林澤雨， 劉愛華， 張 巍， 何卓名， 周學(xué)民， 王甦宇

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 廣州 510642)

滑坡災(zāi)害作為當(dāng)今自然災(zāi)害中十分普遍的一類災(zāi)害，對人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全有著巨大的威脅。隨著人類工程的數(shù)量與規(guī)模的不斷增長，堆積體滑坡災(zāi)害在滑坡災(zāi)害中的比例不斷增大。事實(shí)上，無論是在鐵路和公路等的路橋建設(shè)中，在堆石壩和淤泥堤等的水利工程建設(shè)中，還是在城市渣土填埋場、礦山排土場等工程中，堆積體邊坡穩(wěn)定性的治理防護(hù)與研究工作都有著重要意義[1-7]。

影響堆積體穩(wěn)定性的因素主要有巖土材料的基本特征(如形狀、尺寸、粗糙度、不同堆積材料配比等)、堆積方式及含水率等。目前對堆積體穩(wěn)定性影響的研究主要有數(shù)值模擬和物理試驗(yàn)兩種方式。郭將等[8]用有限元與極限平衡分析的方法對馬達(dá)嶺滑坡數(shù)值模擬，得出了強(qiáng)降雨及長時(shí)間降雨都會(huì)使滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)降低，并得出了地震橫向力比豎向力對滑坡穩(wěn)定性的影響更大的結(jié)論；王浩等[7]用極限平衡法和數(shù)值分析法對某排土場的堆積體進(jìn)行了數(shù)值分析，得出了暴雨是破壞堆積體穩(wěn)定性的重要因素的結(jié)論，并驗(yàn)算得出加固治理后對堆積體穩(wěn)定性具有重要意義；劉興寧等[9]用顆粒離散元法建立了云南某水電站堆積體滑坡模型，該模型可預(yù)測堆積體滑坡情況；李俊業(yè)等[10]、李葉鑫等[11]、魏寶龍等[12]都用GEO-SLOPE軟件對堆積體進(jìn)行計(jì)算分析，分別得出了在非極端降雨條件下一定量的前期降雨量有利于增強(qiáng)其穩(wěn)定性，降雨土壤含水率隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大且雨強(qiáng)越大堆積體安全系數(shù)越低，暴雨對堆積體的致災(zāi)機(jī)理與滑坡機(jī)制；田海等[13]采用模型箱的方法，研究了降雨條件下四川綿竹市綿茂公路帶堆積體的變形滑坡情況，并驗(yàn)證了邊坡防護(hù)格柵對堆積體穩(wěn)定性的有利作用；趙建軍等[14]通過物理試驗(yàn)，研究了降雨強(qiáng)度在18 mm/h的條件下，雨水滲透及堆載對碎石土堆積體穩(wěn)定性的影響，研究表明孔隙水壓力在坡體失穩(wěn)過程中起著關(guān)鍵作用；馮文凱等[15]通過對歡喜坡冰水堆積體的現(xiàn)場試驗(yàn)，研究了降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)間對該堆積體穩(wěn)定性的影響，得出了降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)間的增大都會(huì)降低堆積體的穩(wěn)定性的結(jié)論。

總體來說，目前對堆積體穩(wěn)定性的研究依舊不足，研究多采用數(shù)值模擬的方式，堆積體穩(wěn)定性的物理試驗(yàn)研究相對較少，且研究材料較為單一，多針對某一特定堆積體，研究因素多為單一因素。研究組分具有特殊性，較難將研究成果廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中。

現(xiàn)從堆積體材料的組成出發(fā)，通過對比不同降雨強(qiáng)度條件下不同含土率、不同骨料比例的堆積體的穩(wěn)定性，探究堆積體組成對堆積體穩(wěn)定性的影響。研究成果可為天然堆積體或工程中的人工堆積體的穩(wěn)定性分析評價(jià)提供指導(dǎo)，對堆積體滑坡災(zāi)害的預(yù)防與治理工作具有重要意義。

1 試驗(yàn)儀器、設(shè)備工具、材料與試驗(yàn)原理、方法

1.1 試驗(yàn)儀器、設(shè)備工具、材料

試驗(yàn)的主要儀器、設(shè)備、工具有XHZ-JY102便攜式全自動(dòng)人工模擬降雨器、電子數(shù)顯傾角儀、直尺卷尺等。

XHZ-JY102便攜式全自動(dòng)人工模擬降雨器是專門為科研實(shí)驗(yàn)研制開發(fā)的一種噴射型人工模擬仿真降雨設(shè)備。設(shè)備的核心系統(tǒng)可分為三大部分。①降雨系統(tǒng)：主要由降雨噴頭、電磁閥等組成，主要功能是把供水系統(tǒng)供來的水源模擬成自然降水，噴落到地面；②控制系統(tǒng)：主要由控制部分和數(shù)據(jù)采集部分組成，主要功能是對供水系統(tǒng)和降雨系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制和對雨量計(jì)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、保存；③供水系統(tǒng)：主要由水泵和供水管路組成，主要功能是給降雨系統(tǒng)提供水源支持。該設(shè)備適用于室內(nèi)和室外需要人工模擬降雨并且控制降雨雨強(qiáng)和降雨時(shí)間的各種試驗(yàn)場合。降雨面積為1～20 m2，降雨高度為4 m。經(jīng)標(biāo)定后的降雨強(qiáng)度有15、20、30、40、60、70、80、90、100、110、120、140、160、180、200 mm/h。降雨均勻度大于0.75。雨滴大小調(diào)控范圍為0.3～6 mm。降雨測量誤差≤2%。降雨設(shè)備如圖1所示。

圖1 XHZ-JY102便攜式全自動(dòng)人工模擬降雨器Fig.1 XHZ-JY102 portable automatic artificial simulated rainfall device

電子數(shù)顯傾角儀用于測量坡度，測量范圍為±180°，測量精度為0.1°。

試驗(yàn)的主要材料有粒徑為20～40 mm的碎石、粒徑為30～55 mm的卵石、天然含水率為3%的南方紅土。

1.2 試驗(yàn)原理與試驗(yàn)方法

以自然堆積體為試驗(yàn)對象，通過模擬降雨的方式，得到不同條件下堆積體的滑動(dòng)情況，以此來判斷該條件下堆積體的穩(wěn)定性情況。

預(yù)選定3組不同骨料配比的堆積體材料進(jìn)行試驗(yàn)，其中兩組堆積體的臨界坡度相近，另外一組與這兩組堆積體的臨界坡度相差較大。經(jīng)試驗(yàn)測定：①鵝卵石∶碎石=8∶2、土石比為100%時(shí)自然堆積坡度(臨界坡度)為35°；②鵝卵石∶碎石=7∶3、土石比為100%時(shí)自然堆積坡度(臨界坡度)為35.6°；③鵝卵石∶碎石=2∶8、土石比為100%時(shí)自然堆積坡度(臨界坡度)為41.2°。故此3組骨料配比可滿足試驗(yàn)要求，選取此3組骨料配比作為試驗(yàn)組。

為滿足控制變量法的唯一變量規(guī)則，每組試驗(yàn)控制堆積坡度不變。為保證每組堆積體能正常堆積，且在受到降雨影響時(shí)能順利發(fā)生滑坡，控制每組試驗(yàn)的堆積坡度為35°。

試驗(yàn)步驟如下：①將碎石、卵石、紅土按比例配置好，混合均勻；②將混合好的材料堆積成小圓錐體，控制堆積坡度為35°；③測量堆積體的坡度、高度、直徑等參數(shù)，做好照片記錄；④采用人工模擬降雨器進(jìn)行人工降雨，記錄降雨過程中堆積體的變化情況及變化的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，做好照片記錄；⑤記錄降雨完成后堆積體的坡度、高度、直徑等參數(shù)，做好照片記錄；⑥將數(shù)據(jù)及照片進(jìn)行整理、對比及分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同土石比條件下的滑坡現(xiàn)象

保持堆積體土石總質(zhì)量為50 kg，堆積體骨料比例為鵝卵石∶碎石=8∶2，堆積坡度約為35°，降雨強(qiáng)度為60 mm/h，降雨時(shí)長為1 h，降雨量為60 mm的條件不變，探索土石比分別為40%、80%、100%、150%、200%時(shí)初始滑坡發(fā)生時(shí)間及滑坡規(guī)模等現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)獲得的最終滑坡規(guī)模如圖2所示。

表1 不同土石比條件下的滑坡現(xiàn)象Table 1 Landslide phenomenon under different soil-rock ratios

圖2 同等降雨條件下不同土石比對滑坡規(guī)模的影響Fig.2 Influence of different soil-rock ratios on landslide’s scale under the same raining conditions

由表1可得試驗(yàn)結(jié)果如下：①土石比為40%時(shí)滑坡現(xiàn)象不明顯(經(jīng)試驗(yàn)得小于40%時(shí)滑坡現(xiàn)象均不明顯)，降雨直接沖刷掉堆積體表面土壤，而對石頭組成的堆積體骨架無明顯作用，當(dāng)土石比大于80%以后，初始滑坡發(fā)生時(shí)間均在18 min左右；②隨著土石比的增大，滑坡規(guī)模也逐漸增大，滑坡現(xiàn)象逐漸明顯，沖刷效果逐漸加強(qiáng)。

因此，為既能達(dá)到較好的滑坡效果又能較好地區(qū)分滑坡規(guī)模，選取的土石比為100%時(shí)作為以下試驗(yàn)的堆積體土石比。

2.2 不同降雨強(qiáng)度條件下的滑坡現(xiàn)象

選擇3種骨料比例進(jìn)行不同降雨強(qiáng)度條件下的滑坡試驗(yàn)，骨料比例分別為：①鵝卵石∶碎石=8∶2，土石比為100%，經(jīng)測定自然堆積坡度(臨界坡度)為35°；②鵝卵石∶碎石=7∶3，土石比為100%，經(jīng)測定自然堆積坡度(臨界坡度)為35.6°；③鵝卵石∶碎石=2∶8，土石比為100%，經(jīng)測定自然堆積坡度(臨界坡度)為41.2°。

2.2.1 第1組骨料試驗(yàn)

保持土石總質(zhì)量為50 kg，堆積坡度約為35°，堆積體土石比為100%，堆積體骨料比例為鵝卵石∶碎石=8∶2，降雨量為60 mm的條件不變，探索降雨強(qiáng)度分別為60、100、160、200 mm/h時(shí)初始滑坡發(fā)生時(shí)間及滑坡規(guī)模等現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)獲得的最終滑坡規(guī)模如圖3所示。

圖3 不同降雨條件對滑坡規(guī)模的影響(鵝卵石∶碎石=8∶2)Fig.3 Influence of different raining conditions on landslide’s scale (cobblestone∶gravel=8∶2)

表2 不同雨強(qiáng)條件下的滑坡現(xiàn)象Table 2 Landslide phenomena under different rain intensity conditions

2.2.2 第2組骨料試驗(yàn)

保持土石總質(zhì)量為50 kg，堆積坡度約為35°，堆積體土石比為100%，堆積體骨料比例為鵝卵石∶碎石=7∶3，降雨量為60 mm的條件不變，探索降雨強(qiáng)度分別為60、100、160、200 mm/h時(shí)初始滑坡發(fā)生時(shí)間及滑坡規(guī)模等現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。試驗(yàn)獲得的最終滑坡規(guī)模如圖4所示。

表3 不同雨強(qiáng)條件下的滑坡現(xiàn)象Table 3 Landslide phenomena under different rain intensity conditions

圖4 不同降雨條件對滑坡規(guī)模的影響(鵝卵石∶碎石=7∶3)Fig.4 Influence of different raining conditions on landslide’s scale (cobblestone∶gravel=7∶3)

2.2.3 第3組骨料試驗(yàn)

保持土石總質(zhì)量為50 kg，堆積坡度約為35°，堆積體土石比為100%，堆積體骨料比例為鵝卵石∶碎石=2∶8，降雨量為60 mm的條件不變，探索降雨強(qiáng)度分別為60、100、160、200 mm/h時(shí)初始滑坡發(fā)生時(shí)間及滑坡規(guī)模等現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。試驗(yàn)獲得的最終滑坡規(guī)模如圖5所示。

表4 不同雨強(qiáng)條件下的滑坡現(xiàn)象Table 4 Landslide phenomena under different rain intensity conditions

圖5 不同降雨條件對滑坡規(guī)模的影響(鵝卵石∶碎石=2∶8)Fig.5 Influence of different raining conditions on landslide’s scale (cobblestone∶gravel=2∶8)

2.2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

由2.2.1、2.2.2、2.2.3節(jié)試驗(yàn)結(jié)果可得：①隨著降雨強(qiáng)度增大，初始滑坡發(fā)生時(shí)間逐漸變短，其中，雨強(qiáng)由100 mm/h增大到160 mm/h時(shí)初始滑坡發(fā)生時(shí)間發(fā)生急劇增加現(xiàn)象；②隨著降雨強(qiáng)度增大，堆積體的滑坡嚴(yán)重程度逐漸增大，在雨強(qiáng)從 100 mm/h 增大到160 mm/h時(shí)滑坡規(guī)模陡然增大，160 mm/h以上的雨強(qiáng)對堆積體的破壞程度十分嚴(yán)重。

2.3 不同骨料條件下的滑坡現(xiàn)象

分析堆積體的不同骨料對穩(wěn)定性的影響，分別對降雨強(qiáng)度為60、100、160、200 mm/h下3種骨料的堆積體進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.3.1 降雨強(qiáng)度為60 mm/h

保持土石總質(zhì)量為50 kg，堆積坡度約為35°，堆積體土石比為100%，堆積體骨料比例為鵝卵石∶碎石=8∶2、鵝卵石∶碎石=7∶3、鵝卵石∶碎石=2∶8，降雨量為60 mm的條件不變，探索降雨強(qiáng)度為 60 mm/h 時(shí)初始滑坡發(fā)生時(shí)間及滑坡規(guī)模等現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。試驗(yàn)獲得的最終滑坡規(guī)模如圖6所示。

表5 不同骨料的堆積體滑坡現(xiàn)象Table 5 Landslide phenomenon of accumulation bodies with different aggregates

圖6 不同骨料組成對滑坡規(guī)模的影響(雨強(qiáng)：60 mm/h)Fig.6 Influence of different aggregate compositions on landslide’s scale (rainfall intensity: 60 mm/h)

2.3.2 降雨強(qiáng)度為100 mm/h

保持土石總質(zhì)量為50 kg，堆積坡度約為35°，堆積體土石比為100%，堆積體骨料比例為鵝卵石∶碎石=8∶2、鵝卵石∶碎石=7∶3、鵝卵石∶碎石=2∶8，降雨量為600 mm的條件不變，探索降雨強(qiáng)度為 100 mm/h 時(shí)初始滑坡發(fā)生時(shí)間及滑坡規(guī)模等現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。試驗(yàn)獲得的最終滑坡規(guī)模如圖7所示。

表6 不同骨料的堆積體滑坡現(xiàn)象Table 6 Landslide phenomenon of accumulation bodies with different aggregates

圖7 不同骨料組成對滑坡規(guī)模的影響(雨強(qiáng)：100 mm/h)Fig.7 Influence of different aggregate compositions on landslide’s scale (rainfall intensity: 100 mm/h)

2.3.3 降雨強(qiáng)度為160 mm/h

保持土石總質(zhì)量為50 kg，堆積坡度約為35°，堆積體土石比為100%，堆積體骨料比例為鵝卵石∶碎石=8∶2、鵝卵石∶碎石=7∶3、鵝卵石∶碎石=2∶8，降雨量為60 mm的條件不變，探索降雨強(qiáng)度為 160 mm/h 時(shí)初始滑坡發(fā)生時(shí)間及滑坡規(guī)模等現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。試驗(yàn)獲得的最終滑坡規(guī)模如圖8所示。

表7 不同骨料的堆積體滑坡現(xiàn)象Table 7 Landslide phenomenon of accumulation bodies with different aggregates

圖8 不同骨料組成對滑坡規(guī)模的影響(雨強(qiáng)：160 mm/h)Fig.8 Influence of different aggregate compositions on landslide’s scale (rainfall intensity: 160 mm/h)

2.3.4 降雨強(qiáng)度為200 mm/h

保持土石總質(zhì)量為50 kg，堆積坡度約為35°，堆積體土石比為100%，堆積體骨料比例為鵝卵石∶碎石=8∶2、鵝卵石∶碎石=7∶3、鵝卵石∶碎石=2∶8，降雨量為60 mm的條件不變，探索降雨強(qiáng)度為 200 mm/h 時(shí)初始滑坡發(fā)生時(shí)間及滑坡規(guī)模等現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。試驗(yàn)獲得的最終滑坡規(guī)模如圖9所示。

表8 不同骨料的堆積體滑坡現(xiàn)象Table 8 Landslide phenomenon of accumulation bodies with different aggregates

圖9 不同骨料組成對滑坡規(guī)模的影響(雨強(qiáng)：200 mm/h)Fig.9 Influence of different aggregate compositions on landslide’s scale (rainfall intensity: 200 mm/h)

2.3.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

由2.2.1、2.2.2、2.2.3節(jié)試驗(yàn)結(jié)果可得：①臨界坡度大的堆積體，初始滑坡發(fā)生時(shí)間越長，如圖10所示；②臨界坡度大的堆積體，滑坡規(guī)模相對更為嚴(yán)重，當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到200 mm/h時(shí)，雖然3組堆積體滑坡高度變化有所差異，但3組堆積體破壞程度都相當(dāng)嚴(yán)重；③臨界坡度相近的堆積體，初始滑坡發(fā)生時(shí)間和最終滑坡規(guī)模也相近。

圖10 不同臨界坡度堆積體滑坡時(shí)間對比Fig.10 Comparison of landslide time of accumulation bodies with different critical slopes

3 結(jié)論

(1)巖石骨料和泥土混合的堆積體中，不同含土率的堆積體發(fā)生滑坡的時(shí)間差異較小，但隨著含土率的增大，滑坡的破壞程度不斷增大。因泥土受雨水沖刷作用嚴(yán)重，使含土率大的堆積體的穩(wěn)定性相比含土率小的堆積體較差。

(2)降雨量一定的情況下隨著降雨強(qiáng)度的增大，降雨對堆積體的破壞作用也越來越明顯，主要表現(xiàn)在滑落巖土的體積越來越大，泥土沖刷越來越嚴(yán)重。較大的雨強(qiáng)能在短時(shí)間內(nèi)對堆積體造成巨大的破壞。

(3)臨界坡度越大的堆積體其穩(wěn)定性越好，其較好的穩(wěn)定性表現(xiàn)在發(fā)生滑坡所需的時(shí)間越長，且最終的滑坡規(guī)模越小，臨界坡度相近的堆積體滑坡發(fā)生情況也相近。但隨雨強(qiáng)的增大，不同臨界坡度堆積體的最終滑坡規(guī)模都表現(xiàn)為十分嚴(yán)重。

(4)在工程實(shí)際中，應(yīng)著重監(jiān)測含土率較大、臨界坡度較小的堆積體，且降雨量一定的情況下，短時(shí)強(qiáng)降雨對堆積坡體的破壞十分嚴(yán)重。