降雨条件下滑坡变形稳定性分析.pdf

江西建材岩土工程与勘察1812023年6 月降雨条件下滑坡变形稳定性分析马鸿亮江西省交通设计研究院有限责任公司，江西 南昌 330052摘 要：为探究砂土边坡在降雨条件下的稳定性，文中通过模拟自然降雨下的砂土覆盖层滑坡试验，对滑坡发生全过程下坡体的湿润锋、体积含水率、孔隙水压力和变形情况等进行研究，并揭示降雨条件下滑坡变形的内在机理。结果表明，湿润锋、体积含水率和孔隙水压力三者的变化关系密切，且砂土边坡滑坡的发展过程可通过孔隙水压力的变化进行反映；边坡变形量随降雨的持续而增大，原因主要在于降雨入渗过程中饱和度和孔隙水压的增大，使得土体有效应力和颗粒间约束能力降低。关键词：滑坡试验；降雨入渗；饱和度；有效应力中图分类号：P642文献标识码：B文章编号：1006-2890（2023）06-0181-03Analysis of Downhill Deformation Stability under Rainfall ConditionsMa HongliangJiangxi Provincial Transportation Design and Research Institute Co.Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330052Abstract:In order to explore the stability of sandy slope under rainfall conditions,the wetting front,volume moisture content,pore water pressure and deformation under the whole process of landslide are studied by simulating the landslide test of sand overburden with natural rainfall,and the internal mechanism of landslide deformation under rainfall conditions is revealed,and the results show that the changes of wet front,volume moisture content and pore water pressure are closely related,and the development process of sand slope landslide can be reflected by the change of pore water pressure.The reason for the increase of slope deformation with continuous rainfall is mainly reflected in the increase of saturation and pore water pressure during rainfall infiltration,which reduces the effective stress and intergranular restraint capacity of the soil.Key words:Landslide test;Rainfall infiltration;Saturation;Effective stress作者简介：马鸿亮（1989-），男，江西兴国人，本科，工程师，主要研究方向为岩土工程。0 引言滑坡与多种因素有关，降雨是其中重要的因素之一。降雨因改变地下水位、增加土壤饱和度、减少土体内部的摩擦力等，从而导致滑坡发生，不仅严重威胁生命财产，同时对环境和生态造成不可恢复的影响，因此,研究降雨条件下滑坡变形的机理和规律，对预防和减轻滑坡灾害具有重要的意义1。近年来，随着科技的发展和研究方法的不断更新，对降雨条件下滑坡变形的研究取得了一系列重要进展。例如，通过地形测量、遥感技术等手段可对滑坡区的地貌、土地利用等因素进行综合分析，从而预测滑坡的发生概率和范围2。同时，利用数值模拟方法可以对滑坡的稳定性进行定量分析，预测滑坡的变形和发展趋势3。此外，采用现场观测、室内试验等方法4，可以深入探究土体在降雨条件下的变形机理和规律5，为滑坡防治提供科学依据。但由于滑坡灾害具有复杂性和不确定性，研究方法和数据来源存在局限，导致滑坡预测和防治仍面临巨大困难6。为了探究降雨条件下滑坡的稳定性，本文通过设计降雨诱发砂土覆盖层滑坡试验，并总结滑坡前后土体各项水力参数变化规律，为预防和减轻滑坡灾害提供一定理论依据。1 滑坡模拟试验1.1 试验装置本次室内模拟试验装置主要由人工降雨系统和滑坡模拟槽构成。滑坡模拟槽是长、宽、高分别为4.5 m、1.0 m、3.0 m的透明有机玻璃盒，通过角钢进行固定，并在盒底部设置排水孔，在排水孔底部外接水箱防止槽内过量积水。模拟槽上部装设人工降雨装置，采用 QYJY-503 降雨系统最大程度地对自然降雨进行模拟。装置总体由模拟降雨喷头、供水装置、排水装置、水箱、稳压分水箱、压力表和支撑六部分组成，其中供水装置包括水泵、供水管道，排水装置为排水管道。该装置的工作原理为，接电后由供水装置中的水泵抽取水箱中的水至稳压分水箱中，水压引起的变化使得分水箱顶部压力表度数发生变化，并以信号的形式传递给变频器，由变频器根据频率大小通过供水管道输送不同程度的水量至降雨喷头处模拟降雨。待降雨完成后，水由排水管道回流至水箱中，从而形成闭环。1.2 参数测量系统本次试验主要针对滑坡前后湿润锋、体积含水率、孔隙水压力变化和整个坡体的变形情况进行研究，因此整个测量系统包含渗压计、含水率传感器、图像处理软件和参数采集装置等设备。渗压计采用 VWP-G型跟踪式渗压计，测量端置于待测位置，输出端连接 JHYC电阻应变仪，通过电阻应变仪将滑坡过程中孔隙水压的变化进行全过程记录。含水率传感器采用EC-5 水分传感器，同样将测量端置于待测位置，输出端连接NSAT-4000多通道数据采集系统，利用该系统测量记录土体体江西建材岩土工程与勘察1822023年6 月积含水率的变化情况。图像处理软件主要采用ImageJ对滑坡前后坡体斑点的位移变化进行对比分析，以此确定滑坡位移的大小及严重程度。2 研究方法取某地边坡回填使用的砂土，摊铺晾晒后过筛处理，并去除杂质，作为边坡覆盖层留用。将普通砖放置于滑坡模拟槽内，并混合砂石水泥制成模拟基岩。待基岩养护完成后铺设砂土在其表面，构筑边坡覆盖层，铺设时分三层进行，每层铺设后均采用橡胶锤进行夯实处理，构筑成坡度为20的坡体。具体如图1所示。图1 模拟边坡示意图不同水力参数的测量试验，视具体情况在覆盖层或基岩不同位置布设测量装置。湿润锋的测量选择坡体顶部、中部和底部三个测点测量入渗距离；体积含水率的测量，则将1 号和3号含水率传感器设置在基岩顶部及基岩中部，坡体覆盖层顶部、中部和底部分别埋置5号传感器、2号传感器和4号传感器。孔隙水压的测量共设置5 个渗压计测量点位，其中5 号渗压计设置于覆盖层顶部，4 号、2 号、3 号渗压计分别设置在距顶部1/3 位置处、2/3 位置处和底部，1 号渗压计埋设于基岩顶部位置。整个试验过程控制降雨强度为85 mm/h。3 结果分析3.1 降雨条件下湿润锋运移分析对坡体在85 mm/h的持续降雨强度下进行80 min的监测和记录，湿润锋运移情况如图2 所示。图2 模拟试验覆盖层湿润锋运移情况从图2 可以看出，坡体顶部、中部和底部测点湿润锋的运移距离和速率均不相同，在控制降雨强度一定的情况下，底部的湿润锋在23 min时最先达到最大值，即运移到基岩面，共运移20 cm。中部测点在40 min时运移到基岩面，湿润锋运移37 cm。顶部测点约在53 min时才达到基岩面，湿润锋共运移50 cm。从不同测点的湿润锋不同阶段的运移速率可以看出，降雨初期015 min区段，湿润锋运移速率最快，且底部测点的运移速率相较其余测点更快，其次为顶部测点，中部测点运移最慢。但在15 min左右时，坡体中部测点入渗速度加快，随后趋于稳定。其原因可能是降雨初始阶段雨水顺坡体表面聚集于底部，使得坡体底部水量大于顶部和中部，造成底部入渗速度偏大，但随着入渗距离达到最大值，土体趋于饱和，渗透路径逐渐打开，使得各个测点的入渗速度均有所提高。3.2 降雨条件下体积含水率运移分析通过5 个含水率传感器，对基岩、坡体覆盖层各测点进行持续240 min的含水率测定，各点含水率变化情况如图3所示。图3 模拟坡体各测点体积含水率变化情况从图3可以看出，在降雨时长为010 min时，土体体积含水率变化不大，可认为基本保持不变。在达到10 min后，位于底部的4 号传感器监测含水率率先增大，并在降雨持续时间增长到20 min左右时体积含水率达到稳定。位于覆盖层表面的5号和2号传感器均在16 min左右时开始增加，并分别在30 min和20 min左右时,降低增幅，持续到60 min和40 min时继续保持同比增长，最后在80 min和58 min时二者体积含水率达到稳定。而位于覆盖层下部，基岩表面的1号和3号传感器监测到体积含水率相应较晚，在20 min时开始增加，并分别在40 min和70 min时达到稳定。但在降雨达到160 min以后的阶段中，2号传感器监测到的体积含水率出现显著波动并持续到降雨完成。结合湿润锋运移结果可以看出，各个测点的体积含水率会随着湿润锋的运移而不断改变，并随着时间的增长，在接近或完全饱和的位置会产生饱和扩散现象。2 号传感器反映出体积含水率急剧波动的现象，原因可能是坡体产生了滑塌破坏。3.3 降雨条件下孔隙水压力分析为进一步从微观角度对降雨条件下影响滑坡稳定性的因素进行分析，对布置于基岩和覆盖层的5 个渗压计测点进行240 min的测定，结果如图4 所示。江西建材岩土工程与勘察1832023年6 月图4 模拟坡体各测点孔隙水压力变化情况从图4 可以看出，在010 min时，5 个渗压计测点均未发生变化，此结果表明，此时湿润锋尚未运移到渗压计测点处。在降雨持续10 min后，设置于覆盖层的渗压计测点按5、4、3、2的顺序开始变化，位于基岩的测点1在40 min左右时才开始增大。降雨达到20 min时渗压计3增大到最大值，并在60 min以后，逐渐波动减小至0.4 kPa左右。渗压计1、2、4、5测得的孔隙水压变化趋势大致与3 相似，均表现为先增大至最大值，随后波动减小，但仅有4号渗压计的孔隙水压最终降为0。上述结果表明，雨水的入渗对孔隙水压的影响较大，当降雨初期雨水渗入覆盖层内部时，伴随着土含水率增加和孔隙间的渗流作用，孔隙水压力大幅提升。随着雨水入渗达到稳定，土体趋于饱和，孔隙水压力达到稳定阶段。在降雨后期，随着滑坡的发生，坡体受到破坏，导致孔隙水压开始减小，但伴随着孔隙间的渗流现象，水压总体上呈现波动减小的趋势。3.4 降雨条件下的坡体变形分析为探讨滑坡前后坡体的位移变化情况，采用ImageJ软件对破坏前的覆盖层进行标记，并统计了距图像原点200800 mm位置处各时段的平均位移增量。如图5 所示，其中，同一位置从左至右降雨时段依次为040 min、4080 min、80120 min、120160 min、160200 min和200240 min。图5 模拟试验坡体变形情况统计结果从图5可以看出，040 min时，坡体变形较小，但在40 min之后变形显著增大。结合前文分析可知，坡体的变形量与土体的饱和程度密切相关，随着雨水渗入量的增加，土体饱和程度增大，孔隙间的渗流会得到强化，导致土体容重的增加，从而加大了坡体变形。4 结语为探究降雨条件下滑坡的稳定性，本文设计了降雨诱发砂土覆盖层滑坡试验，并总结了滑坡前后土体各项水力参数的变化规律，得出如下结论：（1）湿润锋的运移，伴随着边坡土体饱和度和孔隙水压力的提升，孔隙内部的渗流作用加剧，对边坡的稳定性产生一定影响。（2）边坡的变形量与土体的饱和度有关，主要通过强化孔隙间渗流作用，增加土体的容重来影响边坡的变形量。参考文献 1 李先华，林珲，陈晓清，等.GIS 支持下降雨滑坡的启动机制研究与数字仿真J.工程地质学报，2001，9（1）：133-140.2 杨继红，董金玉，郝小红，等.岩体应力应变曲线转型的孔压效应与降雨滑坡的机制分析J.工程地质学报，2009，17（5）：4.3 李维朝，戴福初，闵弘，等.基于降雨滑坡机理的水文过程监测系统设计J.中国地质灾害与防治学报，2010，21（4）：5.4 李秀珍，何思明.基于 Mein-Larson 入渗模型的浅层降雨滑坡稳定性研究J.灾害学，2015，30（2）：5.5 付文韬.陇南武都地区典型降雨滑坡稳定性预测及变形破坏机制D.北京：中国地质大学，2019.6 蔡征龙，徐卫亚，石崇，等.基于简化 Bishop 积分法降雨滑坡失效概率模型研究J.四川大学学报（工程科学版），2016，48（3）：7.参考文献 1 陈国兴，孔梦云，李小军，等.以标贯试验为依据的砂土液化确定性及概率判别法J.岩土力学，2015，36（1）：9-27.2 李孝雄，杨煜杰，赵卿，等.含水率对土体力学参数的影响J.湖南城市学院学报（自然科学版），2020，29（3）：16-19.3 李澄清，刘天为，张海洋，等.基于 BP 神经网络的土体细观力学参数反演分析J.工程地质学报，2015，23（4）：609-615.4 黄茂松，姚仰平，尹振宇，等.土的基本特性及本构关系与强度理论J.土木工程学报，2016，49（7）：9-35.5 罗刚，张建民.考虑物态变化的六参数砂土本构模型J.清华大学学报（自然科学版），2004（3）：402-405.6 姚仰平，余亚妮.基于统一硬化参数的砂土临界状态本构模型J.岩土工程学报，2011，33（12）：1827-1832.7 段伟，蔡国军，刘松玉，等.基于 SCPTU 原位状态参数确定方法及液化应用试验研究J.岩石力学与工程学报，2019，38（S1）：3151-3162.（上接第180页）