賀 鵬，賀 顏，張 曉

（陜西省水務(wù)集團水生態(tài)綜合開發(fā)有限公司,陜西 西安 710018）

0 引言

由于水庫多建設(shè)在峽谷等崎嶇地形下,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,再加上調(diào)控蓄水等因素導(dǎo)致應(yīng)力增加,在間歇性降雨作用下,庫岸坡體極易產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。庫岸邊坡坡體失穩(wěn)對水電工程建設(shè)和運行造成極大的安全隱患,給人民財產(chǎn)安全和生命帶來嚴重損害。因此,探究庫岸坡體在水庫運行期間的穩(wěn)定性演化規(guī)律、變形破壞特征和坡體失穩(wěn)機制,為建立庫區(qū)安全預(yù)警機制提供試驗依據(jù)。

目前,針對庫岸滑坡的研究和分析,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)取得了大量的成果。李曉[1]等為探究庫水位耦合作用、降雨和庫水位波動下對庫岸邊坡的影響,通過有限元軟件構(gòu)建庫岸邊坡滲流模型,分析庫岸邊坡內(nèi)部地下水動態(tài)滲流的演變規(guī)律；Sun等[2]基于極限平衡法,評估庫岸的長期穩(wěn)定性,并探究庫區(qū)水位波動和降雨對庫岸邊坡穩(wěn)定性的演變規(guī)律。楊金林等[3]探究庫區(qū)水位波動對庫區(qū)坡體穩(wěn)定性的演化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)庫水位波動與邊坡安全系數(shù)呈線性正相關(guān)關(guān)系,庫區(qū)水位上升會促進邊坡安全系數(shù)增加。占清華等[4]通過大型模型試驗,分析庫區(qū)水位波動對含軟弱層的庫岸邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)演化規(guī)律,量化位移、土壓力及坡體孔隙水壓力的演變,并將庫岸坡體破壞劃分為3 個階段：整體滑移、緩慢變形和整體穩(wěn)定。Xia等[5]基于某地區(qū)某項目邊坡多年現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)降雨作用是庫岸坡體淺層變形的主要因素,同時庫區(qū)水位波動對庫岸深層土體的穩(wěn)定性具有顯著影響。國內(nèi)外學(xué)者為探究不同因素對庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響,進行不同的試驗展開分析。但對降雨作用下庫區(qū)水位波動對庫岸滑坡的失穩(wěn)機制仍缺乏詳細的闡述,本文以某水庫邊坡為研究對象,基于當?shù)厮臓顩r,設(shè)定大型模型試驗參數(shù),分析庫岸滑坡在不同降雨強度、庫區(qū)水位波動及降雨-水位波動聯(lián)合作用下的穩(wěn)定性演化規(guī)律和變形機理,揭示庫岸坡體的穩(wěn)定機制和破壞機理。

1 水庫概況

某水庫控制流域面積875 km2,水庫總庫容9712 萬m3。正常蓄水位1133.0 m,防洪限制水位1128 m,防洪高水位1135.66 m。水庫是以防洪、城市及工業(yè)供水、灌溉為主,兼顧發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫。水庫樞紐由大壩、溢洪道、泄洪發(fā)電洞和電站組成。水庫大壩為混凝土面板堆石壩,壩頂高程1138.30 m,最大壩高88.3 m,壩頂寬10 m,壩頂長296.0 m。左岸布置正槽溢洪道,溢洪道總長305.45 m,最大泄量為894 m3/s。大壩上游約210 m的河床左岸布置泄洪發(fā)電洞,全長692.2 m,洞徑5 m。電站為壩后引水式電站,裝機容量為2×1600 kW。

2 滑坡模型試驗

2.1 工程滑坡概況

水庫庫岸坡體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、由崩滑堆積體和古滑坡體組成。坡體南北長765 m,東西寬490 m,呈南北走向,坡體中部較厚,前緣較薄,平均厚度約55 m,土方總量約500× 104m3,由于坡體受多次人工改造和變形破壞,邊坡逐漸形成多級平臺,且坡面呈折線型（臨江陡（32°～36°）、中緩（12°～17°）、上陡（28°～33°））,當?shù)厮臈l件見圖1和圖2,圖3顯示了庫岸坡體現(xiàn)場監(jiān)測累計變形量。

圖1 庫區(qū)降雨情況

圖2 庫區(qū)水位波動情況

圖3 現(xiàn)場GPS監(jiān)測地表累計位移量

2.2 滑坡物理模型及試驗方案

本文以庫岸坡體主滑地質(zhì)剖面作為試驗結(jié)構(gòu)參數(shù),將模型坡體簡化為：滑體、滑帶和滑床。結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),將模型試驗與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的相似比定為1∶100,模型高285 cm,長770 cm（模型箱尺寸為800 cm×60 cm×350 cm）,見圖3。具體參數(shù)基于量綱分析法和模糊綜合評判法來設(shè)定參數(shù)的數(shù)值,具體見表1。同時為探究降雨作用、庫水位波動和降雨-水位波動組合作用對庫岸坡體變形機制和破壞演化機理的影響（沿圖4 模型坡體左下角為原點,向右200 cm、300 cm、400 cm和600 cm分別設(shè)置監(jiān)測點,其監(jiān)測斷面分別為剖面I、II、III和剖面IV）,本文設(shè)定3組試驗工況,在試驗過程中進行監(jiān)測,具體試驗方案見表2。

圖4 滑坡模型試驗系統(tǒng)示意圖

表1 滑坡模型物理力學(xué)參數(shù)及材料配比

表2 試驗?zāi)M工況

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 庫區(qū)水位波動

分析水位波動對庫岸坡體變形演化規(guī)律,設(shè)定四組不同水位升降速率（40 cm/d、30 cm/d、20 cm/d、10 cm/d）,并將水位均速升降（水位升降高程沿145 cm→175 cm→145 cm,即全程60 cm）。并對模型箱體內(nèi)部各剖面監(jiān)測點進行全過程監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)在水位波動影響下,土壓力和孔隙水壓力呈相似的演變規(guī)律,但存在顯著的滯后效應(yīng),且滯后效應(yīng)隨距庫水距離增加而增強。本文以剖面II為例,發(fā)現(xiàn)同一剖面下,不同測點位置處的孔隙水壓力在總趨勢上相似,呈“幾”字型分布,而不同監(jiān)測點距庫區(qū)水位距離的不同,其檢測數(shù)據(jù)存在顯著的差異,如圖5 的II-1和II-2 監(jiān)測點,其孔隙水壓力峰值分別為6.3 kPa和2.5 kPa,存在顯著的“滯后效應(yīng)”,同時速率越小其孔隙水壓力峰值越大,說明較低水位波動速率更便于入滲,增加庫區(qū)坡體的孔隙水壓力。

由圖6和圖7可知,隨水位上升,庫水逐漸入滲到坡體內(nèi)內(nèi)部,導(dǎo)致監(jiān)測點內(nèi)部的土壓力逐漸增大,在水位波動30 cm（即高程175 cm處）達到土壓力峰值13.9 kPa。由太沙基有效應(yīng)力原理可知,在水位波動作用下,坡體有效應(yīng)力是坡體內(nèi)部抗滑力來源的主要參數(shù),在水位升降趨勢下,圖7 的倒“幾”字增幅規(guī)律符合太沙基有效應(yīng)力原理。

圖6 剖面Ⅱ土壓力監(jiān)測曲線

由圖8和圖9可知,坡體位移變形主要集中在水位下降階段,說明庫岸坡體在水位波動下,存在顯著的“滯后效應(yīng)”。在剖面II下,水位波動速率越大,下降期間,坡體變形越大,40 cm/d速率下,其位移峰值達到1.3 mm。而不同剖面顯示位移變形呈現(xiàn)差異性,其坡體變形主要集中在剖面II處（即模型坡體左下角向右300 mm,坡體前緣處）。同時不同水位下降速率對坡體孔隙水壓力的影響,見表3。

圖8 剖面Ⅱ位移監(jiān)測曲線

圖9 不同剖面位移監(jiān)測曲線

表3 不同水位下降速率下坡體孔隙水壓力的平均演變速率

3.2 降雨作用

探究降雨作用對庫岸坡體穩(wěn)定性影響,通過灑水裝置,將降雨強度設(shè)定為8.01 mm/h,降雨時間7.2 h。由圖10可知,在降雨作用下,坡體不同剖面處的參數(shù)呈現(xiàn)顯著的差異性演化規(guī)律。降雨入滲,使坡體內(nèi)部孔隙水壓力隨之逐漸遞增,在降雨結(jié)束后,剖面Ⅱ和Ⅲ處的孔隙水壓力有小幅度下降趨勢,符合太沙基有效應(yīng)力原理的增幅趨勢。坡體的內(nèi)部土壓力相對受降雨影響較小。而降雨對坡體位移變形的影響存在顯著的“滯后效應(yīng)”,特別是在降雨結(jié)束后,仍有小幅度的變形,這主要是降雨入滲過程的滯后性引起的。

圖10 降雨作用下不同參數(shù)監(jiān)測曲線

3.3 降雨與庫水聯(lián)合作用

由圖11 可知,模型箱水位上升階段,坡體后緣（剖面IV）的土壓力、孔隙水壓力和位移變形趨于定值,演化規(guī)律趨于直線,而坡體的前緣和中部（剖面II和剖面III）孔隙水壓力和土壓力呈現(xiàn)遞增趨勢。在第45 h處施加降雨因素,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過五個小時的降雨坡體開始產(chǎn)生顯著的變化,坡體不同部位開始產(chǎn)生位移變形,且剖面II處位移變形趨勢最大,達到30 mm。在降雨-水位波動的聯(lián)合作用下,剖面II在試驗的第58 小時左右,坡體位移、土壓力和孔隙水壓力呈現(xiàn)較大幅度波動,說明坡體前緣出現(xiàn)破壞,并基于圖11 的演化規(guī)律可知,坡體前緣（剖面II處）的破壞變形呈現(xiàn)一個逐漸增加,并在雙重因素下,呈牽引式破壞的形式。相對于坡體后緣（剖面IV處）受降雨入滲作用下,在53 小時左右,孔隙水壓力逐漸急劇上升,且土壓力在降雨因素施加后呈遞增趨勢,直至坡體產(chǎn)生滑移破壞,喪失穩(wěn)定性,說明降雨對坡體剖面IV處影響顯著。綜上可知,庫岸坡體失穩(wěn)前,其內(nèi)部孔隙水壓力和土壓力存在頻繁的波動現(xiàn)象,今后可通過監(jiān)測其數(shù)據(jù)來評估庫岸邊坡的穩(wěn)定性,為庫區(qū)安全預(yù)警預(yù)報提供參考。

圖11 降雨和庫水波動聯(lián)合作用下不同參數(shù)監(jiān)測曲線

4 結(jié)論

（1）庫區(qū)水位上升階段,庫區(qū)水入滲到庫岸坡體內(nèi)部,坡體有效應(yīng)力增加,加強坡體抗滑力,利于庫岸坡體的整體穩(wěn)定性,同時水位上升速率越快,影響越顯著；庫區(qū)水位下降階段,庫岸坡體地下水補給庫區(qū)水位,導(dǎo)致坡體有效應(yīng)力降低,降低坡體抗滑力,導(dǎo)致庫岸坡體產(chǎn)生變形破壞,坡體變形隨水位下降速率的增加而增大。

（2）庫岸坡體前緣和后緣的穩(wěn)定性受降雨因素影響顯著。降雨作用下庫岸坡體前緣迅速飽和,再加上庫區(qū)水位波動影響,強度出現(xiàn)顯著劣化,土體產(chǎn)生變形破壞,喪失穩(wěn)定性；庫岸坡體后緣在持續(xù)性降雨入滲作用下,加上坡體地形較陡,導(dǎo)致下滑力增加,易產(chǎn)生滑坡變形破壞。

（3）降雨-庫區(qū)水位波動聯(lián)合作用下,庫岸坡體呈典型的牽引式破壞形式,初始階段庫岸坡體前緣局部變形失穩(wěn),而后變形逐漸向坡體內(nèi)部延伸,直至坡體整體失穩(wěn),產(chǎn)生滑坡現(xiàn)象；在分析庫岸坡體破壞機理時,發(fā)現(xiàn)降雨是破壞的主要誘發(fā)因素,雨水入滲對土體的軟化作用、庫區(qū)水位的波動影響以及坡體內(nèi)部的有效應(yīng)力波動是導(dǎo)致庫岸坡體失穩(wěn)的根本原因。庫岸坡體失穩(wěn)前,其內(nèi)部孔隙水壓力和土壓力存在頻繁的波動現(xiàn)象,今后可通過監(jiān)測其數(shù)據(jù)來評估庫岸邊坡的穩(wěn)定性。