降雨型大孔隙斜坡非平衡流與失穩特性試驗研究

李尚輝，闕 云，詹小軍

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074； 2. 福州大學 土木工程學院，福建 福州 350108)

0 引 言

滑坡災害是自然界最普遍的地質災害之一，而降雨是引發滑坡災害的主要原因[1-2]。基于飽和/非飽和滲流理論的研究表明[3-5]，降雨導致土體基質吸力降低、土體軟化、坡面受沖刷和地下水位發生改變，從而誘發滑坡。但是，土體是一種復雜的多孔介質，其結構與成分豐富多彩，在降雨作用下，不同土質中水分運移機理表現出較強的各異性。

花崗巖殘積土孔隙比大，是一種典型的大孔隙材料[6-8]，降雨作用下水分優先流經大孔隙域并迅速抵達土體深部，從而產生非平衡流[9-11]。雖然單位土體中大孔隙域占比非常小(0.1%～5.0%)，但依然會導致水分及相關溶質在土中產生非平衡流現象[12]。非平衡流條件下土體水分的運移速度遠大于達西定律描述下的運動特性，單一的達西定律無法對此準確描述[9]。可見，對含大孔隙斜坡中水分運移機理的研究應結合非飽和非平衡流的理論來實現。

SHAO Wei等[13-14]利用有限元模擬研究了傳統非飽和滲流與含大孔隙斜坡的邊坡穩定性，分析了非平衡流對快速壓力響應和滑坡觸發的影響；闕云等[15]建立了非平衡流模型，通過有限元分析，揭示了短時凍區冰雪消融對殘積土坡穩定性的影響。雖然截至目前關于非平衡流的研究取得了一些進展，但主要偏向于土壤學科，且比較重視溶質運移等較為單一的滲流形式[16-17]，也未充分考慮土水特征曲線的空間變化特征[18-20]，而對巖土工程學科中大孔隙斜坡降雨入滲與穩定性試驗研究仍顯不足。

筆者以福建省某高速公路殘積土斜坡為例，建立了縮尺大孔隙斜坡模型，通過室內試驗監測30 mm/h和80 mm/h兩種降雨強度下土體體積含水率、豎向位移、孔隙水壓力、土壓力、坡面流速和徑流量等指標，分析了降雨作用下大孔隙斜坡非平衡流與失穩特性。研究結果可為含大孔隙公路路基邊坡災害防治提供參考。

1 邊坡模型相似比與相似材料

福建省每年3—9月降雨量十分充沛，全省山地丘陵花崗巖殘積土厚、孔隙率大，大孔隙比例可達2.40%～48.72%[7]，降雨作用下水分運移的非平衡流特性顯著。筆者以廈蓉高速公路福建段路堤邊坡為模擬試驗對象開展研究，為了使試驗用土性質與原始邊坡土體性質盡可能一致，首先通過相似比關系來確定試驗用土的黏聚力c、內摩擦角φ、壓縮模量E、滲透系數K等參數，見表1。

表1 模型材料相似比參數Table 1 Model material similarity ratio parameter

為了配制出符合表1參數的試驗用土，在原土中添加重晶石粉、石英砂及水、液態石蠟，通過正交試驗確定出模型材料配比：m原土∶m重晶石粉∶m石英砂=20%∶60%∶20%，m水∶m液態石蠟=64%∶36%。

2 試 驗

2.1 邊坡模型設計

試驗邊坡模型縮尺比例為1∶50；模型長160 cm，高60 cm；坡頂長50 cm，坡趾長46 cm；分2級放坡，坡比均為1∶1.5。詳見圖1。

圖1 邊坡模型幾何尺寸(單位：cm)Fig. 1 Geometric dimensions of slope model

2.2 大孔隙布置

首先，在土體內部埋入一根直徑為2 cm的不銹鋼鋼管并封閉管口，邊坡填筑完成后向其中灌入粗石英砂；然后，采用螺旋上升方式緩慢拔出鋼管，從而形成近似的大孔隙通道。

在邊坡模型中共布置了30個大孔隙通道。沿著長邊設置10排，沿著短邊設置3排；大孔隙均勻分布在坡頂、坡中和坡腳處；所有大孔隙通道上部連通；坡腳處大孔隙通道長度20 cm，其他位置30 cm。詳見圖2。

圖2 大孔隙布置(單位：cm)Fig. 2 Macropore detailed layout

2.3 試驗裝置

2.3.1 降雨系統

1)供水箱，為降雨過程持續供水。

2)水泵，是降雨的主要動力來源，水泵壓力可以根據需要進行調整。

3)降雨裝置，包括水管支架及噴頭等，降雨高度為6 m，降雨有效面積為12 m2，支架布置與噴頭協調。噴水點共計6個，間距為2 m，噴口直徑大小可適時調整以模擬各種不同降雨強度。

4)雨量筒，用于監測降雨過程中實時雨強變化情況。

2.3.2 監測裝置

1)土體體積含水率θ采用TDR-3型土體水分傳感器來監測。

2)坡頂和坡中臺階處豎向位移u采用位移計來監測，其固定如圖3。

圖3 位移計固定示意Fig. 3 Schematic diagram of displacement meter

3)邊坡失穩時的位移采用PhotoInfor圖像處理軟件采集。

4)孔隙水壓力p采用CYY2應變式孔壓計結合UT7110型數據采集系統來監測。

5)土壓力σ采用LCTY-1型土壓力盒監測。

6)坡面徑流用自行設計的三角玻璃引流槽來收集，坡面徑流流速v用染色劑法測定[21]。

2.3.3 監測裝置布置

在定制的亞克力有機玻璃模型箱〔圖4(a)〕中填筑試驗邊坡土體，同時將角鋼支架焊接在模型箱外圍以確保模型箱牢固，為了便于收集坡面徑流量，模型箱側面預留40 cm × 2 cm的方形孔。亞克力模型箱側面預留10個水分傳感器孔洞，由坡腳至坡頂編號1 #～10 #，孔洞水平間距15 cm，豎向距離坡頂分別為8、20、30 cm，2 #、4 #、8 #、9 #孔洞距離坡面8 cm。除了坡頂第1、2排孔洞間距為12 cm之外，其余第2、3排和第3、4排孔洞豎向間距均為10 cm。

圖4 監測裝置布置(單位：cm)Fig. 4 Monitoring instrument layout

試驗開始之前將對應編號的水分傳感器通過孔洞插入土體用于監測土體體積含水率θ。

孔隙水壓力監測點布置4個，豎直位置分別位于1 #、4 #、7 #、8 #孔洞處；土壓力監測點布置2個，豎直位置分別位于2 #、7 #孔洞處，位移監測點布置2個，分別位于坡頂和坡中臺階處。

2.4 試驗流程

邊坡降雨試驗流程為：開始→檢查調試降雨系統→配置試驗用土→繪制邊坡土層填筑線→降雨均勻度測試→邊坡填筑與布設TDR、孔壓計等儀器→架設相機與水槽→降雨試驗開始→試驗數據采集→清理試驗場地→結束。

3 結果分析

3.1 土體體積含水率θ

圖5為降雨強度R=30、80 mm/h時，邊坡不同位置監測點土體體積含水率θ隨時間t變化曲線。

圖5 R=30、80 mm/h，各測點的θ-t曲線Fig. 5 Curves of θ-t at each monitoring point when R=30, 80 mm/h

由圖5可見：

1)降雨強度R=30 mm/h時。各監測點θ隨t的變化趨勢基本一致，即t=0～50 min時，θ保持初始值不變，大約為10%；t> 50 min，θ逐漸增大；t≈250 min時，θ趨于穩定，大約為30%。埋深較淺的1 #、2 #、4 #、8 #、9 #監測點，θ響應時間為50～75 min；埋深較深的3 #、5 #、6 #、7 #、10 #監測點，θ響應時間約為200 min。表明在降雨作用下，離坡面越近，土體體積含水率變化越敏感。各監測點土體體積含水率飽和峰值θpeak=28%～32%。

2)降雨強度R=80 mm/h時。各監測點θ變化趨勢與R=30 mm/h時相似，但不同監測點θ響應時間的滯后不同，大部分集中在25～50 min時段，最終，各監測點土體體積含水率飽和峰值θpeak≈ 33%，比R=30 mm/h時大。表明增大降雨強度可使得土體體積含水率響應時間提前，增長速率變快，非平衡流現象更顯著。

3.2 孔隙水壓力p

圖6為降雨強度R=30、80 mm/h時，邊坡坡腳、坡中及坡頂處孔隙水壓力p隨時間t變化曲線。

圖6 R=30、80 mm/h的p-t曲線Fig. 6 Curves of p-t when R=30, 80 mm/h

由圖6可見：

1)R=30 mm/h時，經過一定時間后，各監測點p由0開始迅速增大，其中1 #、8 #監測點p響應時間最早，大約為40 min，4 #監測點響應時間其次，7 #監測點響應時間最遲，大約為150 min。最終，1 #、4 #監測點p趨于穩定的峰值，而7 #、8 #監測點p達到峰值后逐漸減小，其中8 #監測點在150～250 min階段p逐漸減小，降雨至250 min后減小到0。分析原因是：降雨時間足夠長時，坡面徑流導致坡頂形成沖蝕溝，p降低過程說明孔壓計處于部分裸露狀態；若p減小至0，說明孔壓計已經處于完全裸露狀態。

2)R=80 mm/h時，各監測點p響應時間相比R=30 mm/h時顯著提前，1 #監測點響應時間提前至10 min，7 #提前至40 min左右。說明R越大，響應時間滯后性越小。1 #監測點保持p≈0.5 kPa，直至t=100 min后繼續增大，最終ppeak≈1.0 kPa，這是由于坡腳積水導致p出現二次增大。

3)7 #、8 #監測點p開始減小的時間大幅提前。最終，7 # 監測點p在150 min左右維持在1.0 kPa左右，此時8 #監測點p已經減小到0。表明降雨強度越大，坡面越容易產生坡面徑流。

3.3 土壓力σ

圖7是降雨強度R=30、80 mm/h時，2 #、7 #監測點土壓力σ隨時間t變化曲線。

圖7 R=30、80 mm/h的σ-t曲線Fig. 7 Curves of σ-t when R=30, 80 mm/h

由圖7可見：

1)R=30 mm/h時，2 #、7 #監測點σ先增加后緩慢減小，當t< 120 min時，兩者增長速率相當；當t>120 min時，7 #監測點的σ增長速率顯著大于2 #監測點的；當t≈300 min時，2 # 監測點的σ出現突降。分析原因，主要是坡腳處發生局部垮塌破壞導致壓力釋放。

2)R=80 mm/h時，降雨開始階段，7 #監測點的σ增長速率顯著大于2 #監測點的，兩者達到峰值對應的時間分別是160 min和190 min，即7 # 監測點的σ率先達到峰值。分析原因是，坡面出現積水流入大孔隙，且流入7 # 監測點的積水早于2 # 監測點的，流入7 #監測點的水分也更多。與R=30 mm/h時相比，R=80 mm/h時，2 #、7 #監測點的土壓力峰值σpeak分別增長了約211%、176%。7 #監測點位于坡頂，由于坡頂徑流形成沖蝕溝，σ最終減小至5.3 kPa，降雨后期臨近坡腳發生失穩破壞使得2 #監測點σ最終減小至4.8 kPa。

3.4 豎向位移u

圖8為降雨強度R=30、80 mm/h時，坡頂和臺階處豎向位移u隨時間t變化曲線。

圖8 R=30、80 mm/h時，坡頂和臺階處的 u-t曲線Fig. 8 Curves of u-t at the top and step of slope when R=30, 80 mm/h

由圖8可見：

1)R=30 mm/h時，坡頂和臺階處u隨著t的增大而增大，且坡頂處的增長幅度比臺階處的大。當t≈325 min時，由于出現局部垮塌破壞，坡頂處u驟增，短時間內由76 mm增至90 mm；當t≈375 min時，臺階處u出現相同變化，從45 mm迅速增至66 mm。

2)R=80 mm/h時，同樣，坡頂和臺階處u先逐漸增大，隨著局部垮塌而突變，最終達到極值；但與R=30 mm/h時相比，u發生突變的時間大大提前。表明：降雨作用下，大孔隙邊坡坡頂處的u比臺階處的大，坡頂更容易發生局部垮塌破壞。

3.5 坡面流速v與坡面累計徑流量q

圖9分別為降雨強度R=30、80 mm/h時，坡面流速v與坡面累計徑流量q在降雨歷時220 min內的變化曲線。

圖9 R=30、80 mm/h，q-t、v-t曲線Fig. 9 Curves of q-t and v-t when R=30, 80 mm/h

由圖9可見：

1)當R=30 mm/h時：①坡面徑流產生，累計徑流量q隨時間t的增長逐漸增大，t<120 min時，q較小；當t≥120 min時，q迅速增長；當t≈220 min時，q達到11 000 g。②徑流初期，坡面流速v迅速增大，t=18 min后增速放緩，在75 min～120 min階段，v的變化出現一定的波動，最終穩定在v=0.010 5 m/s左右。

2)當R=80 mm/h時：①t< 75 min，q增長速率較慢；t=75→220 min，q=6 000→50 000 g。②t=0→60 min，坡面流速v=0→0.045 m/s，最終，穩定波動于v=0.039 m/s。

綜上，坡面累計徑流量q和坡面流速v均隨降雨強度R的增大而增大。分析原因是，增大降雨強度使得大孔隙域能夠在更短的時間達到飽和狀態，水分入滲至大孔隙域的阻力增大，致使坡面累計徑流量變大。

3.6 邊坡破壞過程

圖10為降雨強度R=30、80 mm/h時，PhotoInfor圖像處理軟件識別的不同降雨時刻土體位移云圖。

圖10 R=30、80 mm/h，不同降雨時刻土體位移云圖(單位：cm)Fig. 10 Soil displacement nephogram at different rainfall moments when R=30, 80 mm/h

由圖10可見：

1)R=30 mm/h，非平衡流作用下，t=124 min時，臺階處位移達3.52 cm；t=260 min時，整個坡面位移均發生較大變化，位移最大為4.80 cm；t=467 min時，邊坡出現大規模破壞，最大位移發生在坡頂處，達到6.64 cm。對試驗邊坡的觀察發現，09:40—17:30持續降雨后，邊坡出現大規模破壞。

2)R=80 mm/h，t=10 min時，坡頂表面及其下覆一定深度土層位移均發生變化，最大值為0.84 cm；t=35 min時，位移發生變化的范圍增大，最大值達4.86 cm；t=66 min時，坡頂最大位移進一步增加到8.14 cm。對試驗邊坡的觀察發現，10:00—14:45持續降雨后，邊坡出現大規模破壞。

綜上，與R=30 mm/h相比，R=80 mm/h時豎向位移在短時間內即發生大幅度變化。分析原因是，較大降雨強度下，受大孔隙流沖蝕作用，基質域土體壓實度降低。

根據降雨過程中位移變化情況和邊坡完整度的觀察，將邊坡的破壞形式分為初始破壞和最終破壞，初始破壞以出現首塊可見滑體或出現首個沖蝕溝為依據，最終破壞以出現大規模滑體為依據，破壞實況如圖11。

圖11 R=30、80 mm/h，不同降雨時刻邊坡破壞形式Fig. 11 The failure form of slope at different rainfall moments when R=30, 80 mm/h

由圖11可見：

1)R=30 mm/h時，坡面發生初始破壞的時間為 285 min，此時坡面出現沉降裂縫，隨著降雨的進行，雨水不斷浸潤，坡面由于重力作用產生拉裂縫；在降雨時間達到 470 min時，坡面發生最終破壞，此時坡頂和斜坡界面均產生滑移裂縫，邊坡破壞形式為淺層局部滑裂破壞。

2)R=80 mm/h時，坡面發生初始破壞和最終破壞的時間分別為20 min、285 min；發生最終破壞時，坡面未出現裂縫，但由于降雨強度過大和較大的豎向位移，坡面產生沖刷作用，邊坡破壞形式為淺層局部沖刷破壞。

綜上，R=80 mm/h時，邊坡發生初始破壞時間和最終破壞時間較R=30 mm/h時分別提早了265 min和185 min，破壞程度更大，至降雨停止時，坡體近乎沖刷流失。因此，降雨強度越大，邊坡破壞速度越快，邊坡的破壞形式也發生較大變化。

4 結 語

1)同一降雨強度下，監測點埋深越淺，體積含水率響應時間更早。隨著降雨強度增大，不同監測點體積含水率響應時間滯后特性減小，體積含水率增長速率增大，非平衡流現象愈加顯著。

2)降雨強度越大，孔隙水壓力響應時間越早，坡腳處更容易出現積水，由此導致坡腳處孔隙水壓力出現二次增大。此外，增大降雨強度，坡頂處沖蝕溝形成時間提前，坡頂卸壓時間相應提前。

3)隨著降雨進行，坡腳和坡頂處土壓力先增加后緩慢減小，且坡頂處土壓力增幅較坡腳大，坡腳土壓力達到峰值時間滯后于坡頂。隨著降雨強度增大，坡腳和坡頂土壓力峰值也越大。

4)降雨初期，坡頂和臺階處豎向位移緩慢增大，當發生局部垮塌時，豎向位移驟增至峰值并保持不變。坡頂處位移增長速率相比臺階更大，局部垮塌點出現時間更早，大孔隙邊坡坡頂相比臺階更容易發生破壞。

5)降雨強度越大，坡面累計徑流量進入快速增長階段越早，坡面累計徑流量達到的峰值越大；降雨強度越大，坡面流速進入波動界限范圍越快，流速峰值也越大。

6)隨著降雨強度增大，邊坡初始破壞和最終破壞時間提前。不同降雨強度下，大孔隙邊坡最終破壞形式不完全相同，降雨強度較小時，以淺層局部滑裂破壞為主；降雨強度較大時，以淺層局部沖刷破壞為主。

7)通過與過去普通邊坡大量的研究成果對比，考慮大孔隙情況下，邊坡非平衡流特性更加明顯，滲流場響應時間更早，響應速度更快。大孔隙在一定程度上會提高邊坡垮塌破壞的幾率，使得滑坡時間提前。