降雨条件下四川绵遂高速石麻湾变形体位移响应特征

高美奔，李天斌，任 洋，陈国庆，薛德敏，余 鑫，郭 勇

（1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），成都610059；2.江西省地矿局 赣南地质调查大队，江西 赣州341000）

中国是一个地质灾害频发的国家，大量的斜坡体广泛分布于低山丘陵地带。这些斜坡体在降雨作用下转变为潜在地质灾害体。因此，分析降雨与斜坡之间的作用关系具有十分重要的意义。许多学者在这方面做过卓有成效的研究，如变形机制方面：吴辉、马双科等分析了暴雨及久雨条件下滑坡的变形机制［1］；程传军、简文星认为暴雨是民国场滑坡的直接诱发因素［2］；章志峰阐述了暴雨型滑坡的复活机制和防治措施［3］。降雨入渗及临界降雨值方面：刘礼领、殷坤龙等对暴雨型滑坡降雨入渗机理进行了分析［4，5］；柳源对滑坡临界暴雨强度进行了分析［6］；罗鉴银较为系统地阐述了大巴山区暴雨特征及其对坡地灾害地貌的影响［7］。此外，不少学者对降雨条件下边坡的变形及稳定性进行了深入的研究［8－11］。但将斜坡体作为主体去响应降雨条件而调整自身特征从而适应降雨环境的研究则不多。本文结合四川绵遂高速K66＋500～K66＋700段石麻湾变形体在2012年8月20日至10月10日期间的监测资料，研究变形体在雨季及旱季坡表、沉降、地表水平位移及滑面对降雨条件的响应特征，以此分析变形体的敏感区域和对降雨的敏感性。

1 工程概况

区内属亚热带季风气候，气候温和，雨量充沛。年降水量一般为800～1 400mm，年、季、月水量分配不均，变化率大。地貌类型为丘陵斜坡，路基后缘基岩出露，中部为自然斜坡，坡度为15°～25°。岩性以下白垩统苍溪组紫红色粉砂质泥岩为主，岩层产状平缓，为 N30°～60°W/SW∠1°～3°，夹粉砂岩薄层或透镜体。露头风化成土状，强风化层5.0～6.0m，弱风化层5.0～8.0m，节理裂隙较发育，抗风化能力弱，力学性质较差，承载力低。松散堆积层主要为第四系全新统残坡积层粉质黏土，含少量铁锰氧化物斑团和炭质团粒，有薄层灰白色高岭石团块。可塑－硬塑状，切面较光滑，稍有光泽，干强度、韧性中等。人工堆积层主要分布于现场施工的路基走廊区内部，结构紊乱、松散，主要为粉质黏土，含砼、卵石、砖块等，厚度一般在1.8～3.0m。

图1 变形体平面图Fig.1 Deformation body plan

石麻湾变形体全长约200m。自2011年12月通车后，路面及桥下坡体处均出现了多条裂缝，且在雨季裂缝有发展和变形加大的趋势。如图1所示，变形体主要由填筑路基和前面斜坡地段两部分组成，自东向西滑动，横向约200m，纵长约100m，面积约2×104m2，平面形态呈半圆形，后缘擦痕明显，山坡后缘张拉裂隙明显，填筑路基段发育有4条裂缝，最宽处约4cm，削坡与填土分界处和桥头位置差异沉降明显，最大沉降差约3 cm；桥下斜坡体内部发育有平行于道路走向的一条拉裂缝，最宽处约20cm。

边坡可分为削坡区、填筑区和前缘3个部分。削坡区主要为后缘光壁处，以紫红色粉砂质泥岩为主，岩层产状平缓，层面粗糙，节理裂隙较发育，抗风化能力弱，力学性质较差。边坡部分岩体十分破碎，由于裂隙的非连续、各向异性和非均质等影响，使该部分岩体的导水能力不同。水在岩体裂隙中流动时具有定向性，主要沿节理、裂隙发育的优势方向以及隙宽较大的裂隙中流动；在降雨条件下易沿优势水力路径形成局部集中水流现象，是潜在的渗透通道。填筑区主要为人工填土，结构紊乱、松散，主要为粉质黏土，含砼、卵石、砖块等，块径5～15cm。经碾压，填筑路基区的填土呈密实状态，导水能力一般。前缘主要为厚层粉质黏土，黄褐色，可塑－硬塑状，切面较光滑，稍有光泽，干强度、韧性中等，导水能力较弱。

该段原设计采用全幅高填方路基，填筑过程中路基出现大幅度开裂，后采用半路半桥方案，即左幅填筑路基，右幅高架桥修筑，左幅填筑路基采用路肩挡墙支护（图2）。

2 雨量监测

选取2012年8月20日雨季至10月10日旱季期间的降雨及地下水位监测资料进行分析，其日降雨量见图3。

在该时段，石麻湾大桥区实际降雨24天，总降雨量为387.4mm。从图3中可以看出，大部分时间为中、小降雨情况，出现大雨或暴雨的时段主要为8月20日、8月30日、8月31日、9月10日。

图2 典型剖面图（桩号K66＋586）Fig.2 The typical profile（pile number K66＋586）

图3 石麻湾大桥段日降雨量Fig.3 Daily rainfall in the Shimawan bridge area

从图4可知，据编号为 SMW2、SMW3、SMW4的深层水平位移监测孔可知各孔长期地下水位线（距孔口位置）分别为5.7m、5.2m、7.0 m左右。在出现大雨或暴雨之后，水位均有一定的上升。9月10日大暴雨之后，SMW2、SMW3、SMW4孔水位均上升了1.5m左右。地下水受降雨影响明显。

3 变形体对降雨的响应特征

该变形体于2012年4月开始进行监测，在2012年7月进入雨季以来，该部位的路面及桥下覆盖层出现了开裂迹象。原有裂缝加宽、延长并贯通，且伴有新的裂缝产生。裂缝两侧路面沉降差异较大，路面起伏不平。

3.1 坡表对暴雨响应特征

坡表对暴雨的响应特征主要体现在9月10日强降雨后，石麻湾大桥段变形体出现了微地貌变化，表现为多处小型滑塌及裂缝，且原有裂缝延伸。

图4 石麻湾大桥段地下水位Fig.4 Groundwater level in the Shimawan bridge area

3.1.1 滑塌

在9月10日强降雨冲刷作用下，桥台和路基的结合处及变形体后缘均产生局部小型滑塌。其中，滑塌长约7.0m、宽1.3～1.5m、厚0.5m，体积约为5.0m3（图5）。后缘植被护坡滑塌见图6。

图5 桥台处滑塌Fig.5 The abutment slump

图6 后缘植被护坡滑塌Fig.6 Vegetation slope protection slump on trailing edge

3.1.2 桥下裂缝

桥下裂缝在9月10日强降雨后，裂缝有所加宽，且在这个雨季期间有发展和变形加大的迹象与趋势，最大位移量可达20cm，且裂缝外侧（临空侧）的沉降明显大于靠山侧（图7）。

图7 桥下裂缝Fig.7 Cracks under the bridge

3.1.3 路面裂缝

各裂缝所处位置见变形体平面图（图1）。其中，裂缝1：长约60m，宽约12.0mm（图8），最早发现于3月份，8月份之前并未贯通，且采用沥青填充，进入雨季之后在8月5日该裂缝已经贯通；之后沿路线走向方向延伸，并加宽，裂缝两侧沉降差增大，最大沉降差约30.0mm。裂缝3：长11 m，宽约40.0mm（图9），最早发现于3月，在8月30日、31日以及9月1日持续降雨之后，裂缝加宽；在9月10日强降雨之后，裂缝进一步延伸、加宽。

图8 裂缝1Fig.8 Crack 1

图9 裂缝3Fig.9 Crack 3

3.2 沉降对降雨响应特征

选取了不同区域具有代表性的8个沉降点（2＃、6＃、8＃、15＃、17＃、25＃、28＃、29＃，见图1）分析石麻湾大桥段变形体沉降对降雨的响应特征。

3.2.1 削坡区沉降对降雨响应特征

削坡区沉降对降雨的响应特征如图10所示。

2＃、6＃监测点最终累积沉降值都较小，但对降雨响应十分明显。在8月20日降雨之后，2＃点沉降值由1.8mm降为1.0mm，沉降了8mm；6＃点沉降值由3.6mm降为－0.2mm，沉降了3.8mm。8月30日至9月1日连续降雨后，2＃、6＃点在之后的几天均产生持续的沉降，下沉幅度分别为1.8mm、2.1mm。但9月10日大暴雨之后，沉降值均有一定的增大，分析认为是降雨的入渗，强风化泥岩吸水软化膨胀所致。

图10 累积沉降曲线Fig.10 Cumulative settlement

3.2.2 填筑路基区沉降对降雨响应特征

填筑路基区沉降对降雨的响应特征如图11所示。

进入雨季之后，在频繁的降雨条件下，填筑路基区产生持续的沉降变形。截至2012年10月10日，8＃、25＃、28＃监测点累积沉降值达－51.3 mm、－47.2mm、－37.3mm（图中“－”号代表下沉），对降雨的响应十分明显。在8月20日降雨之后，8＃点沉降值由 －27.3mm 降为 －30.2 mm，沉降2.9mm；25＃点沉降值由－31.2mm降为－32.6mm，沉降了1.4mm；28＃点沉降值由－17.7mm降为－19.5mm，沉降了1.8mm。8月30日至9月1日连续降雨后，8＃、25＃、28＃点在之后的几天均产生持续的沉降，下沉幅度分别为1.3mm、3.5mm、1.9mm。但在9月4日至9月10日停止降雨后，沉降值均有一定的增大，增加值分别为2.5mm、2.3mm、1.4mm。在9月10日之后，在降雨条件下产生持续的沉降变形，且最终沉降值较大。

图11 累积沉降曲线Fig.11 Cumulative settlement

3.2.3 沉降对降雨的响应特征

石麻湾大桥段沉降对降雨的响应特征如图12所示。

17＃、29＃监测点最终累积沉降值都不大，但对降雨响应十分明显。在8月20日降雨之后，17＃点沉降值由3mm 降为1.8mm，沉降1.2 mm；29＃点沉降值由1.7mm降为0.4mm，沉降了1.3mm。8月30日至9月1日连续降雨后，17＃、29＃点在之后的几天均产生一定的沉降，下沉幅度分别为0.5mm、0.4mm。但在9月4日至9月10日停止降雨后，沉降值均有一定的增大，增加值均为1.9mm；9月10日之后，在降雨的作用下产生持续的沉降变形。

3.3 地表水平位移对降雨响应特征

3.3.1 削坡区地表水平位移对降雨响应特征

削坡区地表水平位移对降雨的响应特征如图13所示。

图12 累积沉降曲线Fig.12 Cumulative settlement

图13 水平位移Fig.13 Horizontal displacement

2＃、6＃监测点最终累积位移值都不大，但对降雨的响应十分明显。在8月20日降雨之后，2＃点位移值由16.0mm变为－6.0mm，向西移动了22.0mm；6＃点位移值由22.0mm 变为－5.0mm，向西移动了27.0mm。但停止降雨后，位移值均有一定的恢复回弹，在8月29日的位移值分别为0.0mm、15.0mm，分别回弹了约6.0mm、20.0mm。随着8月30日至9月1日连续降雨，2＃、6＃点在之后的几天均产生持续的变形，分别向西移动了约21.0mm、20.0mm。同样，在9月4日至9月10日停止降雨后，位移值均有一定的回弹，回弹值分别为25.0mm、8.0 mm。9月10日的大暴雨致使2＃、6＃点向西变形，2＃点变化不大，6＃点移动了约10.0mm。

3.3.2 填筑路基区水平位移对降雨响应特征

填筑路基区地表水平位移对降雨的响应特征如图14所示。

图14 水平位移Fig.14 Horizontal displacement

8＃、15＃、28＃监测点最终累积位移值都较大，最大地表水平位移值分别为－47.0mm、－69.0mm、－70.0mm。在8月20日降雨之后，8＃点位移值由15.0mm 变为－19.0mm，向西移动了34.0mm；15＃点位移值由－6.0mm变为－39.0mm，向西移动了33.0mm；28＃点位移值由3.0mm变为－24.0mm，向西移动了27.0 mm。随着8月30日至9月1日连续降雨后，8＃、15＃、28＃点在之后的几天均产生持续的变形，分别向西移动了约17.0mm、2.0mm、10.0 mm。停止降雨后，8＃、28＃点回弹明显，回弹值分别为36.0mm、14.0mm。9月10日的大暴雨致使8＃、15＃、28＃点向西分别移动了约5.0mm、5.0mm、2.0mm，变化不大。

3.3.3 地表水平位移对降雨的响应特征

石麻湾大桥段地表水平位移对降雨的响应特征如图15所示。

进入雨季之后，在频繁的降雨条件下，石麻湾大桥产生了较大的位移，17＃点最大位移值达－37.0mm，29＃点最大位移值达－47.0mm，且位移变化与降雨关系十分密切。在8月20日降雨之后，1 7＃点位移值由14.0mm变为－5.0 mm，向西移动了 19.0mm；29＃点位移值由－13.0mm 变为－36.0mm，向西移动了23.0 mm。停止降雨后，29＃点位移值有一定的恢复回弹，回弹值为10.0mm。随着8月30日至9月1日连续降雨后，17＃、29＃点在之后的几天均产生持续变形，分别向西移动了约17.0mm、16.0 mm。同样，在9月4日至9月10日停止降雨后，位移值均有一定的恢复回弹，回弹值分别为12.0 mm、31.0mm。9月10日的大暴雨致使17＃、29＃点向西移动了11.0mm、10.0mm。

3.4 滑面位移对降雨响应特征

根据编号为SMW2、SMW3、SMW4的深层水平位移监测结果，各监测孔滑面位置分别出现在孔口下23.5m、22.5m、29.0m 处，图16给出了各孔滑面位移对降雨的响应特征。

图15 水平位移Fig.15 Horizontal displacement

图16 滑面处累积位移Fig.16 Sliding surface cumulative displacement

滑面在雨季之前变形量都很小，各孔的位移值均＜10.0mm。进入雨季之后，自7月16日开始，频繁的降雨条件下滑面产生持续的变形，对降雨的响应十分明显。截至10月4日，SMW2、SMW3、SMW4滑面处的累积位移分别为31.1 mm、38.3mm、47.7mm，且前缘SMW4的位移明显大于SMW2和SMW3的位移值。分析认为，在降雨入渗过程中，SMW2和SMW3位于石麻湾大桥下面，且挡墙中排水孔及前面排水沟布置完善，便于降雨和地下水向斜坡区域（即SMW4所处区域）排泄，造成大量雨水汇流及入渗到SMW4所处区域。且工区岩性主要为粉砂质泥岩，表层风化严重，节理裂隙发育，加上坡表发育的长大裂缝，形成了较好的入渗流动通道，便于降雨入渗和地下水流通。因此，在降雨条件下，雨水的入渗致使该区域坡体质量增加，岩土体软化，最终造成SMW4处滑面位移明显大于SMW2和SMW3处滑面位移。9月10日暴雨之后，SMW2和SMW3处滑面处位移变化不大。

4 响应分区及原因分析

4.1 响应敏感性分区

总体上，变形体不同区域对降雨的响应程度及特征不同。

沉降较大的有8＃点、25＃点，最终累积沉降值分别为－51.3mm、－47.2mm，均位于填筑路基区。削坡区和大桥段最终沉降值较小，主要表现为对3次大雨、暴雨的响应。

地表水平位移较大的有8＃点、28＃点，最终累积位移值分别为－32.0mm、－48.0mm，均位于桥头位置。削坡区和填筑路基区最终位移值较小，但对3次大雨、暴雨的响应明显。

滑面位移方面：从图16可见，滑面位移持续下降，对3次大雨、暴雨的响应不如沉降、地表水平位移强烈。

综上所述，变形体对降雨响应敏感程度，在平面上，填筑路基区沉降对降雨的响应较其他区域敏感，表现为持续累进沉降，且填筑路基区桥头位置变形对降雨响应较其他区域敏感，表现为持续累进变形。在竖向上，滑面位移产生持续累进变形，对降雨的响应十分明显，但对3次大雨、暴雨的响应不如沉降、地表水平位移强烈。

4.2 敏感特征分析

总体上，敏感区域对不同降雨响应表现不同。选取变形体对8月20日、8月30～31日及9月10日等3次大雨、暴雨进行响应特征分析。变形体沉降、地表水平位移对3次大雨、暴雨的响应特征值见表1、表2。

表1 沉降响应特征值Table 1 The response characteristics value of settlement

表2 地表水平位移响应特征值Table 2 The response characteristics value of the surface horizontal displacement

从表1、表2可见，变形体沉降、地表水平位移对8月20日强度为47.9mm的降雨响应程度最强烈，对8月30～31日的降雨响应次之，对9月10日强度为177.9mm的响应不强烈。对9月10日大暴雨的响应主要为冲刷条件下坡面微地貌的改变。从沉降、地表水平位移的特征上看，3次大雨、暴雨后，沉降、地表水平位移都表现为大幅度的改变，且在降雨停止后，数值都均有一定程度的回弹恢复，8月30～31日的回弹恢复值普遍较大，部分能恢复至降雨前的水平。

4.3 原因分析

降雨部分入渗坡内，部分沿坡面以地表径流的形式排泄。变形体降雨作用如图17所示。

图17 变形体降雨作用示意图Fig.17 The effect of rainfalls on the deformation body

变形体对8月20日47.9mm降雨量和8月30日至9月1日降雨量50.2mm的响应分析：变形体岩性主要为粉砂质泥岩，表层风化严重，节理裂隙发育，主要为平行层面裂隙和近垂直层面裂隙，将表层岩体切割成块状，部分岩体已经成泥状，且长大裂缝发育，形成了较好的入渗流动通道，便于降雨入渗和地下水流通。加上10cm厚的植被护坡，在降雨条件下，大部分降雨渗入至植被护坡区和强风化区，致使两区域的岩土体吸水软化，形成了较好的持水层，造成岩土体自重增加且在降雨停止后仍能通过裂隙通道持续不断地补充地下水。因此，在降雨作用下，地下水位升高，如图17降雨后水位线所示，大部分降雨渗入到填筑路基区，加上道路已经通车，由于车辆动载作用，降雨后填筑路基区产生超孔隙水压力，致使位移发生突变；随着孔隙水压力的消散，部分变化得到一定程度的回弹恢复。在强风化区和植被护坡区持水层的持续补水条件下，填筑路基区产生持续累进变形，包括填筑路基区的不可恢复的固结沉降及水平位移，最终造成变形体对这两次降雨的响应特征是突发、部分可逆的累进性变形。

变形体对9月10日177.9mm降雨量的响应分析：9月10日的强降雨致使变形体后缘大面积植被护坡被冲刷（图6）。大部分降雨以坡表径流的形式排泄，入渗到强风化区的水量较小，未能在植被护坡区和强风化区形成较好的持水层；且在冲刷作用下带走了较多坡表松散物质，降低了坡体的自重。因此，变形体对9月10日177.9 mm降雨量的响应特征并不明显，主要为冲刷作用下的微地貌的变化。

综合分析认为，该变形体对47.9mm的日降雨响应特征更敏感。且变形体对日降雨量在47.9～50.2mm的响应表现为突发、部分可逆的过程，对大暴雨的响应并不明显。

5 结论

通过对石麻湾大桥段变形体在2012年8月20日至10月10日期间降雨的响应特征分析，得出以下主要结论与认识：

a.变形体对降雨的响应敏感程度，在平面上，填筑路基区沉降对降雨的响应较其他区域敏感，表现为持续累进沉降，且填筑路基区桥头位置变形对降雨响应较其他区域更敏感，表现为持续累进水平变形。在竖向上，滑面位移产生持续累进变形，对降雨的响应十分明显；但对3次大雨、暴雨的响应不如沉降、地表水平位移强烈。

b.变形体对8月20日降雨量为47.9mm的响应较其他几次降雨更敏感，对9月10日降雨量为177.9mm的响应主要表现为冲刷条件下坡表微地貌的改变。

c.石麻湾变形体对47.9mm的日降雨响应特征更敏感，且对日降雨量在47.9～50.2mm的响应表现为突发、部分可逆的过程，对大暴雨的响应并不明显。

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