土石混合体边坡人工降雨模拟试验研究

摘  要：降雨入渗是诱发土石混合体边坡失稳的主要因素之一，此类问题一直受到人们的关注，但对此问题的研究不够系统和深入。为了对降雨入渗诱发下土石混合体滑坡的失稳机理有较深的了解及研究边坡性状随时间变化的一些重要特性，在上瑞高速公路贵州段选取了一个典型的土石混合体边坡进行人工降雨模拟试验和原位综合监测。监测成果表明：降雨入渗影响下土石混合体边坡的滑动变形区为坡面以下0～4 m之间，变形量以坡面最大，从坡面到坡体深部逐渐减小；在实施降雨的前2 h，平均入渗百分率为86 %，之后，入渗率由于地表径流的增加而随时间逐渐减少，一段时间(6 h)之后，入渗率降到一个相对稳定值(50 %)；降雨入渗造成土体中孔隙水压力增加，致使边坡土体的抗剪强度由于有效应力的减少及土体吸水软化而降低，降雨入渗的这一双重效应可能是降雨诱发土石混合体边坡失稳的主要原因之一。

关  键  词：降雨模拟|人工降雨|人工降雨模拟试验|降雨入渗|降雨现场监测

1         引  言 

    随着我国基本建设的蓬勃开展，国家建设战略重点向西部地区的转移，工程建设不可避免地要遭遇包括残坡积物、崩坡积物和冲洪积物组成的松散堆积介质，其物质成分以土夹砾石或块石以及砾石或块石夹土等土石混合体为主，物质结构杂乱无章、 分选性差、粒间结合力差、透水性强，它即不同于一般的岩体，又不同于一般的土体，而是介于土体与岩体之间的特殊地质体，称为土石混合体。土石混合体边坡是按边坡的物质组成来划分的，它与土质边坡和岩质边坡属于同一个划分层次，在全国乃至世界各地都有着广泛的分布。对于土质滑坡和岩质滑坡机理国内外已作过许多研究，并取得了成套的研究成果。对于以土夹石为主的土石混合体滑坡，由于它具有物资组成的复杂性、结构分布的不规则性以及试样的难以采集性等内在的独特的性质，给我们的研究带来了极大困难，取得的研究成果很有限，因此很有必要就土石混合体滑坡进行专门的研究分析。  大量统计表明，土石混合体边坡失稳的主要诱发因素是降雨。贵州省三穗县三凯高速公路平溪特大桥3#墩上方的大滑坡就是在2003年4月及5月初连续的强降雨的诱发下发生的典型土石混合体滑坡，造成35人丧生的重大滑坡灾害。降雨影响下边坡失稳的问题一直受到人们的关注，但对此问题的研究不够系统和深入。为了揭示降雨诱发下土石混合体滑坡的形成演化规律，2005年4月，选取上瑞高速公路贵州段晴隆隧道出口典型土石混合体边坡进行人工降雨模拟试验和原位综合监测。试验过程中，配合原位综合监测，分析土石混合体边坡在人工降雨模拟入渗作用下的形成条件、变形位移特征及破坏滑移规律，为今后更好地防范或治理此类地质灾害提供理论依据。

 2  试验场地 

2.1  试验场地的确定 

正在建设的上海至瑞丽高速公路是一条联系我国东西的大动脉。2005年4月2号，在对上瑞公路贵州镇宁至胜境关公路综合考察的基础上根据钻孔地质资料、边坡的外部形态及周围环境选定晴隆隧道口k85+650－690堆积层地段，作为人工降雨模拟试验场地。首先清除区域内的植被及其它杂物，然后按5.2:1的坡度刷坡。为了防止大气降雨及周围土体内的水渗透到试验区内影响试验的精确性，下雨时，试验区用彩条布覆盖。 2.2  土体性质  为了弄清试验区土体的基本物理性质及边坡土层的工程地质特性，进行了基本物理力学试验及专门的钻孔勘察。其物理力学性质指标见表1。颗粒分析试验共做15组，土样的平均颗粒级配曲线绘制于图1，图中平均级配的特征值为：粘粒（≤0.005 mm 含量为0.95 %，粉粒（0.05～0.005 mm）含量为  8.88 %，砾石（＞5 mm）含量为47.49 %。不均匀系数uC为12.31，说明土样中包含的粒径级数较多，粗细粒径之间差别较大，颗粒级配曲线的曲率系数 cC为1.59，级配优良。 

钻孔勘察资料显示试验区上覆地层主要为第四系残坡积层(Qdl+el)，厚10～30 m、平均20 m深的 碎石土层，局部夹亚粘土，结构松散、稍湿。基岩为上二迭系龙潭组(P2l)煤系地层，由泥质粉砂岩、炭质泥岩、粉砂质泥岩组成。试验区位于山体中部，水文地质条件简单，主要靠大气降水补给，受季节影响较大。试验区内地下水主要为基岩裂隙水，地下水埋藏较深，勘察期间，钻孔内未见地下水。本次试验开挖深度为6 m，滑动面均在5 m之内，因此，试验土层均为地下水位以上的土石混合体。试验区工程地质剖面图。   

2         仪器的布置及埋设 

    试验区为10×10 m，坡比为1:2.5，埋设仪器后的试验区如照片1所示。试验区一共钻孔9个，其中3个钻孔用来安装测斜管，6个钻孔安装用来孔隙水压力，总共安装了12个孔隙水压力计、3个测斜管。试验区的左右两侧开挖宽0.3 m深0.5 m的隔离带，并用高1 m的白铁皮将试验区左右两侧与周围土体隔离，以免雨水渗入周围土体。试验区的下部修建宽0.5 m，深1 m集水渠，并引出可能的滑动区域外与集水槽相连。集水渠除靠近坡体的一面外其余各面采用水泥护面，以免雨水的流失。集水槽为长、宽、深均为2 m的方形槽，为防止雨水的渗漏集水槽需用水泥护壁。试验区右上方开挖一个5×4 m2 ，深2 m的蓄水池，先用砖砌，并用水泥护壁。图3为监测点平面布置图，图4为L1纵断面测点布置图。

3.1  坡面裂隙监测 

坡面裂缝测量采用简单的测量方法，在进行地表巡视时，用钢卷尺对滑坡体主要裂缝宽度进行测量。

3.2  测斜监测

 测斜装置由测斜管、测斜仪、数字式测读仪三部分组成。量测时将测斜仪伸人测斜管，并由引出的导线将测斜管，亦即滑坡体滑移量值瞬时反映在测读仪上。本试验中测斜仪采用100型测斜仪，灵敏度8 s，精度 6 mm/30 m±，量程0～±53°。测斜管采用高精度ABS测斜管，外径70 mm，内径 59 mm，接头外径80 mm，每节长2 m。在边坡不同位置总共埋设3个测斜管，埋设于图3所示的I点，埋设深度11 m。

3.3  孔隙水压力监测

 土体的孔隙水压力传感器是KYJ-30型振弦式孔隙水压力计量测的，其量程是0～200 kPa，KYJ-30型振弦式孔隙水压力计适用于钻孔法安装，测量建筑物内的孔隙（渗透）水压力，并可同步测量埋设点的温度。同时配置 ZXY-2型振弦频率测定仪一台，测量范围：频率f=500～5 000 HZ，频率模数显示值F=2310f−×，测量精度：0.008 HZ±，分辨率：0.1HZ±，灵敏度：接受信号≥300 µv，持续时间≥500 ms，连续振荡的工作方式，功耗极小，使用简便。  在边坡不同位置共埋设12个孔隙水压力计，于图3中L1和L3断面的每个钻孔内埋设2个孔隙水压力计，L1列孔隙水压力测孔的深度为4 m，孔隙水压力探头的埋深为1 m和3 m。L3列孔隙水压力测孔的深度为5 m，孔隙水压力探头的埋深为2 m 和4 m。

 3.4  降雨强度地表径流监测

  试验区内总的降雨量由人工降雨模拟装置主供水管上的流量表记录，再将每单位时段的降雨量除以试验区面积100 m2，即可求出单位时段的降雨强度。地表径流由试验区下方的集水渠收集到集水槽中，再由水泵回收到试验区上方的蓄水池内，单位时段的地表径流量由与水泵相连的流量表量测。

 4  人工降雨模拟

 4.1  自制人工降雨模拟装置

  本装置包括水泵、水表、控制阀水压表、喷头、主管、支管、两通管、三通管及四通管组成。主管和支管由长为1 m或2 m的短管由两通管、三通管或四通管组装而成。通过调节进水管和回水管上的控制阀可以产生30～120 mm的降 雨强度。人工降雨模拟装置的覆盖范围为10×10 m。

  4.2  人工降雨模拟试验的监测周期及频率

 待埋设仪器与周围土体协调稳定后，测定各仪器的初始读数，人工降雨模拟试验的起止时间为 2005年4月25日15:00至2005年4月29日10:00。每小时的降雨强度为60 mm/h，每降雨2 h停1 h，在停雨期间进行各项监测的读数。每三小时记录一次各测点的孔隙水压力、坡面裂隙、深部位移、实际的降雨强度及地表径流量。若观测到边坡将要失稳，应适当加大观测密度。 

5  试验结果分析 

5.1  坡面裂隙监测

 试验期间，坡面位移不大，2005年4月30号、 16:30发现边坡后缘张拉微裂隙，宽1～2 mm，长3 m。

 5.2  测斜监测

 将各孔的测斜数据整理分析并绘制成图，以 ZK3孔为例加以说明。图6为ZK3的水平方向的累计合位移随孔深的变化图，从图中可以看出位移变形区基本上发生在地表以下0～2.5 m的范围内，位移随深度的增加而减小，坡面变形最大，最大合位移达到7.67 mm。

 图7为ZK3的特征点水平合位移及累计降雨强度关系曲线。从图中可以看出特征点位移随着累计降雨强度的增加逐渐加大，并且，这种变形为从坡面到坡内逐渐减小的松弛形变形，0.5 m处的位移相当于1.5 m处位移的2倍，而4 m处基本没有位 移，数值上的微小变化是由测量误差引起的。

 图8为各测点孔口的累计合位移及累计降雨强度的关系曲线，从图中可以看出随着累计降雨强度的增加土体位移逐渐加大，以坡中处的位移最大，坡脚次之，坡顶最小。ZK1-ZK3孔口处的最大合位移分别为3.36 mm、10.37 mm和7.67 mm。

 5.3  孔隙水压力监测

 图9为R2断面处的孔隙水压力随时间的变化曲线图，其中B1、B2、B3、B4表示R2断面埋深分别为1 m、2 m、3 m、4 m的孔隙水压力。从图中可以看出，在降雨入渗初期，土体的渗透性较强，孔隙水压力较低。随着降雨的进行，孔隙水压力急剧增大，并达到稳定值。从图中我们还可以发现1  m、2 m处的孔隙水压力趋近于0，3 m、4 m处的孔隙水压力平均为16.2 kPa和19.2 kPa，相当于 1.65 m和1.96 m水柱压力。 原因是试验采用的降雨强度较大，土体吸水饱和后渗透性降低的情况下，排水不畅，形成暂态的滞水层，滞水层大约在4 m左右，这一结论也得到了测斜成果的验证，此处的滑面位于坡面下3.5 m。滞水层的存在对土石混合体边坡的稳定极为不利。首先，滞水层的形成导致了土体中孔隙水压力的增加，有效应力降低，从而导致土体抗剪强度的降低；其次，滞水层的形成使得原来非饱和土体充分吸水软化，也导致了土体抗剪强度的降低。降雨入渗的这一双重效应可能是降雨诱发土石混合体边坡失稳的主要原因之一。  

图10为同一深度处(3 m)的孔隙水压力随时间的变化曲线图，A3、B3、C3分别表示坡顶、坡中、坡脚处埋深为3 m的孔隙水压力。从图中可以看出，孔隙水压力从坡顶到坡脚逐渐增大，坡脚处的孔隙水压力最大，坡顶处的孔隙水压力基本为0。

 5.4  降雨强度及地表径流监测  图11中的曲线表示降雨期间的每小时平均降雨入渗百分率与时间的关系，是根据降雨强度和地表径流的量测结果计算得到的。可以看到，在实施降雨的前2 h，平均入渗率为86 %，2 h之后，入渗率由于地表径流的增加而随时间逐渐减少。6 h之后，入渗率降到一个相对稳定值(50 %)，实施人工模拟降雨6 h后，有一半的降雨变成了地表径流。 降雨入渗率的降低可能是由于边坡土体吸水饱和使原来张开的裂隙闭合的结果。

  5.5  潜在滑动面形状

 测斜监测的深度为从测斜管管口至边坡内部 11 m，所监测的滑面深度也是由管口到滑面处的距离，而管口距坡面也有一定的距离，实际的滑面深 度应当减去测斜管露出地面的部分，ZK1-ZK3滑动面位置分别为坡面以下4.2 m、3.2 m和2.2 m。将测斜监测到的滑面位置同滑坡前缘错开裂隙和后缘张拉裂隙结合起来即可确定滑面位置，L2断面滑面位置及形状如图12

6  结  论 

一个现场监测体系相当于一个足尺的试验装置，其监测结果对于研究和把握滑坡滑移演化规律、灾变机理和行为以及边坡安全状态具有重要的科学和现实意义。通过土石混合体边坡的人工降雨模拟试验和原位综合监测得到以下认识：

 （1）土石混合体边坡在降雨入渗影响下多发为浅层松弛型破坏，滑动变形区为坡面以下0～4 m之内；变形量以坡面最大，从坡面到坡体深部逐渐减小。

 （2）在实施降雨的前2 h，平均入渗百分率为 86 %，之后，入渗率由于地表径流的增加而随时间逐渐减少。一段时间(6 h)之后，入渗率降到一个相对稳定值(50 %)。降雨入渗率的降低是由于边坡土体吸水饱和使原来张开的裂隙闭合的结果。

 （3）在强降雨作用下，边坡土体吸水饱和，土体内孔隙部分闭合，渗透性降低，排水不畅，在滑动面附近形成暂态的滞水层。滞水层的存在对土石混合体边坡的稳定极为不利。首先，滞水层的形成导致了土体中孔隙水压力的增加，有效应力降低，从而导致土体抗剪强度的降低；其次，滞水层的形成使得原来非饱和土体充分吸水软化，也导致了土体抗剪强度的降低。降雨入渗的这一双重效应可能是降雨诱发土石混合体边坡失稳的主要原因之一。

  (4)试验区内的土石混合体边坡在将近4 d的时间内接受了4 500 mm的降雨，大大超过了实际可能出现的降雨强度，且平均入渗率达到50 %，但是该斜坡仅仅出现了变形，并未产生滑塌破坏，这说明堆积层斜坡发生破坏的条件不仅仅是降雨，还与坡率及地质条件有关。

资料来源—岩土力学

 

周  中 傅鹤林 刘宝琛 谭捍华 龙万学

中南大学 土木建筑学院  贵州省交通规划勘察设计研究院