃．一方面，可以方便地在周围边界打孔，便于传感器线路通过边界埋设于边坡中，试验尝试通过透明的有机玻璃在降雨入渗过程中观测浸润线，同时为边坡的滑动观测提供了有利条件;另一方面，模型槽内壁较光滑能够较好地模拟滑坡的平面应变问题．

降水装置控制系统由自吸泵供水，高精度动态流量计测试流量，通过控制流量和喷头数量来调节降雨强度．流量计可以实时测定流量的动态数据，其大小可以通过自吸泵上的阀门调节．输水管道上安装2个过滤器，用于过滤水中的杂质，避免试验过程中喷头被堵塞而造成降雨不均匀．试验采用低压雾化喷头，喷头参数:喷雾压力大于0．32 MPa，出水量为3 L/h．由于自吸泵仅能提供0．3 MPa压力，所以在压力表之前安装1个0．1 MPa的增压泵，以保证喷头出水处的压力．

多物理量测试系统包括含水率传感器、水压力传感器．共有含水率传感器12个，安装位置见图2(a)．水压力传感器为电阻应变式压力传感器，安装位置见图2(b)．为测出边坡局部表面的滑动位移，试验采用直线位移传感器，将其固定在边坡表面，坡面的滑动带动滑杆滑动，滑杆最大滑动20 cm，布置见图2(c)．数据采集系统的主体为北京东方振动和噪声技术研究所研制的INV306u智能信号采集处理分析仪，试验中示波和采样频率分别设置为单峰正弦波和10 Hz．

图2 测量仪器布置Fig．2 Layout of sensor probe

1．2 边坡土体性质和边坡制作

边坡用土为细砂，筑坡时细砂初始含水率为2．84%．由于土的力学性质依赖于应力状态，不同的受力状态下土体的强度参数均不同，试验边坡用扰动土通过人工击实而成，试验过程中土体基本处于不固结不排水状态，本试验不是根据模拟实际边坡的受力状态也不是对实际边坡的模型相似试验，旨在通过容易、方便、可数量化地建立的小型人工边坡的破坏发展过程中监测含水率、孔压的变化，因而对土的强度参数用UU试验和快剪试验测得，UU试验测得黏聚力为0，内摩擦角为39°;快剪试验测得黏聚力为0，内摩擦角为36°．

边坡模型三维坐标(见图1)中的X向为顺坡向;Z向为垂直地面(高程方向);Y向垂直于XZ平面．模型的坡比为1∶1．5(坡角33．7°)．边坡压实度按照干密度为1．55 g/cm3控制．为保证边坡密度均匀，筑坡过程中分5层依次填筑，每层厚度6．7 cm．

2 试验过程

2．1 降雨强度选择

我国气象部门规定特大暴雨降雨强度标准为:12 h雨量不小于140 mm或24 h雨量不小于250 mm．南京水利科学研究院根据泄洪雾化原型观测资料分析，参照自然降雨中暴雨的等级标准和地质灾害气象等级划分标准，将泄洪雾雨分为5个等级［11］．本试验结合自然降雨和泄洪雾雨的强度，取用300 mm/h．

2．2 滑坡发展过程及现象

为便于边坡位置的描述，将边坡沿坡面自下而上划分为趾部、下部、中部、上部和顶部．试验中采用短历时、大雨强的降雨模式．喷头开始喷水后，开始边坡表面没有形成径流，这是由于试验所用的细砂在含水率较低的条件下渗透系数大于降雨强度，可以认为此时的降雨量就是入渗量．在降雨140 s时，坡趾处出现浸水湿润现象(图3(a)，t=140 s)．降雨584 s时，坡趾处进一步湿润，表面有一层薄水膜，表明该处表层趋于饱和，同时对坡体向外排水造成影响，此时模型槽底板上并没有包含黏粒的黄色浑浊水出现，说明坡体内部还没有细颗粒流出．降雨748 s时，坡趾处土体发生缓慢流动(图3(c)，t=748 s)，流动破坏之前坡趾处没有产生裂缝，说明破坏不是滑动．坡趾处发生流动破坏，使原来维持稳定的边坡形状发生改变，增大了边坡趾部的坡度．降雨850 s时，边坡左侧(靠近x=0处)发生流滑型破坏(图3(d)，t=850 s)，坡趾处流动破坏也逐渐由下向上发展;流滑型破坏是由于高强度降雨条件下，边坡表层形成暂态饱和区，水分质量增加，加上边坡土体的抗剪强度逐渐降低和上部砂子自重产生的推力，共同使该区域产生较大的变形，在压缩区产生暂态超静孔隙水压力，且在降雨条件下不易较快消散，进而使土体产生流滑型破坏［9］．降雨945 s时，边坡下部开始逐渐发生小块的渐进式滑动破坏(图3(e)，t=945 s)，块体高度4～7 cm不等，同时流滑破坏已产生明显的冲沟，冲沟深度6～8 cm不等．

图3 降雨导致边坡破坏发展过程Fig．3 Slope slide process by rainfall during model test

渐进式滑动破坏是由于趾部砂子的缺失在该处产生一陡坎，陡坎具有较大的坡度甚至接近90°，在降雨入渗和自身重力下具有较大的向下运动趋势，因此陡坎上游处容易产生张裂缝，促使边坡产生块体滑动，此过程循环发生，并逐渐沿坡面向上发展．坡趾处发生流动破坏的砂子和此时发生滑动破坏的砂子以及流滑体和冲沟冲下的砂子共同在原先的坡趾处及向下(X轴方向)20 cm的区域形成堆积体，堆积体有一定的坡度，但坡度更缓，明显小于原坡体的坡度．

3 试验结果分析

3．1 顺坡方向和沿坡深度方向的含水率、孔压变化

根据埋设于边坡表面以下4 cm深的5#，6#，8#，10#，13#，16#和14 cm深的9#，12#，15#测点分别得到边坡表面以下4 cm及14 cm处的含水率变化(见图4)．持续降雨86 s前，5#，6#，8#，10#，13#和16#含水率传感器读数没有发生变化，说明水分还未入渗到4 cm深的区域．

图4 边坡表面以下4 cm和14 cm含水率变化Fig．4 Water content variation at 4 cm and 14 cm below the slope surface

随着降雨的进行，含水率变化区域深度逐渐增大，可以明显看出降雨入渗从坡面到坡体自上而下逐步发展．若以各含水率传感器读数发生明显变化的时刻开始，则t13＞t16＞t6＞t8＞t10＞t5，即趾部入渗最快，其次中部，再其次顶部，上部最小．从图4可以看出，10#含水率传感器读数变化幅度小于同等深度上部、顶部的13#和16#的变化幅度，9#含水率传感器读数变化幅度也小于同等深度上部、顶部的12#和15#的变化幅度．从孔隙水压力的图5能够看出，边坡中部以下区域的孔压要大于上部和顶部，产生这种现象的原因可能是边坡上部、顶部的细颗粒经水分入渗逐渐迁移到边坡中部，造成在边坡中部聚集大量细颗粒，因而容易形成水流堵塞，引起该位置的孔压增加和含水率变化幅度减小［12］．这可以从图5(b)的18#孔隙水压力传感器的测值变化迅速增大看出，同样的现象也发生在边坡下部．但下部发生的时间要比中部早大约100 s．这种现象可以解释为什么高渗透性边坡发生破坏首先发生在下部其次是中部．同时也说明含水率变化与孔压变化并不成正比．但是这种现象并没有发生在趾部，从图4看出趾部的含水率变化最大，原因是趾部最容易发生向外的渗流，渗流增加了趾部水分含量的同时也减小了内部的孔压．以上分析表明:含水率变化大小的次序依次是趾部、顶部、上部、下部、中部;孔压变化大小的次序依次是下部、中部、上部、顶部、趾部．

图5 边坡表面以下4 cm和14 cm孔隙水压力变化Fig．5 Pore water pressure variation at 4 cm and 14 cm below the slope surface

3．2 降雨过程中坡体含水率和孔压变化

根据含水率、孔压数据，采用Kriging插值法做等值线图，反映坡体内含水率、孔压的变化．本文分3个阶段(第1阶段为边坡趾部未发生向外渗流;第2阶段为边坡趾部发生流动破坏;第3阶段为边坡下部、中部发生滑动破坏)分别对边坡破坏过程中内部含水率、孔压变化绘制相应时刻的等值线图．

第1阶段从降雨入渗开始到边坡趾部发生向外渗流为止，对应的时间为0～610 s．选取400 s时刻作为代表时刻绘制等值线图来分析边坡内部含水率、孔压变化．图6(a)可以看出此时水分还未入渗到边坡z＜150 mm，x＜200 mm所包围的区域，且该区域的等值线近似平行于坡面倾斜方向;边坡170 mm高度以上的顶部、上部的含水率沿坡面倾斜方向自上而下逐渐减小，同样在边坡70～170 mm高度的中部到上部的含水率也有相同变化，这说明在降雨入渗的初步阶段，边坡的顶部、上部和边坡表层以下的中部的含水率分布与边坡坡度有相似关系;边坡趾部、下部的含水率自下而上均较大，该区域的水分会向边坡内部入渗，这可以从图6(a)等值线密集的部位看出．图7(a)中，边坡表层的孔压等值线与坡面成近似垂直的关系，这可能是由于边坡表层处于非饱和入渗过程，逐渐形成暂态饱和区、湿润区，在深度方向上较深的湿润区和较浅的暂态饱和区的孔压相同，因而在不同深度方向上孔压可能相同;边坡趾部、下部孔压较大，造成水分在该处最先出渗．

图6 不同降雨时间坡体含水率等值线Fig．6 Water content contours during different rainfull periods

第2阶段为625～830 s，与第1阶段相比有时间延迟，因为边坡变化现象不明显，可认为是过渡期．与降雨400 s相比，图6(b)表明边坡顶部、上部、中部以下的区域，含水率的变化不是自上而下增大的，而是有分界线，即分界线以上的区域自上而下增大，分界线以下则相反．产生分界线的原因是水分入渗会逐渐形成暂态饱和区、过渡区、湿润区，但还要考虑趾部、下部的水分入渗对边坡内部的影响．图7(b)可以看出除边坡趾部、下部的表层以外，其余区域的等值线平缓且与坡面近似平行;趾部、下部的孔压最大且边坡表层的孔压明显大于静水压，说明该部分可能已经产生超静孔压，其原因可能是由于上部的砂子产生下滑的运动趋势，对该部分施加了荷载;边坡中部、下部的底层等值线发生明显偏转，说明趾部、下部入渗到边坡内部的水分对其造成影响．

图7 不同降雨时间坡体孔压等值线Fig．7 Pore pressure contours during different rainfull periods

第3阶段为845～1 000 s．图6(c)和7(c)中，顶部深处的含水率、孔压最小，上部深处的含水率最大，其余区域的含水率基本自下而上增大．图7(c)表明边坡表层、下部的孔压较大，其中下部最大;边坡表层均产生超静孔压，说明表层已经产生向下的推力不再是局部区域，边坡在这种条件下容易发生破坏．

3．3 边坡表层位移变化

将4个位移传感器沿坡面分别埋设于表层以下2 cm深处，由于1#位置靠近顶部，此处边坡发生滑动破坏需要较长时间．图8显示，顶部的滑动位移最大，其次是上部，中部最小;自下而上发生滑动，下部发生的时间要比顶部早约400 s;从各点滑动发生的时间差来看，下部、中部、上部的时间差均是100 s左右．

图8 边坡表层位移变化Fig．8 Variation in the slope surface displacement

4 结语

通过对人工边坡实施人工降雨滑坡试验，根据对试验结果的分析，可以得到以下结论:

(1)降雨入渗的初始阶段，趾部含水率最先发生变化，随着降雨的进行，含水率变化区域深度逐渐增大;坡体中不同位置水分的入渗速率并不相同，含水率、孔压变化幅度也不相同．

(2)边坡内部靠近底层的区域，其含水率和孔压的变化要考虑趾部、下部的水分入渗造成的影响，这些影响会造成该区域的等值线密集、偏转．

(3)边坡表层的孔压等值线与坡面成近似垂直的关系，这可能是由于边坡表层处于非饱和入渗过程，逐渐形成暂态饱和区、湿润区，较深的湿润区和较浅的暂态饱和区的孔压相同，因而在不同深度方向上孔压可能相同，随着非饱和入渗过程的发展，等值线与坡面近似平行．

(4)边坡破坏不是单一的一种破坏，边坡破坏最先发生在趾部，为流动破坏，然后沿坡面向上逐渐发生渐进式滑动破坏;若降雨强度显著大于土体渗透系数，在边坡表面可能会产生流滑型破坏．

(5)对含水率不同的变化幅度，超静孔隙水压力产生的原因及分布，需要理论推导和解释，这是继本试验以后仍将努力的研究方向．

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