強降雨作用下花崗巖全風化土坡致災現場模型試驗研究

譚建民， 伍寒浪， 王世梅*， 李高

(1.三峽大學三峽庫區地質災害教育部重點實驗室， 宜昌 443002； 2.中南地質科技創新中心， 武漢 430205)

贛南地區地貌以丘陵、山地為主，地形起伏大，每年4—6月暴雨頻發時期，是該地區地質災害發育高峰[1-2]。當地居民多沿道路兩側切坡建房，在強降雨條件下極易發生滑坡，且多發生花崗巖全風化層中，嚴重威脅居民的生命財產安全。因此，開展強降雨條件下花崗巖全風化土坡的失穩機制研究，對該地區的防災減災工作具有重要的指導意義。

近年來，許多學者對降雨誘發滑坡災害問題進行了大量研究。有學者從數值計算方面入手，王一兆等[3]為得到淺層邊坡穩定性的變動規律，對滑動面的孔隙水壓力及滲透系數進行了分析；張新偉等[4]提出了一種降雨入滲概化模型，通過數值模擬與監測數據的優化對比，對王家臺滑坡進行了巖土參數反演分析；杜忠原等[5]以山西某礦區邊坡為研究對象，進行滲流與應力數值耦合，分析了不同降雨強度下雨水入滲對邊坡穩定性的影響。也有學者通過可靠性理論分析來探究。蔣水華等[6]考慮了降雨入滲與土體多參數空間變異性作用下的邊坡失穩機理，對不同降雨歷時下的邊坡穩定性進行了可靠度分析；覃小華等[7]通過建立基巖型層狀邊坡可靠度計算模型,分析了飽和滲透系數變異系數及降雨強度對滑坡失穩破壞概率及安全系數均值的影響；Jeon等[8]提出了一種概率方法，對風化巖土進行非飽和邊坡穩定性分析。還有學者通過模型試驗揭示降雨誘發滑坡機理，劉廣寧等[9]開展降雨作用下的滑坡模型試驗，得到華南強風化區域降雨型滑坡的降雨特點及致災機理；甘建軍等[10]對不同坡角的軟弱夾層堆積體進行了降雨物理模型試驗，以揭示降雨入滲對該類邊坡穩定性的影響；范秋雁等[11]通過室內邊坡模型試驗，研究了膨脹巖邊坡在連續降雨和濕-干循環模式下的變形和水分入滲特性。但室內滑坡模型試驗需要以相似理論對原型滑坡進行概化縮尺[12]，存在尺寸效應、材料重塑等局限之處，難以還原實際的現場情況，因此，采用現場滑坡模型試驗是更為可靠的手段。

目前，對于降雨條件下花崗巖全風化土坡的致災問題，總體研究仍是以數值模擬和室內模型試驗手段為主[13-16]，然而，針對花崗巖全風化土坡的現場試驗研究較少。為此，基于贛南地區降雨誘發人工切坡破壞致災問題的嚴峻性，選取該地區一處花崗巖全風化人工切坡，布設降雨裝置及監測儀器，開展了現場的人工降雨試驗，對試驗邊坡的破壞過程及孔隙水壓力、含水量等隨降雨的變化規律進行分析，探討強降雨作用下花崗巖風化土坡的失穩機制和破壞模式，為贛南地區切坡建房和滑坡致災問題提供參考。

1 現場試驗

1.1 試驗邊坡概況

試驗邊坡為新開挖人工切坡，位于贛州市興國縣鼎龍鄉杞下村土牛下組，其坡高約4 m，寬約2.5 m，坡長約5.3 m，坡度約55°，巖性為粗粒斑狀黑云二長花崗巖全風化土。其參數指標如表1所示，土的顆粒級配曲線及土水特征曲線如圖1所示。

表1 土的基本物理力學參數

圖1 土的顆粒級配曲線及土水特征曲線Fig.1 Soil particle gradation curve and soil-water characteristic curve

1.2 降雨及監測裝置

根據現場邊坡的實際情況進行了降雨裝置的設計。該降雨裝置包括有支架、雨水輸送管道和噴頭組成的雨水發生主體，以及開關閥門、水泵、流速儀、雨量筒等組成的控制和統計雨強的部分。噴頭布設的高度和間距經過多次測試后，確定高度設為1.7 m，間距0.5 m，確保降雨的均勻性。降雨量的量測通過流量表及放置在平臺的雨量筒實現，確保雨強符合降雨方案要求。降雨試驗如圖2所示。

圖2 現場降雨試驗圖Fig.2 Field rainfall test diagram

監測系統由傳感器、數據采集儀、高清攝像機組成。所用傳感器由ECH20-5體積含水率傳感器、MPS-2107-006GC-I2孔隙水壓力傳感器、KS20位移傳感器組成，其中含水率及孔隙水壓力傳感器布設在平臺的1#監測孔中，其埋設深度分別為0.5、1.0、2.0 m；位移傳感器布設在平臺表面2#監測點上。斜坡尺寸及傳感器埋設如圖3所示。數據采集通過STC-ISP單片機連接傳感器實現。高清攝像機分別布設在坡頂平臺處及切坡正面，可實時觀測坡體變形情況。

圖3 傳感器平面、剖面布置圖Fig.3 Sensor layout and section layout

1.3 降雨試驗方案

根據贛南地區歷年降雨量等級，設計了大雨(2.5 mm/h，每天16 h，共計40 mm/d。)、暴雨(5 mm/h，每天16 h，共計80 mm/d。)、大暴雨(7.5 mm/h，每天16 h，共計120 mm/d。)3種人工降雨雨型，按強度將降雨由小到大施加于邊坡上，每種降雨過程持續3 d，持續監測不同深度處的含水率、孔隙水壓力及地表位移，每隔一分鐘記錄一次數據。降雨結束后，再連續性監測一段時間，直至上述測量數據相對穩定，進行下一級降雨的模擬試驗。降雨試驗方案如表2所示。

表2 降雨試驗方案Table 2 Rainfall test scheme

2 試驗結果及分析

2.1 含水率與降雨的響應關系

測孔內各深度土體含水率隨降雨過程變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，各深度的含水率都有不同幅度的變化，具體表現為埋深越大，增大幅度越小；降雨發生和停止的過程中，含水率隨之增大和減小，響應較為明顯。也存在含水率的增加發生在降雨持續一段時間之后或單次降雨發生后，即存在一定滯后現象，滯后原因與監測點的深度及雨水入滲速率有關。

工況1(40 mm/d雨強)時，受日照和強風的蒸發作用，0.5 m處的含水率波動幅度明顯，1.0 m處含水率在降雨開始后25 h內，從約7%增大到約25%，2.0 m處含水率保持在約9%，無明顯增幅。表明該降雨強度下，降雨入滲的影響范圍主要在1.0 m內，雨水難以入滲到2.0 m處。

圖4 各深度土體含水率隨降雨過程變化曲線Fig.4 Variation curve of soil moisture content at different depths with rainfall process

工況2(80 mm/d雨強)時，各深度含水率相對于工況1有明顯的增加，且淺層0.5 m處很快達到或接近花崗巖風化土體的飽和含水率，1.0 m及2.0 m處含水率略有增大。表明該降雨強度下，降雨入滲的影響范圍已達到2.0 m處。

工況3(120 mm/d雨強)時，1.0 m處和2.0 m處含水率最后均已基本達到飽和狀態，表明長期強降雨作用下，土體飽和范圍已達近2.0 m深度。其原因在于：一是坡體在前期降雨作用下，含水率本就有提高，再疊加持續增大的降雨強度，雨水入滲量遠大于沿坡表擴散及蒸發引起的水分損失量，雨水集聚于土體內，使大范圍土體飽和程度快速提高；二是隨著坡體的持續垮塌及變形范圍的不斷加大，坡體上部平臺出現多處拉張裂縫，形成滲流優勢通道，更有利于雨水的入滲，增大自表及里土體的含水率。

2.2 孔隙水壓力與降雨的響應關系

測孔內2.0 m深度處的孔隙水壓力傳感器因損壞未能測得數據，其0.5 m和1.0 m處的孔隙水壓力隨降雨過程變化曲線如圖5所示。

圖5 土體孔隙水壓力隨降雨過程變化曲線Fig.5 Variation curve of soil pore water pressure with rainfall process

由圖5可知，0.5 m深度的孔隙水壓力在工況1(40 mm/d雨強)和工況2(80 mm/d雨強)下保持在0～1 kPa波動，1.0 m深度的孔隙水壓力在工況1的雨強下從-3.7 kPa波動增加到-2.5 kPa，在工況2期間一直保持在-2.5 kPa；工況3，雨強增大為120 mm/d時，降雨145～165 h這段時間，0.5 m深度和1.0 m深度的孔隙水壓力明顯上升，達到3 kPa。從整個降雨過程來看，可以發現，測點處孔隙水壓力隨深度的增大而減小，整體上呈增大趨勢，且各深度的孔隙水壓力差距在逐步減小。其原因為：雨水由表及里入滲，所以淺層處的孔隙水壓力始終高于深層處的孔隙水壓力，隨著降雨的持續進行及雨強的增大，0.5 m處的土體逐漸趨于飽和，1.0 m處土體的含水量繼續增加，因而兩深度的孔隙水壓力差距逐步減小。

2.3 位移隨降雨演化過程

2#測點位移隨降雨演化過程如圖6所示。

圖6 位移隨降雨過程變化曲線Fig.6 Variation curve of displacement with rainfall process

由圖6可知，工況1，在40 mm/d的降雨作用下，邊坡共發生5次微小的階梯狀位移。降雨開始后雨水入滲，邊坡很快就發生微小變形，說明局部處于欠穩定狀態，但在每次變形發生、滑動能量得到釋放后，邊坡變形就會放緩一段時間。持續監測60 h最終累積位移量約70 mm。變形啟動的時間與降雨發生的時間較為吻合，其中第4次變形滯后較多，發生在停雨期間，主要原因如前文所述，贛南地區夏季酷日和強風的蒸發作用對淺層坡體含水率影響明顯，導致雨水入滲量不僅僅由降雨一個因素控制，導致雨水入滲較少時邊坡變形不顯著，隨著雨水的不斷入滲積累，邊坡位移速度加快。出現變形的主要原因有：一是為雨水入滲導致土體的自重增大、強度降低；二是為坡面徑流對土體的沖刷作用使得坡面局部土體發生局部變形直至垮塌現象，牽引后緣土體。

工況2，在80 mm/d的降雨作用下，邊坡共發生2次微小的位移，總位移量約27 mm，位移發生與降雨有關，但具體變形時刻與降雨發生時間并非一定完全吻合(如第二次變形發生在停雨期間)，說明邊坡變形是降雨對土體自重、強度、穩定性的綜合反饋結果。

工況3，在120 mm/d的降雨強度下，邊坡發生了1次較明顯的位移，最大位移量達到650 mm；發生劇烈位移的時間為累積降雨165 h。邊坡位移對強降雨入滲響應過程總共分為兩個階段：降雨開始后雨水入滲，土體含水率持續增大、強度降低，進而產生變形，但邊坡的位移變化僅在10 mm量級；由于坡體裂縫的產生與加深，滲流優勢通道逐漸形成，使雨水能快速進入坡體內部，軟化深層土體，最后整個坡體發生大范圍垮塌，包括測點位置在內的土體大距離移動，位移數值出現急劇增加。

2.4 邊坡變形破壞過程及破壞模式分析

邊坡變形破壞過程同降雨過程對應，分為3個階段。①階段一：在降雨作用下，觀測到邊坡右側局部由明顯的崩塌和滑動，主要發生在坡面局部或松散位置，且隨著降雨量的增大，垮塌范圍逐漸擴大；②階段二：邊坡右側垮塌范圍進一步擴大，由中下部向上延伸至右側頂部，且坡面多處出現小孔洞，坡底有積水，變形和垮塌的趨勢有向邊坡中部移動的趨勢；③階段三：前期右側垮塌誘發坡體平臺出現的小裂縫逐級發展為貫通的裂縫，雨水入滲速率加快后，隨著土體內部逐漸飽和，裂縫周圍土體逐漸軟化，最終發生整個坡體的大范圍垮塌。綜上所述，降雨條件下花崗巖風化土質邊坡的破壞模式可總結為“先局部坡面滑塌，隨后出現裂縫，最后整體大范圍垮塌”。各階段直觀變形跡象如圖7～圖9所示。

圖7 階段一降雨作用下花崗巖風化土坡右下側 局部淺層垮塌Fig.7 Local shallow collapse of granite weathered soil slope at the lower right side under stage I rainfall

圖8 階段二降雨作用下花崗巖風化土坡右側垮塌 范圍增大Fig.8 The collapse area of the right side of the granite weathered slope increases under stage two rainfall

圖9 階段三降雨作用下花崗巖風化土坡頂部裂縫 貫穿直至整體垮塌Fig.9 The top of granite weathered soil slope runs through cracks until the whole collapse under stage three rainfall

3 討論

上述試驗過程中，表現出強降雨作用下花崗巖全風化土體的破壞過程是漸進發展的，主要原因在于：一是降雨對花崗巖風化土體的軟化作用明顯，研究區的花崗巖全風化土體屬于粉土質砂，黏聚力小，干濕循環后的風化土體強度會明顯降低[17]，這也是風化土坡局部失穩坍塌的主要原因；二是與花崗巖全風化土體的滲透特性相關。采用Fredlund等[18]估算方法，以表1中土體的飽和滲透系數及圖1(b)中的土水特征曲線估算得到土體非飽和滲透系數變化曲線如圖10所示。

圖10 試驗土體非飽和滲透系數曲線Fig.10 Unsaturated permeability coefficient curve of test soil

試驗過程中，淺層土體(1#測孔1.0 m孔隙水壓力傳感器)的孔隙水壓力有4次較為明顯的增大過程，第1次在降雨歷時0～25 h，孔隙水壓力從-3.7 kPa增大到-3 kPa，對應的滲透系數從0.08 m/d增為0.1 m/d；第2次在降雨歷時43～60 h，孔隙水壓力從-3 kPa增大到-2.5 kPa，對應的滲透系數從0.1 m/d增為0.14 m/d；第3次在降雨歷時115～165 h，孔隙水壓力從-2.5 kPa增大到-1.5 kPa，對應的滲透系數從0.14 m/d增為0.17 m/d，土體滲透系數已達飽和滲透系數；第4次在降雨歷時165～168 h，孔隙水壓力從-1.5 kPa增大到2 kPa，期間土體滲透系數保持為0.17 m/d的飽和滲透系數。從整個過程來看，由于孔隙水壓力增大，即土體基質吸力減小，導致土體非飽和滲透系數增大，加快了降雨入滲進程，表現為含水率和孔隙水壓力的幾次陡增過程。以下進一步討論含水率、孔隙水壓力與位移的響應關系。

位移對含水率的響應關系如圖11所示，在降雨歷時0～25 h期間，2.0 m深度的含水率在9%，而1.0 m深度的含水率從7%左右增大到25%，0.5 m深度的含水率則在15%～25%大幅波動(波動原因見2.1節)，同時段坡體發生有50 mm的位移變形；在降雨歷時25～140 h期間，各深度的含水率都有所增加，尤其是0.5 m深度的含水率增幅明顯，此時坡體位移變形緩慢增大至約100 mm；在降雨歷時140～165 h，各深度的含水率在一段時間波動后陡然增大，這段時間，位移也陡然增大至750 mm，坡體完全垮塌，響應關系明顯。在圖12位移與孔隙水壓力關系變化中，以上3個時段，位移的增大總伴隨著孔隙水壓力的增大，有著較好的響應關系，尤其是140～165 h這段時間，孔隙水壓力與位移的響應十分明顯，兩者都有一個陡然增大的表現。由此可見，含水率及孔隙水壓力變化與坡體變形存在明顯的相關性，含水率和孔隙水壓力的波動陡增可作為邊坡變形破壞的判據。

虛線所圈區域表示位移與含水率有明顯響應圖11 位移與含水率關系變化曲線Fig.11 Variation curve of relationship between displacement and water content

虛線所圈區域表示位移與孔隙水壓力有明顯響應圖12 位移與孔隙水壓力關系變化曲線Fig.12 Variation curve of displacement and pore water pressure

4 結論

通過以上研究，得出如下主要結論。

(1)對于強降雨作用下的花崗巖全風化土坡，其含水率在降雨期間會持續增大，且土體深度越大，含水率增大幅度越小；孔隙水壓力同樣在降雨期間會持續增大。整體上，土體含水率和孔隙水壓力對降雨過程有著較為明顯的響應。

(2)含水率和孔隙水壓力的變化與坡體變形存在明顯的相關性，其波動陡增可作為花崗巖全風化土坡變形破壞的主要判斷標準依據。

(3)降雨入滲致使土體基質吸力減小，從而強度降低是花崗巖全風化土坡變形的主要原因，強降雨沖刷坡表帶走土體且雨水充滿裂縫產生水壓力會加劇邊坡變形，進一步惡化邊坡穩定性。

(4)強降雨作用下花崗巖風化土質邊坡的破壞模式可總結為：先局部坡面滑塌，隨后出現裂縫，最后整體大范圍垮塌。