降雨作用下土石混合体稳定性研究

杨 芍

(中国水利水电第七工程局有限公司南方分公司，广东 深圳 518131)

0 引言

我国西南地区拥有山地、丘陵、高原、平原等地貌，复杂多样的地形地貌伴随地震、降雨的作用，地质灾害频发。土石混合体在降雨的作用下容易变形失稳，使灾害范围内的建筑物受损害，严重威胁到人民的生命财产安全。

受其自身复杂、不规律的组成结构影响，研究土石混合体的性质不同于一般土体。土石混合体内部块石的形状、含量及块石的分布等都会影响其剪切强度。为了应对降雨下土石混合体的滑坡致灾情形，大量学者展开降雨条件下土石混合体稳定性能的研究。一些学者通过对现场降雨试验的监测，研究降雨对土石混合体内部含水率、孔隙水压力、基质吸力和土体位移的影响[1-3]。一些学者通过建立降雨下土石混合体滑坡的物理模型，研究影响边坡稳定性的因素，包括土石混合体的块石含量、降雨的强度和历时等[4-7]。还有学者通过数值模拟的方法研究降雨对土石混合体内部性质的影响，并对边坡在雨水入渗后的渗流场、应力场及边坡稳定性系数的变化进行研究[8-11]。

总结上述学者的研究成果，观察发现主要集中于研究土石混合体的力学性质和边坡整体的变形失稳，土石混合体内部块石空间分布对坡体稳定性的影响分析考虑较少。因此，针对降雨下土石混合体边坡变形失稳规律的研究，综合考虑块石空间分布、降雨强度和坡度三个主要影响因素，采用极差和方差分析，研究土石混合体内部结构对整体变形失稳的影响规律。

1 试验装置与试验材料

1.1 试验材料

物理模型试验中的土石混合体斜坡，采用的块石和土颗粒均为试验现场就近购置。对土颗粒进行处理，筛取粒径大于50 mm的粗颗粒。依据土工试验所测得的土颗粒级配曲线，制备本试验土样的颗粒级配。

1.2 试验模型

采用模型试验模拟降雨下的土石混合体斜坡。模型斜坡堆积体尺寸为：1 243 mm×600 mm×400 mm(长×宽×高)。降雨模拟采用JLC-RY1型便捷式全自动人工降雨模拟系统，该系统包括喷淋单元、供水管线、增压单元、控制单元、储水桶、雨量传感器等。本系统的降雨高度为3 000 mm，降雨面积为0.72 m2(见图1)。

1.3 试验方案

试验考虑块石空间分布、降雨强度和坡度三种因素，每种因素有四个因素水平。块石的空间分布分为前中端、后缘、顶层、中下层，详细分布位置如图2所示。基于震后汶川典型降雨致土石混合体滑坡等灾害的研究，并收集降雨数据。本试验中设置四种降雨强度：60 mm/h,100 mm/h,140 mm/h,180 mm/h。坡体坡度为：25°,35°,45°,55°。试验根据L16(43)正交表实施，试验总组数为16组，如表1所示。

表1 L16正交试验表

2 多因素正交试验结果分析

2.1 试验检测指标

为表征降雨条件下土石混合体边坡的失稳机制，提出四个时间节点和两个持续性时间。四个时间节点分别对应降雨条件下四种现象的最早开始时间：最早开始出现裂缝时间te(track)；裂缝出现后，扩展至横向裂缝最早达到坡宽的时间tu(track)；最早开始出现坡体坍滑的时间te′(track)；坡体出现坍滑现象后，坍滑范围最早达到坡宽的时间或者坍滑达到坡顶的时间tu′(track)。

两个持续性时间由下列式子计算得出：

t(valid)=tu(track)-te(track)。

t′(valid)=tu′(track)-te′(track)。

其中,t(valid)为边坡灾害预警和机动时间；t′(valid)为边坡局部滑坡灾害与大面积滑坡灾害发生之间的预警和机动时间。

2.2 极差分析

正交试验结果如表2所示。为研究块石空间分布、降雨强度、坡度三种因素对土石混合体边坡稳定性的主要因素，以及各影响因素的主次关系，对表2中的数据进行极差分析，计算结果填入表3中。

由表2,表3可知，针对每一个检测指标，各影响因素极差值大小均为：坡度>降雨强度>块石空间分布。坡度对每个指标的影响最大，其次是降雨强度，影响最小的因素是块石空间。且坡度的影响作用远远大于其他两个因素，说明坡度是本试验中影响土石混合体边坡稳定性的最主要因素。

表2 正交试验结果表

表3 各参数对各检测指标的极差分析

对于最早开始出现裂缝时间te(track)，可以发现在降雨强度为100 mm/h条件下，块石空间分布于土石混合体中下层，坡体坡度为45°时te(track)最小，即T14试验组。说明该环境下的土石混合体更容易出现裂缝，需重视野外现场的实时监测与巡视工作。

对于裂缝扩展最早达到坡宽的时间tu(track)，出现最大的极差为98.86，其值为降雨强度极差的3倍、块石空间分布极差的5倍多。最大极差所对应的影响因素为坡度，说明坡度变化对土石混合体边坡裂缝扩展的影响最大并且远远大于其他两个因素。可以发现在降雨强度为180 mm/h条件下，块石空间分布于土石混合体前中端，坡体坡度为55°时tu(track)最小，即T4试验组。说明从裂缝出现后，该环境下的土石混合体更容易发展为达到坡宽的横向裂缝，此时同样需重视实际野外现场的监测与巡视工作。

观察发现T8实验组te′(track)最小，即在降雨强度为180 mm/h条件下，块石空间分布于土石混合体后缘，坡体坡度为45°时更容易出现坡体的坍滑。这一结论不同于上述te(track)和tu(track)，说明土石混合体最早出现坍滑的时间与坡体裂缝的发展时间不具有很大的相关性。

T8实验组的tu′(track)最小，说明在该环境下的土石混合体坡体更容易从开始出现坍滑发展为完全坍滑。可以发现该结论与上述te′(track)结论一致，坡体完全坍滑的时间与坡体裂缝的发展时间相关性小，与坡面最早坍滑时间相关性显著。

根据公式计算正交试验各组t(valid)和t′(valid)，计算结果如表4所示。

表4 正交试验t(valid),t′(valid)结果表

由表4可知，T4试验组的t(valid)和t′(valid)均最小，即降雨强度为180 mm/h条件下，块石空间分布于土石混合体前中端，坡体坡度为55°。说明在该环境下土石混合体从出现裂缝待扩展至坡宽横向裂缝的时间、出现坍滑发展为完全坍滑的时间最短，这就意味着留给人们预警灾害和采取措施的机动时间更短。因此，对于此类环境下的土石混合体边坡需要重点关注。

2.3 方差分析

为研究各因素对土石混合体边坡稳定性的显著性大小，对表3中的数据进行方差计算，得到各检测指标的方差分析表见表5～表8。

表5 检测指标te(track)的方差分析

表6 检测指标tu(track)的方差分析

表7 检测指标t'e(track)的方差分析

表8 检测指标t'u(track)的方差分析

通过表5～表8中数据分析，各检测指标的方差分析中，坡度的显著性水平均小于0.05，说明坡度对土石混合体边坡稳定性具有显著性影响,而降雨强度的显著性水平均大于0.05，说明降雨强度对土石混合体边坡稳定性没有明显影响。

观察表5～表8中坡度因素的F比值，各检测指标由大到小依次为：tu′(track)>tu(track)>te′(track)>te(track)。即针对坡度影响因素，对土石混合体坡体坍滑的显著性影响大于坡体裂缝扩展的显著性影响，说明坡度因素更容易造成土石混合体坡体的坍滑。对于坡体裂缝发展来说，主要影响原因可能是降雨使得雨水渗入土石混合体，增加坡体自重水压力，降低土体的抗剪强度，从而导致裂缝的扩展贯通。

3 结论

1)极差分析中，各检测指标的极差大小均为：坡度>降雨强度>块石空间分布，坡度因素对土石混合体边坡稳定性影响最大。te(track),tu(track)最小值所处实验组不同，且不同于te′(track),tu′(track)。而te′(track),tu′(track),t(valid)和t′(valid)最小值均为同一试验组，裂缝的扩展和坡体的完全坍滑时间与裂缝和坍滑最早出现的时间无关，与裂缝扩展至坡宽横向裂缝的时间差和出现坍滑发展为完全坍滑的时间差相关，应重点关注此类情况下的土石混合体。2)方差分析中，坡度较降雨强度对土石混合体边坡稳定性具有显著性影响。且坡度对于土石混合体坍滑显著性影响大于坡度对土石混合体裂缝扩展贯通至坡宽的显著性影响。