径流-渗流耦合作用下降雨型滑坡稳定性分析研究

摘要

降雨作用于斜坡时，通常雨水的运动既包括坡体的入渗还包括坡面径流的产生。研究表明忽视径流和考虑径流的入渗速率存在一定的差异。然而已有的研究较少考虑坡面径流的影响，而考虑地表径流以及坡体入渗相互影响的研究较多见于水土保持领域，很少与滑坡的稳定性分析结合起来；研究坡面径流的模型试验不能较好反映实际情况，研究的对象往往侧重于单一的入渗-径流特征或应力-位移响应，对于不同物理量的关联分析有所欠缺；除此之外，考虑坡面径流对于滑坡稳定性影响的相关工程应用尚不多见。有鉴于此，本文依托重庆市留学人员创业创新支持计划项目（CX2017125）项目，针对斜坡在降雨入渗过程中出现的坡面径流问题，以重庆云阳县蔡家坝滑坡为工程实例依托对象，采用室内大型模型试验、理论分析、数值模拟、室内非饱和土体水力特性试验等手段，结合坡面径流运动波理论、地下水渗流理论、非饱和土力学等理论，对降雨作用下坡面径流与地下水渗流耦合作用下的坡面径流特征、入渗特征、坡体渗流场以及应力场变化特征，以及坡面径流与地下水渗流耦合模型在滑坡实例的应用等进行了较为系统的研究，取得的主要研究成果如下： ①基于卫星遥感数据、高清无人机航拍资料、历史记录资料、现场调查资料等多源数据资料从多层次、多尺度明确蔡家坝滑坡范围、特征以及赋存环境，综合采用以钻探为主，辅以槽探、井探、物探的方式，探明了滑坡区域的地层特性、滑带特性。现场调查表明蔡家坝滑坡为特大型多级顺层滑坡，坡面地形地貌比较简单，有利的地形条件是坡面径流运动的基础。目前存在土质滑动和岩质滑动问题，滑坡土质滑动和浅中层岩质滑动特征比较显著。 ②以蔡家坝滑坡为依托，开展了降雨入渗边坡室内模型试验，通过能精确控制雨量参数的人工降雨系统和自行设计的径流-入渗测量装置、数字散斑相关方法以及相关的应力测量传感器，研究降雨入渗过程中坡面径流、坡体含水率、孔隙水压力、土压力、基质吸力、产流产沙、坡体位移等物理量的变化特征，并重点探讨了入渗-径流过程与不同物理量之间的相互关系。模型试验结果表明，径流出流和入渗出流具有一定的关联性，在径流和入渗到达一定的平稳阶段后，仅仅增加降雨强度对坡体入渗的影响非常微弱；坡面径流侵蚀和渗流侵蚀具有明显的相关性，坡体在侵蚀达到某一稳定状态时，增加降雨强度对坡体渗流侵蚀的加剧没有明显的影响；孔隙水压力的变化趋势与入渗-径流的现象存在一定的关联，当坡体入渗率趋于稳定时，孔隙水压力的数值变化也达到一个稳定的值，相应的基质吸力的变化与坡面径流也有一定的关系；斜坡不同位置的土压力计在降雨初始阶段具有不同的响应，不同位置的土压力具有不同的响应；当增加降雨强度时，坡面径流增大，不断增大的坡面径流持续冲刷坡面形成了许多冲沟和裂隙，在径流和入渗的耦合作用下水平位移的响应更明显，在径流和入渗的耦合作用下，接近坡脚部位出现了更为明显的位移变化。 ③采用一维地表径流运动波方程与二维地下水渗流Richards方程，基于数值仿真软件Flac2D的TP Flow模块和自编Fish程序提出了一种坡面径流和地下水渗流耦合分析较新的方法，探讨降雨作用下边坡的入渗规律及径流特性，之后结合非饱和土Bishop有效应力及极限平衡理论研究降雨作用下滑坡的稳定性，最后将基于坡面径流和坡体入渗耦合模型的滑坡稳定性分析理论应用于已有案例。由案例可知坡面径流对斜坡的入渗有不可忽视的影响，耦合坡面径流与地下水渗流的分析对于坡体渗流场的变化有相对更合理的评价；在坡面径流、降雨、以及坡体内部湿润锋的推进的共同作用下，近坡脚部位较之坡体上部有更为明显的力学响应；坡体表面的水平位移最大，随着深度的增加，水平位移有不断减小趋势。 ④基于瞬态脱湿与吸湿试验装置，通过对蔡家坝滑坡现场取得的土样开展非饱和土的水力特性试验，通过Richards方程对试验路径进行数值模拟，采用van Genuchten土水特征曲线模型及Mualem水力传导函数模型对土体试样的水力作用相关参数进行反演计算，试验数据通过HYDRUS-1D软件对试验数据进行拟合，最终得出2组土样土水特征曲线、渗水渗透函数曲线以及水力特性参数，为坡面径流-入渗模型应用于滑坡工程实例时的相关计算参数的选取提供依据。 ⑤根据滑坡区域的实际降雨数据、滑坡现场以及室内试验获取的岩土体物理力学参数以及TRIM试验得到的水力特性参数，基于已构建的径流-入渗耦合分析模型对选取的蔡家坝滑坡典型剖面进行数值建模分析。数值计算结果表明坡面径流对孔隙水压力以及坡体饱和度的分布影响显著，考虑坡面径流的湿润锋入渗深度更深。较大雨强作用下径流出现较早，反之较小雨强作用下坡面径流出现的时间较晚，降雨入渗的量较多。考虑坡面径流的坡体位移相对较大。在小雨强作用下坡体水平位移具有更明显的响应。通过与蔡家坝滑坡位移监测点实测位移进行对比分析可知，当考虑坡面径流的影响时监测结果与数值计算结果比较吻合。 ⑥工程实例计算还表明考虑坡面径流时的坡体安全系数与不考虑坡面径流时的安全系数具有较大的不同，当考虑坡面径流的影响时，安全系数与实际相符。在坡脚部位、坡肩以及土层底部靠近基岩部位，安全系数普遍较小，存在一定局部失稳的可能。较小雨强作用下相比较大雨强有更小的安全系数，出现最小安全系数的部位为坡脚处。此外，在土层与岩层接触部位，小雨强作用下的安全系数基本为1，表明其处于临界失稳状态。通过与滑坡堆积层底部（近岩土界面位置）滑带的现场调查对比验证了数值计算的结果合理性。

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