馬鵬飛 ，夏 棟, ，許文年 , ，楊 威, ，羅 婷

(1. 三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2. 防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(三峽大學(xué))，湖北 宜昌 443002；3. 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002；4. 三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

崩崗是指坡面土壤及母質(zhì)，在降雨、重力和溫差等疊加作用下，被剝蝕、沖刷、分解，崩坍后形成崩口崖壁地貌的侵蝕現(xiàn)象，分布范圍南至桂粵、北至鄂東南，包括集水坡面、崩(崗)壁、崩積體、溝道及洪積扇[1]，各部分間保持能量與物質(zhì)流動(dòng)。崩崗造成地表千瘡百孔，產(chǎn)生巨大泥沙危害[2-3]。充沛的降雨量是崩崗特殊地貌產(chǎn)生的觸發(fā)因素和主要驅(qū)動(dòng)力，崩壁長(zhǎng)期裸露在外，最易受降雨及強(qiáng)烈地表徑流影響。龕是崩壁坡面因徑流侵蝕而被淘空的部位[4]，是崩崗向分水嶺后退的重要內(nèi)因，孕育在下部風(fēng)化砂質(zhì)土壤層。當(dāng)龕出現(xiàn)并擴(kuò)大后，其上覆土層懸空進(jìn)而逐漸失穩(wěn)，為崩壁土體發(fā)生一定量的塌落提供了場(chǎng)所和勢(shì)能[4-6]。地下水分布越多的地段，崩崗侵蝕程度越發(fā)嚴(yán)重[7]。故而掌握降雨及地下水流動(dòng)對(duì)崩崗壁土壤的弱化機(jī)制，弄清崩壁水力侵蝕特征，對(duì)揭示崩崗侵蝕機(jī)理極具研究?jī)r(jià)值和實(shí)踐意義。

對(duì)于降雨條件下崩崗不同層次土壤的水分入滲、抗沖蝕性及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)已開(kāi)展了若干研究[8-10]。林敬蘭等[8]指出紅土層入滲性能較好，土壤水分在紅土層下滲過(guò)程中易在砂土層上部匯聚并在兩土層間形成相對(duì)隔水層，使雨水下滲緩慢而被滯留，加劇崩壁內(nèi)部潛在滑塌面的出現(xiàn)。張大林等[9]研究了廣東省蓮塘崗崩崗剖面堆積土體的滲透特征，發(fā)現(xiàn)土體非均質(zhì)性具有阻滲作用并在滲透過(guò)程中對(duì)其穩(wěn)定性造成一定影響。張燕等[10]也認(rèn)為崩壁域內(nèi)存在約1 m厚弱透水層。已有研究多停留在室內(nèi)人工沖刷試驗(yàn)，其缺陷在于試驗(yàn)土槽長(zhǎng)度一般略短于野外崩壁坡長(zhǎng)，且一般設(shè)定的降雨總歷時(shí)偏短?，F(xiàn)今，在降雨對(duì)崩崗壁土壤水分運(yùn)移和崩塌影響等方面的數(shù)值研究也偏少，雖有學(xué)者[11]采用PFC3D模擬了崩崗坡體在不同雨強(qiáng)下的漸進(jìn)破壞，但未考慮崩壁的分層組合特性，故無(wú)法呈現(xiàn)出龕的出現(xiàn)。此外現(xiàn)有成果多集中在對(duì)崩壁巖土性質(zhì)與水力作用的變化，或單因素降水的分析上，而對(duì)前期降雨、累積降雨量、降雨歷時(shí)等降雨特征是如何推動(dòng)崩崗剖面的塑性區(qū)形成與坍塌等系列物理過(guò)程的研究相對(duì)匱乏[3]。

從邊坡失穩(wěn)理論角度看，崩崗侵蝕問(wèn)題類(lèi)似于邊坡失穩(wěn)模式[12]。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)建立數(shù)值仿真模型，已在邊坡穩(wěn)定性的模擬研究中得到較好運(yùn)用和驗(yàn)證[13]。為此，可利用軟件模擬手段還原降雨、徑流及地下水對(duì)崩崗發(fā)育與發(fā)展影響的全過(guò)程。在大范圍調(diào)查基礎(chǔ)上，以湖北省通城縣崩崗侵蝕區(qū)為背景，選擇一處發(fā)育典型的活動(dòng)型崩崗壁縱剖面進(jìn)行采樣，結(jié)合相關(guān)土工試驗(yàn)測(cè)定，以非飽和土力學(xué)為基礎(chǔ)，采用彈塑性有限元法著重討論單次不同類(lèi)型降雨(連綿陰雨、集中強(qiáng)暴雨，且考慮地下潛水)誘發(fā)條件下崩壁剖面的塑性破壞模式，并通過(guò)軟件圖再現(xiàn)出龕形成的實(shí)際情形；再以某真實(shí)強(qiáng)暴雨事件為算例對(duì)降雨過(guò)程中崩壁體內(nèi)滲流場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以此分析崩崗侵蝕作用機(jī)理，為科學(xué)評(píng)估降雨環(huán)境中崩崗當(dāng)前的穩(wěn)定態(tài)勢(shì)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)崩崗未來(lái)演替趨向提供詳實(shí)依據(jù)和參考。

1 研究區(qū)域及ABAQUS模型建立

1.1 自然(水文地質(zhì))條件基本概況

以鄂東南通城縣 (29°02"N～29°24"N，113°36"E～114°04"E)為研究區(qū)，取樣地位于通城縣五里村崩崗典型發(fā)育區(qū)。該區(qū)域水熱資源豐富，處北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。全縣年均氣溫為16.7 ℃，最高39.7 ℃，最低-15.2 ℃；雨水時(shí)空分配不均，年平均降水量約1 550.0 mm，且大到暴雨集中性降雨多在4—6月，此時(shí)期總降雨量約占全年的56%，土體含水率長(zhǎng)期高于天然狀態(tài)，連續(xù)陰雨時(shí)土壤近飽和狀態(tài)[5]。該區(qū)域主要有旱澇、連陰雨、大風(fēng)、冰雹等災(zāi)害，水土流失總面積達(dá)38 410 hm2。崩壁剖面土壤以花崗巖母質(zhì)發(fā)育的紅壤為主，風(fēng)化程度較高，后緣不均勻沉降致使裂隙發(fā)育，接受大氣降雨。境內(nèi)崩崗頻發(fā)，土壤侵蝕模數(shù)大，為典型瓢形崩崗?fù)粒脖桓采w度35%，地面較為破碎。

崩壁出露而呈現(xiàn)的剖面能直接體現(xiàn)出通城地區(qū)花崗巖風(fēng)化殼的土層特征。將選取的崩壁性質(zhì)相似(力學(xué)強(qiáng)度可取平均)的緊鄰?fù)翆幼鲞m當(dāng)合并后，崩壁診斷層被剖分為：①表土層，紅色，結(jié)構(gòu)性較好；②紅土層1，紅棕，緊實(shí)，塊狀結(jié)構(gòu)；③紅土層2(過(guò)渡層)，粉紅帶棕，散粒狀；④砂土層，灰白，松散；⑤碎屑層，其中，紅土層較厚，碎屑層未出露。由于崩崗一般都會(huì)遠(yuǎn)離江河岸坡，區(qū)內(nèi)崩崗地下水主要靠大氣降水補(bǔ)給，部分也接受側(cè)向供給，且埋深較淺。圖1為現(xiàn)場(chǎng)拍攝的照片，可見(jiàn)降雨過(guò)后底部有部分地下水滲出地表，這是促使崩壁嚴(yán)重崩塌的另一個(gè)重要因素。土樣采集點(diǎn)處崩崗壁的縱剖面原型可簡(jiǎn)化為圖2。

圖 1 典型崩崗侵蝕地貌(降雨剛剛停止)Fig. 1 Typical collapsing gully erosion landform after rainfall

圖 2 采樣點(diǎn)處崩壁地質(zhì)縱剖面概化示意Fig. 2 Generalization of geological longitudinal profile of collapse wall at sampling points

1.2 原始計(jì)算參數(shù)采集

根據(jù)多次野外踏查資料獲取崩壁坡度及各土層相對(duì)地面的高程(圖2)，分別采集除了碎屑層外的代表性土樣。取樣時(shí)清理崩崗壁坡面凋落物，并在每層中部重復(fù)取2～4次。采樣后進(jìn)行編號(hào)并立即封好，及時(shí)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，以對(duì)土樣采用常規(guī)土工方法進(jìn)行室內(nèi)物理測(cè)試。所有土層的變形參量Es，v以及土層⑤的基本物理力學(xué)性能參數(shù)可根據(jù)查閱文獻(xiàn)、工程類(lèi)比法等綜合取舍，基本土層材料屬性的試驗(yàn)結(jié)果和土層⑤反演參數(shù)的選取如表1，所得參數(shù)將用于后文應(yīng)力-滲流兩場(chǎng)耦合后的崩壁破壞形式和形變程度評(píng)判及滲流計(jì)算。

表 1 崩壁各巖土層初始物理力學(xué)參數(shù)Tab. 1 Basic physico-mechanical parameters of soil masses of collapse wall

非飽和土入滲分析中有兩個(gè)重要的水力特征，即表示含水率與基質(zhì)吸力關(guān)系的土-水特征曲線(xiàn)和表征滲透系數(shù)與吸力關(guān)系的水力傳導(dǎo)曲線(xiàn)[14]。因文獻(xiàn)[15]與本文供試土樣采集點(diǎn)相同，故地表以上崩壁各土層重塑土的土壤水分特征曲線(xiàn)(圖3)可采用[15]中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由圖3，將地層⑤除外的各土層在不同基質(zhì)吸力下的體積含水率采用式換算為對(duì)應(yīng)的質(zhì)量含水率，再用式(1)計(jì)算各裸露土層在各種基質(zhì)吸力勢(shì)下的飽和度Sr。土層⑤未出露，很難采樣，在缺乏現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下，可采用式(2)[16]計(jì)算碎屑層在各種基質(zhì)吸力（ua-uw）下的Sr，由計(jì)算結(jié)果在坐標(biāo)紙上可繪制出流固耦合計(jì)算中采用的吸濕曲線(xiàn)(孔隙壓力和飽和度之間關(guān)系)。崩壁體內(nèi)滲透系數(shù)Kw由毛細(xì)吸力及初始含水率或飽和度共同確定，各層次的Kw與土壤水吸力之間的關(guān)系可由式(3)確定[16]，通過(guò)此式得出崩崗崩壁縱剖面的滲透系數(shù)曲線(xiàn)，如圖4。

圖 3 土層的土-水特征曲線(xiàn)[15]Fig. 3 Soil-water characteristic curves (SWCC)[15]

圖 4 滲透性函數(shù)曲線(xiàn)Fig. 4 Permeability functions curves

ABAQUS材料模塊中二級(jí)選項(xiàng)Suboptions內(nèi)部以1個(gè)滲透系數(shù)折減系數(shù)ks來(lái)考慮飽和度Sr對(duì)滲透系數(shù)Kw的影響[17]。按照?qǐng)D4的數(shù)據(jù)點(diǎn)以及ks=Kw/Kws可以算出崩壁土層在各種基質(zhì)吸力(或孔壓)下的ks，當(dāng)然也可由式(3)直接推出ks，再根據(jù)吸濕曲線(xiàn)便可查出各土層在各種Sr下的ks，限于篇幅，未列出吸濕曲線(xiàn)和ks的計(jì)算結(jié)果。

1.3 降雨分析方案及地下水位選取

為對(duì)比不同類(lèi)型降雨環(huán)境下崩崗失穩(wěn)的方式，并能較完備地模擬長(zhǎng)期小雨下崩壁坍塌全過(guò)程，同時(shí)兼顧計(jì)算機(jī)運(yùn)行能力，特設(shè)置兩種累計(jì)降雨總量相等的虛降雨事件，即事件1：降雨總時(shí)164.00 h且雨強(qiáng)q1為6 mm/h；事件2：降雨時(shí)長(zhǎng)22.88 h且雨強(qiáng)q2為43 mm/h。在探討降雨下崩壁域內(nèi)滲透水壓分布和應(yīng)力狀態(tài)的動(dòng)態(tài)時(shí)空變化時(shí)，為使結(jié)果更具實(shí)際意義，依托文獻(xiàn)[15]中通城縣多年降雨實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并結(jié)合有關(guān)網(wǎng)絡(luò)報(bào)道，另選取1次典型真實(shí)強(qiáng)降雨過(guò)程(命為事件3)，即2011年6月10日一場(chǎng)極端大暴雨(3.00 h降雨量達(dá)197.0 mm，6.00 h局部累計(jì)雨量達(dá)309.0 mm)。假設(shè)虛事件1與事件2的qi(i=1, 2)恒定，真實(shí)事件3所采用的雨強(qiáng)幅值曲線(xiàn)考慮了雨后的0.50 h，如圖5。暫不考慮植物根系生理作用對(duì)滲流計(jì)算的影響。地下水促進(jìn)了崩崗下層巖土的風(fēng)化作用[19]，崩崗發(fā)育也會(huì)受到地下流水滲流的影響，在進(jìn)行飽和-非飽和計(jì)算時(shí)應(yīng)盡可能考慮這些因素，以更好地貼近實(shí)際情況。但地下水位受水文地質(zhì)及氣象等因素而表現(xiàn)出依時(shí)性，故為模擬出地下水對(duì)下部砂土層的潛蝕效果，現(xiàn)假定初始地下潛水水平，其位置見(jiàn)圖2。

圖 5 導(dǎo)入軟件的計(jì)算幅值曲線(xiàn)Fig. 5 Rainfall amplitude curve of imported software

圖 6 崩壁真三維整體模型及二維有限元網(wǎng)格剖分Fig. 6 True three-dimensional global model and 2D FE grid partition for collapse wall

1.4 數(shù)值模型、模擬范圍、邊界條件與必要假定

崩壁真實(shí)地形是三維圍椅狀地理實(shí)體，因多數(shù)崩壁對(duì)稱(chēng)，可適當(dāng)簡(jiǎn)化，按平面應(yīng)變問(wèn)題處理，且所得結(jié)果是實(shí)踐可用的。選取圖6(a)中主軸剖面aef（不計(jì)厚度）為分析對(duì)象，建立崩壁失穩(wěn)前的二維概化數(shù)值模型并在ABAQUS/standard界面下運(yùn)行。整個(gè)計(jì)算域共生成節(jié)點(diǎn)數(shù)目780個(gè)，單元720個(gè)(圖6(b))，與運(yùn)用三維模型計(jì)算（需剖分單元上萬(wàn)）相比，大大節(jié)約了計(jì)算機(jī)內(nèi)存和迭代求解時(shí)間。

概化模型網(wǎng)格用孔壓/位移耦合的CPE4P平面應(yīng)變等參單元進(jìn)行離散，土骨架利用有效應(yīng)力定義的彈塑性本構(gòu)模型并基于經(jīng)典摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則來(lái)描述土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。為消除邊界效應(yīng)的影響，將崩壁坡腳點(diǎn)左延5.0 m、坡頂點(diǎn)右延10.0 m、砂土層底面下延5.0 m作為分析范圍。邊界條件為：AI面(其位置見(jiàn)圖6(b)，下文依此類(lèi)推)全固定約束，AC面、FI面設(shè)置水平變形量為零的簡(jiǎn)支邊界，且位 于水下的AB面和HI面還需施加靜水壓邊界[10×(4.5-y)]（y為沿方向與原點(diǎn)A的距離）。坡腳外CD地表面是水分流失的邊界，因此設(shè)為自由排水面，其余邊界均不滲透。崩壁除施加重力載荷外，DE面、EF面還承受隨幅值曲線(xiàn)變化的法向流體壓力。假設(shè)崩壁各層介質(zhì)均質(zhì)等厚、各向同性且應(yīng)力及變形連續(xù)。

2 飽和-非飽和計(jì)算結(jié)果分析

2.1 長(zhǎng)歷時(shí)小雨條件(事件1)下崩壁破壞特征

如圖7，崩壁在經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)小雨后(如梅雨季陰雨連綿1周是可能的)，其失穩(wěn)方式屬于局部被淘空與深部整體滑移(塌)相結(jié)合。具體破壞細(xì)節(jié)如下：降雨時(shí)刻T=116.80 h時(shí)，砂土層中上部淺層才開(kāi)始因強(qiáng)度不足而出現(xiàn)塑性破壞區(qū)，可預(yù)見(jiàn)，此時(shí)水流已淘蝕掉部分砂土壤，但塑性區(qū)并未從坡腳點(diǎn)D開(kāi)始發(fā)展，故得知自然界中龕并非正好從坡腳開(kāi)始發(fā)育；T=151.30 h后塑性區(qū)加速向EF面擴(kuò)展；降雨累計(jì)時(shí)間T達(dá)到155.00 h時(shí)，破壞區(qū)范圍已形成一連通面，此時(shí)崩壁已完全失穩(wěn)(表現(xiàn)出整體滑塌)；T=164.00 h（約1周）時(shí)，破壞區(qū)向土體更深部發(fā)展。觀(guān)察圖7(d)～7(f)，長(zhǎng)期降雨下潛在滑面并非呈標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)數(shù)螺旋狀，在紅土層2下部出現(xiàn)一較長(zhǎng)且近似水平的塑性帶，表明砂土層與紅土層界面易相對(duì)錯(cuò)動(dòng)(圖8(b))。究其原因，花崗巖黏土礦物在不同層位間含量的差異會(huì)影響風(fēng)化土體穩(wěn)定性，當(dāng)?shù)V物成分在兩風(fēng)化層中含量相差很大時(shí)，其界面常為易滑面。據(jù)輸出不同幀時(shí)的等值云顯示，在T=116.80 h前崩壁未出現(xiàn)可視塑性區(qū)，而當(dāng)侵蝕龕形成后，龕上部淺層紅黏壤土失去有效支撐(圖8(a))，隨降雨時(shí)期延長(zhǎng)，崩壁破壞區(qū)加速發(fā)展，最終整體崩塌，故前期降雨(約T=0～153.00 h)使龕形成并擴(kuò)大的累積效應(yīng)是誘發(fā)崩壁上部崩陷的必要條件。

圖 7 降雨不同時(shí)刻崩壁域內(nèi)塑性應(yīng)變區(qū)等值云圖的動(dòng)態(tài)演變(事件1)Fig. 7 Equivalent nephogram evolution of plastic strains zone of collapse wall for different time durations of rainfall (event 1)

圖 8 降雨環(huán)境下不同時(shí)刻的總位移矢量(事件1，單位： m)Fig. 8 Vectors chart of total displacement and deformation for different time durations of rainfall (event 1, unit: m)

將圖8(a)中在水蝕作用下已坍落的砂土層高斯積分土體單元(即位矢箭頭最大的單元)用ABAQUS顯示組功能移除掉，并把位移矢量繪制成云圖(圖9(a))，可更直觀(guān)地了解龕形成的位置。且隱藏后位移最大單元(即龕所在位置已坍塌的土體單元)已由砂土層轉(zhuǎn)移到龕上覆臨空土體的最左下處，意味著龕正上方土體臨近崩落。隨降雨持續(xù)到一定時(shí)間，龕體積擴(kuò)大速率減緩，最終形成一凹進(jìn)深度約0.6～1.0 m、高約1.4 m(由圖可目測(cè))的侵蝕龕(圖9(b))，且龕所占位置的大部分位于砂土層中上部，少部分位于紅土層2(過(guò)渡層)下部，此時(shí)龕發(fā)育速率dv/dT→0，崩壁剖面由淺層破壞迅速轉(zhuǎn)為深層整體破壞。

圖 9 隱藏龕所在單元后崩壁的總位移等值云圖( 事件1，單位： m)Fig. 9 Equivalent nephogram of total displacement of caved wall after hidden concave (hollowed) cavity (event 1, unit: m)

在DE面各土層分別選一拾取點(diǎn)，作出各代表點(diǎn)的水平位移U1與降雨時(shí)刻T之間算子關(guān)系，如圖10。視U1急劇增長(zhǎng)的拐點(diǎn)為各土層崩塌時(shí)刻，可明顯看出崩壁在降雨期間的破壞總體是由下自上分層進(jìn)行的，由于坡腳位移較大且最早發(fā)生，故此崩壁類(lèi)似于牽引式滑坡。龕上覆土層失穩(wěn)有明顯滯后性，是因?yàn)橹挥旋愐?guī)模擴(kuò)展到一定程度時(shí)，紅土層和表土層才會(huì)滑移或崩落。圖11給出了T=164.0 h時(shí)的流速分布，可見(jiàn)，連續(xù)小雨下，通過(guò)EF面入滲的雨水大致呈豎向運(yùn)動(dòng)，而潛水面以下地下水呈水平運(yùn)動(dòng)，還有一部分雨水通過(guò)紅土層下部弱透水層的“天窗”沿Y負(fù)向流入砂土層下部富水層；坡腳外雨水以出露下降泉的方式從地表斜向上排泄。倘若這種地下泉水流量足夠大，就會(huì)對(duì)崩崗底部(甚至碎屑層)砂質(zhì)壤土產(chǎn)生向上的動(dòng)水壓力，造成機(jī)械潛蝕，帶走土中細(xì)顆粒，從而使得砂土層下部土壤更加松軟，加速形成空腔，龕規(guī)模進(jìn)一步加大，直到龕上覆紅黏土層強(qiáng)度無(wú)法承受吸濕后的自重而失穩(wěn)。

圖 10 各土層監(jiān)控點(diǎn)水平位移 U1變化規(guī)律(以向右為正)Fig. 10 Variation curves of U1 of monitoring points of soil layers versus continuous rainfall duration (event 1)

圖 11 事件1降雨停止時(shí)刻崩壁流速矢量( T =164.00 h)Fig. 11 Current velocity vectors of collapse wall at rainfall stop point in event 1 ( T =164.00 h)

2.2 短時(shí)強(qiáng)降雨條件(事件2)下崩壁破壞特征

圖12給出了崩壁域內(nèi)總位移(僅列最具代表性的時(shí)刻)，云圖中區(qū)域位移越大，則該區(qū)破壞越嚴(yán)重。強(qiáng)降雨前期(約T=0～17.50 h，此階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng))崩壁屈服區(qū)主要集中在砂土層中上部淺層(現(xiàn)實(shí)中表現(xiàn)為砂土層被爆流濺蝕剝落)，強(qiáng)降雨后期(約T=17.50～22.88 h)崩壁淺層破壞區(qū)沿坡面DE從砂土層向上直線(xiàn)延伸至紅土層1上部，失穩(wěn)模式屬于淺層土壤流滑，易造成水土流失。崩壁域內(nèi)總位移矢量見(jiàn)圖13。

圖 12 事件2降雨不同時(shí)刻的總位移云圖(單位： m)Fig. 12 Total displacement contours for different time durations of rainfall in event 2 (unit: m)

圖 13 事件2不同時(shí)刻崩壁的總位移矢量(單位： m)Fig. 13 Total displacement vectors of collapse wall for different time durations of rainfall in event 2 (unit: m)

從圖13的總位移數(shù)值可見(jiàn)，T=12.88 h前崩壁位移總體較小(最大值僅為10.6 cm)，崩崗壁上部黏壤土有一定沉降，如圖13(a)，且在砂土層中已經(jīng)出現(xiàn)小龕。伴隨著降雨持時(shí)的遞增，砂土層表層土壤位移快速增長(zhǎng)，龕發(fā)育體積相繼擴(kuò)大，但土體沉降減小或消失(圖13(b))，這是由于降雨導(dǎo)致龕上覆紅黏土體吸水，飽和度增加，有效應(yīng)力下降，而模型上邊界自由，由地表減壓出現(xiàn)了卸載回彈，孔隙率增大，膨脹應(yīng)力得到釋放；但AC，F(xiàn)I面被側(cè)向約束限制了崩壁水平向膨脹。當(dāng)強(qiáng)降雨持續(xù)到T=17.50 h以后，龕內(nèi)凹深度已趨近一極限值(記作D0)，此時(shí)龕的演化已基本到達(dá)終極狀態(tài)。龕深發(fā)展到D0時(shí)，在以后降雨中，龕上覆淺層土體因缺乏支撐而開(kāi)始掉塊或分層流滑，且坡面流滑范圍的測(cè)度m隨降雨過(guò)程的持續(xù)而向上向內(nèi)發(fā)展(圖13(c)～(d))，這在現(xiàn)實(shí)中將致使崩壁地表土壤支離破碎并產(chǎn)生大量泥沙。

從圖14可見(jiàn)，強(qiáng)降雨停止后一小段時(shí)間，因位于淺層土體飽和帶內(nèi)的雨水依舊下滲，并有少量雨水通過(guò)上部坡面緩慢排出，形成指向崩壁面外的動(dòng)水壓力，坡體內(nèi)部少量土顆粒被沖刷出，引起表層破壞區(qū)面積及位移小幅度增加(圖12(f))。因此短期強(qiáng)雨結(jié)束后一定時(shí)間內(nèi)崩壁的穩(wěn)定性系數(shù)還會(huì)略微下降。

圖 14 降雨事件2雨停0.77 h后的流速矢量Fig. 14 Vectors of the current velocity of collapse wall after rainfall stop 0.77 h (event 2)

2.3 以事件3為算例分析崩壁滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和崩壁崩落機(jī)理

(1)滲流場(chǎng)分析：浸潤(rùn)面位置為圖15、圖16中粉區(qū)與藍(lán)區(qū)交界面。降雨前滲透水壓力沿高程線(xiàn)性變化，最大值(45 kPa)出現(xiàn)在模型底部。分別輸出極端降雨過(guò)程中典型時(shí)刻域內(nèi)的孔壓大小與浸潤(rùn)面(圖16)。從圖16可見(jiàn)，降雨前期濕潤(rùn)峰集中在DE面附近的淺層地表，位于DE面與零壓面之間的土體孔壓變化較大，飽和區(qū)在坡面淺層形成速度相對(duì)較快。伴隨著大暴雨過(guò)程持續(xù)，雨水入滲影響范圍逐漸向內(nèi)擴(kuò)充，水位線(xiàn)有所抬升，非飽和區(qū)(粉區(qū))吸力不斷減小，水位以下飽和區(qū)壓力水頭不斷增加。強(qiáng)降雨歷時(shí)4.50 h之后，DE面及EF面周?chē)臏\層土體含水量明顯增高，由降雨前負(fù)孔壓轉(zhuǎn)化為正孔壓，且與BH線(xiàn)下部的初始正孔壓區(qū)連通，形成了暫態(tài)飽和區(qū)及暫態(tài)水壓力，暫態(tài)飽和區(qū)在上部土層中的面積隨著降雨持時(shí)的推移朝著DE(或EF)面的內(nèi)法線(xiàn)方向而向里發(fā)展。降雨停止前，上部土壤吸力較大，紅土層2中下部透水性很差，在自重下流動(dòng)的雨水短時(shí)間內(nèi)無(wú)法完全浸入崩壁體內(nèi)，大量雨水通過(guò)地表徑流排走，故上部浸潤(rùn)面沿崩壁外輪廓線(xiàn)分布。從圖16(c)不難發(fā)現(xiàn)，降雨停止后一段時(shí)間(0.50 h)內(nèi)，來(lái)不及向深處滲透的暫態(tài)滯水由于水分遷移分布陸續(xù)入滲，非飽和區(qū)吸力持續(xù)降低，但降低速率及幅度減??；崩壁深層土體孔壓繼續(xù)增大，說(shuō)明地下水位還在略微抬升。

圖 15 天然狀態(tài)下崩壁剖面的穩(wěn)定孔隙水壓力分布與浸潤(rùn)面(單位： kPa)Fig. 15 Steady pore water pressure distribution and phreatic line of collapse wall profile under natural condition (unit: kPa)

圖 16 極端降雨天氣下浸潤(rùn)面變化(單位： kPa)Fig. 16 Changes of saturated surface during extreme rainfall process (unit: kPa)

(2)應(yīng)力場(chǎng)分析：結(jié)合圖17，豎向有效應(yīng)力S22從坡面斜向里呈遞增趨勢(shì)，強(qiáng)降雨導(dǎo)致地下水位抬升，激發(fā)的超孔隙水壓力使深部地層S22的數(shù)值由181.3 kPa減至178.6 kPa。因花崗巖崩崗受燕山運(yùn)動(dòng)巨大南北向擠壓力、長(zhǎng)期風(fēng)化改造作用及地應(yīng)力場(chǎng)等多重影響，且在發(fā)生崩塌時(shí)內(nèi)部各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向和速度不同步而產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致崩壁內(nèi)部發(fā)育了多組毀壞性裂隙（可用擴(kuò)展有限元Xfem模擬）。雨后坡面淺層土體及EF面靠近E點(diǎn)地段的水平正應(yīng)力S11則由壓變?yōu)槔?見(jiàn)圖17)，這種拉應(yīng)力可使原本就有的各種張性裂隙進(jìn)一步擴(kuò)寬，極有利于雨水通過(guò)EF面裂隙入滲，成為水的賦存空間和活動(dòng)通道，其結(jié)果是崩壁后緣裂隙水發(fā)育，形成瞬間高壓水柱，從而惡化崩壁內(nèi)部土體的巖土力學(xué)特性。雨水沿裂縫或地表徑流通過(guò)坡面孔隙迅速向崩壁體內(nèi)匯集，形成DE面的局部飽和帶，使淺層土體動(dòng)態(tài)浮托力增加，改變坡面土體的極限平衡，即坡面淺層土體遇水飽和產(chǎn)生軟化，降低有效黏結(jié)力，使淺土層阻滑力下降。裂隙水形成滲流，滲透力增加了滑動(dòng)力矩，同時(shí)改變斜坡應(yīng)力場(chǎng)分布；而從剪應(yīng)力S12分布(圖17)可發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降雨使(S12)max增加幅度較大，坡面DE形成剪應(yīng)力集中帶。上述一切現(xiàn)象表明，強(qiáng)雨水入滲降低了坡面的淺層穩(wěn)定性。

圖 17 極端降雨環(huán)境下應(yīng)力等值分布云(ABAQUS默認(rèn)應(yīng)力以拉為正,單位： kPa)Fig. 17 Stress equivalent distribution nephogram of collapsing gully wall in extreme rainfall environment (unit: kPa)

綜上所述，前期降雨導(dǎo)致土體潤(rùn)濕，在崩壁體內(nèi)有一個(gè)量變的累積效應(yīng)(此效應(yīng)對(duì)崩崗發(fā)育的貢獻(xiàn)主要是使砂土層被淘空后掉塊，形成了龕等微地貌)。持續(xù)降雨使龕上覆紅黏土層吸水增重，增加當(dāng)前較淺層土體的飽和度，產(chǎn)生浮托力，后期降雨使崩壁剖面的穩(wěn)態(tài)發(fā)生質(zhì)變，崩塌或流滑劫數(shù)難逃，尤其是長(zhǎng)歷時(shí)小強(qiáng)度降雨期間，崩落現(xiàn)象明顯增多。應(yīng)力-滲流場(chǎng)耦合作用體現(xiàn)在：坡面淺層土體變形是強(qiáng)暴雨引起崩壁淺層滲流場(chǎng)發(fā)生改變，場(chǎng)內(nèi)液壓以滲流體積力的形式施加在周?chē)亮Ｉ?，從而影響土顆粒間相互作用力，進(jìn)而導(dǎo)致坡面應(yīng)力場(chǎng)改變而引起坡面淺層土壤塑性區(qū)的形成及位移積累(圖18)的結(jié)果，可見(jiàn)事件3與事件2所呈現(xiàn)的強(qiáng)降雨下崩壁土體屈服形式基本吻合(均為淺層破壞)。最后需指出，崩壁龕的形成原因是由崩崗特殊巖土體的性質(zhì)（如各層次抗侵蝕性分異懸殊）與某些特定地域環(huán)境決定的，與水庫(kù)塌岸或陳洪凱等[20]研究的浪蝕龕發(fā)生機(jī)制不完全一致。

圖 18 極端強(qiáng)暴雨停止半小時(shí)后的塑性形變及位移Fig. 18 Plastic deformation and total displacement vectors half an hour after extreme rainstorm stopped

3 結(jié) 語(yǔ)

基于商用程序ABAQUS計(jì)算了崩崗壁剖面土體在降雨過(guò)程中的塑性應(yīng)變、變位和水頭壓力在時(shí)間和空間上的分布，對(duì)因強(qiáng)降雨及地下水而致崩崗災(zāi)變機(jī)理進(jìn)行了有益的探索。數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)地調(diào)查觀(guān)測(cè)及預(yù)期情況基本吻合，有助于增加人們對(duì)土侵蝕領(lǐng)域的了解，主要結(jié)論如下：

(1)降雨條件下崩崗崩壁土體最劇烈的坍塌區(qū)并非在坡腳，而是出現(xiàn)在抗沖蝕能力極弱的砂土層中上部。崩崗崩塌及后退根源是砂土層被爆流淘蝕掉塊而產(chǎn)生了侵蝕龕。崩崗崩退主階段分為前期的龕形成和后期的龕上覆懸空土體崩落。

(2)單從發(fā)生學(xué)角度來(lái)論，崩壁與邊坡最大區(qū)別在于降雨過(guò)程對(duì)前者的影響存在一段很長(zhǎng)的使龕孕育并擴(kuò)大的降雨前期階段。一旦崩壁土體被水流淘蝕形成溝道及龕時(shí)，在降雨持續(xù)的前提下，隨后土層在自重下的淺層流滑(發(fā)生在短時(shí)強(qiáng)雨期)或大體積解體、下滑(發(fā)生在連續(xù)陰雨季節(jié))便很快過(guò)渡為崩崗主要的侵蝕形式。

(3)單次降雨誘發(fā)下崩壁，發(fā)生以下部土層為起始逐步向表土層擴(kuò)展的牽引式破壞，具有明顯時(shí)間延后性。

(4)強(qiáng)烈徑流及以出露泉水方式溢出的地下水在有大孔隙砂質(zhì)壤土層中的運(yùn)動(dòng)，攜帶走細(xì)土顆粒，削弱了砂土層對(duì)其上覆臨空地層重力的承載力，降低了崩塌面抗滑阻力，對(duì)崩崗穩(wěn)定構(gòu)成不利影響。

(5)崩崗巖土層的理化性質(zhì)存在顯著差異，使得不同土層抗沖性能各異，為侵蝕龕的形成提供了良好基礎(chǔ)。如何有效控制每一個(gè)肉眼可識(shí)別的龕規(guī)模不再擴(kuò)展，是今后崩崗綜合治理體系的一個(gè)值得深入探討的嶄新課題。