李尚輝，闕 云，詹小軍

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 2. 福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引 言

滑坡災(zāi)害是自然界最普遍的地質(zhì)災(zāi)害之一，而降雨是引發(fā)滑坡災(zāi)害的主要原因[1-2]?；陲柡?非飽和滲流理論的研究表明[3-5]，降雨導(dǎo)致土體基質(zhì)吸力降低、土體軟化、坡面受沖刷和地下水位發(fā)生改變，從而誘發(fā)滑坡。但是，土體是一種復(fù)雜的多孔介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)與成分豐富多彩，在降雨作用下，不同土質(zhì)中水分運移機理表現(xiàn)出較強的各異性。

花崗巖殘積土孔隙比大，是一種典型的大孔隙材料[6-8]，降雨作用下水分優(yōu)先流經(jīng)大孔隙域并迅速抵達(dá)土體深部，從而產(chǎn)生非平衡流[9-11]。雖然單位土體中大孔隙域占比非常小(0.1%～5.0%)，但依然會導(dǎo)致水分及相關(guān)溶質(zhì)在土中產(chǎn)生非平衡流現(xiàn)象[12]。非平衡流條件下土體水分的運移速度遠(yuǎn)大于達(dá)西定律描述下的運動特性，單一的達(dá)西定律無法對此準(zhǔn)確描述[9]。可見，對含大孔隙斜坡中水分運移機理的研究應(yīng)結(jié)合非飽和非平衡流的理論來實現(xiàn)。

SHAO Wei等[13-14]利用有限元模擬研究了傳統(tǒng)非飽和滲流與含大孔隙斜坡的邊坡穩(wěn)定性，分析了非平衡流對快速壓力響應(yīng)和滑坡觸發(fā)的影響；闕云等[15]建立了非平衡流模型，通過有限元分析，揭示了短時凍區(qū)冰雪消融對殘積土坡穩(wěn)定性的影響。雖然截至目前關(guān)于非平衡流的研究取得了一些進(jìn)展，但主要偏向于土壤學(xué)科，且比較重視溶質(zhì)運移等較為單一的滲流形式[16-17]，也未充分考慮土水特征曲線的空間變化特征[18-20]，而對巖土工程學(xué)科中大孔隙斜坡降雨入滲與穩(wěn)定性試驗研究仍顯不足。

筆者以福建省某高速公路殘積土斜坡為例，建立了縮尺大孔隙斜坡模型，通過室內(nèi)試驗監(jiān)測30 mm/h和80 mm/h兩種降雨強度下土體體積含水率、豎向位移、孔隙水壓力、土壓力、坡面流速和徑流量等指標(biāo)，分析了降雨作用下大孔隙斜坡非平衡流與失穩(wěn)特性。研究結(jié)果可為含大孔隙公路路基邊坡災(zāi)害防治提供參考。

1 邊坡模型相似比與相似材料

福建省每年3—9月降雨量十分充沛，全省山地丘陵花崗巖殘積土厚、孔隙率大，大孔隙比例可達(dá)2.40%～48.72%[7]，降雨作用下水分運移的非平衡流特性顯著。筆者以廈蓉高速公路福建段路堤邊坡為模擬試驗對象開展研究，為了使試驗用土性質(zhì)與原始邊坡土體性質(zhì)盡可能一致，首先通過相似比關(guān)系來確定試驗用土的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、壓縮模量E、滲透系數(shù)K等參數(shù)，見表1。

表1 模型材料相似比參數(shù)Table 1 Model material similarity ratio parameter

為了配制出符合表1參數(shù)的試驗用土，在原土中添加重晶石粉、石英砂及水、液態(tài)石蠟，通過正交試驗確定出模型材料配比：m原土∶m重晶石粉∶m石英砂=20%∶60%∶20%，m水∶m液態(tài)石蠟=64%∶36%。

2 試 驗

2.1 邊坡模型設(shè)計

試驗邊坡模型縮尺比例為1∶50；模型長160 cm，高60 cm；坡頂長50 cm，坡趾長46 cm；分2級放坡，坡比均為1∶1.5。詳見圖1。

圖1 邊坡模型幾何尺寸(單位：cm)Fig. 1 Geometric dimensions of slope model

2.2 大孔隙布置

首先，在土體內(nèi)部埋入一根直徑為2 cm的不銹鋼鋼管并封閉管口，邊坡填筑完成后向其中灌入粗石英砂；然后，采用螺旋上升方式緩慢拔出鋼管，從而形成近似的大孔隙通道。

在邊坡模型中共布置了30個大孔隙通道。沿著長邊設(shè)置10排，沿著短邊設(shè)置3排；大孔隙均勻分布在坡頂、坡中和坡腳處；所有大孔隙通道上部連通；坡腳處大孔隙通道長度20 cm，其他位置30 cm。詳見圖2。

圖2 大孔隙布置(單位：cm)Fig. 2 Macropore detailed layout

2.3 試驗裝置

2.3.1 降雨系統(tǒng)

1)供水箱，為降雨過程持續(xù)供水。

2)水泵，是降雨的主要動力來源，水泵壓力可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

3)降雨裝置，包括水管支架及噴頭等，降雨高度為6 m，降雨有效面積為12 m2，支架布置與噴頭協(xié)調(diào)。噴水點共計6個，間距為2 m，噴口直徑大小可適時調(diào)整以模擬各種不同降雨強度。

4)雨量筒，用于監(jiān)測降雨過程中實時雨強變化情況。

2.3.2 監(jiān)測裝置

1)土體體積含水率θ采用TDR-3型土體水分傳感器來監(jiān)測。

2)坡頂和坡中臺階處豎向位移u采用位移計來監(jiān)測，其固定如圖3。

圖3 位移計固定示意Fig. 3 Schematic diagram of displacement meter

3)邊坡失穩(wěn)時的位移采用PhotoInfor圖像處理軟件采集。

4)孔隙水壓力p采用CYY2應(yīng)變式孔壓計結(jié)合UT7110型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來監(jiān)測。

5)土壓力σ采用LCTY-1型土壓力盒監(jiān)測。

6)坡面徑流用自行設(shè)計的三角玻璃引流槽來收集，坡面徑流流速v用染色劑法測定[21]。

2.3.3 監(jiān)測裝置布置

在定制的亞克力有機玻璃模型箱〔圖4(a)〕中填筑試驗邊坡土體，同時將角鋼支架焊接在模型箱外圍以確保模型箱牢固，為了便于收集坡面徑流量，模型箱側(cè)面預(yù)留40 cm × 2 cm的方形孔。亞克力模型箱側(cè)面預(yù)留10個水分傳感器孔洞，由坡腳至坡頂編號1 #～10 #，孔洞水平間距15 cm，豎向距離坡頂分別為8、20、30 cm，2 #、4 #、8 #、9 #孔洞距離坡面8 cm。除了坡頂?shù)?、2排孔洞間距為12 cm之外，其余第2、3排和第3、4排孔洞豎向間距均為10 cm。

圖4 監(jiān)測裝置布置(單位：cm)Fig. 4 Monitoring instrument layout

試驗開始之前將對應(yīng)編號的水分傳感器通過孔洞插入土體用于監(jiān)測土體體積含水率θ。

孔隙水壓力監(jiān)測點布置4個，豎直位置分別位于1 #、4 #、7 #、8 #孔洞處；土壓力監(jiān)測點布置2個，豎直位置分別位于2 #、7 #孔洞處，位移監(jiān)測點布置2個，分別位于坡頂和坡中臺階處。

2.4 試驗流程

邊坡降雨試驗流程為：開始→檢查調(diào)試降雨系統(tǒng)→配置試驗用土→繪制邊坡土層填筑線→降雨均勻度測試→邊坡填筑與布設(shè)TDR、孔壓計等儀器→架設(shè)相機與水槽→降雨試驗開始→試驗數(shù)據(jù)采集→清理試驗場地→結(jié)束。

3 結(jié)果分析

3.1 土體體積含水率θ

圖5為降雨強度R=30、80 mm/h時，邊坡不同位置監(jiān)測點土體體積含水率θ隨時間t變化曲線。

圖5 R=30、80 mm/h，各測點的θ-t曲線Fig. 5 Curves of θ-t at each monitoring point when R=30, 80 mm/h

由圖5可見：

1)降雨強度R=30 mm/h時。各監(jiān)測點θ隨t的變化趨勢基本一致，即t=0～50 min時，θ保持初始值不變，大約為10%；t> 50 min，θ逐漸增大；t≈250 min時，θ趨于穩(wěn)定，大約為30%。埋深較淺的1 #、2 #、4 #、8 #、9 #監(jiān)測點，θ響應(yīng)時間為50～75 min；埋深較深的3 #、5 #、6 #、7 #、10 #監(jiān)測點，θ響應(yīng)時間約為200 min。表明在降雨作用下，離坡面越近，土體體積含水率變化越敏感。各監(jiān)測點土體體積含水率飽和峰值θpeak=28%～32%。

2)降雨強度R=80 mm/h時。各監(jiān)測點θ變化趨勢與R=30 mm/h時相似，但不同監(jiān)測點θ響應(yīng)時間的滯后不同，大部分集中在25～50 min時段，最終，各監(jiān)測點土體體積含水率飽和峰值θpeak≈ 33%，比R=30 mm/h時大。表明增大降雨強度可使得土體體積含水率響應(yīng)時間提前，增長速率變快，非平衡流現(xiàn)象更顯著。

3.2 孔隙水壓力p

圖6為降雨強度R=30、80 mm/h時，邊坡坡腳、坡中及坡頂處孔隙水壓力p隨時間t變化曲線。

圖6 R=30、80 mm/h的p-t曲線Fig. 6 Curves of p-t when R=30, 80 mm/h

由圖6可見：

1)R=30 mm/h時，經(jīng)過一定時間后，各監(jiān)測點p由0開始迅速增大，其中1 #、8 #監(jiān)測點p響應(yīng)時間最早，大約為40 min，4 #監(jiān)測點響應(yīng)時間其次，7 #監(jiān)測點響應(yīng)時間最遲，大約為150 min。最終，1 #、4 #監(jiān)測點p趨于穩(wěn)定的峰值，而7 #、8 #監(jiān)測點p達(dá)到峰值后逐漸減小，其中8 #監(jiān)測點在150～250 min階段p逐漸減小，降雨至250 min后減小到0。分析原因是：降雨時間足夠長時，坡面徑流導(dǎo)致坡頂形成沖蝕溝，p降低過程說明孔壓計處于部分裸露狀態(tài)；若p減小至0，說明孔壓計已經(jīng)處于完全裸露狀態(tài)。

2)R=80 mm/h時，各監(jiān)測點p響應(yīng)時間相比R=30 mm/h時顯著提前，1 #監(jiān)測點響應(yīng)時間提前至10 min，7 #提前至40 min左右。說明R越大，響應(yīng)時間滯后性越小。1 #監(jiān)測點保持p≈0.5 kPa，直至t=100 min后繼續(xù)增大，最終ppeak≈1.0 kPa，這是由于坡腳積水導(dǎo)致p出現(xiàn)二次增大。

3)7 #、8 #監(jiān)測點p開始減小的時間大幅提前。最終，7 # 監(jiān)測點p在150 min左右維持在1.0 kPa左右，此時8 #監(jiān)測點p已經(jīng)減小到0。表明降雨強度越大，坡面越容易產(chǎn)生坡面徑流。

3.3 土壓力σ

圖7是降雨強度R=30、80 mm/h時，2 #、7 #監(jiān)測點土壓力σ隨時間t變化曲線。

圖7 R=30、80 mm/h的σ-t曲線Fig. 7 Curves of σ-t when R=30, 80 mm/h

由圖7可見：

1)R=30 mm/h時，2 #、7 #監(jiān)測點σ先增加后緩慢減小，當(dāng)t< 120 min時，兩者增長速率相當(dāng)；當(dāng)t>120 min時，7 #監(jiān)測點的σ增長速率顯著大于2 #監(jiān)測點的；當(dāng)t≈300 min時，2 # 監(jiān)測點的σ出現(xiàn)突降。分析原因，主要是坡腳處發(fā)生局部垮塌破壞導(dǎo)致壓力釋放。

2)R=80 mm/h時，降雨開始階段，7 #監(jiān)測點的σ增長速率顯著大于2 #監(jiān)測點的，兩者達(dá)到峰值對應(yīng)的時間分別是160 min和190 min，即7 # 監(jiān)測點的σ率先達(dá)到峰值。分析原因是，坡面出現(xiàn)積水流入大孔隙，且流入7 # 監(jiān)測點的積水早于2 # 監(jiān)測點的，流入7 #監(jiān)測點的水分也更多。與R=30 mm/h時相比，R=80 mm/h時，2 #、7 #監(jiān)測點的土壓力峰值σpeak分別增長了約211%、176%。7 #監(jiān)測點位于坡頂，由于坡頂徑流形成沖蝕溝，σ最終減小至5.3 kPa，降雨后期臨近坡腳發(fā)生失穩(wěn)破壞使得2 #監(jiān)測點σ最終減小至4.8 kPa。

3.4 豎向位移u

圖8為降雨強度R=30、80 mm/h時，坡頂和臺階處豎向位移u隨時間t變化曲線。

圖8 R=30、80 mm/h時，坡頂和臺階處的 u-t曲線Fig. 8 Curves of u-t at the top and step of slope when R=30, 80 mm/h

由圖8可見：

1)R=30 mm/h時，坡頂和臺階處u隨著t的增大而增大，且坡頂處的增長幅度比臺階處的大。當(dāng)t≈325 min時，由于出現(xiàn)局部垮塌破壞，坡頂處u驟增，短時間內(nèi)由76 mm增至90 mm；當(dāng)t≈375 min時，臺階處u出現(xiàn)相同變化，從45 mm迅速增至66 mm。

2)R=80 mm/h時，同樣，坡頂和臺階處u先逐漸增大，隨著局部垮塌而突變，最終達(dá)到極值；但與R=30 mm/h時相比，u發(fā)生突變的時間大大提前。表明：降雨作用下，大孔隙邊坡坡頂處的u比臺階處的大，坡頂更容易發(fā)生局部垮塌破壞。

3.5 坡面流速v與坡面累計徑流量q

圖9分別為降雨強度R=30、80 mm/h時，坡面流速v與坡面累計徑流量q在降雨歷時220 min內(nèi)的變化曲線。

圖9 R=30、80 mm/h，q-t、v-t曲線Fig. 9 Curves of q-t and v-t when R=30, 80 mm/h

由圖9可見：

1)當(dāng)R=30 mm/h時：①坡面徑流產(chǎn)生，累計徑流量q隨時間t的增長逐漸增大，t<120 min時，q較??；當(dāng)t≥120 min時，q迅速增長；當(dāng)t≈220 min時，q達(dá)到11 000 g。②徑流初期，坡面流速v迅速增大，t=18 min后增速放緩，在75 min～120 min階段，v的變化出現(xiàn)一定的波動，最終穩(wěn)定在v=0.010 5 m/s左右。

2)當(dāng)R=80 mm/h時：①t< 75 min，q增長速率較慢；t=75→220 min，q=6 000→50 000 g。②t=0→60 min，坡面流速v=0→0.045 m/s，最終，穩(wěn)定波動于v=0.039 m/s。

綜上，坡面累計徑流量q和坡面流速v均隨降雨強度R的增大而增大。分析原因是，增大降雨強度使得大孔隙域能夠在更短的時間達(dá)到飽和狀態(tài)，水分入滲至大孔隙域的阻力增大，致使坡面累計徑流量變大。

3.6 邊坡破壞過程

圖10為降雨強度R=30、80 mm/h時，PhotoInfor圖像處理軟件識別的不同降雨時刻土體位移云圖。

圖10 R=30、80 mm/h，不同降雨時刻土體位移云圖(單位：cm)Fig. 10 Soil displacement nephogram at different rainfall moments when R=30, 80 mm/h

由圖10可見：

1)R=30 mm/h，非平衡流作用下，t=124 min時，臺階處位移達(dá)3.52 cm；t=260 min時，整個坡面位移均發(fā)生較大變化，位移最大為4.80 cm；t=467 min時，邊坡出現(xiàn)大規(guī)模破壞，最大位移發(fā)生在坡頂處，達(dá)到6.64 cm。對試驗邊坡的觀察發(fā)現(xiàn)，09:40—17:30持續(xù)降雨后，邊坡出現(xiàn)大規(guī)模破壞。

2)R=80 mm/h，t=10 min時，坡頂表面及其下覆一定深度土層位移均發(fā)生變化，最大值為0.84 cm；t=35 min時，位移發(fā)生變化的范圍增大，最大值達(dá)4.86 cm；t=66 min時，坡頂最大位移進(jìn)一步增加到8.14 cm。對試驗邊坡的觀察發(fā)現(xiàn)，10:00—14:45持續(xù)降雨后，邊坡出現(xiàn)大規(guī)模破壞。

綜上，與R=30 mm/h相比，R=80 mm/h時豎向位移在短時間內(nèi)即發(fā)生大幅度變化。分析原因是，較大降雨強度下，受大孔隙流沖蝕作用，基質(zhì)域土體壓實度降低。

根據(jù)降雨過程中位移變化情況和邊坡完整度的觀察，將邊坡的破壞形式分為初始破壞和最終破壞，初始破壞以出現(xiàn)首塊可見滑體或出現(xiàn)首個沖蝕溝為依據(jù)，最終破壞以出現(xiàn)大規(guī)?；w為依據(jù)，破壞實況如圖11。

圖11 R=30、80 mm/h，不同降雨時刻邊坡破壞形式Fig. 11 The failure form of slope at different rainfall moments when R=30, 80 mm/h

由圖11可見：

1)R=30 mm/h時，坡面發(fā)生初始破壞的時間為 285 min，此時坡面出現(xiàn)沉降裂縫，隨著降雨的進(jìn)行，雨水不斷浸潤，坡面由于重力作用產(chǎn)生拉裂縫；在降雨時間達(dá)到 470 min時，坡面發(fā)生最終破壞，此時坡頂和斜坡界面均產(chǎn)生滑移裂縫，邊坡破壞形式為淺層局部滑裂破壞。

2)R=80 mm/h時，坡面發(fā)生初始破壞和最終破壞的時間分別為20 min、285 min；發(fā)生最終破壞時，坡面未出現(xiàn)裂縫，但由于降雨強度過大和較大的豎向位移，坡面產(chǎn)生沖刷作用，邊坡破壞形式為淺層局部沖刷破壞。

綜上，R=80 mm/h時，邊坡發(fā)生初始破壞時間和最終破壞時間較R=30 mm/h時分別提早了265 min和185 min，破壞程度更大，至降雨停止時，坡體近乎沖刷流失。因此，降雨強度越大，邊坡破壞速度越快，邊坡的破壞形式也發(fā)生較大變化。

4 結(jié) 語

1)同一降雨強度下，監(jiān)測點埋深越淺，體積含水率響應(yīng)時間更早。隨著降雨強度增大，不同監(jiān)測點體積含水率響應(yīng)時間滯后特性減小，體積含水率增長速率增大，非平衡流現(xiàn)象愈加顯著。

2)降雨強度越大，孔隙水壓力響應(yīng)時間越早，坡腳處更容易出現(xiàn)積水，由此導(dǎo)致坡腳處孔隙水壓力出現(xiàn)二次增大。此外，增大降雨強度，坡頂處沖蝕溝形成時間提前，坡頂卸壓時間相應(yīng)提前。

3)隨著降雨進(jìn)行，坡腳和坡頂處土壓力先增加后緩慢減小，且坡頂處土壓力增幅較坡腳大，坡腳土壓力達(dá)到峰值時間滯后于坡頂。隨著降雨強度增大，坡腳和坡頂土壓力峰值也越大。

4)降雨初期，坡頂和臺階處豎向位移緩慢增大，當(dāng)發(fā)生局部垮塌時，豎向位移驟增至峰值并保持不變。坡頂處位移增長速率相比臺階更大，局部垮塌點出現(xiàn)時間更早，大孔隙邊坡坡頂相比臺階更容易發(fā)生破壞。

5)降雨強度越大，坡面累計徑流量進(jìn)入快速增長階段越早，坡面累計徑流量達(dá)到的峰值越大；降雨強度越大，坡面流速進(jìn)入波動界限范圍越快，流速峰值也越大。

6)隨著降雨強度增大，邊坡初始破壞和最終破壞時間提前。不同降雨強度下，大孔隙邊坡最終破壞形式不完全相同，降雨強度較小時，以淺層局部滑裂破壞為主；降雨強度較大時，以淺層局部沖刷破壞為主。

7)通過與過去普通邊坡大量的研究成果對比，考慮大孔隙情況下，邊坡非平衡流特性更加明顯，滲流場響應(yīng)時間更早，響應(yīng)速度更快。大孔隙在一定程度上會提高邊坡垮塌破壞的幾率，使得滑坡時間提前。