降雨及坡體組成對堆積型邊坡穩(wěn)定性的試驗研究

林澤雨， 劉愛華， 張 巍， 何卓名， 周學(xué)民， 王甦宇

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 廣州 510642)

滑坡災(zāi)害作為當(dāng)今自然災(zāi)害中十分普遍的一類災(zāi)害，對人民的生命及財產(chǎn)安全有著巨大的威脅。隨著人類工程的數(shù)量與規(guī)模的不斷增長，堆積體滑坡災(zāi)害在滑坡災(zāi)害中的比例不斷增大。事實上，無論是在鐵路和公路等的路橋建設(shè)中，在堆石壩和淤泥堤等的水利工程建設(shè)中，還是在城市渣土填埋場、礦山排土場等工程中，堆積體邊坡穩(wěn)定性的治理防護與研究工作都有著重要意義[1-7]。

影響堆積體穩(wěn)定性的因素主要有巖土材料的基本特征(如形狀、尺寸、粗糙度、不同堆積材料配比等)、堆積方式及含水率等。目前對堆積體穩(wěn)定性影響的研究主要有數(shù)值模擬和物理試驗兩種方式。郭將等[8]用有限元與極限平衡分析的方法對馬達嶺滑坡數(shù)值模擬，得出了強降雨及長時間降雨都會使滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)降低，并得出了地震橫向力比豎向力對滑坡穩(wěn)定性的影響更大的結(jié)論；王浩等[7]用極限平衡法和數(shù)值分析法對某排土場的堆積體進行了數(shù)值分析，得出了暴雨是破壞堆積體穩(wěn)定性的重要因素的結(jié)論，并驗算得出加固治理后對堆積體穩(wěn)定性具有重要意義；劉興寧等[9]用顆粒離散元法建立了云南某水電站堆積體滑坡模型，該模型可預(yù)測堆積體滑坡情況；李俊業(yè)等[10]、李葉鑫等[11]、魏寶龍等[12]都用GEO-SLOPE軟件對堆積體進行計算分析，分別得出了在非極端降雨條件下一定量的前期降雨量有利于增強其穩(wěn)定性，降雨土壤含水率隨著降雨強度的增大而增大且雨強越大堆積體安全系數(shù)越低，暴雨對堆積體的致災(zāi)機理與滑坡機制；田海等[13]采用模型箱的方法，研究了降雨條件下四川綿竹市綿茂公路帶堆積體的變形滑坡情況，并驗證了邊坡防護格柵對堆積體穩(wěn)定性的有利作用；趙建軍等[14]通過物理試驗，研究了降雨強度在18 mm/h的條件下，雨水滲透及堆載對碎石土堆積體穩(wěn)定性的影響，研究表明孔隙水壓力在坡體失穩(wěn)過程中起著關(guān)鍵作用；馮文凱等[15]通過對歡喜坡冰水堆積體的現(xiàn)場試驗，研究了降雨強度和降雨時間對該堆積體穩(wěn)定性的影響，得出了降雨強度和降雨時間的增大都會降低堆積體的穩(wěn)定性的結(jié)論。

總體來說，目前對堆積體穩(wěn)定性的研究依舊不足，研究多采用數(shù)值模擬的方式，堆積體穩(wěn)定性的物理試驗研究相對較少，且研究材料較為單一，多針對某一特定堆積體，研究因素多為單一因素。研究組分具有特殊性，較難將研究成果廣泛應(yīng)用于工程實際中。

現(xiàn)從堆積體材料的組成出發(fā)，通過對比不同降雨強度條件下不同含土率、不同骨料比例的堆積體的穩(wěn)定性，探究堆積體組成對堆積體穩(wěn)定性的影響。研究成果可為天然堆積體或工程中的人工堆積體的穩(wěn)定性分析評價提供指導(dǎo)，對堆積體滑坡災(zāi)害的預(yù)防與治理工作具有重要意義。

1 試驗儀器、設(shè)備工具、材料與試驗原理、方法

1.1 試驗儀器、設(shè)備工具、材料

試驗的主要儀器、設(shè)備、工具有XHZ-JY102便攜式全自動人工模擬降雨器、電子數(shù)顯傾角儀、直尺卷尺等。

XHZ-JY102便攜式全自動人工模擬降雨器是專門為科研實驗研制開發(fā)的一種噴射型人工模擬仿真降雨設(shè)備。設(shè)備的核心系統(tǒng)可分為三大部分。①降雨系統(tǒng)：主要由降雨噴頭、電磁閥等組成，主要功能是把供水系統(tǒng)供來的水源模擬成自然降水，噴落到地面；②控制系統(tǒng)：主要由控制部分和數(shù)據(jù)采集部分組成，主要功能是對供水系統(tǒng)和降雨系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行控制和對雨量計測量的數(shù)據(jù)進行采集、處理、保存；③供水系統(tǒng)：主要由水泵和供水管路組成，主要功能是給降雨系統(tǒng)提供水源支持。該設(shè)備適用于室內(nèi)和室外需要人工模擬降雨并且控制降雨雨強和降雨時間的各種試驗場合。降雨面積為1～20 m2，降雨高度為4 m。經(jīng)標(biāo)定后的降雨強度有15、20、30、40、60、70、80、90、100、110、120、140、160、180、200 mm/h。降雨均勻度大于0.75。雨滴大小調(diào)控范圍為0.3～6 mm。降雨測量誤差≤2%。降雨設(shè)備如圖1所示。

圖1 XHZ-JY102便攜式全自動人工模擬降雨器Fig.1 XHZ-JY102 portable automatic artificial simulated rainfall device

電子數(shù)顯傾角儀用于測量坡度，測量范圍為±180°，測量精度為0.1°。

試驗的主要材料有粒徑為20～40 mm的碎石、粒徑為30～55 mm的卵石、天然含水率為3%的南方紅土。

1.2 試驗原理與試驗方法

以自然堆積體為試驗對象，通過模擬降雨的方式，得到不同條件下堆積體的滑動情況，以此來判斷該條件下堆積體的穩(wěn)定性情況。

預(yù)選定3組不同骨料配比的堆積體材料進行試驗，其中兩組堆積體的臨界坡度相近，另外一組與這兩組堆積體的臨界坡度相差較大。經(jīng)試驗測定：①鵝卵石∶碎石=8∶2、土石比為100%時自然堆積坡度(臨界坡度)為35°；②鵝卵石∶碎石=7∶3、土石比為100%時自然堆積坡度(臨界坡度)為35.6°；③鵝卵石∶碎石=2∶8、土石比為100%時自然堆積坡度(臨界坡度)為41.2°。故此3組骨料配比可滿足試驗要求，選取此3組骨料配比作為試驗組。

為滿足控制變量法的唯一變量規(guī)則，每組試驗控制堆積坡度不變。為保證每組堆積體能正常堆積，且在受到降雨影響時能順利發(fā)生滑坡，控制每組試驗的堆積坡度為35°。

試驗步驟如下：①將碎石、卵石、紅土按比例配置好，混合均勻；②將混合好的材料堆積成小圓錐體，控制堆積坡度為35°；③測量堆積體的坡度、高度、直徑等參數(shù)，做好照片記錄；④采用人工模擬降雨器進行人工降雨，記錄降雨過程中堆積體的變化情況及變化的時間節(jié)點，做好照片記錄；⑤記錄降雨完成后堆積體的坡度、高度、直徑等參數(shù)，做好照片記錄；⑥將數(shù)據(jù)及照片進行整理、對比及分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 不同土石比條件下的滑坡現(xiàn)象

保持堆積體土石總質(zhì)量為50 kg，堆積體骨料比例為鵝卵石∶碎石=8∶2，堆積坡度約為35°，降雨強度為60 mm/h，降雨時長為1 h，降雨量為60 mm的條件不變，探索土石比分別為40%、80%、100%、150%、200%時初始滑坡發(fā)生時間及滑坡規(guī)模等現(xiàn)象，試驗結(jié)果如表1所示。試驗獲得的最終滑坡規(guī)模如圖2所示。

表1 不同土石比條件下的滑坡現(xiàn)象Table 1 Landslide phenomenon under different soil-rock ratios

圖2 同等降雨條件下不同土石比對滑坡規(guī)模的影響Fig.2 Influence of different soil-rock ratios on landslide’s scale under the same raining conditions

由表1可得試驗結(jié)果如下：①土石比為40%時滑坡現(xiàn)象不明顯(經(jīng)試驗得小于40%時滑坡現(xiàn)象均不明顯)，降雨直接沖刷掉堆積體表面土壤，而對石頭組成的堆積體骨架無明顯作用，當(dāng)土石比大于80%以后，初始滑坡發(fā)生時間均在18 min左右；②隨著土石比的增大，滑坡規(guī)模也逐漸增大，滑坡現(xiàn)象逐漸明顯，沖刷效果逐漸加強。

因此，為既能達到較好的滑坡效果又能較好地區(qū)分滑坡規(guī)模，選取的土石比為100%時作為以下試驗的堆積體土石比。

2.2 不同降雨強度條件下的滑坡現(xiàn)象

選擇3種骨料比例進行不同降雨強度條件下的滑坡試驗，骨料比例分別為：①鵝卵石∶碎石=8∶2，土石比為100%，經(jīng)測定自然堆積坡度(臨界坡度)為35°；②鵝卵石∶碎石=7∶3，土石比為100%，經(jīng)測定自然堆積坡度(臨界坡度)為35.6°；③鵝卵石∶碎石=2∶8，土石比為100%，經(jīng)測定自然堆積坡度(臨界坡度)為41.2°。

2.2.1 第1組骨料試驗

保持土石總質(zhì)量為50 kg，堆積坡度約為35°，堆積體土石比為100%，堆積體骨料比例為鵝卵石∶碎石=8∶2，降雨量為60 mm的條件不變，探索降雨強度分別為60、100、160、200 mm/h時初始滑坡發(fā)生時間及滑坡規(guī)模等現(xiàn)象。試驗結(jié)果如表2所示。試驗獲得的最終滑坡規(guī)模如圖3所示。

圖3 不同降雨條件對滑坡規(guī)模的影響(鵝卵石∶碎石=8∶2)Fig.3 Influence of different raining conditions on landslide’s scale (cobblestone∶gravel=8∶2)

表2 不同雨強條件下的滑坡現(xiàn)象Table 2 Landslide phenomena under different rain intensity conditions

2.2.2 第2組骨料試驗

保持土石總質(zhì)量為50 kg，堆積坡度約為35°，堆積體土石比為100%，堆積體骨料比例為鵝卵石∶碎石=7∶3，降雨量為60 mm的條件不變，探索降雨強度分別為60、100、160、200 mm/h時初始滑坡發(fā)生時間及滑坡規(guī)模等現(xiàn)象，試驗結(jié)果如表3所示。試驗獲得的最終滑坡規(guī)模如圖4所示。

表3 不同雨強條件下的滑坡現(xiàn)象Table 3 Landslide phenomena under different rain intensity conditions

圖4 不同降雨條件對滑坡規(guī)模的影響(鵝卵石∶碎石=7∶3)Fig.4 Influence of different raining conditions on landslide’s scale (cobblestone∶gravel=7∶3)

2.2.3 第3組骨料試驗

保持土石總質(zhì)量為50 kg，堆積坡度約為35°，堆積體土石比為100%，堆積體骨料比例為鵝卵石∶碎石=2∶8，降雨量為60 mm的條件不變，探索降雨強度分別為60、100、160、200 mm/h時初始滑坡發(fā)生時間及滑坡規(guī)模等現(xiàn)象，試驗結(jié)果如表4所示。試驗獲得的最終滑坡規(guī)模如圖5所示。

表4 不同雨強條件下的滑坡現(xiàn)象Table 4 Landslide phenomena under different rain intensity conditions

圖5 不同降雨條件對滑坡規(guī)模的影響(鵝卵石∶碎石=2∶8)Fig.5 Influence of different raining conditions on landslide’s scale (cobblestone∶gravel=2∶8)

2.2.4 試驗結(jié)果分析

由2.2.1、2.2.2、2.2.3節(jié)試驗結(jié)果可得：①隨著降雨強度增大，初始滑坡發(fā)生時間逐漸變短，其中，雨強由100 mm/h增大到160 mm/h時初始滑坡發(fā)生時間發(fā)生急劇增加現(xiàn)象；②隨著降雨強度增大，堆積體的滑坡嚴(yán)重程度逐漸增大，在雨強從 100 mm/h 增大到160 mm/h時滑坡規(guī)模陡然增大，160 mm/h以上的雨強對堆積體的破壞程度十分嚴(yán)重。

2.3 不同骨料條件下的滑坡現(xiàn)象

分析堆積體的不同骨料對穩(wěn)定性的影響，分別對降雨強度為60、100、160、200 mm/h下3種骨料的堆積體進行數(shù)據(jù)分析。

2.3.1 降雨強度為60 mm/h

保持土石總質(zhì)量為50 kg，堆積坡度約為35°，堆積體土石比為100%，堆積體骨料比例為鵝卵石∶碎石=8∶2、鵝卵石∶碎石=7∶3、鵝卵石∶碎石=2∶8，降雨量為60 mm的條件不變，探索降雨強度為 60 mm/h 時初始滑坡發(fā)生時間及滑坡規(guī)模等現(xiàn)象，試驗結(jié)果如表5所示。試驗獲得的最終滑坡規(guī)模如圖6所示。

表5 不同骨料的堆積體滑坡現(xiàn)象Table 5 Landslide phenomenon of accumulation bodies with different aggregates

圖6 不同骨料組成對滑坡規(guī)模的影響(雨強：60 mm/h)Fig.6 Influence of different aggregate compositions on landslide’s scale (rainfall intensity: 60 mm/h)

2.3.2 降雨強度為100 mm/h

保持土石總質(zhì)量為50 kg，堆積坡度約為35°，堆積體土石比為100%，堆積體骨料比例為鵝卵石∶碎石=8∶2、鵝卵石∶碎石=7∶3、鵝卵石∶碎石=2∶8，降雨量為600 mm的條件不變，探索降雨強度為 100 mm/h 時初始滑坡發(fā)生時間及滑坡規(guī)模等現(xiàn)象，試驗結(jié)果如表6所示。試驗獲得的最終滑坡規(guī)模如圖7所示。

表6 不同骨料的堆積體滑坡現(xiàn)象Table 6 Landslide phenomenon of accumulation bodies with different aggregates

圖7 不同骨料組成對滑坡規(guī)模的影響(雨強：100 mm/h)Fig.7 Influence of different aggregate compositions on landslide’s scale (rainfall intensity: 100 mm/h)

2.3.3 降雨強度為160 mm/h

保持土石總質(zhì)量為50 kg，堆積坡度約為35°，堆積體土石比為100%，堆積體骨料比例為鵝卵石∶碎石=8∶2、鵝卵石∶碎石=7∶3、鵝卵石∶碎石=2∶8，降雨量為60 mm的條件不變，探索降雨強度為 160 mm/h 時初始滑坡發(fā)生時間及滑坡規(guī)模等現(xiàn)象，試驗結(jié)果如表7所示。試驗獲得的最終滑坡規(guī)模如圖8所示。

表7 不同骨料的堆積體滑坡現(xiàn)象Table 7 Landslide phenomenon of accumulation bodies with different aggregates

圖8 不同骨料組成對滑坡規(guī)模的影響(雨強：160 mm/h)Fig.8 Influence of different aggregate compositions on landslide’s scale (rainfall intensity: 160 mm/h)

2.3.4 降雨強度為200 mm/h

保持土石總質(zhì)量為50 kg，堆積坡度約為35°，堆積體土石比為100%，堆積體骨料比例為鵝卵石∶碎石=8∶2、鵝卵石∶碎石=7∶3、鵝卵石∶碎石=2∶8，降雨量為60 mm的條件不變，探索降雨強度為 200 mm/h 時初始滑坡發(fā)生時間及滑坡規(guī)模等現(xiàn)象。試驗結(jié)果如表8所示。試驗獲得的最終滑坡規(guī)模如圖9所示。

表8 不同骨料的堆積體滑坡現(xiàn)象Table 8 Landslide phenomenon of accumulation bodies with different aggregates

圖9 不同骨料組成對滑坡規(guī)模的影響(雨強：200 mm/h)Fig.9 Influence of different aggregate compositions on landslide’s scale (rainfall intensity: 200 mm/h)

2.3.5 試驗結(jié)果分析

由2.2.1、2.2.2、2.2.3節(jié)試驗結(jié)果可得：①臨界坡度大的堆積體，初始滑坡發(fā)生時間越長，如圖10所示；②臨界坡度大的堆積體，滑坡規(guī)模相對更為嚴(yán)重，當(dāng)降雨強度達到200 mm/h時，雖然3組堆積體滑坡高度變化有所差異，但3組堆積體破壞程度都相當(dāng)嚴(yán)重；③臨界坡度相近的堆積體，初始滑坡發(fā)生時間和最終滑坡規(guī)模也相近。

圖10 不同臨界坡度堆積體滑坡時間對比Fig.10 Comparison of landslide time of accumulation bodies with different critical slopes

3 結(jié)論

(1)巖石骨料和泥土混合的堆積體中，不同含土率的堆積體發(fā)生滑坡的時間差異較小，但隨著含土率的增大，滑坡的破壞程度不斷增大。因泥土受雨水沖刷作用嚴(yán)重，使含土率大的堆積體的穩(wěn)定性相比含土率小的堆積體較差。

(2)降雨量一定的情況下隨著降雨強度的增大，降雨對堆積體的破壞作用也越來越明顯，主要表現(xiàn)在滑落巖土的體積越來越大，泥土沖刷越來越嚴(yán)重。較大的雨強能在短時間內(nèi)對堆積體造成巨大的破壞。

(3)臨界坡度越大的堆積體其穩(wěn)定性越好，其較好的穩(wěn)定性表現(xiàn)在發(fā)生滑坡所需的時間越長，且最終的滑坡規(guī)模越小，臨界坡度相近的堆積體滑坡發(fā)生情況也相近。但隨雨強的增大，不同臨界坡度堆積體的最終滑坡規(guī)模都表現(xiàn)為十分嚴(yán)重。

(4)在工程實際中，應(yīng)著重監(jiān)測含土率較大、臨界坡度較小的堆積體，且降雨量一定的情況下，短時強降雨對堆積坡體的破壞十分嚴(yán)重。