1、地球科学与环境工程河南科技Henan Science and Technology总第800期第6期2023年3月降雨过程中堆积体边坡瞬态稳定性分析刘晓广王晶莹（华北水利水电大学地球科学与工程学院，河南郑州450046）摘要：【目的目的】以豫西渑池县槐扒滑坡为地质原型，探究降雨条件下堆积体边坡变形破坏启动机制。【方法方法】基于前人研究建立概化堆积体边坡的地质模型和数值试验模型。【结果结果】降雨作用下，坡脚首先发生破坏，随后牵引斜坡发生整体变形破坏。边坡灾变过程可描述为 3 个阶段：雨水入渗堆积体边坡浸润变形阶段；堆积体边坡裂缝发展阶段；滑坡发生阶段。【结论结论】其变形破坏过程可以概括为：坡脚变
2、形破坏中后部变形发展裂缝发育贯通滑坡发生。关键词：堆积体；降雨；模型试验；灾变过程中图分类号：TU434文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）06-0117-06DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.06.023Transient Stability Analysis of Accumulation Slope During RainfallLIU Xiaoguang WANG Jingying（College of Earth Science and Engineering,North China University of Water Re
3、sources and Electric Power，Zhengzhou 450046,China）Abstract:Purposes Taking Huaiba landslide in Mianchi County,West Henan Province as a geologicalprototype,the initiation mechanism of slope deformation and failure of accumulation body under the condition of rainfall was investigated.Methods The geolo
4、gical model and numerical test model of generalized accumulation slope were established based on previous studies.Findings Under the action of rainfall,the slope foot first failed and then the traction slope deformed and failed as a whole.The process ofslope disaster can be described as three stages
5、:rainwater infiltrationaccumulation body slope infiltration deformation stage;Development stage of slope crack of accumulation body;stage of landslide occurrence.Conclusions The deformation and failure process can be summarized as follows:slopetoe deformation and failuremiddle and rear deformation d
6、evelopmentfracture developmentlandslide occurrence.Keywords:accumulation body;rainfall;model test;cataclysmic process0引言在我国滑坡灾害中，堆积体滑坡占据 85%以上1。堆积体滑坡具有分布范围广、爆发频率高、持续危害大的特点。降雨是触发堆积体滑坡主要因素，深入研究降雨条件下堆积体滑坡的失稳规律，对滑坡灾害预防预报具有重要意义。堆积层边坡具有大孔隙、透水性强、易变形的特点，降雨及地下水是其发生失稳破坏的主要诱因2-3。与现场测试相比室内模型试验监测更全面，能再现灾害发生过程4。左
7、自波5利用不同级配、坡度、降雨工况下堆积体边坡体积含水量、孔隙水压力、位移、颗粒运移情况，总结了堆积体边坡破坏模式，但未考虑基岩对堆积层的影响。胡航6利用模收稿日期：2022-11-02作者简介：刘晓广（1995），男，硕士生，研究方向：地质工程、边坡工程。118第6期型试验与数值模拟相结合的方法，建立不同坡角在不同降雨工况下的堆积体边坡模型，得出滑坡破坏主要有冲蚀滑移、浅层滑塌、多级后退三种模式，但未考虑土的强度与颗粒级配。张玉等7、杨继红等8学者研究了降雨和水位升降工况下，将非饱和土渗流理论和强度理论引入到边坡的渗流和稳定性分析中，得到了边坡的瞬态稳定性。刘汉东等9将豫西滑坡划分为顺层直剪
8、、跨层斜切、挡墙式。耿正10通过室内降雨模型试验研究得到了前缘反倾类型锁骨段滑坡破坏过程，将边坡失稳划分为：稳定阶段、蠕滑阶段、加速滑动阶段、破坏后稳定阶段，但降雨强度较大，边坡破坏表现为雨水的冲蚀破坏。有关降雨条件下堆积层滑坡的启动机制研究还比较少，建立定量的分析模型研究降雨引发的滑坡失稳规律，对滑坡的滑动机制进行分析，可为此类滑坡的防范和治理提供理论依据。基于前人的研究成果，本研究将数值模拟与模型试验结合，运用非饱和土渗流理论对堆积体边坡降雨过程中的渗流场进行模拟，并把瞬态的孔隙水压力分布和非饱和土强度理论应用到边坡稳定性分析中。1堆积体边坡室内模型试验1.1地形地貌豫西渑池县槐扒滑坡如图
9、1所示，该滑波主要是由持续的强降雨和人类活动的影响引起的古滑坡复活。滑坡呈东南高、西北低的地形，滑坡形态呈典型的圈椅状构造。主滑动方向为324滑坡后缘位于山体北侧临近顶部的山腰处，高程约为390426 m，存在明显的张拉裂缝，形成 1520 m 的土坎。滑坡长约为495 m，滑体宽约为526 m，平均厚度约为20 m。滑坡前缘宽度约为280 m，滑坡面积约为20万m2，属于大中型岩土质滑坡。坡脚为铝土矿的开挖区，矿区开采破坏了原有的稳定结构。该事件作为模型试验的参考：基岩与堆积体接触面呈30保持不变，这与该地区多数降雨滑坡平均坡度保持一致。1.2试验设计降雨模型试验装置及试验设备如图2所示。主
10、要是由模型箱和降雨控制系统组成，模型的长、宽、高分别为1.73 m、1.00 m、1.00 m。该滑坡模型由上覆堆积层和基岩组成，不考虑基岩的滑动变形。基岩为顺倾层状结构边坡模型，由加气砖砌筑而成，基覆界面用水泥砂浆抹面，堆积体边坡模型在模型箱内分层填土构成，并用击实器击实，降雨强度为30 mm/连续降雨3 h（当地发出红色预警时的降雨量）。利用孔隙水压力计和三维激光扫描仪获取各项试验数据。孔隙水压力计为DMKY型，量程为010kPa、规格为15.8 mm21 mm、分辨率为0.01 kPa；三维激光扫描仪能准确地获取扫描对象的位置信息，水平方向可以扫描360，竖直方向可以扫描270，扫描精度
11、为1 mm。整个试验过程中采用定时拍照来获取滑坡表面裂缝形成及演化过程，搭建的模型及孔隙压力测试位置，如图3所示。模型试验材料堆积层取自河南省槐扒滑坡附近斜坡的滑带土，主要成分为粉土。级配曲线如图4所示。通过直剪实验和渗透实验获得了物理力学参数，见表1。试验用土经过晾晒、筛分、搅拌和称量，均匀的分层压实在模型箱内，使模型边坡达到实验设计厚度。试验控制其重度为17 N/cm3与天然状态容重一致。2试验2.1坡面变化模型试验总耗时140 min，滑坡的发展过程如图图1槐扒滑坡地貌图降雨喷头雨量计孔隙水压力传感器三维激光扫描仪图2试验监测设备刘晓广，等.降雨过程中堆积体边坡瞬态稳定性分析西坡沟槐扒滑
12、坡开挖区渡槽黄河输水管线第6期1195所示。随着降雨持续堆积体颜色逐渐加深，25 min左右雨水到达基岩面，降雨38 min时观察到模型右侧出现裂缝约15 cm。降雨46 min时，坡中出现水平方向裂缝，长约35 cm、宽约12 cm，裂缝距后缘75 cm；降雨92 min时坡脚出现拉裂缝，坡脚拉裂缝距后缘1 m，坡脚沿着靠近下部的裂缝发生第一次滑动；降雨99 min时坡中拉裂缝扩大至8 cm，随后坡体沿着中间的拉裂缝发生第二次滑动，同时后缘55 cm处出现第三条拉裂缝；降雨112 min时，后缘拉裂缝不断增多，仅2 min堆积体边坡整体破坏。滑坡经历了缓慢生长、加速生长、快速破坏三个阶段。试
13、验中坡脚最先出现拉裂缝发生破坏，裂缝逐渐向上生长变多，边坡裂缝持续变大最终边坡坍塌破坏。堆积在坡脚与水平向的裂缝形成台阶状坡面，其破坏方式为牵引式滑动破坏，如图 6所示。图3搭建完整的模型及孔隙水压力计测试位置图4试验用土及颗粒级配图曲线材料滑带土干密度/（g/cm3）1.52容重/（N/cm3）17黏聚力/（c/kN）5.26内摩擦角/（）9.03渗透系数/（cm/s）3.510-5表1模型材料物理力学参数图5坡面变化图6拉裂缝和拉裂缝产生的台阶状坡面刘晓广，等.降雨过程中堆积体边坡瞬态稳定性分析1008060402001010.10.01粒径/mm小于某粒径的土粒含量/%t=0 mint=
14、38 mint=46 mint=92 mint=99 mint=112 min120第6期2.2坡面位移响应运用三维激光扫描仪监测水平和竖向位移变化，如图7所示。降雨60 min坡面两侧发生14 cm竖直方向的沉降；持续降雨至 90 min 时，坡脚首先变形在竖直方向上出现 45 cm 的沉降。随后99 min时坡中沉降约10 cm，坡顶出现46 cm沉降变形。随着降雨的持续坡中和坡脚分别出现超过10 cm的沉降和隆起，坡脚破坏导致坡中拉裂缝扩大，后缘边坡失去支撑向下蠕动；112 min后缘边坡整体沉降约15 cm，堆积体边坡最大沉降量为20 cm。位移云图可知裂缝由坡脚裂缝向上持续生长呈多级
15、后退现象，边坡失去支撑最终整体破坏。位移特征点随时间变化情况，如图8所示。降雨初期，仅有坡脚发生了14 cm竖向位移变化，坡脚最先饱和基质吸力减小较快11，阻滑力变小坡脚隆起。裂缝发展阶段：雨水的冲蚀作用带走了边坡中的细颗粒坡脚最先破坏，坡脚竖向位移出现先下降再上升的现象。坡顶的向下蠕动和坡脚破坏导致坡中竖向位移先上升随后中随之下降。降雨46 min坡中开始产生的水平向裂缝，随着裂缝生长，坡中水平位移逐渐增大。滑坡发生阶段：降雨前90 min内各部分位移变化较小，此后位移变化呈线性增长，在此期间裂缝不断发展边坡整体发生破坏。2.3孔隙水压力变化过程孔隙水压力变化过程，如图9所示.降雨浸润阶段：
16、堆积体缓慢沉降密实但孔隙水压力变化不大。裂缝发展阶段：裂缝增多雨水入渗加快，堆积体内部形成滞水层，孔隙水压力持续升高，但由于雨水的冲蚀带走了坡内细粒结构并形成了新的渗流通道，因此坡脚孔隙水压力表现为先上升后下降。滑坡发生阶段：110 min时坡脚发生第二次滑动堆积体内部孔隙水释放引起压力变小。后缘边坡下滑在坡中堆积，坡中孔隙水压力表现为一直增大。坡顶孔隙水压力在整体破坏前与坡脚孔隙水压力基本一致，滑坡发生后传感器随堆积体一起向下滑动形成新的滞水层，导致孔隙水压力再次升高。3数值模拟3.1边界条件及初始条件在堆积体边坡试验基础上，建立非饱和渗流数值模型分析降雨过程中随着雨水入渗堆积体边坡的动态响应规律，如瞬态的浸润线、孔隙水压力等t=10 mint=30 mint=60 mint=90 mint=99 mint=112 min图7坡体竖向变形云图（单位：m）图8试验标记点竖向位移和水平位移20100-1020020406080100120140时间/min竖向位移/cm降雨浸润裂缝发展滑坡发生坡顶位移坡 中 位 移坡脚位移立玉位移/cm25201510500204060801001201
