降雨作用下裂縫對桿塔基礎(chǔ)滑坡影響的物理模型試驗

周永強(qiáng)，盛 謙,2，宋頂峰，付曉東，方 波，賴 杰，周英博

(1.中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實驗室，湖北 武漢 430071；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中建國際投資（湖北）有限公司，湖北 武漢 430000；4.中國建筑國際集團(tuán)有限公司，香港 999077；5.浙江華展工程研究設(shè)計院有限公司，浙江 寧波 315012；6.火箭軍工程大學(xué) 作戰(zhàn)保障學(xué)院，陜西 西安 710025；7.國網(wǎng)湖北省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，湖北 武漢 430077)

近年來，為實現(xiàn)跨大區(qū)域、跨流域的水火電互濟(jì)，“西電東送”和全國聯(lián)網(wǎng)工程項目相繼實施。作為輸電線路重要組成部分的高壓輸電塔是重要的電力工程設(shè)施，由于地形環(huán)境的限制，不可避免地要架設(shè)在滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)域，其安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)和人民生活，一旦發(fā)生故障或破壞都將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，并引發(fā)各種次生災(zāi)害。

2007年，降雨造成重慶南岸區(qū)最重要的供電線電力鐵塔塔基滑坡，供應(yīng)地區(qū)40萬人受停電影響。因此，研究降雨作用下桿塔基礎(chǔ)滑坡的穩(wěn)定性具有重要意義。研究表明，降雨是滑坡失穩(wěn)的一個關(guān)鍵誘發(fā)因素。目前，相關(guān)學(xué)者采用物理模型、數(shù)值模擬等方法對降雨型滑坡的失穩(wěn)過程和力學(xué)機(jī)制開展大量研究，如：為更好地對降雨誘發(fā)淺層滑坡進(jìn)行研究，李寧等采用非飽和土VG模型與改進(jìn)的Green–Ampt入滲模型對Mein–Larson降雨入滲模型進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合無限邊坡提出降雨誘發(fā)淺層滑坡的簡化計算模型。田東方等以Richards方程和有限元法為基礎(chǔ)，將滑坡滲流計算域縮小為滑體，依據(jù)基巖邊坡水平長度和滑體降雨入滲邊界飽和情況，修正了降雨入滲邊界，實現(xiàn)了考慮徑流補(bǔ)給的滑坡降雨入滲簡化數(shù)值模擬。張永雙等采用數(shù)值模擬方法分析降雨條件下裂縫的深度、位置和數(shù)量對古滑坡復(fù)活的影響，結(jié)果表明：隨裂縫深度的增加，滲流影響范圍越來越大，雨水到達(dá)滑帶的時間也越來越短；隨著裂縫數(shù)量增加，滑體內(nèi)滲流場影響范圍擴(kuò)大，飽和時間明顯縮短?；谖锢砟Ｐ驮囼?，李龍起和巨能攀實現(xiàn)了光柵測試技術(shù)在順層邊坡降雨模型試驗中的應(yīng)用。王俊等基于無限邊坡算法構(gòu)建了較為簡單的實驗室降雨型滑坡技術(shù)性預(yù)警系統(tǒng)，通過模型試驗考察該預(yù)警系統(tǒng)在估算不同降雨強(qiáng)度及不同初始含水狀態(tài)下滑坡失穩(wěn)時間的表現(xiàn)，結(jié)果表明，基于無限邊坡算法預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警能力具有較好的準(zhǔn)確性。為研究庫岸古滑坡的變形特征與失穩(wěn)機(jī)制，肖捷夫等以藕塘滑坡為對象，模擬庫水漲落和降雨工況及兩者聯(lián)合作用的工況，揭示了庫岸古滑坡在庫水漲落和降雨條件下的變形特征及失穩(wěn)機(jī)制?；谑覂?nèi)大型滑坡模型試驗，王如賓等研究了不同降雨強(qiáng)度下滑坡堆積體的響應(yīng)規(guī)律與變形破壞模式，揭示了降雨誘發(fā)滑坡變形的破壞機(jī)理。蘇立君等以汶川地震災(zāi)區(qū)震后降雨型碎石土斜坡為研究對象，通過振動臺模型試驗，分析了震后降雨型碎石土斜坡的穩(wěn)定性。

上述研究成果為認(rèn)識降雨型滑坡的失穩(wěn)過程和機(jī)制提供了參考。然而，其研究對象主要為滑坡體，對桿塔基礎(chǔ)滑坡的研究不多見。

針對桿塔基礎(chǔ)滑坡，黃晨忱等考慮了極端降雨和局部道路開挖工況，分析燕子桿塔基礎(chǔ)滑坡的穩(wěn)定性和地表變形特征，探究滑坡地表變形對坡體上超高壓輸電線路桿塔基礎(chǔ)變形的影響，提出滑坡災(zāi)害下桿塔傾斜度的定量計算方法。然而，對在降雨作用下不同相對位置的桿塔基礎(chǔ)滑坡有裂縫時的失穩(wěn)過程的分析比較少。因此，本文以湖北省巴東縣燕子桿塔基礎(chǔ)滑坡為研究對象，基于物理模型試驗，研究降雨作用下不同相對位置桿塔基礎(chǔ)滑坡有裂縫時的失穩(wěn)過程和成災(zāi)模式，并在此基礎(chǔ)上，總結(jié)降雨作用下桿塔基礎(chǔ)滑坡成災(zāi)模式的分析流程。

1 燕子滑坡概況

燕子滑坡地處長江巫峽與西陵峽之間的過渡地帶，屬構(gòu)造侵蝕中低山峽谷地貌單元。總體地勢為南高北低、西高東低。岸坡上發(fā)育數(shù)條近東西向和近南北向的沖溝，沖溝切深3～15 m，使得區(qū)內(nèi)溝壑縱橫，地形完整性差。燕子滑坡所處斜坡人類工程活動劇烈，主要為修建公路和住宅區(qū)，斜坡形態(tài)變化很大，變化頻率很高，如圖1所示。

圖1 燕子滑坡全貌Fig. 1 Overall view of Yanzi landslide

燕子滑坡縱長約400 m，橫寬約150 m，面積約為6.0×10m；滑體平均厚度約為10 m，體積約為60.0×10m，滑坡體平面上呈長舌形，后緣呈圈椅狀地形，剖面上呈階梯狀，前緣稍陡，坡度為25°～40°，主滑方向約為310°?；聟^(qū)地形前陡后緩，坡度為15°～25°，居民多將緩坡地帶改造為耕地?；w物質(zhì)成分主要包括粉質(zhì)黏土夾碎石、碎石土、粉砂巖碎塊石、泥巖角礫等，土體呈可塑～硬塑狀；滑帶為基巖與上覆堆積體的接觸面，主要為紅色粉質(zhì)黏土夾碎石，稍具磨圓度，多呈強(qiáng)風(fēng)化；滑床由Tb紫紅色粉砂質(zhì)泥巖組成，屬軟弱巖類，力學(xué)強(qiáng)度較低，易風(fēng)化，軟蝕。燕子滑坡上高壓鐵塔塔基為國家盤龍一回500 kV輸電網(wǎng)200塔基，屬于雙回直線塔（圖1）。

自2002年以來，由于受到降雨作用的影響，燕子滑坡發(fā)生過多次蠕滑變形，坡體中后緣出現(xiàn)多處地表拉張裂縫；2016年，受G209國道巴東長江大橋南岸繞城線公路切坡施工影響，滑坡變形區(qū)域位于滑坡中后部，前緣位于鐵塔下第4級切坡，后緣位于鐵塔后緣約30 m處，兩側(cè)以老滑坡邊界沖溝為界，如圖2所示。

圖2 燕子滑坡工程地質(zhì)剖面圖Fig. 2 Engineering geological section of Yanzi landslide

2 降雨作用下桿塔基礎(chǔ)滑坡物理模擬試驗方案

以燕子滑坡為原型，基于相似比構(gòu)建縮尺物理模型。根據(jù)所在地湖北省巴東縣降雨特征分析，設(shè)計極限降雨模型，監(jiān)測滑坡含水率、土壓力、土體深部位移、桿塔基礎(chǔ)位移等指標(biāo)，分析降雨作用下桿塔基礎(chǔ)變形、滑坡變形特征，以及變形隨降雨持時的演化規(guī)律，揭示桿塔基礎(chǔ)滑坡失穩(wěn)過程。

2.1 桿塔基礎(chǔ)滑坡模型和荷載相似比設(shè)計

根據(jù)燕子山滑坡現(xiàn)場的地質(zhì)條件、相似材料模擬理論，以及相似條件，確定相似模擬試驗滑坡模型的幾何比，假設(shè)為500∶1，桿塔基礎(chǔ)滑坡模型剖面示意圖如圖3所示，模型材料和荷載相似比為見表1。

圖3 桿塔基礎(chǔ)滑坡模型剖面示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the cross section of the tower foundation landslide model

表1 模型基本參數(shù)的相似比
Tab. 1 Similarity ratios of the parameters of the model

物理參數(shù)相似比物理參數(shù)相似比幾何比500∶1黏聚力500∶1密度1∶1降雨量■10 ∶1含水率1∶1歷時5■10 ∶1內(nèi)摩擦角1∶1荷載500∶1 5

2.2 桿塔基礎(chǔ)滑坡模型材料

燕子滑坡模型土層主要有3層，包括滑體土、滑帶和滑床，力學(xué)性質(zhì)見表2。

表2 巖土體的力學(xué)參數(shù)
Tab. 2 Mechanical parameters of rock and soil

土層 黏聚力/kPa 內(nèi)摩擦角/(°) 天然重度/(kN·m–3) 泊松比 彈性模量/MPa滑體40.07.820.00.40140基巖260.030.025.50.20400滑帶土9.418.822.00.3880

滑床基巖穩(wěn)定，采用磚石砌體構(gòu)筑，以一定厚度的黏土填筑抹面，構(gòu)筑堅固、透水性較弱的表面?；w配比材料主要由江砂（過2 mm 篩）、滑體土（過2 mm篩）、自來水、膨潤土構(gòu)成。江砂主要用來增加內(nèi)摩擦角和滲透系數(shù)，對水起到很好的吸附作用，易使滑體成型；滑體土用來增加黏聚力，減小滲透系數(shù)；膨潤土起到減小內(nèi)摩擦角和變形模量的作用。根據(jù)相似比理論，幾乎很難配比出內(nèi)摩擦角較小、黏聚力極低的材料；然而，基于前人研究成果，配比材料的內(nèi)摩擦角的影響要比黏聚力大，因此，在保證配比材料內(nèi)摩擦角滿足條件的情況下，經(jīng)過多組配比試驗，確定砂、滑體土和膨潤土的重量比值為8∶16∶1。根據(jù)相似比理論，滑帶相似材料的黏聚力幾乎為0，而其內(nèi)摩擦角與滑帶土內(nèi)摩擦角幾乎一致。因此，經(jīng)研究，采用雙層彩色塑料布，并輔助約1 cm的砂模擬滑帶。該材料既能模擬出滑帶的透水性質(zhì)，又能模擬滑帶較弱的抗剪強(qiáng)度，符合滑帶的基本物理力學(xué)性質(zhì)。

試驗滑坡模型中，桿塔基礎(chǔ)為灌注樁，巖石嵌固基礎(chǔ)的混凝土標(biāo)號為C20級，假設(shè)原型樁樁長10 m，埋深段為9 m，出露段為1 m，截面直徑為1 m。根據(jù)相似比例，試驗樁樁長20 cm；埋深段長為18 cm；出露段長為2 cm；截面直徑為0.2 cm，考慮到截面直徑太小，設(shè)定截面直徑為5 cm。由于材料彈性模量相似比為1，試驗樁樁身采用鋼管，鋼管內(nèi)填埋C20混凝土。

由于物理模型試驗裝置（模型箱）大小有限 （其長、寬、高分別為1.5、1.0和1.0 m），較難通過模型箱將實際工程的精細(xì)地形地貌按比例精準(zhǔn)復(fù)制，但可以簡化模擬工程的地形地貌，以進(jìn)一步通過物理模型試驗?zāi)M極端降雨條件下桿塔基礎(chǔ)滑坡的失穩(wěn)過程和相應(yīng)的成災(zāi)模式，為實際工程提供直觀上的認(rèn)識和技術(shù)上的支撐。

2.3 試驗方案設(shè)計

根據(jù)滑坡對桿塔的影響，滑坡與桿塔的相對位置關(guān)系主要有3種，即：桿塔位于滑坡上、桿塔位于滑坡外的下方及桿塔位于滑坡外的上部，如圖4所示。當(dāng)桿塔位于滑坡內(nèi)時，桿塔的穩(wěn)定性與滑坡的變形和破壞直接相關(guān)。當(dāng)桿塔位于滑坡外的下方時，桿塔基礎(chǔ)是否會遭到破壞，與滑坡失穩(wěn)后的破壞形態(tài)有關(guān)。當(dāng)桿塔位于滑坡上方時，桿塔基礎(chǔ)的失穩(wěn)情況需要對滑坡失穩(wěn)后的巖土體穩(wěn)定性進(jìn)行重新判斷。此外，降雨量是影響滑坡穩(wěn)定性的重要參數(shù)，因此，試驗主要通過控制降雨量，實時監(jiān)測桿塔基礎(chǔ)位移及滑坡中的土體壓力和變形情況，從而分析桿塔基礎(chǔ)滑坡的失穩(wěn)過程。

圖4 桿塔基礎(chǔ)與滑坡的相對位置Fig. 4 Relative position of the tower foundation and the landslide

綜合滑坡和桿塔基礎(chǔ)相對位置關(guān)系（圖4）、降雨量及滑坡裂縫的分析，設(shè)計降雨作用下桿塔基礎(chǔ)滑坡試驗方案，試驗暫不考慮桿塔荷載影響。通過監(jiān)測滑坡含水率、土壓力、孔隙水壓力、土體變形和桿塔基礎(chǔ)位移，分析降雨作用下滑坡的失穩(wěn)機(jī)制及桿塔基礎(chǔ)成災(zāi)模式。具體監(jiān)測方案如圖5所示。

圖5 監(jiān)測方案傳感器布置圖Fig. 5 Sensor layout of the monitoring plan

整個模型布置土壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器和含水率傳感器各4個，傳感器的埋深與桿塔基礎(chǔ)埋深一致；在每個桿塔基礎(chǔ)上部布設(shè)位移計1個，共計3個；傳感器和位移計的布設(shè)位置如圖5（b）所示。對于土體內(nèi)部的變形，試驗采用分布式光纖，布設(shè)位置如圖5（c）紅色細(xì)線所示。

2.4 桿塔基礎(chǔ)滑坡物理模型制作

桿塔基礎(chǔ)滑坡物理模型具體制作步驟如圖6所示，闡述如下：

圖6 物理模型的制作過程Fig. 6 Making process of physical model

1）勾畫輪廓。利用馬克筆在模型箱邊壁上畫分層線和模型削坡線。

2）填筑基巖。采用磚石砌體進(jìn)行構(gòu)筑；在此基礎(chǔ)上，利用黏土填平表面；之后，鋪上兩層不透水的彩色塑料布，如圖6（a）所示。

3）預(yù)制滑帶。在彩色塑料布上鋪設(shè)約1 cm厚的砂，在較陡的地方采用較薄細(xì)孔的鐵絲網(wǎng)輔助，如圖6（b）所示。

4）分層填筑。按照計算的每層所需拌合相似材料的質(zhì)量進(jìn)行逐層填筑、夯實，直至設(shè)定的密度；采用環(huán)刀在每層不同位置取樣校核，每層厚度10 cm，共9層，如圖6（c）所示。

5）調(diào)整坡形。借助在模型箱邊壁上所畫的削坡線，將坡體削成設(shè)計的形狀，如圖6（d）所示。

6）填充邊壁材料。為避免雨水從模型箱內(nèi)壁流下沖刷邊界土體，造成不正常坡體破壞，采用雙飛粉與水拌合后，填充在土體與模型箱內(nèi)壁接觸處，如圖6（e）所示。

7）埋設(shè)傳感器。為避免傳感器在夯實土層的過程中被破壞，選擇在模型填筑完成后將傳感器埋設(shè)值預(yù)定位置；分布式光纖按設(shè)計的布設(shè)方法邊填筑邊埋設(shè)，如圖6（f）所示。

8）埋設(shè)桿塔基礎(chǔ)和位移計。同樣地，在預(yù)定位置埋設(shè)桿塔基礎(chǔ)，通過可伸縮的支撐桿和變角度的固定架把位移計固定在桿塔基礎(chǔ)上部出露位置，如圖6（f）所示。

9）設(shè)置裂縫。在桿塔基礎(chǔ)下方一定位置，預(yù)制一條長約30.0 cm，寬約0.4 cm，深約6.0 cm的裂縫，如圖6（g）所示。

10）調(diào)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。將傳感器連接數(shù)據(jù)采集儀，并與電腦連接；之后，檢測連接線路是否正確，傳感器和數(shù)據(jù)采集儀是否可以正常運(yùn)行，如圖6（h）所示。

11）攝像系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)整攝像機(jī)位置，將其放置于最佳觀測點(diǎn)。

12）人工降雨。打開模擬降雨設(shè)備按設(shè)計雨強(qiáng)對坡面實施降雨，直至試驗完成。

3 降雨作用下桿塔基礎(chǔ)滑坡的物理模型試驗

3.1 桿塔基礎(chǔ)滑坡破壞過程分析

試驗共降雨一次，降雨強(qiáng)度為60 mm/h，降雨持時為從降雨開始至桿塔基礎(chǔ)滑坡失穩(wěn)為止。

試驗過程中，桿塔基礎(chǔ)滑坡在降雨作用下發(fā)生明顯的沖刷、滑移，直至失穩(wěn)破壞，如圖7所示，主要現(xiàn)象依次為：

圖7 桿塔基礎(chǔ)滑坡宏觀破壞現(xiàn)象Fig. 7 Macroscopic failure of the tower foundation landslide

1）砂土的沖刷

在前期的降雨初始過程中，坡面被雨滴濺擊，由于降雨強(qiáng)度大于土體的入滲速度，因此，隨著降雨的增加，滑坡體的表層開始逐漸飽和，表面形成徑流并往坡體下部匯聚。此時，坡面的黏土和沙子都會被雨水沖刷，坡面會形成寬度較小的溝道（圖7（a））。

2）坡腳的沖刷

隨著降雨的進(jìn)行，由于坡腳土體相對較薄，因此，該處會很快到達(dá)飽和狀態(tài)；加之坡體上的雨水向下匯聚，坡腳（尤其是靠近邊壁兩側(cè)的坡腳）的土體開始發(fā)生沖刷侵蝕，降雨時間越長，坡腳的沖刷越明顯（圖7（b）），此后滑坡表面也形成了穩(wěn)定的徑流，坡體的地下水位也逐漸形成。

3）預(yù)制裂縫的發(fā)展

隨著降雨的持續(xù)入滲，預(yù)制裂縫為雨水提供了良好的優(yōu)勢滲流通道，使得雨水在預(yù)制裂縫快速聚集，導(dǎo)致預(yù)制裂縫逐漸向滑坡右側(cè)延伸，直至形成貫通裂縫（圖7（c））。由于預(yù)制裂縫的存在，滑坡后緣沒有形成明顯的張拉裂縫，滑坡局部的變形起始于預(yù)制裂縫。

4）坡腳局部失穩(wěn)

隨著降雨的持續(xù)，巖土體的黏聚力逐漸減弱，導(dǎo)致預(yù)制裂縫的長度、寬度和深度逐漸增加，此時，雨水的暫時累積存儲使此處巖土體的下滑力明顯增加。隨著累積的雨水明顯增多，裂縫兩端開始有大量雨水夾帶土體向下流淌，同時此處的巖土體也開始向下坡腳推移，最終形成右端坡腳局部失穩(wěn)（圖7（d））。

5）坡體多級失穩(wěn)和桿塔基礎(chǔ)失穩(wěn)

右端坡腳的失穩(wěn)使右端滑坡失去了支撐作用而形成前端臨空面，造成上部巖土體開始產(chǎn)生裂縫并逐漸貫通，從而形成新的局部滑坡。同樣地，右端滑坡后緣又開始形成拉裂縫，相應(yīng)地也產(chǎn)生了多級滑坡失穩(wěn)（圖7（e））。

在整個降雨過程中，滑坡外的底部桿塔基礎(chǔ)雖然受到了水流的沖刷，也受到了滑坡最后向下的沖擊作用，但由于下滑的速度不大，同時土體給了桿塔基礎(chǔ)一個很好的約束作用，最終也沒有發(fā)生破壞。對于滑坡內(nèi)的桿塔基礎(chǔ)，由于周圍土體對桿塔基礎(chǔ)有良好的約束作用，雖然降雨入滲使得土體的力學(xué)性質(zhì)降低，導(dǎo)致土體發(fā)生變形，也使得對桿塔基礎(chǔ)的約束作用降低，但是土體微小的變形還不能使桿塔基礎(chǔ)發(fā)生較大變形，因此，該位置處的桿塔基礎(chǔ)在滑坡失穩(wěn)前基本也處于穩(wěn)定狀態(tài)。但滑坡變形過程中，桿塔基礎(chǔ)沒有發(fā)生剪切破壞，而是在滑坡失穩(wěn)過程隨著滑坡一起向下滑移并向后傾倒，最終整個桿塔基礎(chǔ)外露在失穩(wěn)的滑坡體上?；峦獾纳喜織U塔基礎(chǔ)破壞過程基本與滑坡體上的桿塔基礎(chǔ)一樣，只是發(fā)生的時間晚于后者（圖7（f））。

由觀測到的模型試驗坡體變形可知，降雨作用下桿塔基礎(chǔ)滑坡有裂縫時的破壞模式為：降雨作用下，預(yù)制裂縫為雨水提供了良好的優(yōu)勢滲流通道，使得雨水在預(yù)制裂縫快速聚集，導(dǎo)致預(yù)制裂縫深度、寬度逐漸擴(kuò)大，并向滑坡右端逐漸延伸并貫通，為雨水提供了暫時的存儲空間，存儲的雨水使巖土體的下滑力明顯增大，使得右端坡腳局部發(fā)生失穩(wěn)而形成多級局部牽引滑動破壞，桿塔基礎(chǔ)隨滑坡一起失穩(wěn)并發(fā)生傾倒破壞，滑坡后緣外的桿塔基礎(chǔ)同樣如此。

3.2 土壓力的變化

試驗共埋設(shè)了A1～A4共4個土壓力傳感器（圖5（b）），A1位于滑坡外的底部桿塔基礎(chǔ)附近，A2位于滑坡體靠近坡腳，A3位于滑坡體桿塔基礎(chǔ)附近，A4位于滑坡外頂部桿塔基礎(chǔ)附近，所有土壓力傳感器埋設(shè)深度為10～20 cm。

整個降雨過程測得的土壓力變化數(shù)據(jù)如圖8所示。從圖8可以看出：除A2外，其他位置的土壓力變化基本呈先增大后趨于平穩(wěn)的分布趨勢。這是由于降雨入滲使覆蓋于土壓傳感器上的土體吸水固結(jié)壓密，加上水的重度，使上部覆蓋土體的重量增大，引起土壓力增大。A2位置處土體埋深較淺，隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行，雨水開始匯聚產(chǎn)生徑流沖刷坡面，傳感器上覆土體減少，導(dǎo)致土壓力有一定的減小，之后坡面形成穩(wěn)定的滲流又使土壓力有個上升的過程。從破壞時間上來看，同樣地，A2位置處的土壓力變化明顯早于其他位置，這是由于A2位置上部土體有發(fā)生滑移的跡象，這也說明了滑坡始于坡腳失穩(wěn)。A3位置處的土壓力也早于A4位置發(fā)生變化，說明了滑坡的失穩(wěn)為滑坡外頂部土體制造了可能失穩(wěn)的臨空面。

圖8 土壓力的變化過程Fig. 8 Variation process of earth pressure

3.3 含水率的變化

試驗共埋設(shè)了B1～B4共4個含水率傳感器（圖5（b）），B1位于滑坡外的底部桿塔基礎(chǔ)附近，B2位于滑坡體靠近坡腳，B3位于滑坡體桿塔基礎(chǔ)附近，B4位于滑坡外頂部桿塔基礎(chǔ)附近；所有含水率傳感器埋設(shè)深度均為10～20 cm。

整個降雨過程測得的含水率變化數(shù)據(jù)如圖9所示。同樣地，含水率突變點(diǎn)有較明顯的先后順序，由于徑流對坡腳積水及地下水位的影響，導(dǎo)致滑坡外底部處有積水，因而滑坡外底部表層土體含水率快速增加至穩(wěn)定狀態(tài)；隨著雨水的入滲，其他位置深處土體含水率也在緩慢增加，但增加的速度明顯小于B1?；缕茐那昂螅馏w含水率的變化與土壓力的變化基本一致，B2位置的含水率變化明顯早于其他位置，其次是 B1和B3位置，最后是B4位置。因為滑坡破壞是起始于預(yù)制裂縫造成坡腳局部失穩(wěn)，導(dǎo)致多級滑坡連鎖反應(yīng)。

圖9 土體含水率的變化過程Fig. 9 Variation process of soil moisture content

3.4 坡體內(nèi)部變形

基于布里淵光時域分析技術(shù)（BOTDA），通過埋設(shè)在模型內(nèi)部的光纖在降雨過程中感測到的軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)，將試驗前采集的初始數(shù)據(jù)與試驗進(jìn)程中采集的數(shù)據(jù)做差，得到不同降雨時期分布式光纖的軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)，再將光纖的長度尺寸與在模型邊坡內(nèi)埋設(shè)的位置進(jìn)行坐標(biāo)計算，進(jìn)而得到光纖埋設(shè)位置處土體的變形情況，如圖10所示。圖10中，

X

軸代表光纖的長度，

Y

軸代表光纖的軸向應(yīng)變值，正負(fù)分別代表受拉和受壓。

圖10 光纖監(jiān)測坡體內(nèi)部的變形Fig. 10 Deformation inside the slope monitoried by optical fiber

由圖10可知：降雨初期，整個滑面的變形較小，在預(yù)制裂縫位置的應(yīng)變最大，該位置主要承受壓應(yīng)變；隨著降雨的持續(xù)，滑面其他位置的變形仍然變化不大，但是預(yù)制裂縫位置的應(yīng)變一直增加，直到第211 min時，從預(yù)制裂縫位置到坡腳位置，光纖突然受到很大的拉應(yīng)變，此時，滑坡坡腳發(fā)生局部失穩(wěn)，范圍從預(yù)制裂縫到坡腳，這與實際情況吻合很好。采用光纖監(jiān)測可以很好地反映了滑坡內(nèi)部的變形情況。

3.5 桿塔基礎(chǔ)位移的變化

試驗共埋設(shè)了D1～D3共3個位移計（圖5（b）），D1位于滑坡外的底部桿塔基礎(chǔ)上，D2位于滑坡體桿塔基礎(chǔ)上，D3位于滑坡外頂部桿塔基礎(chǔ)上，所有位移傳感器都被支撐桿和固定架固定。

整個降雨過程測得的桿塔基礎(chǔ)位移變化數(shù)據(jù)如圖11所示。降雨過程中，桿塔基礎(chǔ)的變化過程基本是先快速增大后趨于穩(wěn)定。這是由于隨著降雨的進(jìn)行，水分開始入滲到桿塔基礎(chǔ)周圍的土體，導(dǎo)致土體強(qiáng)度開始減弱，從而降低了對桿塔基礎(chǔ)的約束能力，導(dǎo)致桿塔基礎(chǔ)開始朝滑坡向下的方向開始傾斜。同樣地，從圖11可以明顯看出，滑坡體中的桿塔基礎(chǔ)開始變形的時間早于滑坡外的桿塔基礎(chǔ)，但滑坡外底部桿塔基礎(chǔ)的變形速度大于其他位置。整體上看，由于預(yù)制裂縫的原因，雨水的快速入滲導(dǎo)致滑坡體上的桿塔基礎(chǔ)變形要明顯大于滑坡外的桿塔基礎(chǔ)，且變形增加的過程比較持久。在滑坡的失穩(wěn)過程中，滑坡體中的桿塔基礎(chǔ)隨滑坡一起突然失穩(wěn)，故D2的位移瞬間增大；D3的突變時間比D2要延后，這也說明了滑坡的失穩(wěn)為滑坡外頂部土體提供了失穩(wěn)的臨空面；D1位置的位移受下滑土影響，有小幅增大，但影響不大。

圖11 桿塔基礎(chǔ)位移的變化過程Fig. 11 Variation process of the displacement of the tower foundation

4 降雨作用下桿塔基礎(chǔ)滑坡的成災(zāi)模式研究

模型試驗結(jié)果表明，在降雨作用下，燕子桿塔基礎(chǔ)滑坡有裂縫時容易發(fā)生局部滑坡，因此，基于整體滑坡，難以判定桿塔基礎(chǔ)的成災(zāi)模式，可以以局部滑坡發(fā)生的位置說明3種不同情況，如圖12所示。a.桿塔基礎(chǔ)處于局部滑坡中，降雨的入滲會使局部滑坡處于變形發(fā)展階段，在此階段，桿塔基礎(chǔ)的破壞與自身承載力有關(guān)，包括受力及變形等；如果外在環(huán)境超出其自身承載力，桿塔基礎(chǔ)會發(fā)生相應(yīng)的破壞，當(dāng)局部滑坡處于失穩(wěn)階段時，桿塔會隨局部滑坡一起失穩(wěn)而遭到整體破壞。b.桿塔基礎(chǔ)處于局部滑坡的下方，一旦局部滑坡失穩(wěn)，滑體在滑動一定距離之后與桿塔發(fā)生碰撞，而桿塔是否會發(fā)生破壞，與滑坡的破壞形態(tài)及桿塔本身抗沖擊能力等因素有關(guān)系。c.桿塔基礎(chǔ)處于局部滑坡上部，一旦局部滑坡失穩(wěn)，桿塔基礎(chǔ)所在坡體地層會產(chǎn)生新的臨空面，坡體的變形趨勢將會變成在牽引作用下朝著新形成的臨空面發(fā)生變形破壞，此時，桿塔基礎(chǔ)的破壞形式與情況a一致。綜上分析可知，滑坡對桿塔的影響是通過兩種方式實現(xiàn)的，一種是作用于基礎(chǔ)，另一種是直接作用于桿塔桿件。因此，基于物理模型試驗結(jié)果和前人研究成果，總結(jié)了降雨作用下桿塔基礎(chǔ)滑坡的成災(zāi)模式分析流程，如圖13所示。

圖12 桿塔基礎(chǔ)滑坡下3種情況的簡單示意圖Fig. 12 Simple schematic diagram of the three situations of the tower foundation landslide

圖13 降雨作用下桿塔基礎(chǔ)滑坡的成災(zāi)模式分析流程Fig. 13 Analysis process of the disaster model of the tower foundation landslide under rainfall

5 結(jié) 論

以燕子桿塔基礎(chǔ)滑坡為對象，基于物理模型試驗，研究了降雨作用下桿塔基礎(chǔ)滑坡有裂縫時的失穩(wěn)過程，得出了以下結(jié)論：

1）在整個降雨過程中，桿塔基礎(chǔ)滑坡破壞過程依次為砂土的沖刷、坡腳的沖刷、預(yù)制裂縫的發(fā)展、坡腳局部失穩(wěn)、坡體多級失穩(wěn)和桿塔基礎(chǔ)的失穩(wěn)。

2）在降雨過程中，不同位置的桿塔基礎(chǔ)的失穩(wěn)過程不一樣。滑坡外的底部桿塔基礎(chǔ)在整個過程中沒有發(fā)生破壞?；律系臈U塔基礎(chǔ)和滑坡外的上部桿塔基礎(chǔ)在滑坡失穩(wěn)前基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；在滑坡失穩(wěn)過程中，桿塔基礎(chǔ)都隨著滑坡一起向下滑移并向后傾倒，但后者發(fā)生的時間晚于前者。

3）降雨作用下，桿塔基礎(chǔ)滑坡有裂縫時的破壞模式為降雨使預(yù)制裂縫深度、寬度逐漸擴(kuò)大，并向滑坡右端逐漸延伸并貫通，為雨水提供了暫時的存儲空間，存儲的雨水使巖土體的下滑力明顯增大，使得右端坡腳局部發(fā)生失穩(wěn)而形成多級局部牽引滑動破壞，桿塔基礎(chǔ)隨滑坡一起失穩(wěn)并發(fā)生傾倒破壞。

4）滑坡體中的土壓力、含水率和滑帶位移及桿塔基礎(chǔ)位移隨降雨持時的變化過程能較好地吻合和印證桿塔基礎(chǔ)滑坡的宏觀現(xiàn)象，對分析降雨作用下桿塔基礎(chǔ)滑坡失穩(wěn)過程的力學(xué)機(jī)理發(fā)揮了很好的輔助作用。

5）模型試驗結(jié)果表明，在降雨作用下，燕子桿塔基礎(chǔ)滑坡有裂縫時以局部滑坡分析桿塔基礎(chǔ)的成災(zāi)模式比整體滑坡要好，并以此總結(jié)了不同相對位置桿塔基礎(chǔ)滑坡在降雨作用下的成災(zāi)模式分析流程。