土石混合体边坡人工降雨模拟试验研究

傅鹤林的获奖殊荣~

1、 块石砂浆胶结充填技术研究，1994年获中国有色金属工业总公司科技进步一等奖2、 JFG3基床翻浆冒泥病害整治固化剂及配套施工工艺，2004年获广铁集团科技进步三等奖3、 利用分形理论分析节理裂隙岩体的特征2002年获湖南省自然科学二等优秀论文奖4、 岩石地基承载力标准值的确定，1998年获湖南省自然科学三等优秀论文奖5、块裂岩质边坡稳定性分析理论及工程应用研究，2002年获中南大学优秀博士学位论文6、1996年被评为中国有色金属工业总公司跨世纪学科和技术带头人7、长沙市蔡家冲路K1+580~640段滑坡勘察，2007获中国化工学会科技进步二等奖8、永州市坦塘垃圾填埋处理场岩土工程勘察2008获中国化工学会科技进步二等奖9、板裂介质理论及其在边坡稳定性分析中应用2008年获湖南省自然科学二等优秀论文奖，排名第一10、滑坡预测预报集成软件V1.0 2008年获国家版权局软件著作权，排名第一11、西部地区公路地质灾害监测预报软件V1.02008年获国家版权局软件著作权12、西部地区公路地质灾害监测预报技术研究2009年获中国公路学会科技进步一等奖13、高速公路崩塌滑坡地质灾害预测与控制技术，2010年获湖南省科技进步二等奖14、浅埋暗挖水下隧道关键技术研究，2010年获中国铁路工程总公司科技进步一等奖15、浅埋暗挖水下隧道关键技术，2011年获中国施工企业管理协会科技进步一等奖16、山地城市中心地区轨道交通地下工程安全建设关键技术，2011年获中建总公司科技进步三等奖18、浅埋暗挖水下软岩双洞隧道修建技术，2012年获湖南省科技进步三等奖19、V型河谷复杂环境条件下公路工程项目线路优化及建造关键技术，2012年获中建总公司科技进步二等奖，排名第二20、郑州地铁中心商业区车站及盾构区间隧道施工技术研究，2013年获洛阳市科技进步二等奖已公开发表的文章（共计140多篇，51篇被EI,ISTP收录，9篇被SCI收录）1、傅鹤林 块石胶结充填体稳定性研究 《矿业研究与开发》94年2期，被EI收录2、 傅鹤林用节理概率模型对块体理论的修正 《矿业研究与开发》96年4期，被EI收录3、 傅鹤林. 桑玉发. 用突变理论预测地下采场冲击地压发生的可能性《金属矿山》96年1期4、傅鹤林，李亮李磊膨胀土结构的分形特征研究《长沙铁道学院学报》2000年1期, 被 EI收录5、李亮，傅鹤林. 岩体节理裂隙特征的分形研究《铁道学报》2000年2期 EI 收录6、朱汉华 傅鹤林公路连体隧道设计与施工实践研究 《中国铁道科学》2003年5期,被 EI收录7、傅鹤林，韩汝才，朱汉华 破碎围岩中单拱隧道荷载计算的理论解研究 《中南大学学报》2004年2期,被 EI收录8、傅鹤林，周宁板裂介质理论及其在边坡稳定性分析中应用 《中南大学学报》2005年6期,被 EI收录9、周中，傅鹤林堆积层边坡开挖致滑的原位监测试验研究.《岩石力学与工程学报》 2006年第11期.，被 EI收录10、周中，傅鹤林土石混合体渗透性能的正交试验研究《岩土工程学报》2007年第3期.，,被 EI收录11、周中，傅鹤林土石混合体渗透性能的试验研究《湖南大学学报》2006年第6期，被 EI收录12、周中，傅鹤林堆积层边坡人工降雨致滑的原位监测试验研究《中国铁道科学》2006年第4期，被 EI收录13、董辉 , 傅鹤林 , 冷伍明一种用于机载系统定位的坐标转换方法 《系统仿真学报》2006年7期，被 EI收录14、董辉, 傅鹤林 , 冷伍明滑坡变形的支持向量机非线性组合预测《铁道学报》2007年1期被 EI收录15、周宁 傅鹤林引入修正因子的非等时距时变参数灰色预测模型及应用《岩土工程学报》，2006年6期，被 EI收录16、吕建兵，傅鹤林利用模糊综合评判方法选择岩溶软基处理方法，《岩土力学》，2005年5期，被 EI收录17、傅鹤林块裂岩质边坡稳定性分析理论及其在工程中的应用 2002年获中南大学优秀博士学位论文18、周利金，傅鹤林，万剑平 喷粉桩在软土地基处理中的应用《湖南交通科技》2006年3期19、傅鹤林，周昌达用块体理论分析洞室稳定性 《长沙矿山研究院季刊》 1991年4期20、傅鹤林，桑玉发采场冒顶的声发射预测预报《岩石力学与工程学报》1996年4期21、傅鹤林，李亮，刘宝琛. 降雨量的预测预报《中国铁道科学》2002年4期22、傅鹤林，范臻辉，刘宝琛利用神经网络对膨胀土分类《中国铁道科学》2002年5期23、傅鹤林，范臻辉，朱汉华.板裂介质围岩中的隧道衬砌与围岩相互作用机理研究公路交通科技 2003（5）24、傅鹤林，刘宝琛路基基床翻浆冒泥病害整治的固化材料的室内试验研究第九届全国土力学会议文集 清华大学出版社 2003年10月25、傅鹤林，卜翠松龙万学贵州地质灾害特点 《湘南学院学报》 2005年5期26、董辉，傅鹤林，刘金松大跨度地下通廊顶进设计《施工技术》，2005年6期，27、傅鹤林计算机技术在土力学与基础工教学中的应用探讨高等建筑教育 2002年1期28、张卫国，傅鹤林某膨胀土路堑滑坡加固设计的探讨 《交通科技》 2005年2期，排第229、朱汉华，傅鹤林不同隧道端面几何参数情况下设计荷载的确定《湘南学院学报》 2004年5 期30、周中，傅鹤林堆积层滑坡野外模拟试验方案设计 《公路》2006年1期，31、吕建兵，傅鹤林深埋隧道衬砌荷载计算的理论解探讨《西部探矿》2004年2期，32、郭建峰傅鹤林平溪特大桥滑坡成因分析 《隧道建设》，2005年1期，33、周中，傅鹤林堆积层边坡人工降雨模拟试验研究《岩土力学》2007年第2期.，被 EI收录34、周中，傅鹤林植草滑坡加固机理的数理统计研究《路基工程》 2006年第7期，.35、周中，傅鹤林堆积层滑坡现场模拟试验方案设计《公路》2006年第1期： 74~80，被 EI收录36、傅鹤林，周中堆积层边坡现场开挖试验研究. 《铁道学报》2006年第4期.37、韩汝才，傅鹤林. 国内外崩滑、泥石流监测整治技术现状综述《西部探矿工程》2004年9期，38、彭思甜，傅鹤林周中改善膨胀土性能的固化剂试验研究《西部探矿工程》2004年6期，39、李雷，傅鹤林志溪河大桥桥台整改后的力学分析及评价《隧道建设》2004年1期40、吕建兵，傅鹤林复杂填充性岩溶软基加固的设计与施工 《采矿技术》2005年2期，41、刘金松，傅鹤林利用模糊综合评判法优选深基坑支护方案《采矿技术》2005年2期，42、郭建峰,傅鹤林 块体理论在潜在崩塌体稳定性分析中的应用《中国地质灾害与防治学报》2006年 17卷 3期起止页码：14-1743、王雄鹰,傅鹤林华能岳阳电厂二灰坝滑坡机理及加固技术《企业技术开发》 2007年5期：69-7344、傅鹤林，陈芬湖南地质灾害的特点及对防灾减灾的警示，湘南学院学报，2007年2期45、刘金松，傅鹤林 复杂地质条件下盾构隧道掘进方向控制技术 第三届全国公路科技创新论坛2007年5月31日46、朱汉华，傅鹤林连拱隧道设计施工研究与实践 隧道高层论坛论文集 2002年6月47、Dong Hui, FU Helin On Hyper-Parameter Selection of Support Vector Machines for Slope Deformation Time Series Regression and Prediction, 10 international Symposium on Landslides and Engineering Slope 2007 Changsha, ，被 ISTP收录48、董辉，傅鹤林 boosting 集成支持向量回归机的滑坡位移预测，《湖南大学学报》，2007年，34（9）：6-10, ，被 EI收录49、傅鹤林李园园岩溶地基的国内外现状综述《采矿技术》2007年4期50、TIANQingyan Fu Helin Experimental Study of the Light Dynamic Penetration Method to Test Shallow Fill of Coarse-sand in Subsoil EngineeringFirst International Symposium on Geotechnical Safety & Risk, October 18-19, 2007, Shanghai, China，被 ISTP收录51、Fu Helin He Xianfeng Luo Qiang FORECASTING OF ROCKFALL IN K2403+500 OF G320 Proceedings of the 2nd International Conference on Geotechnical Engineering for Disaster Mitigation & Rehabilitation (GEDMAR08) ，被 EI，SCI收录52、董辉，傅鹤林 滑坡位移时序预测的核函数构造《岩土力学》2008年1期，EI 收录53、董辉，傅鹤林 基于Takens 理论的支持向量机滑坡位移预测《中国公路学报》，2007，20（5）：13-18 ，被 EI收录54、罗建强傅鹤林边坡崩塌的预测预报技术研究《采矿技术》2007年4期，55、祝志恒傅鹤林蒲浩等构建Delaunry三角网的一种新型生长法—壳外插入法《铁道科学与工程学报》，2007年6期：67~7256、郭明香傅鹤林沈弘 隧道施工风险的动动态评价《采矿技术》2008年4期“105~10757、傅鹤林，尹光明.既有线200km/h提速客货共线直线段轨道动力特性，《防灾工程学报》，2009（3）58、李昌友傅鹤林. 风化板岩水理特性研究铁道科学与工程学报 2009年1期59、傅鹤林李昌友. 堆积体的人工开挖致滑试验研究. 《中南大学学报》 2009年3期，EI 收录60、 Guo Lei， Fu Helin Slope Stability Appraisement Base on Fuzzy-Neural Network 《2009年第三届国际岩土工程防灾减灾学术研讨会》，261-26661、Guo Lei , Fu Helin. 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油新华1 何刚1 李晓2
（1.北京城建集团地铁工程指挥部 北京 100025
2.中国科学院地质与地球物理研究所 北京 100029）
摘要 在对三峡库区蓄水边坡进行工程地质调查的基础上，正式提出了土石混合体的概念，并据此进行天然地质体的统一工程分类，将地质体分成了岩体、土石混合体、土体三大类。详细介绍了土石混合体分类的方法、指标的确定、优缺点以及与其他方法的比较，最后给出了两个工程实例。
关键词 土石混合体 工程分类
1 土石混合体概念的提出
在对三峡库区白衣庵滑坡的工程地质调查以及对三峡其他滑坡［1～2］进行资料收集的过程中，遇到了大量由滑坡、崩塌、岩溶等组成的复杂成因的第四纪松散堆积体。这些堆积体，主要由滑坡积物、残坡积物、崩坡积物、冲洪积物、泥石流、碎屑流、强风化物等物质组成，物质成分以土夹碎石或碎块石、碎石或碎块石夹土等土石混合物为主，结构杂乱无章、分选性差、粒间结合力差、透水性强。它既不同于一般的岩体，又不同于一般的土体，而是介于土体与岩体之间的一种特殊的地质体，在此提出了土石混合体的概念［3］。
土石混合体在边坡工程、水利工程、地基工程中的大量存在，给工程实践和理论研究提出了一个新的课题。为了弄清这些物质的本质以及它们的物理力学性质，必须对它们进行工程地质的定性，即必须在工程地质分类体系中找到它们的位置。但是在以前的分类体系中［4～6］，有的缺失这种物质，有的定义不明显，有的混杂在其他物质中，给研究带来了极大的不便，所以应该制定一种新的分类体系，以便对其进行研究时，制定合理的研究内容、试验项目和方法。
2 土石混合体的工程分类
2.1 分类方法
首先根据物质组成即根据材料中含有的土与石的数量将之分成三大类：土体、土石混合体、岩体。土体中只含有土（soil），土石混合体中既含有土又含有石（stone or corestone），岩体中只含有石（rock）（石的标准与粒度界定见下文）。然后对于每一大类，再进行次一级的分类。对于岩体或土体，可以参照以前的分类标准，这里不做进一步的探讨。对于土石混合体，则根据其中含石量（t）将之分成石质土（＜25%）、混合土（25%≤t＜70%）、土质石（≥70%）。由于影响岩、土材料性质的因素比较多，所以在此基础上还要进行三级划分。对于土石混合体中的土质石、石质土和混合土来说，不但含石量对其性质有很大的影响，而且所含砾石或块石的颗粒形状与级配以及土体的物理特性对其力学性质也将产生极大的影响，例如土石混合体的透水性、渗透稳定性、毛细管性与压实性等都在很大程度上取决于粒度和级配的特征以及所含细粒土体的性质。因此在三级划分中应根据颗粒形状与级配以及所含的砂土、粉土、粘土的成分进行划分。
2.2 分类体系
根据以上的方法，对土石混合体进行了工程分类，分类体系见图1，图中符号意义见表1。

图1 土石混合体工程分类


表1 土石混合体工程分类符号

注：除土石混合体（Aggregate），含石量低（Low）、中（Middle）、高（High）的符号是由作者自己定义外，其他符号全部按照国际惯例或国家标准（GBJ145—1994）确定。
2.3 体系评价
此方法的主要特点是以材料的物质成分为主线、粒度组成为辅线、物理力学性质为补充，较好地符合了岩土工程分类的基本原则，充分体现了来源于实践、服务于实践的指导思想。
2.3.1 指标界定
（1）土与石粒组界限值的确定：在土石混合体分类中，需要使用砾石的百分含量。在此规定砾石粒径界限值为5 mm。主要是因为，虽然2 mm是我国传统采用的粒组的原定界限值，也是国际普遍采用的标准，但是国内也有单位采用5 mm作为砾石粒径界限的，其最主要的好处是统计比较方便。而且试验证明，对均质土就粒度与力学性质的关系而言，以2mm或以4.76mm为界并无明显差异［7］。同时根据大量资料与经验，在天然土料中，2～5 mm范围内的土粒通常只占百分之几，数量甚微，因此，以2 mm或5 mm界限值计算砾石粒的含量出入不大。
（2）石质土、混合土、土质石粒组界限值的确定：许多试验资料表明，砾石含量对土的抗剪强度起显著影响的数值大致是20%～30%。含石量低于此值时，砾石含量在土料中只起填料作用，形不成骨架，故对土的抗剪强度影响甚微。但当含石量超过25%时，砾石与土将联合起作用，显示混合土的特征。土的抗剪强度随着含石量的增加而急剧地增大，大致成直线关系（图2）。砾石含量对土的渗透性的影响亦反映这一规律（图3）。但当含石量超过70%时，砾石起完整骨架作用，此时，土石混合体的性质主要取决于砾石［7］。因此，以25%、70%为界限，将土石混合体划分成石质土、混合土、土质石三种子类型。这三种子类型的物理力学性质表现出不同的特征。

图2 抗剪强度与砾石会计师的关系［7］


图3 渗透系数与砾石含量的关系［7］

（3）土石混合体中级配界限值的确定：这里所指的级配指标与平常意义上的不一样，而且针对不同的子类型其定义也不同。对于石质土和混合土，主要考虑砾石形状的影响，所以规定当砾石为圆形或亚圆形时，为级配良好；当呈棱角状时为级配不良。对于土质石，由于砾石已经形成完整骨架，所以要统计砾石的级配。测试方法也采用筛分法，只是要采用特殊的钢筛子，根据我国粒组划分方案中关于砾石、卵石粒度的界定［20］以及现场统计的经验初步选定筛子的直径分别为1cm、2cm、6cm、10cm、14cm，但不均匀系数Cu和曲率半径Cc的定义和其他的一样。而且其限定值的确定也与其他的一样，即当不均匀系数Cu≥5，曲率半径Cc＝1～3的条件同时满足时，称为良好级配；其他情况称为不良级配。
（4）砂质、粉质、粘质的界定：在土石混合体的三级划分中，主要指标是其中所含的土的物质成分，这主要是因为所含细粒的成分决定着其亲水性和粘聚力。若所含的砂土分别超过其他两种，则称为砂质，若所含的粉土超过其他两种，则称为粉质，否则称为粘质。
2.3.2 与其他方法的比较
土石混合体工程分类法是在现场调查的基础上，听取多个专家的意见后提出的，它吸取了以前多种分类法的优点。和其他方法相比，主要在以下方面做了调整：
（1）在土与石的划分中，将粒径小于5mm的砂粒归结为土的一种，这主要是由于砂土和粉土的性质没有什么本质上的区别，只是粒径上人为的划分。所以从土石混合体的角度来讲，将砂土也归结为土体的一种是有其合理性的。
（2）Dearman［8］在对风化岩土的分类中，虽然也将其分成了soil，soil ＆ rock，rock三大类，但是他将凡是含有corestone的都划分为soil ＆ rock，并根据里面含有corestonede多少（50%）将之分成了两类，很显然这只是简单地从含量上的划分，而没有考虑它们性质上的迥然不同。另外在土石混合体的划分中，采用Little［9］的做法（图4），即把含石（corestone）量小于10%的砾石土也划分为土体的一种，这是有很大的工程意义的。当含石量低于10%时，砾石在其中的影响非常小，可以将之看成均质体；当含石量大于90%时，可以把它看成节理岩体。

图4 风化岩残坡积物工程分类表［9］

（3）在以往的分类中，每一类的名称都可以用一定的符号来表示，但是不太规范，而且也不符合我们中国人的习惯。在此重新规定了命名的方法：根据中心词和修辞语的前后关系以及多级分类标准的从属关系，规定将第一级类别的名称放在最后，次一级的放在之前，依此类推。如WCLA，W代表级配良好，C代表粘土或粘质，L代表含石量低，A代表土石混合体，所以WCLA称为良好级配粘质石质土。
2.3.3 优缺点
土石混合体工程分类法具有以下优点：
（1）它既反映了岩、土体的物质组成，又反映了岩、土体的物理力学性质，另外还在一定程度上反映了物质的成因类型；
（2）此分类体系逻辑性强，条目清楚，符号容易记忆和应用；
（3）它保留了其他方法的合理之处，便于与它们之间的衔接以及与国际接轨；
（4）它把自然界中大量出现的土石混合体单独划分出来，便于对它进行理论上的探讨和技术方法上的研究。
一种新的分类法的提出必定会出现这样和那样的问题，它需要在工程实践中不断地进行完善和提高。从现有的情况来看，这种分类方法主要存在如下一些问题：
（1）由于国内外土石混合体方面的资料比较少，所以还没有足够的数据来验证这个体系的严密性；
（2）在分类体系中，还缺少各类岩、土体特别是常见的工程地质问题以及研究、防治相应问题的理论、方法和措施。
（3）在土石混合体的类型中，缺少一个能反映此种类型的物质强度好坏和稳定性的综合指标，以便能直接应用于生产实践。
3 工程应用
对白衣庵滑坡进行现场调查时，在沿江公路三号桥上方坡积层、钟家沟采石场右方坡积层、滑坡西缘的滑带附近进行了土石混合体野外剪切试验［10］，并对前两个试样进行了级配统计与含石量计算。现在就利用这种分类法对其进行工程地质分类，判断其属于哪种类型。
（1）沿江公路三号桥上方的坡积层，里面主要是砂质粉土的坡积土，内含形状各异的姜石，多呈亚圆形，少数为灰岩、泥灰岩块。其颗粒组成见表2。由表中数据可知此种土石混合体的含石量为59.25%。因姜石呈亚圆形，属级配良好。所以该类土石混合体属于级配良好粉质石土混合料（WMDA）。

表2 沿江公路三号桥上方的坡积层颗粒组成

（2）钟家沟采石场右方坡积层，主要成分也是粉质坡积土，只是里面所含的块石多为灰岩、泥灰岩块。其颗粒组成见表3。从表中可以看出此类物质的含石量为66.2%，应属于混合土。又因砾石块体多为棱角状且表面光滑，属不良级配。所以该类土石混合体属于不良级配粉质石土混合料（PMDA）。
以上两类土石混合体虽然含石量相差不大，而且所含的土性质也相同，但是由于其砾石的级配性质不同，形状也不相同，导致了其力学性质有明显的不同。由野外剪切实验的结果可知：第一种材料的粘聚力C为51kPa，内摩擦角为45°；第二种材料的粘聚力C为32kPa，内摩擦角为23.3°。即级配良好的材料力学性质要优于不良级配，这也从另外一个方面反映了本文提出的分类法的合理性和实用性。因此，可以根据此分类法来划分某一类型的材料，然后指导具体的工程实践。
当然，上述分类系统由于没有足够的现场背景资料和工程应用资料，仍有很多不足，今后需要不断补充与完善。

表3 钟家沟采石场右方坡积层颗粒组成

致谢 在本文的写作过程中，得到了许多现场和科研机构工作人员的大力协助，在此向他们特别是中国水文地质工程地质勘查院的殷跃平总工，中国科学院地质与地球物理研究所的张年学研究员、曲永新研究员表示衷心的感谢！
参考文献
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周中¹ 傅鹤林¹ 刘宝琛¹ 谭捍华² 龙万学²

（1.中南大学土木建筑学院 湖南 长沙 410075

2.贵州省交通规划勘察设计研究院 贵州 贵阳 550001）

摘要 降雨入渗是诱发土石混合体边坡失稳的主要因素之一，此类问题一直受到人们的关注，但对此问题的研究不够系统和深入。为了对降雨入渗诱发下土石混合体滑坡的失稳机理有较深入的了解及研究边坡性状随时间变化的一些重要特性，在上瑞高速公路贵州段选取了一个典型的土石混合体边坡进行人工降雨模拟试验和原位综合监测。监测成果表明：降雨入渗影响下土石混合体边坡的滑动变形区为坡面以下0～4m之间，变形量以坡面最大，从坡面到坡体深部逐渐减小；在实施降雨的前2h，平均入渗百分率为86%，之后，入渗率由于地表径流的增加而随时间逐渐减少，一段时间（6h）之后，入渗率降到一个相对稳定值（50%）；降雨入渗造成土体中孔隙水压力增加，致使边坡土体的抗剪强度由于有效应力的减少及土体吸水软化而降低，降雨入渗的这一双重效应可能是降雨诱发土石混合体边坡失稳的主要原因之一。

关键词 边坡 土石混合体 人工降雨模拟试验 降雨入渗 现场监测

随着我国基本建设的蓬勃开展，国家建设战略重点向西部地区转移，工程建设不可避免地要遭遇包括残坡积物、崩坡积物和冲洪积物组成的松散堆积介质，其物质成分以土夹砾石或块石以及砾石或块石夹土等土石混合体为主，物质结构杂乱无章、分选性差、粒间结合力差、透水性强。它既不同于一般的岩体，又不同于一般的土体，而是介于土体与岩体之间的特殊地质体，称为土石混合体^［1］。土石混合体边坡是按边坡的物质组成来划分的，与土质边坡和岩质边坡属于同一个划分层次，在全国乃至世界各地都有着广泛地分布^［2］。对于土质滑坡和岩质滑坡机理国内外已作过许多研究，并取得了成套的研究成果。对于以土夹石为主的土石混合体滑坡，由于它具有物质组成的复杂性、结构分布的不规则性以及试样的难以采集性等独特的性质，给我们的研究带来了极大困难，取得的研究成果很有限^［3］，因此很有必要就土石混合体滑坡进行专门的研究分析。

大量统计表明，土石混合体边坡失稳的主要诱发因素是降雨^［4，5］。贵州省三穗县三凯高速公路平溪特大桥3^#墩上方的大滑坡就是在2003年4月及5月初连续的强降雨的诱发下发生的典型土石混合体滑坡，造成35人丧生。降雨影响下边坡失稳的问题一直受到人们的关注^［6～8］，但对此问题的研究不够系统和深入。为了揭示降雨诱发下土石混合体滑坡的形成演化规律，2005年4月，选取上瑞高速公路贵州段晴隆隧道出口典型土石混合体边坡进行人工降雨模拟试验和原位综合监测。试验过程中，配合原位综合监测，分析土石混合体边坡在降雨入渗作用下的形成条件、变形位移特征及破坏滑移规律，为今后更好地防范或治理此类地质灾害提供理论依据。

1 试验场地

1.1 试验场地的确定

正在建设的上海至瑞丽高速公路是一条联系我国东西的大动脉。2005年4月2日，在对上瑞公路贵州镇宁至胜境关公路综合考察的基础上根据钻孔地质资料、边坡的外部形态及周围环境选定晴隆隧道口K85 ＋650 -690 堆积层地段，作为人工降雨试验场地。首先清除区域内的植被及其他杂物，然后按1∶2.5的坡度刷坡。为了防止大气降雨及周围土体内的水渗透到试验区内影响试验的精确性，下雨时，试验区用彩条布覆盖。

1.2 土体性质

为了弄清试验区土体的基本物理性质及边坡土层的工程地质特性，进行了基本物理力学试验及专门的钻孔勘察。其物理力学性质指标见表1。颗粒分析试验共做15 组，土样的平均颗粒级配曲线绘制于图1，图中平均级配的特征值为：粘粒（＜0.005mm）含量为0.95%，粉粒（0.05～0.005mm）含量为8.88%，砾石（＞5mm）含量为47.49%。不均匀系数C_u为12.31，说明土样中包含的粒径级数较多，粗细粒径之间差别较大，颗粒级配曲线的曲率系数C_c为1.59，级配优良。

表1 天然状态土的基本物理指标

图1 天然状态土的颗粒级配曲线

钻孔勘察资料显示试验区上覆地层主要为第四系残坡积层（Q^dl＋el），厚10～30m，平均深20m，为碎石土层，局部夹亚粘土，结构松散、稍湿。基岩为上二叠统龙潭组（P₂l）煤系地层，由泥质粉砂岩、炭质泥岩、粉砂质泥岩组成。试验区位于山体中部，水文地质条件简单，主要靠大气降水补给，受季节影响较大。试验区内地下水主要为基岩裂隙水，地下水埋藏较深，勘察期间，钻孔内未见地下水。本次试验开挖深度为6m，滑动面均在5m之内，因此，试验土层均为地下水位以上的土石混合体。试验区工程地质剖面图见图2。

图2 工程地质剖面图

①原地面线；②刷坡后的地面线（试验区）；③强风化带下限；

Q^dl＋el—第四系残坡积层；P₂l—上二叠统龙潭组煤系地层

2 仪器的布置及埋设

试验区面积为10m×10m，坡比为1∶2.5，埋设仪器后的试验区如图3所示。试验区一共钻孔9个，其中3个钻孔用来安装测斜管，6个钻孔用来安装孔隙水压力计，共安装了12个孔隙水压力计、3个测斜管。试验区的左右两侧开挖宽0.3m，深0.5m的隔离带，并用高1m的白铁皮将试验区左右两侧与周围土体隔离，以免雨水渗入周围土体。试验区的下部修建宽0.5m，深1m的集水渠，并引出可能的滑动区域外与集水槽相连。集水渠除靠近坡体的一面外其余各面采用水泥护面，以免雨水流失。集水槽为长、宽、深均为2m的方形槽，为防止雨水的渗漏，集水槽需用水泥护壁。试验区右上方开挖一个5m×4m×2m的蓄水池，先用砖砌，并用水泥护壁。图4为监测点平面布置图，图5为L₁纵断面测点布置图。

图3 埋设仪器后的试验区

图4 监测点平面布置图

数据单位为m

图5 L1 纵断面测点布置图

数据单位为m

2.1 坡面裂隙监测

坡面裂缝测量采用简单的测量方法，在进行地表巡视时，用钢卷尺对滑坡体主要裂缝宽度进行测量。

2.2 测斜监测

测斜装置由测斜管、测斜仪、数字式测读仪三部分组成。量测时将测斜仪伸入测斜管，并由引出的导线将测斜管，亦即滑坡体滑移量值瞬时反映在测读仪上。本试验中测斜仪采用美国 Sinco 公司生产的100 型测斜仪，灵敏度8s，精度 ± 6mm/30m，量程0～± 53°。测斜管采用金坛市绿盛土工材料厂生产的高精度ABS测斜管，外径70mm，内径59mm，接头外径80mm，每节长2m。在边坡不同位置共埋设3个测斜管，埋设于图3所示的Ⅰ点，埋设深度11 m。

2.3 孔隙水压力监测

土体的孔隙水压力传感器是由金坛土木工程仪器厂生产的KYJ-30 型振弦式孔隙水压力计量测的，其量程是0～200kPa，KYJ-30 型振弦式孔隙水压力计适用于钻孔法安装，测量建筑物内的孔隙（渗透）水压力，并可同步测量埋设点的温度。同时配置ZXY-2型振弦频率测定仪一台，测量范围：频率f＝500～5000Hz，频率模数显示值F＝f²×10^-3，测量精度：± 0.008Hz，分辨率：± 0.1Hz，灵敏度：接受信号≥300μV，持续时间≥500ms，连续振荡的工作方式，功耗极小，使用简便。

在边坡不同位置共埋设12个孔隙水压力计，于图3中L1和L3断面的每个钻孔内埋设2个孔隙水压力计，L1列孔隙水压力测孔的深度为4m，孔隙水压力探头的埋深为1m和3m。L3列孔隙水压力测孔的深度为5m，孔隙水压力探头的埋深为2m和4m。

2.4 降雨强度地表径流监测

试验区内总的降雨量由人工降雨模拟装置主供水管上的流量表记录，再将每单位时段的降雨量除以试验区面积100m²，即可求出单位时段的降雨强度。地表径流由试验区下方的集水渠收集到集水槽中，再由水泵回收到试验区上方的蓄水池内，单位时段的地表径流量由与水泵相连的流量表量测。

3 人工降雨模拟

3.1 自制人工降雨模拟装置

参照中国科学院水利水土保持研究所研制的 SR 型野外人工降雨模拟装置^［9］，自制一个专门的人工降雨模拟装置。本装置由水泵、水表、控制阀、水压表、喷头、主管、支管、两通管、三通管及四通管组成。主管和支管由长为1m或2m的短管经两通管、三通管或四通管组装而成。通过调节进水管和回水管上的控制阀可以产生30～120mm的降雨强度。人工降雨模拟装置的覆盖范围为10m×10m，其示意图见图6。

图6 人工降雨装置示意图

数据单位为m

3.2 人工降雨模拟试验的监测周期及频率

待埋设仪器与周围土体协调稳定后，测定各仪器的初始读数，人工降雨模拟试验的起止时间为2005年4月25日15：00 至2005年4月29日10：00。每小时的降雨强度为60mm/h，每降雨2h停1h，在停雨期间进行各项监测的读数。每3h记录一次各测点的孔隙水压力、坡面裂隙、深部位移、实际的降雨强度及地表径流量。若观测到边坡将要失稳，适当加大观测密度。

4 试验结果分析

4.1 坡面裂隙监测

试验期间，坡面位移不大，2005年4月30日16：30 发现边坡后缘张拉微裂隙，宽1～2mm，长3m。

4.2 测斜监测

将各孔的测斜数据整理分析并绘制成图，以ZK3孔为例加以说明。图7为ZK3的水平方向的累计合位移随孔深的变化图，从图中可以看出位移变形区基本上发生在地表以下0～2.5 m 的范围内，位移随深度的增加而减小，坡面变形最大，最大合位移达到7.67 mm。

图7 ZK3 水平合位移随孔深的变化

图8为ZK3的特征点水平合位移及累计降雨强度关系曲线。从图中可以看出特征点位移随着累计降雨强度的增加逐渐加大，并且，这种变形为从坡面到坡内逐渐减小的松弛形变形，0.5m处的位移相当于1.5m处位移的2倍，而4m处基本没有位移，数值上的微小变化是由测量误差引起的。

图8 ZK3 特征点水平位移及累计降雨强度

图9为各测点孔口的累计合位移及累计降雨强度的关系曲线，从图中可以看出随着累计降雨强度的增加土体位移逐渐加大，以坡中处的位移最大，坡脚次之，坡顶最小。ZK1—ZK3孔口处的最大合位移分别为3.36 mm、10.37 mm和7.67 mm。

图9 各测点孔口的水平位移及累计降雨强度

4.3 孔隙水压力监测

图10为R2断面处的孔隙水压力随时间的变化曲线图，其中B1，B2，B3，B4 表示R2断面埋深分别为1m，2m，3m，4m的孔隙水压力。从图中可以看出，在降雨入渗初期，土体的渗透性较强，孔隙水压力较低。随着降雨的进行，孔隙水压力急剧增大，并达到稳定值。从图中我们还可以发现1m、2m处的孔隙水压力趋近于0，3m、4m处的孔隙水压力平均为16.2kPa和19.2kPa，相当于1.65m和1.96m水柱压力。原因是试验采用的降雨强度较大，土体吸水饱和后渗透性降低的情况下，排水不畅，形成暂时的滞水层，滞水层在4m左右，这一结论也得到了测斜成果的验证，此处的滑面位于坡面下3.5m。滞水层的存在对土石混合体边坡的稳定极为不利。首先，滞水层的形成导致了土体中孔隙水压力的增加，有效应力降低，从而导致土体抗剪强度降低；其次，滞水层的形成使得原来非饱和土体充分吸水软化，也导致了土体抗剪强度的降低。降雨入渗的这一双重效应可能是降雨诱发土石混合体边坡失稳的主要原因之一。

图10 R2 断面处的孔隙水压力随时间的变化曲线

图11为同一深度处（3m）的孔隙水压力随时间的变化曲线图，A3，B3，C3分别表示坡顶、坡中、坡脚处埋深为3m的孔隙水压力。从图中可以看出，孔隙水压力从坡顶到坡脚逐渐增大，坡脚处的孔隙水压力最大，坡顶处的孔隙水压力基本为0。

图11 同一深度处（3m）的孔隙水压力随时间的变化曲线

4.4 降雨强度及地表径流监测

图12中的曲线表示降雨期间的每小时平均降雨入渗百分率与时间的关系，是根据降雨强度和地表径流的量测结果计算得到的。可以看到，在实施降雨的前2h，平均入渗率为86%，2h之后，入渗率由于地表径流的增加而随时间逐渐减少。6h之后，入渗率降到一个相对稳定值（50%），实施人工模拟降雨6h后，有一半的降雨变成了地表径流。降雨入渗率的降低可能是由于边坡土体吸水饱和使原来张开的裂隙闭合的结果。

4.5 潜在滑动面形状

测斜监测的深度为从测斜管管口至边坡内部11m，所监测的滑面深度也是由管口到滑面处的距离，而管口距坡面也有一定的距离，实际的滑面深度应当减去测斜管露出地面的部分，ZK1—ZK3滑动面位置分别为坡面以下4.2m，3.2m和2.2m。将测斜监测到的滑面位置同滑坡前缘错开裂隙和后缘张拉裂隙结合起来即可确定滑面位置，L2断面滑面位置及形状如图13所示。

图12 每小时平均降雨量（入渗量）及降雨入渗百分率

图13 L₂断面滑动面形状

数据单位为m

5 结论

一个现场监测体系相当于一个足尺的试验装置，其监测结果对于研究和把握滑坡滑移演化规律、灾变机理和行为以及边坡安全状态具有重要的科学和现实意义。通过土石混合体边坡的人工降雨模拟试验和原位综合监测得到以下认识：

（1）土石混合体边坡在降雨入渗影响下多发为浅层松弛型破坏，滑动变形区为坡面以下0～4m之内；变形量以坡面最大，从坡面到坡体深部逐渐减小。

（2）在实施降雨的前2h，平均入渗百分率为86%，之后，入渗率由于地表径流的增加而随时间逐渐减少。一段时间（6h）之后，入渗率降到一个相对稳定值（50%）。降雨入渗率的降低是由于边坡土体吸水饱和使原来张开的裂隙闭合的结果。

（3）在强降雨作用下，边坡土体吸水饱和，土体内孔隙部分闭合，渗透性降低，排水不畅，在滑动面附近形成暂态的滞水层。滞水层的存在对土石混合体边坡的稳定极为不利。首先，滞水层的形成导致了土体中孔隙水压力的增加，有效应力降低，从而导致土体抗剪强度的降低；其次，滞水层的形成使得原来非饱和土体充分吸水软化，也导致了土体抗剪强度的降低。降雨入渗的这一双重效应可能是降雨诱发土石混合体边坡失稳的主要原因之一。

（4）试验区内的土石混合体边坡在将近4昼夜的时间内接受了4500mm的降雨，大大超过了实际可能出现的降雨强度，且平均入渗率达到50%，但是该斜坡仅仅出现了变形，并未产生滑塌破坏，说明堆积层斜坡发生破坏的条件不仅仅是降雨，还与坡率及地质条件有关。

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