降雨條件下花崗巖殘積土邊坡失穩模式及預警閾值現場試驗

李榮華, 何明寧, 江思義, 潘宏堅

(廣西壯族自治區地質環境監測站, 南寧 530200)

廣西地區山地丘陵區域,花崗巖、變質巖分布面積大、風化強烈、風化殘積層厚度大,地質環境條件脆弱,屬斜坡類地質災害中～高中易發區[1-2]。在強降雨沖刷及入滲侵蝕作用下,斜坡更加容易突發滑坡、崩塌、坡面泥石流等地質災害,嚴重威脅當地人民群眾的生命財產安全[3-4]。

近年來,潘永亮等[5]和蘇永華等[6]通過建立降雨入滲Green-Ampt數學模型,研究了不同降雨強度下邊坡的變形和破壞過程。曾昌祿等[7]和王述紅等[8]通過室內試驗研究了邊坡的穩定性與邊坡坡度、邊坡巖層及降雨強度的關系。曹碩鵬等[9]和張碩等[10]通過分別開展紅黏土和黃土邊坡降雨入滲及沖刷模型試驗,研究紅黏土與黃土邊坡的裂隙演化規律。胡華等[11-12]采用4種不同降雨等級條件下花崗巖殘積土邊坡模型強降雨模擬試驗,研究降雨強度和邊坡坡度對其破壞模式的影響特性。馬蓓青等[13]和馬強等[14]采用人工降雨裝置進行現場試驗,研究了持續降雨條件下黃土邊坡的穩定性,測量土體含水率、密度、滑坡剪切帶位置以及裂縫的發育等情況。林江宇等[15]和韓廷文等[16]通過采用FLAC3D和GeoStudio等軟件研究了不同降雨條件下巖質邊坡的穩定性變化規律。蔣中明等[17]基于飽和非飽和理論,采用FLAC3D軟件研究了軟巖邊坡在極端長期降雨條件下的穩定性。史振寧[18]分析了邊坡在降雨過程中滲流場的分布特點及變化規律。蔡榮坤等[19]以福建省云平高速云霄段花崗巖風化層中的某兩級路塹邊坡為例,按照強度折減有限元方法分析了邊坡在一般工況、地下水滲流工況和降雨入滲工況下的邊坡失穩滑動模式。劉愛華等[20]、章亮等[21]和楊攀等[22]通過降雨誘發土質邊坡失穩的模型試驗,探討降雨特性對邊坡失穩的影響,并獲取了合適的雨量預警參數。李龍起等[23]、張卓等[24]和杜忠原等[25]引入了滲透力的概念,分別通過室內模型試驗、現場試驗及數值分析等方法,研究了含軟弱夾層下巖質邊坡在降雨條件下的邊坡穩定性。

上述研究成果表明,在考慮降雨因素下邊坡的穩定性分析與降雨強度與邊坡的地質條件等因素密切相關,且目前關于不同降雨強度條件下花崗巖殘積土斜坡的現場試驗較少。通過試驗獲取不同降雨強度引發斜坡失穩的降雨持續時間閾值、降雨量閾值、土壤含水率閾值,進一步提高氣象地質災害風險預警、地質災害監測準確度和開展短臨預警提供關鍵數據,為分析研究斜坡穩定性、劃分地質災害風險區、提出防治地質災害防治措施及方案提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗場地布設

本次試驗的4塊場地,均位于清灣鎮龍城世紀佳園房地產開發項目規劃用地紅線范圍內的丘陵坡面上。試驗區位于北流至廣東寶圩二級公路(S215省道)西側約50 m處,交通較為便利,如圖1所示。

圖1 試驗場地地理位置Fig.1 Geographical location of the test site

試驗場地地層巖性由上往下為粉質黏土、強風化花崗巖、中風化花崗巖,邊坡高度為11.5～22 m。

1號試驗場地位于南北走向的丘陵西側坡面南端,坡面斜長L1約30.2 m、平均坡度23°,坡高11.5 m。2號試驗場地位于1號場地北側5 m外,順坡向長23 m、南北向寬25 m、面積約713 m2,坡面斜長L2約26.3 m、平均坡度28.9°,坡高14.5 m。3號試驗場地位于2號場地北側5 m。坡面斜長L3為35 m、平均坡度33°,坡高22 m。場地西部邊緣坡腳為3～5 m高的土質邊坡,邊坡為以往修筑灌溉渠道切坡形成,無護坡及坡面排水設施。4號試驗場地位于三號場地北側5 m外,大部分位于老滑坡體上,坡面斜長L4約38 m、平均坡度29°,坡高18 m,坡面植被覆蓋率約95%,現場試驗場地概況如圖2所示。

圖2 現場試驗場地概況Fig.2 Overview of field test site

1.2 試驗方案

為研究不同降雨強度下花崗巖邊坡失穩破壞模式,開展了4種不同降雨強度下的邊坡降雨模型試驗。通過特大暴雨(175 mm/h)、大暴雨(150 mm/h)、暴雨(125 mm/h)、大雨(75 mm/h)4種降雨強度下的邊坡變形特征和邊坡不同位置處含水率隨時間變化規律。各場地降雨強度及歷時如表1所示。

表1 模擬試驗降雨強度等級與降雨歷時Table 1 Rainfall intensity grade and rainfall duration

測試元件主要包括位移計與加速度計,分別測量邊坡降雨后的位移與含水率變化規律。位移主要布設在各級邊坡的坡頂、坡中、坡腳,其中位移測點布設在坡表,含水率測試元件布設在埋深0.8 m處。場地1的位移測點為WY-01～WY-03,加速度計測點為YL01～YL-03,場地2的位移測點為WY-04～WY-06;含水率測點為YL04～YL-06,場地3、場地4的位移與含水率測點分別為WY-07～WY-12,YL-07～YL-12。測點具體布設圖如圖3所示。

圖3 各場地位移測點與雨量計測點布設圖Fig.3 Layout of displacement measuring points and rainfall measuring points at each site

1.3 試驗步驟

本次試驗按組進行,每個場地進行一組試驗,主要包含場地的基建、設備的安裝與調試、噴淋、雨量計布設、監測及記錄等流程,具體試驗方法大致如下。

(1)試驗場地基建。采用流量32 m3/h、揚程100 m的變頻式潛水泵分組向試驗場地連續供水。

(2)設備安裝與調試。包含供電設備、抽水設備、照明設備等。其中選用濰柴動力四缸100 kW三相柴油發電機組發電供抽水設備用電;采用接220 V民用電源向監控、照明設備連續供電。采用液晶顯示數字式渦輪流量計與自調式減壓閥相結合的方法,控制斜坡上的各水平供水管的水壓及流量,使各個噴頭的水壓保持一致,確保模擬降雨分布均勻。

(3)雨量計布設。在每塊試驗場地上均勻布置3臺雨量監測站,實時監測模擬的降雨強度并相互校正,確保模擬的降雨強度符合試驗要求。

(4)位移計布設。采用桂林賽普電子科技有限公司提供的3臺傾角加速度監測儀,分3個位置連續監測斜坡變形及0.8 m深度土壤含水率變化情況;采用上海華測導航技術股份有限公司提供的6臺GPS RTK分3個監測斷面連續監控監測斜坡位移情況。

(5)噴淋試驗。采用蝶形自旋式噴頭360°旋轉灑水來模擬降雨,試驗出口水壓在0.15 MPa,噴頭均勻噴灑水滴的半徑為3.0 m。

(6)監測并記錄斜坡變形。采用紅光激光測距儀、自動拉伸式鋼卷尺,拉索松脫式位移報警器與人工定期、不定期巡視監測紀錄的方式觀測斜坡局部變形情況。

2 試驗結果分析

2.1 位移變化規律

不同降雨強度條件下(75～175 mm/h),各邊坡不同位置處(坡腳、坡中、坡頂)的位移隨時間變化規律分別如圖4～圖7所示。

圖4 S1邊坡累計位移-時間曲線(125 mm/h)Fig.4 Cumulative displacement-time curve of S1 slope (125 mm/h)

圖5 S2邊坡累計位移-時間曲線(150 mm/h)Fig.5 Cumulative displacement-time curve of S2 slope (150 mm/h)

圖6 S3邊坡累計位移-時間曲線(175 mm/h)Fig.6 Cumulative displacement curve of S3 (175 mm/h)

圖7 S4邊坡累計位移-時間曲線(75 mm/h)Fig.7 Cumulative displacement-time curve of S4 slope (75 mm/h)

由圖4～圖7可知,4組邊坡的坡頂、坡中、坡腳累計位移與時間呈非線性關系,且不同降雨強度下斜坡的變形均集中在邊坡下部。當降雨強度小于125 mm/h,位移-時間曲線呈S形,即先緩慢增大后陡增,最后趨于穩定;而當降雨強度大于125 mm/h,位移-時間曲線坡腳與坡中位移仍在不斷增加。坡腳位移最大,坡頂與坡中相接近,這是由于坡腳出現部分失穩,造成整體位移陡增,隨后位移增長速率變緩。

由圖5與圖6可知:當降雨強度為150 mm/h與175 mm/h時,兩處邊坡各位置處的位移變化規律基本相同。其中坡頂位移最先增加,隨后坡中與坡腳幾乎同時增加,而隨著降雨量的增大,邊坡失穩趨勢明顯,最終位移變化情況為坡腳最大,坡中次之,坡頂最小。

綜上所述,降雨條件下花崗巖殘積土邊坡的變形顯著位置為坡腳。當降雨強度較大時,坡腳與坡中的位移增長較快,表現為整體滑動模式。

2.2 含水率變化規律

邊坡不同位置處含水率的變化規律分別如圖8～圖11。

圖8 S1邊坡不同位置處含水率-時間曲線(125 mm/h)Fig.8 Water-time curve ateach positions of S1 slope (125 mm/h)

由圖8可知:降雨強度為125 mm/h時,試驗前,邊坡各位置處土壤含水率均保持在20%左右,但隨著降雨量的增大,各位置處土壤含水率增幅顯著不同,坡腳位置處含水率增幅最大150%。其中,0～20 min,YL-01土壤含水率20%迅速上升到30%左右,并一直維持到試驗停止;YL-02土壤含水率迅速上升到40%,一直維持到停止噴淋55 min后;此后1 h內開始逐步下降到27%左右。下部監測斷面YL-03土壤含水率試驗開始后的前27 min,迅速提升到47%,后一直維持在47%～49%,斜坡開始變形時,土壤含水率為49%。

由圖9可知:試驗前,3個測點的土壤含水率均保持在20%左右。降雨強度為150 mm/h時,隨著降雨的進行含水率先增大后基本保持含水率為30%左右。其中坡頂監測斷面土壤含水率試驗前20 min內由20%迅速上升到30%,并一直維持到試驗結束。中部土壤含水率在噴淋試驗在前15 min迅速上升到40%,此后開始逐步下降到27%,并一直維持到試驗結束。下部監測斷面土壤含水率在試驗開始后的前27 min迅速提升至47%;后一直維持在47%～49%,斜坡開始變形時,土壤含水率為49%,保持3 h后,含水率開始迅速下降到30%左右,到試驗停止。

圖9 S2邊坡各位置含水率-時間曲線(150 mm/h)Fig.9 Water-time curve at each position of S2 slope (150 mm/h)

由圖10可知:噴淋試驗開始前,2個監測斷面的土壤含水率均保持在17%～22%。上部監測斷面土壤含水率在噴淋試驗后15 min保持在20%;此后12 min即上升到29%,此后26 h一直在26%～30%小幅波動;中部監測斷面土壤含水率:在前39 min一直維持在20%左右;此后23 min內迅速上升到30%左右,至試驗停止后含水率一直在30%～34%波動。下部監測斷面土壤含水率在試驗開始后的前15 min,一直保持在22%左右,此后在1 h內逐步提升到47%～49%。

圖10 S3邊坡各位置處含水率-時間曲線(175 mm/h)Fig.10 Water-time curve at each position of S3 slope (175 mm/h)

由圖11可知:降雨強度為75 mm/h時,試驗開始前,3個監測斷面的土壤含水率均保持在18%～23%。上部監測斷面土壤含水率試驗2 h內逐步上升到40%并維持至試驗結束;中部監測斷面與下部監測斷面土壤含水率的變化規律基本保持一致,均在試驗開始后的450 min內從17%逐步上升到28%,后在45 min內迅速上升至50%。

圖11 S4邊坡各位置處含水率-時間曲線(75 mm/h)Fig.11 Water-time-curve at each position of S4 (75 mm/h)

綜上所述,在降雨作用下,邊坡坡腳處含水率最大、坡中次之、坡頂最小。且邊坡的含水率顯著變化受降雨強度顯著影響。降雨強度為75 mm/h,斜坡下部坡面淺層土壤在130～150 min含水率能從20%顯著上升到40%。而當降雨強度大于150 mm/h時,在僅1～2 h即上升到42%～50%,當斜坡淺層土壤含水率上升到42%～45%時,斜坡開始出現開裂、蠕動變形等失穩征兆;當土壤含水率上升到47%～50%時,坡面土體開始崩解并迅速發生滑坡、崩塌。

2.3 斜坡變形失穩特征及演化過程

為探明不同降雨強度下花崗巖殘積土邊坡的失穩特征,在監測不同強度條件下邊坡各測點的位移與含水率變化率同時,也對不同降雨強度下各邊坡的失穩特征進行了分析,4組邊坡(S1～S4)最終的失穩特征如圖12所示。

圖12 S1～S4邊坡失穩特征Fig.12 Instability characteristics of S1～S4 slope

4種不同降雨強度下,斜坡發生不同失穩破壞模式,均表現為漸進失效模式,且均在降雨后90～135 min開始發生顯著變形。各邊坡的失穩破壞變形演化過程如下。

由圖12(a)可知:S1邊坡后緣斜坡發生開裂并迅速擴展,裂縫外側坡體即發生較大規模的快速滑坡,表現為“淺層整體滑動與崩塌”。其中滑坡體寬23 m、長約5 m、厚0.5～1.5 m、體積約120 m3,邊坡坡面濕潤滲水面積逐步擴大。其中降雨145 min時自動監測儀(WY01、WY02)及蜂鳴報警器均開始報警開始變形,至降雨后170 min發生失穩破壞,共持續25 min左右。

由圖12(b)可知:S2試驗場地前沿邊坡后緣斜坡發生開裂,裂縫迅速擴展,后發生較大規模的快速滑坡,滑坡層位為坡殘積層,表現為“深層局部滑動模式”。其中滑坡體寬13 m、長約8.5 m、厚約2.0 m、體積約200 m3。試驗進行到92 min時,自動監測儀報警器均開始報警開始變形,到降雨后110 min邊坡發生失穩,共持續18 min。

由圖12(c)可知:S3試驗場地中部及下部坡面開始發生崩解、開裂,2～5 min后即發生2處滑坡并發展為坡面泥石流。滑坡體寬15 m、長約8.0 m、厚約2.0 m、體積約240 m3。在水流沖刷下,2個滑坡體連為一體形成坡面泥石流,失穩模式為“深層整體滑動”。其中試驗進行到85 min,動監測儀及人工設置的報警器均開始報警,到105 min邊坡發生整體滑動,開始變形及失穩破壞過程歷時共20 min。

由圖12(d)可知:S4邊坡坡面開始濕潤并緩慢滲水,試驗場地中部及下部坡面開始發生崩解、開裂,渠道邊坡發生局部滑坡。其中滑坡體寬6～9 m、長8～12 m、厚0.5～1.0 m、體積50～75 m3,表現為淺層局部滑動模式。試驗進行至367 min時,位移報警器均開始報警,到502 min邊坡發生整體滑動,歷時共135 min。

綜上所述,不同降雨強度的斜坡均發生不同失穩破壞模式,根據降雨強度的不同失穩模式可分為“淺層局部滑動、淺層整體滑動、深層局部滑動和深層整體滑動”4種模式。邊坡的失穩破壞模式與降雨強度顯著相關,當降雨強度較小(75 mm/h),斜坡失穩模式表現為淺層滑動模式,當降雨強度較大(150 mm/h),斜坡失穩模式表現為深層滑動模式。

2.4 降雨閾值的確定

根據上述4組試驗成果,本次試驗所獲取的4個降雨強度等級的連續降雨引發斜坡失穩所對應的降雨時間、降雨量、土壤含水率等關鍵性指標閾值分別如表3所示。各降雨強度下花崗巖殘積土邊坡關鍵性指標變化規律如圖13所示。

表3 各降雨強度引發斜坡失穩破壞關鍵指標性閾值表Table 3 Rainfall intensity of key thresholds of slope instability

圖13 各降雨強度下花崗巖殘積土邊坡關鍵性指標Fig.13 Key indexes of granite residual soil slope under different rainfall intensities

由圖13可知:邊坡開始變形界限含水率與完全失穩的變形的界限含水率與降雨強度的關聯度不顯著,而邊坡變形持續時間受降雨強度影響顯著。75～175 mm/h不同降雨強度下,邊坡的變形界限含水率ws與失穩破壞的界限含水率wd均分別為42%、47%。當降雨強度超過125 mm/h,滑坡失穩破壞的時間僅持續20 min,降雨強度為75 mm/h,斜坡失穩變形的時間為140 min。

3 結論

為研究降雨條件下花崗變質巖邊坡穩定性、劃分地質災害風險區、提出防治地質災害防治措施及方案。通過不同降雨強度條件花崗變質巖邊坡失穩試驗,分析了降雨持續時間下土壤含水率與邊坡位移變化規律,得到以下結論。

(1)斜坡失穩破壞與土壤含水率顯著相關,存在界限含水率。當斜坡淺層土壤含水率達到邊坡變形界限含水率42%時,斜坡開始出現開裂、蠕動變形等失穩征兆;當土壤含水率上升到邊坡失穩破壞界限含水率47%時,坡面土體開始崩解并迅速發生滑坡、崩塌。

(2)邊坡的失穩破壞模式與降雨強度顯著相關,基于降雨強度可分為淺層局部滑動、淺層整體滑動與崩塌、深層局部滑動、深層整體滑動4種模式。其中降雨強度較小(75 mm/h),斜坡失穩模式表現為淺層滑動模式,而當降雨強度較大(150 mm/h),斜坡失穩模式表現為深層滑動模式。

(3)邊坡變形界限含水率及失穩破壞的界限含水率,受降雨強度影響不顯著,而邊坡變形持續時間受降雨強度影響顯著。當降雨強度超過125 mm/h,滑坡失穩破壞的時間僅持續20 min,而當降雨強度為75 mm/h,斜坡失穩變形的持續時間140 min。