降雨觸發(fā)淺層坡體失穩(wěn)的遲滯現(xiàn)象及其與土質(zhì)參數(shù)的關(guān)聯(lián)性

張建，李江騰，林杭，黃旻鵬，常瑞芹

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降雨觸發(fā)淺層坡體失穩(wěn)的遲滯現(xiàn)象及其與土質(zhì)參數(shù)的關(guān)聯(lián)性

張建，李江騰，林杭，黃旻鵬，常瑞芹

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙，410083)

定義因降雨作用，坡體在降雨結(jié)束之后出現(xiàn)最不穩(wěn)定狀態(tài)(或滑坡)的現(xiàn)象為遲滯現(xiàn)象。根據(jù)雨水在土體中的入滲規(guī)律，給出2類降雨作用邊坡的雨水入滲模型，以說明降雨觸發(fā)邊坡失穩(wěn)遲滯現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理。定義臨界時間概念?；跐B流?坡體穩(wěn)定性耦合分析方法，采用數(shù)值分析手段研究遲滯現(xiàn)象與坡體土質(zhì)參數(shù)的關(guān)聯(lián)性。研究結(jié)果表明：遲滯現(xiàn)象與土體的滲透參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)均有關(guān)聯(lián)；當(dāng)滲透系數(shù)s大于1×10?4 m/s，且進(jìn)氣排水能力較強(qiáng)時，土質(zhì)坡體傾向于在降雨過程中失穩(wěn)，當(dāng)s在1×10?7~1×10?6 m/s范圍內(nèi)取值時，坡體的臨界時間通常在降雨結(jié)束后取得；當(dāng)土體強(qiáng)度參數(shù)一定時，隨土體滲透能力增強(qiáng)，坡體的臨界時間呈現(xiàn)出不斷減小并最終趨于平緩的變化趨勢；當(dāng)土體滲透性一定時，隨著土體強(qiáng)度參數(shù)增大，坡體的臨界時間呈現(xiàn)出不斷增大并最終趨于平緩的變化趨勢；土體滲透性對遲滯現(xiàn)象的產(chǎn)生有主導(dǎo)作用，在滿足滲透性條件下，土體強(qiáng)度參數(shù)對遲滯現(xiàn)象產(chǎn)生的影響在土體強(qiáng)度較低時起主導(dǎo)作用。

邊坡；降雨；遲滯現(xiàn)象；土體滲透性；土體強(qiáng)度

滑坡災(zāi)害發(fā)生頻繁，降雨是觸發(fā)邊坡失穩(wěn)的最主要因素[1?3]。根據(jù)降雨條件、地勢環(huán)境、土質(zhì)類別的不同，降雨產(chǎn)生的雨水有26%~60%入滲到土體中[4]。入滲的雨水將引起坡體淺層土體含水率、孔隙水壓力、地下水位等參數(shù)發(fā)生變化，會導(dǎo)致潛在滑坡體抗滑力與下滑力失衡，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)[5?6]。在降雨觸發(fā)滑坡過程中，從降雨入滲到土壤含水率及孔隙水壓力的變化，再到土體強(qiáng)度降低，地下水位上升，整個過程隨時間逐步發(fā)生。在特定的降雨環(huán)境及土質(zhì)條件下，降雨發(fā)生時間與坡體失穩(wěn)時間存在時間差[7]。在工程實際中，一些邊坡通常在降雨結(jié)束一段時間后發(fā)生滑坡，意味著降雨對滑坡的作用有遲滯現(xiàn)象。降雨觸發(fā)滑坡的遲滯現(xiàn)象較普遍，如鐵路路基在遭受大雨后的第5天發(fā)生滑坡事故，造成火車出軌[8]；黃土質(zhì)邊坡在雨季通常較穩(wěn)定，但在雨季過后可能發(fā)生滑坡事 故[9]。因降雨觸發(fā)滑坡遲滯的時間不一樣，使經(jīng)歷降雨后的邊坡具有較大潛在危險性，對降雨觸發(fā)邊坡失穩(wěn)遲滯現(xiàn)象進(jìn)行分析，有助于進(jìn)一步了解降雨觸發(fā)滑坡的致災(zāi)機(jī)理及對該類災(zāi)害的預(yù)警控制。關(guān)于對降雨觸發(fā)滑坡滯后現(xiàn)象的研究，RAHARDJO等[10]在研究降雨過程中地下水位及土質(zhì)特性與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)性時發(fā)現(xiàn)特定的降雨條件及土質(zhì)參數(shù)情況下，勻質(zhì)土坡及分層土坡均會發(fā)生滑坡滯后于降雨過程的現(xiàn)象，但未進(jìn)行進(jìn)一步分析。DOU等[11]基于G-A入滲模型建立了勻質(zhì)土坡雨水重分布模型，在此基礎(chǔ)上從雨水入滲重分布角度闡釋了滑坡失穩(wěn)滯后的原因。DOU 等[12]提出考慮土壤飽和滲透系數(shù)空間變異性的邊坡穩(wěn)定分析方法，基于此方法研究了前期降雨持時、土壤飽和滲透系數(shù)變異性與降雨觸發(fā)邊坡失穩(wěn)滯后時長的關(guān)聯(lián)性。降雨觸發(fā)滑坡滯后現(xiàn)象涉及多因素、多過程，不僅與降雨參數(shù)、邊坡所處地勢環(huán)境、雨水入滲過程、邊坡失穩(wěn)過程等相關(guān)聯(lián)，而且與邊坡自身的土質(zhì)參數(shù)相關(guān)。對于相同降雨環(huán)境與地勢環(huán)境，不同土質(zhì)的邊坡對于降雨觸發(fā)邊坡失穩(wěn)滯后時長的表現(xiàn)也可能不盡相同。為此，本文作者對雨水入滲規(guī)律進(jìn)行分析，給出簡化的雨水入滲分布模型，研究因降雨導(dǎo)致的滑坡滯后于降雨過程的發(fā)生機(jī)理，再基于滲流?坡體穩(wěn)定性耦合分析方法，分析土體滲透參數(shù)與土體強(qiáng)度參數(shù)及遲滯現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)性。

1 雨水入滲規(guī)律

在理想狀態(tài)下，雨水入滲過程中淺層土體在豎直方向會呈現(xiàn)漸變特征，即干燥狀態(tài)、非飽和狀態(tài)、飽和狀態(tài)(包含暫態(tài)飽和狀態(tài))交替出現(xiàn)。在降雨開始之前，表層土體處于干燥狀態(tài)(初始含水率相對較低)，潛水位以下土體處于飽和狀態(tài)，因土體毛細(xì)作用，潛水位以上小范圍內(nèi)的土體處于非飽和狀態(tài)，該情形下土體的干濕狀態(tài)如圖1(a)所示。在降雨過程中，表層土體將處于暫態(tài)飽和狀態(tài)，往下依次為非飽和區(qū)域、干土區(qū)域、非飽和區(qū)域及飽和區(qū)域(潛水位以下)，如圖1(b)所示。當(dāng)降雨結(jié)束一段時間后，表層土體會因入滲及蒸發(fā)作用變?yōu)楦稍餇顟B(tài)，潛水位會因雨水入滲而上升，在潛水位以上局部區(qū)域分布著非飽和土區(qū)域，如圖1(c)所示。

(a) 降雨前；(b) 降雨過程中；(c) 降雨后

根據(jù)圖1所示的土體狀態(tài)分布規(guī)律，建立2類降雨作用邊坡雨水入滲模型，用于說明降雨觸發(fā)邊坡失穩(wěn)遲滯現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理。圖2(a)所示為勻質(zhì)土坡模型，圖2(b)所示為覆土巖質(zhì)坡體模型。圖2中，B1，B2，B3和B4表示隨降雨持續(xù)，雨水入滲產(chǎn)生的濕潤鋒向土體深部推移的軌跡(按時間先后順序)；R1，R2，R3和R4表示降雨結(jié)束后淺層土體暫態(tài)飽和區(qū)域隨時間推移逐漸消散的軌跡。降雨觸發(fā)滑坡需要2個基本條件：1) 充足的降雨，以保證土體中暫態(tài)飽和區(qū)的產(chǎn)生及發(fā)展，降雨量通常用降雨強(qiáng)度與降雨持續(xù)時間2個指標(biāo)來表征；2) 適宜的土壤滲透率，通常用飽和滲透系數(shù)及土水特性來表征。對于勻質(zhì)坡體(見圖2(a))，假設(shè)滿足降雨觸發(fā)滑坡的2個基本條件，滑坡滯后于降雨過程的現(xiàn)象傾向于在如下情形下發(fā)生：降雨結(jié)束前，濕潤鋒發(fā)展至軌跡B2或者B3處；降雨結(jié)束時，濕潤鋒發(fā)展至軌跡B4，淺層土體暫態(tài)飽和區(qū)域逐漸消散至軌跡R2或者R3處，此時，潛在滑移面位置處于暫態(tài)飽和狀態(tài)。在雨水作用下，潛在滑移面附近土體含水率增大，孔隙水壓力由負(fù)壓狀態(tài)變?yōu)檎龎籂顟B(tài)，導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低，坡體最不穩(wěn)定狀態(tài)(或者滑坡)將在此時發(fā)生。巖土混合質(zhì)坡體(見圖2(b))與勻質(zhì)坡體略有不同，主要體現(xiàn)在：1) 地理結(jié)構(gòu)不同，與勻質(zhì)坡體情形相比較，覆土巖質(zhì)坡體存在巖土接觸界面；2) 雨水入滲路徑不同，在降雨量充足情況下，入滲雨水可能沿巖土接觸面向坡腳處集流，此時潛在滑移面將在巖土接觸面產(chǎn)生。根據(jù)不同覆土類型，坡體破壞失穩(wěn)的類型也不相同，若覆土為松軟顆粒土，則巖土接觸處的土體液化是剪切破壞所致坡體失穩(wěn)的主要原因[13?14]。

2 滲流?坡體穩(wěn)定性耦合分析方法

基于達(dá)西定律的二維滲流廣義微分方程的表達(dá)式如下：

式中：k與k分別為水平方向與豎直方向的滲透率；為總壓力水頭；為額外施加的邊界流量；為體積含水率；為時間。在靜態(tài)條件下，土壤孔隙中的水處于非流動狀態(tài)，式(1)等號右側(cè)取0。在非靜態(tài)條件下，孔隙水在凈法向力(n?a)與基質(zhì)吸力(a?w)作用下產(chǎn)生流動[15?16]。假設(shè)不考慮大氣壓力的變化及孔隙氣壓力(u)的變化，凈法向力(n?a)可以視為常量，不會對土壤體積含水率的變化產(chǎn)生影響，僅有基質(zhì)吸力(a?w)對土壤中水分運(yùn)移產(chǎn)生影響，其中主導(dǎo)影響因素為孔隙水壓力w。基于以上假設(shè)，土壤體積含水率的變化與土壤孔隙水壓力的變化可用下式表征：

式中：w為土水特性曲線的斜率?？紫端畨毫梢赃M(jìn)步表示為

將式(4)代入式(1)得

(a) 勻質(zhì)土坡模型；(b) 覆土巖質(zhì)坡體模型

因式(5)中高程為常量，在求偏導(dǎo)過程中可以舍棄，進(jìn)一步化簡式(5)得

基于式(6)的二維滲流微分方程涉及土水特性曲線(SWCC)斜率，土水特性曲線通常以基質(zhì)吸力(a?w)與標(biāo)準(zhǔn)化的體積含水率w之間的函數(shù)關(guān)系來表征，w的表達(dá)式如下：

式中：w為特定基質(zhì)吸力條件下土壤體積含水率；s為飽和體積含水率；r為殘余體積含水率。基于下式擬合土水特性曲線[17]：

式中：()為相關(guān)系數(shù)，計算中取值為1；參數(shù)，和分別與土壤空氣進(jìn)入值、土水特性曲線斜率、殘余含水量相關(guān)聯(lián)，為自然常數(shù)?；谕了匦郧€，采用下式估算土壤滲透曲線[18]：

式中：w與s分別為土體滲透系數(shù)與飽和滲透系數(shù)；=1/(1?)。本次分析中不考慮土體滲透系數(shù)的各向異性，即式(6)中k=k=w。

基于式(6)計算設(shè)定邊界條件下邊坡土體中不同時間的滲流場，再基于下式計算非飽和土體抗剪強(qiáng)度：

3 計算模型及參數(shù)

3.1 計算模型

采用數(shù)值分析方法進(jìn)行滲流?坡體穩(wěn)定性耦合分析。滲流分析在SEEP/W中進(jìn)行(不考慮坡面集流作用)，坡體穩(wěn)定性在SLOPE/W中進(jìn)行。將SEEP/W中獲得的滲流場數(shù)據(jù)導(dǎo)入SLOPE/W中進(jìn)行極限平衡法計算，獲得不同降雨時間坡體的安全系數(shù)。基于文獻(xiàn)[19]，分析過程中采用的數(shù)值模型及邊界條件如圖3所示(圖3中，表示初始水位線位置)。有限元網(wǎng)格劃分采用邊長為1 m的矩形單元。

數(shù)據(jù)單位：m

3.2 計算參數(shù)

數(shù)值分析過程中控制降雨條件不變，根據(jù)文獻(xiàn)[10]中的降雨量，本次分析中取降雨強(qiáng)度為22 mm/h(即6.1 μm/s)，降雨持時24 h。在分析過程中先控制土體強(qiáng)度參數(shù)不變，研究土體滲透系數(shù)對遲滯現(xiàn)象的影響。再控制土體滲透參數(shù)，研究土體強(qiáng)度參數(shù)與遲滯現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)性。

3.2.1 土體滲透性對遲滯現(xiàn)象的影響分析

根據(jù)文獻(xiàn)[10，20?21]選取3組基本土質(zhì)參數(shù)，分別命名為土質(zhì)1組、土質(zhì)2組、土質(zhì)3組，其參數(shù)取值情況見表1。3組土質(zhì)的土水特性曲線如圖4所示。分別以這3組參數(shù)取值為基礎(chǔ)，以等步長遞增變換每組土質(zhì)的飽和滲透系數(shù)取值，研究不同土體滲透系數(shù)與降雨觸發(fā)邊坡失穩(wěn)遲滯現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)性，各組飽和滲透系數(shù)的取值見表2。

表1 3組土質(zhì)基本參數(shù)取值

1—土質(zhì)1組；2—土質(zhì)2組；3—土質(zhì)3組。

表2 3組土質(zhì)飽和滲透系數(shù)ks

3.2.2 土體強(qiáng)度參數(shù)對遲滯現(xiàn)象的影響

表3 3組土質(zhì)基本參數(shù)取值

表4 土體強(qiáng)度參數(shù)取值

1—A組；2—B組；3—C組。

3.3 臨界時間定義

臨界時間定義如下：在降雨條件下，因雨水入滲導(dǎo)致坡體穩(wěn)定性發(fā)生變化，這種變化體現(xiàn)在坡體安全系數(shù)在降雨過程中及降雨結(jié)束后的波動性上。因雨水作用導(dǎo)致的坡體穩(wěn)定性變化有3種不同情況(如圖6所示，以降雨開始時間為計時零點，0表示降雨結(jié)束時間)：曲線1表征降雨過程中坡體失穩(wěn)，失穩(wěn)時間點記為a；曲線2表征降雨結(jié)束一段時間后坡體失穩(wěn)，即出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象，失穩(wěn)時間點記為b；曲線3表征降雨過程中坡體沒有失穩(wěn)，但因雨水作用出現(xiàn)了安全系數(shù)曲線的最小值，記最小安全系數(shù)取得時間點為c(點也可能出現(xiàn)在降雨結(jié)束之前)。在本次分析中，將a，b和c統(tǒng)一定義為臨界時間。臨界時間包含2層含義：既表征坡體的最不穩(wěn)定時間，又表征從降雨開始到坡體最不穩(wěn)定狀態(tài)(包含安全系數(shù)為1的臨界狀態(tài))所需要的時間。

圖6 臨界時間定義

4 計算結(jié)果及分析

4.1 滲透性影響分析

土體滲透性對臨界時間的影響如圖7所示。從圖7可見：在3類土質(zhì)下，臨界時間隨滲透系數(shù)增大具有相似的變化趨勢，即隨滲透系數(shù)增大，臨界時間逐漸變??；在圖7(a)所示情況下，臨界時間均在24 h以內(nèi)，說明在降雨過程中坡體失穩(wěn)，滲透性越好，發(fā)生失穩(wěn)的時間越短；在圖7(b)所示情況下，當(dāng)飽和滲透系數(shù)小于1.2 μm/s時，臨界時間均大于24 h，即坡體臨界狀態(tài)會在降雨結(jié)束后出現(xiàn)，其中A和B情形下均出現(xiàn)了明顯的滑坡滯后失穩(wěn)現(xiàn)象；當(dāng)飽和滲透系數(shù)大于1.2 μm/s時，隨飽和滲透系數(shù)的增大，臨界時間逐漸變小，但變化趨勢趨于平緩；對于圖7(c)所示情況，隨滲透系數(shù)增大，臨界時間變化趨于平緩并接近24 h，說明該情形下坡體的最不穩(wěn)定狀態(tài)均趨于在降雨結(jié)束之后出現(xiàn)。綜合比較這3種情形，土質(zhì)2組與土質(zhì)3組較容易產(chǎn)生滑坡失穩(wěn)滯后情形，而土質(zhì)1組則傾向于在降雨過程中發(fā)生滑坡，其主要是：1) 土質(zhì)1組的飽和滲透系數(shù)(數(shù)量級為10?4 m/s)較土質(zhì)2組與3組的飽和滲透系數(shù)(數(shù)量級為10?3m/s)高；2) 土水特性曲線(見圖4)顯示土質(zhì)1組進(jìn)氣值點較低且進(jìn)氣值較小[22](主要體現(xiàn)在，和的取值上)，即對于土質(zhì)1組土體而言易于進(jìn)氣排水。

(a) 土質(zhì)1組；(b) 土質(zhì)2組；(c) 土質(zhì)3組

4.2 土體強(qiáng)度影響分析

土體強(qiáng)度對臨界時間的影響如圖8所示。從圖8可見：3組土質(zhì)坡體的臨界時間均隨土體強(qiáng)度參數(shù)增大而呈現(xiàn)出不斷增大并最終趨于平緩的變化趨勢；A組土坡的臨界時間均小于24 h，說明在該情形下，不論土體強(qiáng)度如何取值，邊坡基本會在降雨過程中失穩(wěn)，進(jìn)一步表明土體滲透特性對降雨觸發(fā)滑坡的發(fā)生時間具有決定性影響；B組土坡的臨界時間對土質(zhì)強(qiáng)度的變化較敏感，當(dāng)土體強(qiáng)度較低時，坡體會在降雨過程中失穩(wěn)；當(dāng)土體強(qiáng)度進(jìn)一步增大時，遲滯現(xiàn)象越來越明顯，并最終趨于穩(wěn)定。這說明土體強(qiáng)度對遲滯現(xiàn)象的發(fā)生有影響，在土體強(qiáng)度較小時坡體在降雨過程中失穩(wěn)。C組土坡的臨界時間對土質(zhì)強(qiáng)度增加的變化趨勢與B組的類似，只是較B組較平緩，說明土體強(qiáng)度對遲滯現(xiàn)象的影響受土體滲透特性的制約。

1—A組；2—B組；3—C組。

5 結(jié)論

1) 隨土體滲透能力增強(qiáng)，坡體的臨界時間呈現(xiàn)出不斷減小并最終趨于平緩的變化趨勢。在特定的土體強(qiáng)度下，滲透性較好(滲透系數(shù)s大于1×10?4 m/s)且進(jìn)氣排水能力較強(qiáng)的土質(zhì)坡體傾向于在降雨過程中失穩(wěn)。當(dāng)滲透系數(shù)s在1×10?6~1×10?7 m/s范圍內(nèi)取值時，坡體的臨界時間通常在降雨結(jié)束后取得。

2) 當(dāng)土體滲透性一定時，隨著土體強(qiáng)度增大，坡體的臨界時間呈現(xiàn)出不斷增大并最終趨于平緩的變化趨勢。

3) 土體滲透性對遲滯現(xiàn)象的產(chǎn)生有主導(dǎo)作用，即滲透性較好的土坡傾向于在降雨過程中失穩(wěn)，此時土體強(qiáng)度對該過程的影響較小。當(dāng)土體滲透性適宜、坡體可能產(chǎn)生失穩(wěn)遲滯現(xiàn)象時，土體強(qiáng)度對遲滯現(xiàn)象產(chǎn)生影響，且在土體強(qiáng)度較低時起主導(dǎo)作用，此時坡體傾向于在降雨過程中失穩(wěn)。

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(編輯 陳燦華)

Delay phenomenon of shallow slope failure triggered by rainfall and its correlation with soil parameters

ZHANG Jian, LI Jiangteng, LIN Hang, HUANG Minpeng, CHANG Ruiqin

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

The effect of rainfall on the slope may continue and the most unstable state may occur after rainfall stops. This phenomenon was described as the delay phenomenon. According to the infiltration characteristics of rainwater in the soil, two representative models of landslides occurring after rainfall were set up to illustrate the mechanisms of the delay phenomenon. The concept of critical moment was defined. The relationship between the delay phenomenon and soil parameters was analyzed using numerical analysis method. The results show that the delay phenomenon has a direct relationship with soil permeability parameters and soil strength parameters. The soil slope tends to have failure during rainfall when the permeability coefficient is larger than 1×10 ?4m/s and air intake and discharge capacity are strong. The slope tends to be in the most unstable state when the permeability coefficient is between 1×10?7m/s to 1×10?6m/s. When the soil strength parameters are determined, the critical moment of the slope decreases firstly and eventually becomes stable with the increase of the permeability coefficient. The critical moment of the slope increases firstly and tends to be stable with the increase of the soil strength parameters when the permeability coefficient is determined. Soil permeability is the major influencing factor of the delay phenomenon. When permeability is fitted, soil strength parameters have dominant efficient when the soil strength is low.

slope; rainfall; delay phenomenon; soil permeability; soil strength

TU443

A

1672?7207(2018)01?0150?08

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.01.020

2017?03?10；

2017?05?21

長江科學(xué)院開放基金資助項目(CKWV2016390/KY)；湖南省研究生科研創(chuàng)新項目(CX2017B055)；長沙理工大學(xué)道路災(zāi)變防治及交通安全教育部工程研究中心開放基金資助項目(KFJ160403) (Project(CKWV2016390/KY) supported by the CRSRI Open Research Program; Project(CX2017B055) supported by Hunan Provincial Innovation Foundation for Postgraduate; Project(KFJ160403) supported by Open Fund of Engineering Research Center of Catastrophic Prophylaxis and Treatment of Rood & Traffic Safety of Ministry of Education (Changsha University of Science & Technology))

李江騰，博士，教授，從事巖土工程材料及巖土工程災(zāi)害研究；E-mail: ljtcsu@163.com