谷建永,張 強,,盧曉春,胡 晶,朱軍威

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002; 2.中國水利水電科學(xué)研究院 巖土工程研究所,北京 100038)

1 研究背景

庫岸滑坡是大型水電工程庫水調(diào)度工作中不容忽視的問題,其不僅造成嚴重的生命和財產(chǎn)損失,還給生態(tài)環(huán)境帶來巨大災(zāi)難[1-3]。據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)據(jù),2012—2018年間滑坡數(shù)量占比71%,高達50 110起[4-5]。庫水位升降是影響庫岸滑坡穩(wěn)定性的重要因素,改變了地下水原有運移規(guī)律,極易誘發(fā)滑坡變形復(fù)活[6-8]。因此,開展庫水位變動條件下庫岸滑坡變形失穩(wěn)機制研究具有重要意義。

針對庫水位變動誘發(fā)滑坡變形復(fù)活機制的研究,國內(nèi)外學(xué)者采用現(xiàn)場監(jiān)測、力學(xué)分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場和室內(nèi)試驗等方法開展了大量的工作[9-11]。在這些方法中,離心模型試驗是目前公認的相似性最好的物理模型試驗[12],可真實還原現(xiàn)場岸坡條件,通過在模型箱中塑造原型滑坡,調(diào)整各種參數(shù)和庫水位條件,再現(xiàn)滑坡的變形演化全過程。基于離心模型試驗,李邵軍等[13]模擬了三峽庫區(qū)邊坡在庫水循環(huán)升降條件下的失穩(wěn)破壞過程。馮文凱等[14]分析了木包魚滑坡在不同庫水位升降速率下的變形響應(yīng)規(guī)律。牟太平等[15]開發(fā)了土坡變形測量技術(shù),并獲得了自重加載下的邊坡位移場變化特征。付小林等[16]研究了不同庫水位消落方式下滑坡變形破壞機理。李松林等[17]分析了三峽庫區(qū)浮托減重型滑坡的變形演化模式。苗發(fā)盛等[18]以三峽庫區(qū)涼水井滑坡為研究對象,揭示了庫水位升降下牽引式滑坡的失穩(wěn)機理及破壞模式。

綜上可見,盡管已有研究在庫水位消落方式、升降速率及滑坡類型等方面卓有成效,但目前尚缺少全面考慮庫水位驟降前后速率不一致條件下滑坡變形演化機制的研究成果,特別是動水壓力型滑坡,由于動水壓力效應(yīng)受工程地質(zhì)條件影響較大,在庫水位驟降過程中極易誘發(fā)滑坡變形失穩(wěn)。

考慮到實際水電工程中庫水調(diào)度模式一般是先慢后快,為了服務(wù)工程實際,本文選取HD水電站庫區(qū)車邑坪滑坡為研究對象,構(gòu)建了該滑坡前緣1∶70物理概化模型,自主研制了一套庫水位升降系統(tǒng),運用中國水利水電科學(xué)研究院LXJ-4-450型土工離心機,模擬了庫水位先慢后快兩階段的驟降過程,獲得了滑坡變形破壞全過程孔隙水壓力、土壓力及含水率變化特征,揭示了該滑坡變形演化機制,為今后該類滑坡的演化、預(yù)測及防治提供了一定參考價值。

2 滑坡原型

為研究折線形滑面形態(tài)這類老滑坡變形演化機制,本次試驗選取的滑坡原型為HD水電站庫區(qū)車邑坪滑坡。該滑坡位于LC左岸車邑坪小村前緣部分,主滑方向285°,滑坡體軸向長1 300 m,寬450～800 m,平面總面積約0.8 km2,滑坡體積約2 000×104m3,巖層產(chǎn)狀為N25°W,NE∠80°～85°,滑坡工程地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 車邑坪滑坡工程地質(zhì)剖面Fig.1 Engineering geological profile of Cheyiping landslide

自HD水電站蓄水后,在正常運行期間庫水位驟降33 m,由于庫岸工程地質(zhì)條件復(fù)雜,車邑坪滑坡產(chǎn)生多處變形失穩(wěn)現(xiàn)象。變形監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示位移變形在庫水下降階段持續(xù)增長,后期隨水位抬升逐漸趨于平緩。為研究該類老滑坡在庫水位分級驟降影響下的變形特征,通過配制與現(xiàn)場滑坡力學(xué)性質(zhì)相近的土樣進行滑坡離心模型試驗。

3 試驗方案

3.1 試驗原理

離心模型試驗利用與原型相同材料的小比尺模型在高速旋轉(zhuǎn)的離心機中形成離心力和高加速度場,從而使模型應(yīng)力水平趨近于原型,與原型變形過程相似,破壞機制一致,是目前公認的相似度最好的物理模型試驗。對于模型幾何比尺為n的離心模型試驗,模型與原型主要物理力學(xué)參數(shù)之間的相似關(guān)系如表1所示。

表1 離心模型試驗主要物理量的相似關(guān)系Table 1 Similarity relations of main physical quantities in centrifugal model test

3.2 試驗設(shè)備

本次試驗采用中國水利水電科學(xué)研究院LXJ-4-450型土工離心試驗機,其有效荷載容量450g·t,最大旋轉(zhuǎn)半徑5.03 m,最大加速度300g,主要由主傳動系統(tǒng)、吊籃、轉(zhuǎn)臂、配重系統(tǒng)、集流環(huán)、儀器艙等組成,離心機主要組件如圖2所示。

圖2 LXJ-4-450型土工離心機Fig.2 LXJ-4-450 geotechnical centrifuge machine

3.3 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

考慮到車邑坪滑坡原型規(guī)模,結(jié)合離心機載荷容量及模型箱尺寸,確定本次離心試驗最大離心加速度為70g,并選取滑坡前緣部分建立試驗?zāi)Ｐ?。針對車邑坪滑坡這類折線形滑面形態(tài)的古滑坡,概化設(shè)計試驗?zāi)Ｐ?為盡可能減小縮尺效應(yīng),選擇了大尺寸模型箱,箱體尺寸為1 450 m×3 500 mm×31 000 mm(長×寬×高),滑坡模型尺寸為1 035 mm×3 400 mm×3 690 mm(長×寬×高),概化模型如圖3所示。

圖3 模型概化三維示意圖Fig.3 Three-dimensional schematic diagram of model generalization

3.4 模型材料及制作

3.4.1 模型材料

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及鉆探揭露,車邑坪滑坡下伏基巖多為風(fēng)化板巖夾砂巖,屬于弱透水性或不透水體,考慮到模型箱尺寸及供排水需求,故將滑床設(shè)計為進水箱?；w土取自車邑坪滑坡現(xiàn)場原狀土,為消除尺寸效應(yīng),需采用等量替代法[19]對部分超粒徑顆粒進行剔除,替代后的模型土體粒徑級配曲線如圖4所示。

圖4 等量替代后的模型土體粒徑級配Fig.4 Particle size gradation of model soil after equivalent substitution

試驗前根據(jù)表1所列相似關(guān)系配置模型土料,通過常水頭滲透試驗測得滑坡土樣滲透系數(shù)為3.43×10-5cm/s,因離心機作用放大70倍,通過摻入少量碎石反復(fù)測量滲透系數(shù),控制模型土體滲透系數(shù)為4.93×10-7cm/s,真實反映了原型滑坡的滲流過程。本次試驗共配置了滑體土208 kg,其密度為1.81 g/cm3,天然含水率為12%,模型土體各項物理量的力學(xué)指標如表2所示。

表2 滑體土物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of sliding body soil

3.4.2 模型制作

模型制作前預(yù)先將一塑料板緊貼模型箱透明玻璃,在塑料板上繪制滑坡輪廓。模型采用分層填筑法,共分11層填筑,控制每層土料填筑高度為5 cm,逐層計算并稱量每層土料后均勻鋪設(shè),然后用手動擊實儀沿模型長度方向呈“S”字形擊實到塑料板的分劃線上,當填筑到傳感器高程時,按指定位置埋設(shè)好相應(yīng)監(jiān)測設(shè)備。為避免每層土料的接觸面光滑,在下一層填筑前進行刮毛處理。模型制作完成后,按照塑料板上的滑坡輪廓進行削坡。

3.5 庫水位升降系統(tǒng)

為模擬庫岸滑坡對庫水位升降的要求,本次試驗設(shè)計了一套水位升降系統(tǒng),其組成主要包括三級水箱、磁吸石、鋼絲繩、通電線路、進水閥、出水閥、孔壓傳感器、尖嘴塞及水位標識線。其中三級水箱包括供水箱、進水箱1、進水箱2。供水箱和進水箱1安裝在滑坡模型前緣一側(cè),進水箱2放置在模型底部用來作為滑床。供水箱用來抬升水位,經(jīng)出水閥供水;進水箱1用來排泄高水位庫水,經(jīng)進水閥排水至水箱1;進水箱2用來排泄低水位庫水,當尖嘴塞拔起后庫水排入排水箱2,進出水閥閥門處各有配重一個,以便利用超重力場下磁吸石的自重壓向水閥,將水閥打開,庫水位升降系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 庫水位升降系統(tǒng)Fig.5 Reservoir water level rising and falling system

3.6 監(jiān)測系統(tǒng)

本次試驗監(jiān)測系統(tǒng)主要包括孔隙水壓力傳感器(直徑5 mm,量程分別為250、300、400 kPa,精度為0.1%FS)、微型土壓力傳感器(直徑8 mm,量程分別為500、1 000、2 000 kPa)及高速攝像機,各傳感器布設(shè)點位如圖6所示。其中,在河道中布設(shè)1支孔壓傳感器可監(jiān)測水位變化,沿滑坡高度方向呈網(wǎng)狀分3層埋設(shè)7支孔壓傳感器,沿滑帶在高度方向及滑坡中后部分別埋設(shè)3支和2支土壓力傳感器。此外,在模型前緣、后緣頂部及側(cè)面分別布設(shè)高速攝像機用來捕捉試驗過程中滑體變形情況。

圖6 試驗?zāi)Ｐ图案鱾鞲衅鞑荚O(shè)點位Fig.6 Test model and layout of sensors

3.7 試驗過程

本次試驗加速度分4級加載,最終加載至70g,其中前3級每級加載20g,最后1級加載10g,每級運行2 min后加載至下一級。試驗全過程共持續(xù)時間8 640 s,包含加速度加載、一次水位上升、兩次不同速率庫水位連續(xù)驟降及減速停機四個階段,其中水位最高蓄至33 cm,其上升速率約為9.8 cm/min,而水位首次驟降速率為3.4 cm/min,二次驟降速率為7.3 cm/min,各試驗階段對應(yīng)時刻如圖7(a)所示,試驗過程中加速度與庫水位變化如圖7(b)所示。

圖7 試驗階段和滑坡變形階段劃分Fig.7 Division of test stage and landslide deformation stage

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 變形破壞特征

通過對比獲取的高清圖像,可得到滑坡宏觀變形破壞全過程。第2 520 s時,加速度升至70g,此時水位高程33 cm,隨后滑坡在圖7(b)所示的3個階段發(fā)生了變形演化:①在第2 670 s時,滑坡累計沉降變形約0.3 mm,屬于滑體在庫水入滲過程中的正常固結(jié)沉降。②4 560 s時,水位首次驟降,滑坡前緣產(chǎn)生小幅蠕滑和沉降變形,中后部出現(xiàn)張拉裂縫,值得注意的是,在第4 650～4 830 s期間,庫水位從25.7 cm降至20.6 cm過程中滲流侵蝕作用強烈,滑坡前緣整體蠕滑變形及橫向裂縫下錯塌滑,形成寬度約25～35 mm的斷裂帶,如圖8(a)所示,而滑坡中后部裂縫擴展,如圖8(b)所示。該階段滑坡前緣水位變動區(qū)變形量最大,中部次之,而后部變形量最小。③第6 240 s,水位二次驟降,在第6 300～6 480 s期間,滑坡滲流侵蝕減弱,主要發(fā)生在庫水變動區(qū)淺層滑體,表現(xiàn)為斷裂帶的持續(xù)下滑,其滑動深度約30～60 mm,中間較深,形成多級蠕滑變形,如圖8(c)所示?；潞缶壛芽p繼續(xù)延伸,累計寬度約3～5 mm,未發(fā)生明顯大變形,如圖8(d)所示。試驗過程中滑坡沉降和裂縫的累積變形量如表3所示。

表3 試驗過程中滑坡沉降及裂縫累積變形量Table 3 Landslide settlement and cumulative deformation of cracks during the test

圖8 各階段滑坡坡表變形特征Fig.8 Surface deformation characteristics of landslide slope at different stages

4.2 孔壓變化

考慮到加速度加載過程中孔壓無變化,故將時間軸2 520 s調(diào)整為0 s。按照傳感器埋設(shè)的不同位置分3層進行分析,其中滑坡下部孔壓P2、P7變化如圖9(a)所示,中部P3、P5、P8如圖9(b)所示,后部P4、P6如圖9(c)所示。

圖9 滑體孔壓變化曲線Fig.9 Curves of pore pressure of sliding body

當庫水位抬升至14 cm時,孔壓P2開始升高,而P7響應(yīng)滯后P2約54 s,隨后P2、P7呈指數(shù)迅速增大,在蓄水后期隨供水箱水量減少其增幅放緩。加水結(jié)束后P2高于P7,這是因為庫水在離心力作用下沿入滲P2的路徑繼續(xù)入滲P7,P7因距庫水的距離較遠而滲入量較少。庫水首次驟降時,P2、P7處地下水位響應(yīng)滯后庫水位32 s;在庫水位二次驟降時,P2處地下水位滯后16 s,P7處滯后18 s,表明庫水首次驟降地下水位響應(yīng)滯后程度強于二次驟降。在第2 312 s至3 720 s及第3 826 s至5 040 s水位保持不變,P2緩慢下降;前一時段P2降幅高于后者,這2個時段內(nèi)P7基本不變,表明滲入的淺層水在自重下繼續(xù)下滲,且首次下滲量較多,滑坡深部下滲過程不明顯。

當水位蓄至28 cm時,P3開始增加,滯后P7約59 s;P5在176 s后逐漸增大,滯后P3約27 s;P8滯后P5約50 s,蓄水結(jié)束后孔壓P3最大,P5次之,P8最小。2 169 s時,庫水仍在驟降,P3、P5均有小幅上升,P5上升幅度高于P3;庫水二次驟降過程中該現(xiàn)象不明顯,這是因為地下水在動水壓力作用下發(fā)生運移并滲入至P3、P5,表明深層地下水運移較淺層更為強烈。庫水二次驟降時P8階段性驟降,表明該位置產(chǎn)生變形滑移。

當水位抬升至32 cm時,P4開始增加,滯后P8約36 s,庫水位33 cm,僅比P4所在位置高5 cm,故其增幅較小;孔壓P6滯后P4約12 s,其增幅略低P4。庫水首次驟降后,P4、P6均徐徐上升,但P6增幅較高,表明滑坡中后部入滲過程遲緩;其深部位置更為緩慢。6 240 s時,庫水二次驟降,此時水位19.5 cm,而高于該水位的P4、P6仍在下降,表明該過程滑體發(fā)生變形裂縫及垮塌,導(dǎo)致孔壓繼續(xù)下降。庫水二次驟降后水位放空,而P4仍在緩慢降落,表明上部淺層滑體仍在變形。

孔壓監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示滑坡響應(yīng)在庫水抬升時具有一定的滯后性,待庫水首次驟降時滲流通道的形成減弱了這種滯后性,而庫水二次驟降時滯后性已不明顯。因此,庫水經(jīng)多次驟降后滑坡響應(yīng)變快,深層地下水受動水壓力作用較淺層地下水更為強烈。庫水調(diào)度后期驟降速率增大,孔壓降幅增高,并且淺表孔壓降幅大于深部?；孪虏靠讐涸鼋捣仁侵猩喜康?～5倍,受庫水影響最大。

4.3 土壓變化

由于離心機運行全過程滑體土壓不斷變化,故時間軸起點為離心機加載初始時刻?；w深部土壓S1—S3變化如圖10(a)所示,中后部S4、S5變化如圖10(b)所示。

圖10 滑體土壓變化曲線Fig.10 Curves of soil pressure change of sliding body

土壓S1—S3隨加速度線性增大,在加速度穩(wěn)定時基本不變。加載至70g后,S3最大,S2次之,而S1最小,表明滑坡變形越大,土壓力越小。2 520 s時,滑坡開始蓄水,S1出現(xiàn)了陡增,這是因為由出水閥流出的水滲入了滑坡前緣,而S2、S3出現(xiàn)了小幅增加,這是由于靜水反壓力壓實了滑體,導(dǎo)致滑體穩(wěn)定性提升,從而土壓力增大。在第4 561 s至4 732 s及第6 241 s至6 365 s過程中S1陡降,這是因為靜水壓力隨水位驟降逐漸消散,反壓力減小,滑坡前緣產(chǎn)生蠕滑變形、裂縫、拉裂滑移,從而坡體應(yīng)力釋放,而土壓S2、S3均有小幅下降,表明該位置變形較小。

土壓S4、S5變化趨勢在2 520 s前同S1—S3一致,但蓄水階段增幅不明顯。加載至70g時,S4增幅為S5的1.9倍,表明滑體中后部淺層土壓力受滑坡變形影響較大,而深層較小。加水后S4、S5徐徐上升,這是因為少許庫水滲入導(dǎo)致土體壓密土壓力增大。S4在第6 241 s至6 365 s的降速明顯大于第4 561 s至4 732 s,受庫水驟降速率影響較大,而S5在第4 561 s至4 732 s的降幅略高于第6 241 s至6 365 s,受滑坡變形影響強烈,表明此時該位置出現(xiàn)微小裂縫或變形,庫水二次驟降加劇了該裂縫或變形擴展。

4.4 含水率

試驗結(jié)束后沿滑坡中間縱剖面分層取土,共采集20份土樣進行含水率測定,得到滑體含水率分布如圖11所示。

圖11 試驗結(jié)束后滑坡含水率分布Fig.11 Distribution of water content of landslideafter the test

從縱向來看,滑坡縱剖面含水率隨深度增加而增大,水位變動區(qū)含水率變幅大于水位變動區(qū)上部,圖11顯示水位變動區(qū)含水率縱向變幅為1%左右,水位變動區(qū)上部在2%以上;從橫向來看,距庫岸越遠含水率越低,該現(xiàn)象在水位變動區(qū)更為明顯。同時,孔壓P4、P6處及其上覆土含水率較低,相對初始含水率增加約1%～1.8%,其中后部表層滑體含水率低于初始含水率,這與試驗過程中滑坡淺表受到的風(fēng)干作用有關(guān),P4、P6位置以下土體含水率較高,分布區(qū)間為13.4%～19.4%,相對初始含水率最高增加了7.4%,表明試驗結(jié)束后該處土體仍飽和。此外,庫水入滲方向大致呈圖示虛線路徑,臨近高水位區(qū)域由于庫水作用強度較弱導(dǎo)致入滲方向漸趨于水平。滑坡中前部發(fā)生變形滑塌呈內(nèi)凹狀,土體在坡腳處雍積形成新的穩(wěn)定狀態(tài)。

4.5 失穩(wěn)演化機制

通過滑體變形過程分析,在蓄水階段,滑坡前緣持續(xù)被水浸泡軟化,地下水滯留在坡體內(nèi)形成的浮托力與庫水對坡體的滲透壓力相互抵消,因此水位抬升階段滑坡未見明顯變形產(chǎn)生。

水位首次驟降初期,滑坡地下水的滲流形成了指向坡體前緣的動水壓力,在坡體下滑力的牽引下軟化的巖土體發(fā)生蠕滑變形,導(dǎo)致滑體前部產(chǎn)生拉裂縫,同時滑坡中后部在前部變形體的牽引下產(chǎn)生張拉裂縫;在水位首次驟降中后期,滲流作用增強,滑坡前緣拉裂縫在強烈的動水壓力作用下進一步沿橫向及深部擴展、貫通,從而產(chǎn)生下錯滑塌,牽引滑坡中后部張拉裂縫繼續(xù)擴張,呈現(xiàn)出從前緣至后部變形逐漸減弱的牽引式破壞特征。

水位二次驟降時,滑體沿裂縫斷裂帶繼續(xù)下滑,滑坡發(fā)生整體失穩(wěn),但滑動程度明顯弱于首次驟降,中后部張拉裂縫擴展微弱,這是因為此時啟動水位較低,即使水位驟降速率翻倍,地下水滲流作用強度仍偏低,動水壓力效應(yīng)弱于水位首次驟降,因此整個試驗過程滑體變形呈現(xiàn)出開始變形到加速變形再到減速變形的衰減變形特征。

其中滑坡中后部呈現(xiàn)豎向變形壓密,增強了該部位的抗滑能力,因此變形量相對較小,各部位變形特征如圖12所示。

圖12 滑坡失穩(wěn)演化機制Fig.12 Landslide deformation evolution model

總體上看,導(dǎo)致滑坡模型失穩(wěn)的水位驟降速率區(qū)間為3.4～7.3 cm/min,對應(yīng)滑坡原型水位驟降速率區(qū)間0.7～1.5 m/d,滑坡變形對庫水升降的滯后性程度為水位抬升階段>水位首次驟降>水位二次驟降。對于水位連續(xù)驟降工況,滑坡變形受水位首次驟降影響較大,二次驟降次之,水位抬升最小,屬于動水壓力型滑坡。

5 結(jié) 論

(1)庫水抬升階段,孔壓具有一定的滯后性,其中滑體中后部更為明顯?；瑤Р课煌翂撼霈F(xiàn)陡增,而滑體中后部增幅較小。該階段滑體產(chǎn)生固結(jié)沉降,未出現(xiàn)明顯變形。

(2)庫水首次驟降階段,孔壓滯后性減弱,滑體前緣土壓驟降,中后部土壓降幅較小?；w前緣拉裂縫在強動水壓力作用下繼續(xù)發(fā)展貫通,產(chǎn)生下錯滑塌,中后部在變形體牽引下出現(xiàn)張拉裂縫。

(3)庫水二次驟降階段,孔壓滯后性已不明顯,滑體前緣土壓仍在陡降,而中后部降幅弱于庫水首次驟降?；w沿斷裂帶繼續(xù)下滑,但滑動的劇烈程度明顯減弱,中后部裂縫擴展微弱,表現(xiàn)出逐漸趨穩(wěn)的特征。

(4)該滑坡地下水受動水壓力影響程度:深層地下水>淺層地下水,滑坡失穩(wěn)時水位驟降速率區(qū)間為0.7～1.5 m/d,庫水位首次驟降對滑坡變形影響強于二次驟降,變形部位表現(xiàn)出由前緣至后部逐漸減弱的牽引式破壞特征,變形劇烈程度表現(xiàn)出從初始變形到加速變形最后減速變形的衰減特征。