不同工况下土壤滑坡失稳现象的研究

2023-07-20郭彦涛

黑龙江水利科技 2023年6期

郭彦涛

（河北省邯郸水文勘测研究中心，河北邯郸 056000）

关键字：水槽试验；降雨；排水沟；土壤失稳；滑坡破坏

0 引言

土壤滑坡是一种不稳定现象，如泥石流受强烈或长期降雨影响，对厚度＜2m 的表层沉积物有一定影响，往往会对社会稳定、人民生活造成巨大伤害[1-2]。土壤发生滑坡破坏的特殊性及危害性在于滑坡几乎没有先兆迹象，因此研究该过程的触发因素是一个重要课题，可为土壤滑坡风险管理提供有用信息。目前已有众多学者对其进行研究，如周永强等学者通过物理模型试验，对土体滑坡现象进行研究，得到极端降雨条件下不同位置滑坡发生失稳的变化规律。如张恩铭等学者通过室内斜板试验建立对应数值模拟模型，对滑坡运动过程和堆积形态进行研究，得出岩体结构强度对岩体破坏形式影响最大。张卫杰等学者以SPH 方法为基础，结合等效粘度概念和宾汉姆流体模型分析滑坡变形过程，得出不同工况下滑坡滑动距离与速度的演化规律。梅伟等学者通过物质点方法模拟滑坡变形过程，研究得到滑坡破坏模式的定量特征，为实现多个滑坡破坏模式的风险定量研究提供新路径[2-4]。文章将土壤滑坡实际情况与前人研究相结合，已知土壤滑坡通常都在无预警的情况下直接发生，因此为分析土壤滑坡的触发因素及变化规律，提前预测自然灾害的发生时间、状态，减轻土壤滑坡失稳破坏对国家社会生命财产的伤害和基础设施设备的破坏，文章将通过水槽试验进行研究。

1 试验方法

1.1 试验装置

玻璃水槽长136cm、宽50cm、高35cm，水槽角度可通过螺杆改变。为确保土壤颗粒与水槽底部之间的摩擦力与水槽内部颗粒之间的摩擦力相同，在水槽底部表面放置一块粗糙的塑料底板。在土壤前方固定一块渗透性屏障容纳破坏后的土壤，并用摄像机记录土壤发生破坏的时间和位置。降雨模拟器由水槽上方的洒水装置组成，为保证降雨均匀性，将供水水压恒定在3.2bar，对应降雨强度为1.1mm/min。

文章试验数据参考邯郸山体滑坡事故，该地区常因降雨而引发土壤滑坡失稳破坏，令民众财产和基础设施严重受损。结合地区特点，设置文章水槽试验相关参数，其中水槽坡度38°，试验土壤厚度13cm。试验过程中为减少土壤滑坡对边坡的干扰，在水槽土体和渗透性屏障之间放置一个倾角为30°的土楔，以确保在土壤内部发生破坏。校准降雨系统并确定土壤几何结构后开始水槽试验，通过改变土壤孔隙率和初始含水量分别在有无排水沟的条件下开展试验，观察并记录土壤发生破坏的模式和触发时间。

文章主要变量有4 种孔隙率（30%、35%、37%和40%）、5 种初始含水量（4%、6%、8%、10%和12%），并以土壤孔隙率为35%，初始含水量不超过10%为主要参数进行试验研究。通过降雨模拟器控制降雨强度，图1 所示水文图，为下午4 点至9 点在滑坡事件中每隔15min 的降水量。

图1 水文图

通过以上参数，尽可能准确地重现滑坡失稳事件，事件特点为持续时间短且具有高强度的峰值，如晚上7:00 至7:15 累积的降雨量为21.3mm，对应降雨强度约为1.4mm/min，5h 内总降雨量为194mm。考虑到水槽试验平均土壤厚度与真实土壤厚度的关系，为在现场保持相同降雨强度，应在7 : 00 至7 : 15 时，将降雨强度提高至1.4mm/min。降雨模拟器的开启和关闭状态如表1 所示，以确保降雨峰值可集中在各时间段内。

表1 降雨模拟器的开启-关闭状态

部分土壤属于大孔隙结构，为天然排水沟，故土壤中部分入渗水流存在优先流动的方向。为模拟该方向，用包裹在塑料网中的砾石制作6 个长约30cm、宽约1cm 的小排水沟，放置于土壤中。

1.2 试验材料

文章试验材料的粒度分布曲线如图2 所示，并通过三轴试验装置获得材料性能，详见表2。结合试验数据，可知试验材料中砾石和砂石含量较高，总占比为88.7%；粉土和黏土含量最少，总占比为11.3%；当其有效黏聚力为0 时，产生的内摩擦角约等于36.3°。

表2 测试材料性能

图2 测试材料特性

2 试验结果

2.1 恒定降雨无排水条件下土壤破坏

通过水槽试验观察出降雨诱发的土壤破坏现象发生的非常迅速，当土壤孔隙率n=40%，含水量w=8%时，土壤初期不存在失稳迹象，破坏面仅在土壤剖面内进行发育；又过2min 左右，土壤发生明显断裂破坏。当土壤孔隙率n均等于35%、左图含水量w=4%、右图含水量w=8%时，观察到左图土壤破坏面位于水槽上部，右图土壤破坏面位于水槽中下部。总结得出：当土壤孔隙率相同、含水量不同时，含水量越小水槽上部越容易发生断裂破坏。

在恒定降雨和无排水沟条件下，列出表3 所示试验1～17 的土壤初始条件和破坏时间，其中Sr表示饱和度，Tf表示土壤破坏时间。

表3 试验1-17 的土壤初始条件和破坏时间

依据水槽试验现象，结合表3 数据进行分析，可知土壤初始条件（孔隙率和含水量）对土壤边坡发生破坏的时间和形式有一定影响。当其他工况相同时，土壤发生破坏时间随孔隙率的增加而减少。如图3 土壤孔隙率n=35%时，土壤发生破坏的持续时间最长，因此该孔隙率对初始含水量的变化情况最敏感。与之对应，当孔隙率n=37%～40%时，随着初始含水量的变化，两者土壤发生破坏的持续时间较短。

图3 不同孔隙率的破坏时间关系图

2.2 非恒定降雨无排水条件下土壤破坏

当孔隙率n=30%、含水量w=12%时，土壤未发生明显破坏，仅土壤脚趾表层处逐渐被侵蚀，这是由于水槽倾斜期间土壤过度潮湿而造成的。且孔隙率n=30%时，土壤相对固结，即使在潮湿条件下土壤也很难发生大规模质量运动，故着重分析孔隙率n=35%时的试验现象。当孔隙率n=37%、含水量w=4%时，大约10min 后，水槽土壤上部表面发生断裂，这是由于湿润锋造成渐进式浅层流动而引发的破坏。渐进式浅层流动的出现有利于本层形成相对下垫面更湿润的表层区域，从而在土壤剖面的上部发生失稳现象。

在非恒定降雨和无排水沟条件下，列出表4 所示试验18～21 的土壤初始条件和破坏时间，其中Tc表示累计降雨时间。数据表明：孔隙率相同情况下，土壤含水量越高，土壤发生破坏时间越短，坍塌速度越快。

表4 试验18～21 的土壤初始条件和破坏时间

2.3 恒定降雨有排水条件下土壤破坏

在恒定降雨和有排水沟条件下，列出表5 所示试验22～25 的土壤初始条件和破坏时间。

表5 试验22～25 的土壤初始条件和破坏时间

通过水槽试验可知试验22～25 土壤发生破坏时的土壤体积均大于之前试验发生破坏时的土壤体积。当含水量w=10%时，破坏面位于水槽上部排水沟处；而当含水量w=6%时，土壤发生双裂缝破坏，可能是由于以下两种原因：①由砾石构成的排水沟通水时导致周围渗透性土壤的局部水压增加，从而造成失稳破坏现象；②由于土壤压实度较低，排水沟的存在令土壤体积内形成一个局部薄弱区。