謝 鵬， 陳 昊， 朱 蕾， 卿 菁

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展， 很多水電工程建設(shè)項(xiàng)目在峽谷區(qū)實(shí)施， 峽谷地區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜， 本身就存在大量的欠穩(wěn)定滑坡體， 水電工程的建設(shè)在峽谷區(qū)產(chǎn)生了大量的庫(kù)岸滑坡地質(zhì)災(zāi)害， 一定程度上限制了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1-3]。 因此， 庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性分析和邊坡的破壞模式以及破壞機(jī)理一直是邊坡研究的一個(gè)重點(diǎn)課題。 在眾多發(fā)生的邊坡失穩(wěn)案例中， 庫(kù)水位變化和突發(fā)性降雨起著舉足輕重的影響作用[4-6]， 成為邊坡地質(zhì)災(zāi)害熱門(mén)研究領(lǐng)域之一。

何滿(mǎn)潮等研究了地下水在邊坡不同巖體介質(zhì)中的力學(xué)狀態(tài)， 總結(jié)了地下水對(duì)邊坡的作用方式； 王樂(lè)等[7-11]通過(guò)邊坡滲流與坡面徑流條件， 得出三維有限元模型邊坡滲流場(chǎng)； 張玨等用[12-13]DDA方法建立了連續(xù)的裂隙滲流空間場(chǎng)，擴(kuò)展了裂隙滲流計(jì)算空間及精度； 薛陽(yáng)等[14]利用核磁共振等科學(xué)技術(shù)獲取了涉水邊坡坡體水的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)， 研究了邊坡滲透系數(shù)的變化特征。 陳祖煜等用[15-19]極限平衡法、 有限元法和其它的散體分析方法對(duì)庫(kù)岸涉水邊坡穩(wěn)定進(jìn)行了定量分析。 然而假定條件與現(xiàn)場(chǎng)不一定相符， 故物理模型試驗(yàn)?zāi)茉趩我缓投鄠€(gè)誘發(fā)因素耦合作用下， 最大程度真實(shí)展現(xiàn)滑坡孕育、 發(fā)展乃至失穩(wěn)破壞的全過(guò)程[20-25]。 本文對(duì)千將坪滑坡進(jìn)行物理模型試驗(yàn)， 探討在不同角度下降雨和庫(kù)水位耦合作用下滑坡的破壞過(guò)程， 在一定程度上有益于縮小理論與實(shí)際的差異， 對(duì)庫(kù)岸滑坡預(yù)警有一定的借鑒價(jià)值。

1 滑坡概況

千將坪滑坡位于秭歸縣沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)千將坪村，所在的青干河河段右岸(南岸)為逆向陡崖，千將坪滑坡體主滑區(qū)為舌狀地形，左岸(北岸)為順向坡，坡度13°～35°。斜坡形態(tài)呈平直坡，北西-南東向展布，北西高南東低，滑體后緣高程400 m，前緣高程90 m。斜坡上陡下緩，平均坡度25 °?；w長(zhǎng)1150 m，寬600 m,平均厚度約25 m，體積1725×104 m3，屬于特大型滑坡。主滑方向140 °。滑坡滑動(dòng)前及三峽水庫(kù)蓄水前的天然條件下，谷底寬度50～80 m，高程89 m左右，枯水期水深0.5～3.0 m。三峽水庫(kù)135 m高程水位下，河面寬度200～300 m，水深45 m左右?；w主要由塊裂巖體組成，在滑坡表面局部見(jiàn)有松散堆積塊體及原地表崩坡積物。巖性為中厚層粉沙質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉沙巖夾厚層長(zhǎng)石石英砂巖，巖體一般為塊狀～次塊狀結(jié)構(gòu)，局部沿裂隙斷開(kāi)形成裂縫，巖體較為破碎。滑帶物質(zhì)組成主要為碳質(zhì)頁(yè)巖夾方解石脈及生屑灰?guī)r透鏡體，多處見(jiàn)3～10 cm厚的泥化粘土透鏡體。滑床為微風(fēng)化新鮮的中厚層粉沙質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉沙巖夾厚層長(zhǎng)石石英砂巖，僅沿部分裂隙有輕微蝕變。

2 滑坡物理模型

2.1 模型制作及試驗(yàn)工況

選取主滑方向作為千將坪滑坡物理模型試驗(yàn)研究。 將剖面材料分成滑床、 滑帶、 滑體等三個(gè)分區(qū)(圖1)。 根據(jù)現(xiàn)有滑坡模型試驗(yàn)系統(tǒng)中模型槽的尺寸， 確定試驗(yàn)剖面模型長(zhǎng)度和原型長(zhǎng)度的相似比為1∶190， 模型長(zhǎng)6000 cm， 最大高度為2100 cm。

圖 1 千將坪滑坡主滑方向剖面概化分區(qū)圖

根據(jù)現(xiàn)有的的較完備的量測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中滑坡體的位移場(chǎng)的變化進(jìn)行較準(zhǔn)確的量測(cè)，該滑坡模型試驗(yàn)系統(tǒng)由試驗(yàn)平臺(tái)起降控制系統(tǒng)、室內(nèi)人工降雨控制系統(tǒng)、水庫(kù)水位控制系統(tǒng)、多物理量測(cè)試系統(tǒng)、非接觸位移量測(cè)試系統(tǒng)組成。試驗(yàn)平臺(tái)一端的底部為鉸支，另一端可以自由抬升，其最大抬升角度為20°。

為了分析千將坪滑坡在水庫(kù)蓄水和降雨條件下位移場(chǎng)的變化特征，在剖面Ⅰ到剖面Ⅳ各埋設(shè)一個(gè)孔隙水壓力傳感器、一個(gè)土壓力傳感器和位移傳感器，如圖2所示。

在試驗(yàn)過(guò)程中，使模型的傾角分別為0°、7°、10°，對(duì)試驗(yàn)整個(gè)過(guò)程的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，形成滑坡模型試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2 相似材料

模型幾何相似比采用n=190，密度相似比為1，根據(jù)相似原理，采用量綱分析法可以推導(dǎo)模型材料各參數(shù)的相似比存在如下

式中：C為相似比，φ為內(nèi)摩擦角，μ為泊松比，c為粘聚力，E為彈性模量，k為滲透系數(shù)，v為庫(kù)水波動(dòng)速率，q為雨墻，t為時(shí)間。

根據(jù)試驗(yàn)和工程類(lèi)比得到千將坪滑坡主要物理力學(xué)參數(shù)建議值。本試驗(yàn)滑帶相似材料選取的是大小玻璃、滑帶土和水，滑體選取的是重晶砂、河砂、重晶石粉、石蠟、粘土和水。根據(jù)相似理論和試驗(yàn)配比進(jìn)行多組材料試驗(yàn)，然后進(jìn)行分析比較，得到目標(biāo)滑體、滑帶物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖3 千將坪滑坡模型試驗(yàn)?zāi)M水庫(kù)蓄水、降雨過(guò)程

表1 滑坡模型物理力學(xué)參數(shù)

3 千將坪滑坡試驗(yàn)結(jié)果及分析

在模型架傾斜角度分別為0°、7°、10°情況下，對(duì)模型模擬水庫(kù)蓄水、降雨過(guò)程，以及滑坡模型試驗(yàn)整個(gè)過(guò)程的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，形成滑坡模型試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

從圖4到6可以看出，模型傾角為0°時(shí)，滑坡前緣剖面Ⅰ的孔隙水壓力在庫(kù)水位上升一段時(shí)間后才開(kāi)始增大，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的穩(wěn)定，在降雨后又上升然后下降，然后趨向平穩(wěn)，說(shuō)明庫(kù)水入滲需要一定的時(shí)間，孔隙水壓力滯后于庫(kù)水位上升，且降雨和庫(kù)水位都會(huì)增加孔隙水壓力；剖面Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ幾乎沒(méi)有出現(xiàn)明顯的孔隙水壓力變化情況。模型傾角為7°時(shí)剖面Ⅰ的孔隙水壓力與0°時(shí)相似，不過(guò)孔隙水壓力值更大，剖面Ⅱ、Ⅲ與剖面Ⅰ出現(xiàn)同樣的變化過(guò)程，剖面Ⅳ變化過(guò)程與0°時(shí)相似。模型傾角為10°時(shí)剖面Ⅰ、Ⅱ變化過(guò)程與0°、7°相似，不過(guò)孔隙水壓力在降雨后一段時(shí)間達(dá)到峰值，然后急劇下降，剖面Ⅲ、Ⅳ沒(méi)有明顯的變化。

圖 4 0°各剖面孔隙水壓力

圖 5 7°各剖面孔隙水壓力

圖 6 10°各剖面孔隙水壓力

從圖7到圖9可以看出，模型架在0°和7°時(shí)，各剖面的土壓力沒(méi)有太大的變化；在10°時(shí)，剖面Ⅰ、Ⅱ降雨前土壓力與0°和7°工況相似，不過(guò)急降雨過(guò)后一段時(shí)間急劇上升然后下降，這時(shí)剖面Ⅰ、Ⅱ已經(jīng)破壞，與圖12各剖面位移變化線(xiàn)相符合。

圖 7 0°各剖面土壓力

圖 8 7°各剖面土壓力

圖 9 10°各剖面土壓力

圖10到圖12顯示出：0°和7°時(shí)各剖面沒(méi)有明顯的位移變化情況，與相應(yīng)工況土壓力變化情況呈正相關(guān)。導(dǎo)致0°和7°工況位移變化出現(xiàn)波動(dòng)的主要原因是：降雨從坡體表面入滲會(huì)引起孔隙水壓力增大，孔隙水壓力增大導(dǎo)致地表附近非飽和土的基質(zhì)吸力降低，這就容易導(dǎo)致土體變形，但這種增大現(xiàn)象滯后于降雨過(guò)程，這主要是由于降雨入滲需要一定的時(shí)間。當(dāng)降雨停止后，由于地表的蒸發(fā)作用,使得孔隙水壓力減小，這就致使地表附近非飽和土體基質(zhì)吸力升高，提高土體的抗剪強(qiáng)度，使得土體的變形受到制約。

圖10 0°各剖面位移變化過(guò)程線(xiàn)

圖11 7°各剖面位移變化過(guò)程線(xiàn)

圖12 10°各剖面位移變化過(guò)程線(xiàn)

圖13是模型試驗(yàn)結(jié)束后坡體的堆積形態(tài)，為了便于比較，將滑坡原型滑前滑后地質(zhì)剖面按比例繪制在圖片上?？梢钥吹交略突蠖逊e形態(tài)與模型堆積形態(tài)基本一致，說(shuō)明通過(guò)傾斜模型的方式獲得的邊坡破壞形態(tài)和原型一致。本次模型試驗(yàn)最大真實(shí)程度展現(xiàn)滑坡孕育、發(fā)展乃至失穩(wěn)破壞的全過(guò)程，明晰了全過(guò)程中水壓力、土壓力及位移的變化情況，能為滑坡預(yù)警及治理設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。

圖13 千將坪滑坡模型滑后堆積形態(tài)

4 結(jié)論

通過(guò)在不同角度工況下對(duì)滑坡模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，可以得出以下結(jié)論：

1)隨著模型架角度的增大，滑面傾角也隨之增大，在同樣降雨和庫(kù)水位耦合作用下更容易失穩(wěn)。

2)不同監(jiān)測(cè)剖面位移變化特征表明降雨和庫(kù)水位耦合作用下，位移基本存在于滑坡前緣，滑坡后緣波動(dòng)較弱，表現(xiàn)出牽引式滑坡特征。

3)水壓力和土壓力在滑坡破壞前瞬間都急劇增大達(dá)到峰值，破壞失穩(wěn)時(shí)急劇減小，呈現(xiàn)出應(yīng)力重分布現(xiàn)象。在滑坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)前，孔隙水壓力和土壓力都變得異常，可以作為滑坡即將失去穩(wěn)定性的預(yù)兆之一。