牵引式滑坡降雨预警判据的模型试验研究

潘以恒，李雪平，吴丽清，王　威，谭福林

(中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉　430074)



牵引式滑坡降雨预警判据的模型试验研究

潘以恒，李雪平，吴丽清，王威，谭福林

(中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉430074)

以河南省灵宝市麦尖窝滑坡作为试验对象，进行室内人工降雨模型试验，研究降雨作用下牵引式滑坡的变形破坏规律，并提出适用于研究区的降雨预警判据。采用含水率传感器、坡面示踪点和数码相机等仪器设备对关键部位含水率、坡面变形和裂缝发育情况进行监测、记录。试验表明：在强降雨作用下，边坡表现为自下而上的渐进式牵引变形破坏。通过分析模型各关键部位的变形破坏特征和含水率监测数据，确定牵引式滑坡变形破坏过程中的关键时间节点，并将整个过程划分为变形启动、变形加速和整体破坏3个阶段。基于以上变形破坏模式，提出以滑坡坡脚、坡肩表面出现贯通裂缝时的持续累计雨量E1(75mm)、E2(180mm)分别作为麦尖窝滑坡的橙色、红色降雨预警判据。

牵引式滑坡；模型试验；累计雨量；破坏规律;预警判据

1　研究背景

滑坡是我国主要的地质灾害类型之一，其中以降雨诱发型滑坡分布最广，发生频率最高，危害最大。根据全国290个县市地质灾害调查结果，滑坡在地质灾害中所占比例高达51%，而暴雨诱发的滑坡比重占滑坡总数的90%[1]。牵引式滑坡作为一种重要的滑坡形态，其演化模式主要表现为边坡下部土体率先滑动，上覆土体在失去支撑的情况下逐步发生牵引状滑动[2]。考虑到降雨作为诱发滑坡因素的重要性、活跃性以及牵引式滑坡存在的普遍性，研究降雨作用下牵引式滑坡的变形破坏规律和相应的降雨预警判据具有其重要意义。

室内人工降雨模型试验作为研究降雨作用下滑坡失稳破坏模式的主要手段，能直观地观测滑坡体滑动过程中的变形特征，同时能通过监测手段定量地获取滑体中的土压力、含水率、滑体位移等物理参数，从而多方位地阐明降雨作用下滑坡的演化过程[3]。罗先启等[4]建立了室内人工降雨控制系统、水库水位控制系统和多物理量测试系统，以石榴树包滑坡为例，研究了水库型滑坡变形破坏规律。武彩萍等[5]建立了黄土裸坡室内模型并模拟人工降雨，通过综合监测来观察降雨过程中坡面形态的变化并分析降水入渗对黄土滑坡的影响。林鸿州等[6]通过降雨诱发土质边坡失稳的模型试验探讨降雨特性对边坡失稳的影响，揭示了降雨入渗对边坡稳定性的作用机制，并以此建议采用降雨强度与累计雨量作为雨量预警基准所需的参数。张敏等[7]设计了一套降雨模拟系统，并通过降雨条件下砂土边坡的离心模型试验成功应用了该系统，研究了边坡降雨入渗过程。

降雨预警判据方面，学者更多地通过历史数据进行规律统计得到降雨临界值，并以此作为预警判据[8-10]。而结合滑坡宏观变形特征提出降雨预警判据的成果仍很有限。本文以麦尖窝滑坡为研究对象，在野外地质调查的基础上，通过开展室内人工降雨试验，揭示牵引式滑坡在降雨作用下的变形破坏规律，选取合适的降雨参数作为滑坡降雨预警判据。

2　模型试验设计

2.1研究区概况

麦尖窝滑坡位于河南省灵宝市五亩乡，为大型土质滑坡风脉寺滑坡的次级滑坡。滑坡剖面呈阶梯状，上缓下陡(见图1)。平面呈圈椅状，整体南高北低，后壁为黄土，坡顶标高722.70m，最宽处约为110m，前缘标高660.03m，前缘最窄处宽度约为40m，中部宽度均匀变化，平均宽度约80m，纵向长度约240m，面积1.92×104m2，为土质中型滑坡。

图1麦尖窝滑坡工程地质剖面

Fig.1EngineeringgeologicalprofileofMaijianwolandslide

滑坡物质主要由黄土状粉质黏土组成，含古土壤及钙质结核层，以层状结构为主，垂直节理、孔隙较发育。滑床岩性较为复杂，由各种性质不同的岩土层组成，层状结构，含钙核，局部有钙质结核层。降雨是影响坡体稳定性的主导因素，研究区年内降雨量多集中在夏季，占全年降雨量的50.8%，且多暴雨，最大24h降雨量118.9mm。

2.2模型概化

为了研究麦尖窝滑坡在降雨条件下的变形破坏规律，根据滑坡工程地质勘查资料，基于相似理论，取几何相似常数为160，对滑坡典型地质剖面(图1)进行概化，建立与研究对象应力边界条件相近的地质力学模型。概化模型长150cm，宽50cm，前缘高度10cm，后缘高度55cm，前缘坡角37°，滑坡中后部较平缓，角度为5°，如图2所示。针对滑坡原型中存在的节理发育等现象，采取适当减少击实次数和降低模型材料的力学参数来加以考虑。

△代表含水率传感器图2　滑坡概化模型Fig.2　Generalized landslide model

2.3相似比例设计及模型材料

根据试验条件及操作可行性，确定几何相似常数Cl=160，由相似理论推导得到试验各物理量相似比为：CE=160，Cε=Cφ=1，其中CE,Cε和Cφ分别为弹性模量相似常数、应变相似常数和摩擦角相似常数。

在现场土工试验结果的基础上进行滑体土配比试验，最终确定滑体模型材料主要构成成分为61%的烘干滑体土(过2mm筛)、22%的水、17%的江砂(过2mm筛)。江砂可以增加内摩擦角及渗透系数，使滑体易于成型[3]。滑床稳定性较高，滑床模型由水泥混凝土砌筑而成，采用砂浆涂抹滑床表面确保其坚固平整。滑坡原型土体和模型土体的物理力学参数如表1所示。

表1　滑坡原型与模型物理力学参数Table 1　Physico-mechanical parameters of prototypelandslide and its model

2.4试验设备

根据概化后的模型尺寸，设计模型试验框架尺寸为150cm(长)×54cm(宽)×100cm(高)，框架正面为钢化玻璃，边长为10cm的网格线。本次试验监测设备包括1套含水率监测系统(含1台数据采集仪和5个含水率传感器)、2台数码照相机(用于记录滑坡模型形态变化及裂缝发育情况)和坡面位移示踪点(用于观测坡面位移变化情况)，概化模型尺寸及含水率传感器布设位置如图2所示。

降雨模拟系统主要参考由张敏等[7]设计的一套模型试验降雨模拟系统，系统由供水系统、降雨水槽2部分组成。降雨水槽长140cm，宽60cm，高10cm。供水系统包括流量表、1根直径3cm的供水主管、4根直径5mm的分支水管和连接主管与分管的接头，4根分支水管按降雨水槽尺寸对称分布以保证降雨均匀。为满足模型试验中降雨覆盖面积和降雨均匀度需求，降雨水槽布设了11行，27列共297个孔径为3mm的圆形降水孔，通过调节阀门控制进水量达到控制降雨强度的目的。

3　试验及结果分析

3.1试验过程

本次试验降雨模拟情况如表2所示，试验进行至当天下午16:38时，判断滑坡模型整体不再发生滑动，试验结束。整个试验过程累计雨量856mm，历时7h30min。试验初始降雨强度为100mm/h，下午14:00将降雨强度由100mm/h增加至140mm/h并保持这一降雨强度直到试验结束，整个试验过程的平均降雨强度为114mm/h。

表2　模拟降雨过程Table 2　Simulated rainfall process

含水率数据采集系统的采集频率为每10min采集一次，同时使用数码相机完整记录试验过程中滑坡模型裂缝的发生、扩展和贯通,以及坡面和坡体形态的变化。

3.2结果分析

3.2.1模型变形特征分析

图3和图4分别展示了试验过程中滑坡裂缝以及坡面形态的变化情况。根据坡面位移示踪点位置变化情况可知，模型坡脚最先出现位移并发生破坏，此后坡肩产生较大变形并最终拉裂破坏，坡顶土体变形较小，整体位移呈现自上而下逐渐增大的规律。

(a)坡脚裂缝(b)坡肩裂缝

图3滑坡裂缝

Fig.3Cracksoflandslide

从模型各处出现关键性裂缝的时间节点进一步展开讨论。当T=45min时，坡脚开裂出现细长的贯通裂缝，如图3(a)所示。当T=78min时，裂缝逐步向内发育切割坡脚土体，使其形成破碎土块，破碎的土块由坡面径流带入框架前缘的雨水回收装置。在试验进行到110min左右时(累计雨量E2=180mm)，坡肩表面在前部土体重力牵引作用下出现狭长的贯通拉裂缝，如图3(b)所示。将45min至110min这一阶段称为滑坡失稳的变形启动阶段，对比图4(a)与图4(b)中第一排示踪点可知，模型坡脚在这一时段内产生了较大变形直至破坏。变形启动阶段开始的标志为T=45min时坡脚表面出现贯通裂缝，这一时刻的累计雨量E1=75mm。而在T=110min之后，降雨和坡面径流迅速由坡肩处的贯通裂缝渗入坡体内部，使得模型中部土体含水率在短时间内急剧增加，达到饱和状态，导致土体抗剪强度和基质吸力大幅度减小，此时滑坡变形失稳进入加速阶段。对比图4(b)与图4(c)中第2、第3排示踪点可知，模型坡肩的变形破坏主要发生在这一时段内。

(a)T=78 min　　　　　　　(b) T=110 min

(c) T=324 min　　　　　　(d) T=440 min图4　滑坡坡面变化过程Fig.4　Variation process of landslide surface

在变形加速阶段中，模型自坡肩处开始发生局部范围滑动，滑动范围和频率随时间逐渐增大。在试验进行至324min时，坡肩土体已与模型后部土体分离，模型中前部已完全破坏。为确保滑坡模型完全失稳，模拟降雨至450min，判断模型不会发生进一步滑动，实验结束。

试验中，模型所表现的变形破坏模式是典型的自下而上渐进式牵引破坏模式。首先，坡脚土体在降雨和坡面径流冲蚀、浸泡下逐渐丧失抗剪强度和基质吸力，出现裂缝、部分块体滑移现象。随着坡脚裂缝贯通以及土体的冲刷流失，出现了一个局部临空面。坡体中部土体在重力作用的牵引下产生向临空面滑动的趋势，当土体抗剪强度在降雨作用下进一步降低，下滑力超过抗滑力时，坡肩处开始形成拉裂缝并进一步扩展，直至完全贯通，最终发生大规模滑动。

3.2.2浸润线及含水率分析

图5反映了试验过程中土体浸润线的变化情况，图中红色曲线即为浸润线。从图中可以看出浸润线由模型表层向模型内部逐步收缩，最终趋于稳定。通过观察，试验过程中降水对坡脚土体的影响持续时间最长，坡肩和坡顶次之。以浸润线为界，浸润线下方的土体基本不受降水影响，而越向外的土体受降水影响则越大。

(b) T=343 min图5　浸润线变化Fig.5　Development of wetting front

图6为滑坡模型各部位含水率监测数据曲线图。试验开始阶段，各测点含水率均无明显变化。当试验进行到30～60min这一时段，由于测点A，E埋深较浅，二者含水率开始增大，其余测点含水率仍无变化。参照图2，测点A埋设于坡顶且埋深较浅，坡顶角度平缓有利于雨水的渗透，使得测点A含水率迅速增大。测点E埋设于坡脚，埋深较浅，在试验初始阶段，由于模型前陡后缓，降雨在前部坡面主要形成径流，入渗作用相对模型后部较小，使得测点E含水率增长速率较测点A略小。当试验进行至40min之后，测点E的含水率开始出现陡增，并最先达到峰值，结合试验过程中坡脚裂缝贯通的关键时间点分析可知，测点E含水率陡增应是由于水流通过贯通裂缝迅速灌入坡脚土体内部所致。

图6　各测点时间-含水率变化曲线Fig.6　Time-moisture curves of monitoring points

在90min至120min这一时段内，测点C和测点D的含水率均出现了不同程度的增大，根据之前对模型坡肩变形特征的分析，正是在这一时间段内，坡肩表面开始形成拉裂缝并逐步贯通。测点C含水率于此期间大幅度增大并接近峰值，参照图2中测点C的埋设位置，可以得出在这一时段内坡肩土体开始受到水的影响并达到饱和。测点D埋设于坡肩下方，埋深较大，在这一时段含水率有所增加，但并不明显。在试验进行到120min之后，测点D含水率开始显著增大，并于180min左右达到峰值。整个试验过程中，测点B含水率始终没有发生变化，结合图5所示的浸润线变化情况可知，B点始终处于浸润线下方，未受到水的影响。

土体含水率是描述土体含水程度的指标，直接影响着土体的抗剪强度和基质吸力[6]。基于模型变形破坏过程，通过对模型各位置测点含水率曲线分析可知，坡肩测点C，D及坡脚测点E含水率的陡增都与各自所处区域裂缝的出现、扩展有着密切联系。裂缝为雨水和径流进入坡体内部提供了良好的通道，而贯通裂缝作为最佳的渗流通道，更直接影响着边坡土体饱和度和坡体稳定性。因此将各关键部位裂缝贯通的时刻作为滑坡变形破坏过程中各阶段的关键时间节点具有其合理性，将这些时间节点对应的持续累计雨量作为滑坡降雨预警判据也具有其实际意义。

4　结　论

(1)模型试验研究表明，在强降雨作用下，牵引式滑坡的变形破坏过程主要由以下3个阶段组成：变形启动阶段，主要表现为坡脚开裂破坏；变形加速阶段，主要表现为坡肩在重力牵引发生拉裂破坏；整体破坏阶段，主要表现为坡体内部裂缝完全贯通，边坡发生整体滑移。

(2)基于试验验证的变形破坏模式，分别以变形启动阶段、变形加速阶段的初始时刻即坡脚、坡肩表面裂缝贯通时刻的累计雨量E1(75mm)、E2(180mm)作为麦尖窝滑坡的降雨预警判据。当麦尖窝滑坡区一次持续累计雨量达到180mm时，进行滑坡红色预警；达到75mm时，进行滑坡橙色预警；在75mm以下时，滑坡处于安全状态。

(3)根据试验过程中降雨对麦尖窝滑坡各部位影响方式的不同，提出如下防护治理建议：坡顶防护应以防渗为主；坡面应以防冲刷侵蚀为主；坡脚为重点防护治理对象，日常应及时疏排积水，做好坡脚防渗，严禁开挖坡脚土体；同时对滑坡各关键部位的裂缝应当进行重点监控和治理，做好裂缝周边的防水工作并防止裂缝进一步扩展。

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(编辑：赵卫兵)

Model Test on Rainfall Warning Criteria of Retrogressive Landslide

PAN Yi-heng, LI Xue-ping, WU Li-qing, WANG Wei, TAN Fu-lin

(FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Indoorartificialrainfallsimulationtestwasconductedtoinvestigatethemechanismofretrogressivelandslide,andthecriteriaofrainfallwarningforthestudywereproposed.TheMaijianwolandslideinLingbaoCityofHenanProvincewastakenasacasestudy.Inthemodeltest,moisturesensors,trackingpointsanddigitalcameraswereadoptedtorecordvariationsinthemoistureofcrucialparts,thesurfacedeformationandcrackpropagation.Researchresultsshowedthattherainstormledtodestructionfromthebottomofslopetothetopgraduallyasaretrogressivemode.Theslopefailureprocesswasdividedintothreestagesasdeformationactivation,deformationaccelerationandintegraldestructioninaccordancewiththecriticaltimepointsbyanalyzingthedeformationcharacteristicsandmoisturemonitoringdataofcrucialparts.Accordingtotheabovefailuremode,thecumulativerainfallsE1(75mm)andE2(180mm)wererespectivelysetastheorangeandredwarningcriteriafortheMaijianwolandslidewhentherewerepenetratingcracksontheslopetoeandshoulder.

retrogressivelandslide;modeltest;cumulativerainfall;destructionregularity;warningcriteria

2015-07-06;

2015-10-09

潘以恒(1991-)，男，福建泉州人，硕士，主要从事岩土体稳定性及其应用方面的研究，(电话)15271896689(电子信箱)774977690@qq.com。

10.11988/ckyyb.20150576

2016,33(09):111-115

P642.2

A

1001-5485(2016)09-0111-05