基于滑帶土強(qiáng)度特性的水庫蓄水誘發(fā)滑坡研究綜述

陳曉平

(暨南大學(xué)理工學(xué)院,廣東廣州 510632)

基于滑帶土強(qiáng)度特性的水庫蓄水誘發(fā)滑坡研究綜述

陳曉平

(暨南大學(xué)理工學(xué)院,廣東廣州 510632)

針對(duì)滑帶土強(qiáng)度特性及對(duì)庫岸滑坡的影響,通過回顧國內(nèi)外一些代表性的成果,歸納和總結(jié)滑帶土殘余強(qiáng)度、強(qiáng)度的應(yīng)變軟化規(guī)律、邊坡涉水后強(qiáng)度的水軟化規(guī)律、邊坡漸進(jìn)性破壞等方面的研究現(xiàn)狀,并對(duì)水位變動(dòng)條件下庫岸滑坡的研究手段和技術(shù)路徑進(jìn)行探討。

滑帶土;殘余強(qiáng)度;水庫蓄水;庫岸滑坡;土強(qiáng)度軟化

我國有豐富的水力資源,隨著水利開發(fā)戰(zhàn)略的逐步實(shí)施,陸續(xù)建設(shè)了各類水庫工程,由人類活動(dòng)產(chǎn)生的特殊營力在某些情況下已超過自然營力,在造福一方的同時(shí)必將產(chǎn)生相應(yīng)的環(huán)境問題,其中一個(gè)重要的負(fù)面影響就是可能誘發(fā)庫區(qū)古滑坡的復(fù)活或部分復(fù)活,也可能沿軟弱地質(zhì)帶產(chǎn)生新的滑坡。

水庫型滑坡90%左右與水有關(guān),其中與庫水位變動(dòng)有關(guān)的滑坡比例非常高。Jones等調(diào)查了Roosevelt湖附近 1941—1953年發(fā)生的一些滑坡,49%發(fā)生在1941—1942年的蓄水初期,30%發(fā)生在水位驟降10～20m的情況;日本40%滑坡發(fā)生在水位上升期(包括蓄水初期),60%發(fā)生在水位驟降期[1];我國也有統(tǒng)計(jì)資料表明,庫岸失穩(wěn)破壞發(fā)生在庫水位上升期約占40%～49%,發(fā)生在水位消落期約占 30%[2]。另外如美國大古力水庫在 1942—1953年間的約500處岸坡失穩(wěn)、奧地利Cepatsch壩蓄水及水庫運(yùn)行初期1965—1969年間的古滑坡變形,以及國內(nèi)黃龍灘水庫在1974—1985年間的73處滑坡[2],三峽庫區(qū)在175m水位范圍內(nèi)的1000多個(gè)大大小小的滑坡等[3],無一不與水庫蓄水、庫水位變動(dòng)、降雨等水環(huán)境變化有關(guān)。給世人留下極為深刻教訓(xùn)的意大利Vajont水庫滑坡和湖南拓溪水庫塘巖光滑坡更是以慘重的生命代價(jià)和巨大的財(cái)產(chǎn)損失證實(shí)了不利的地貌和地質(zhì)環(huán)境再疊加水庫蓄水影響是導(dǎo)致滑坡的重要因素[4]。另外,據(jù)國際大壩委員會(huì)(ICOLD)2002年對(duì)6個(gè)國家50座水庫的105個(gè)滑坡事件的統(tǒng)計(jì),在各類滑坡中有75%的滑坡為古滑坡復(fù)活。

水庫蓄水誘發(fā)滑坡的諸多原因中,含滑動(dòng)帶高邊坡中滑帶土強(qiáng)度特性及在水庫蓄水期間涉水滑帶土強(qiáng)度軟化是一項(xiàng)重要的控制因素,與滑帶土殘余強(qiáng)度、從峰值強(qiáng)度到殘余強(qiáng)度的衰減規(guī)律以及滑坡體前緣浸水后的強(qiáng)度軟化等有關(guān)。在水庫型滑坡的眾多研究中,從降雨入滲方面,或從滲透穩(wěn)定方面的研究一直被廣泛關(guān)注,而從滑帶土強(qiáng)度特性方面的研究相對(duì)較少,散見的成果不僅離深刻揭示這一問題還有較大距離,更重要的是獲得成果的研究手段和技術(shù)路徑本身也還值得研究。

滑帶土是滑坡的重要組成部分,從某種意義上說,滑帶土的剪切破壞機(jī)理就是滑坡的孕育和復(fù)活機(jī)理,從這一角度研究水庫型滑坡對(duì)于邊坡理論的完善、實(shí)際工程的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)以及水庫控制運(yùn)行都是很有意義的。本文從滑帶土殘余強(qiáng)度、強(qiáng)度隨應(yīng)變的降低規(guī)律、土體浸水后強(qiáng)度下降特征,以及含滑動(dòng)帶的庫岸邊坡由于水庫蓄水導(dǎo)致的漸進(jìn)性破壞等幾個(gè)方面對(duì)國內(nèi)外主要研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納和總結(jié),并對(duì)水位變動(dòng)條件下庫岸滑坡的研究手段和技術(shù)路徑進(jìn)行探討。

1 滑帶土殘余強(qiáng)度研究

土體殘余強(qiáng)度及對(duì)土質(zhì)邊坡長期穩(wěn)定性影響的研究從Skempton[5]針對(duì)倫敦黏土提出以來一直沒有間斷,研究成果可從3個(gè)方面分類:殘余強(qiáng)度的確定方法、殘余強(qiáng)度的影響因素以及殘余強(qiáng)度的發(fā)揮機(jī)理。

1.1 殘余強(qiáng)度的確定方法

殘余強(qiáng)度的確定方法包括室內(nèi)試驗(yàn)方法、原位試驗(yàn)方法、反分析法以及微結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法等。其中反分析法基于極限平衡原理,比較適用于古滑坡體評(píng)價(jià)和正在緩慢滑動(dòng)的斜坡預(yù)測(cè),但分析過程需給定安全系數(shù),所獲結(jié)果有較大的不確定性[6-8]。

微結(jié)構(gòu)檢測(cè)手段主要有X射線衍射、電鏡掃描、壓汞等,由于黏土礦物之間、黏土礦物和孔隙水之間具有復(fù)雜的化學(xué)作用機(jī)理[9-10],因而研究結(jié)果在定量揭示微觀與宏觀關(guān)系上一直未取得突破性進(jìn)展[11]。

室內(nèi)試驗(yàn)是研究殘余強(qiáng)度的重要及常用手段,所用試驗(yàn)儀器主要有反復(fù)直剪儀、環(huán)剪儀和三軸剪切儀等,其中反復(fù)直剪試驗(yàn)是我國試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法,在國內(nèi)應(yīng)用最多,但該試驗(yàn)方法除了直剪試驗(yàn)本身的缺陷外,針對(duì)含砂粒較多的細(xì)粒土很難順利進(jìn)行,也很難獲得理想結(jié)果,另外,由于試驗(yàn)時(shí)要剔除粒徑大于2mm的顆粒,所以對(duì)于含礫細(xì)粒土,試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際殘余強(qiáng)度有較大的差異。環(huán)剪試驗(yàn)在確定殘余強(qiáng)度時(shí)其剪切性狀比反復(fù)直剪試驗(yàn)更合理[12-14],試驗(yàn)儀器也在不斷的改進(jìn)中逐漸完善,但在針對(duì)含砂(礫)粒較多的細(xì)粒土進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)存在與直剪試驗(yàn)同樣的問題,所以一般不能反映含粗粒細(xì)粒土的強(qiáng)度。此外,該儀器在國外發(fā)達(dá)國家應(yīng)用較多,但在國內(nèi)實(shí)際工程中的應(yīng)用遠(yuǎn)不如反復(fù)直剪儀普遍。三軸剪切試驗(yàn)測(cè)試殘余強(qiáng)度在巖石材料中應(yīng)用較多[15],針對(duì)土體采用較少,有學(xué)者通過切面剪的方法將其應(yīng)用于土體殘余強(qiáng)度的確定[16],由于試樣制備比較困難,一直很少作為工程試驗(yàn)的主要手段。

在所有的確定殘余強(qiáng)度方法中,原位試驗(yàn)無疑是最接近真實(shí)條件的,可以直接反映現(xiàn)場(chǎng)滑帶土的情況,但較高的試驗(yàn)成本使得研究數(shù)量非常有限,目前所獲得的成果大多是結(jié)合具體工程[17-20],其中依托三峽工程大型滑坡體所進(jìn)行的多個(gè)滑帶土原位剪切試驗(yàn)獲得了最為豐富的成果[11]。

1.2 殘余強(qiáng)度的影響因素

殘余強(qiáng)度的影響因素比較集中于表征土的水理性質(zhì)指標(biāo),如黏粒含量、塑性指數(shù)、礦物比表面積等,同時(shí)現(xiàn)有的理論與試驗(yàn)結(jié)果都證明殘余強(qiáng)度與應(yīng)力歷史和初始結(jié)構(gòu)無關(guān)[12,21],所以確定殘余強(qiáng)度可用擾動(dòng)土試樣進(jìn)行。研究表明,細(xì)粒土殘余強(qiáng)度隨著黏粒含量增加而降低,隨著塑性指數(shù)增加而降低,隨著比表面積增加而降低,反映這些水理性質(zhì)量化影響的單因素或多因素經(jīng)驗(yàn)公式相繼被研究者提出[22-30]。由于工程背景和土體的多樣性,通過殘余強(qiáng)度研究建立的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系和量化閾值的普適性一般都不高[25],即使是同一種土,由于試樣制備和試驗(yàn)過程的差異都會(huì)對(duì)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系產(chǎn)生影響[31]。所以,對(duì)于殘余強(qiáng)度影響因素的研究,標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法的確定比經(jīng)驗(yàn)公式更為有效。

1.3 殘余強(qiáng)度的發(fā)揮機(jī)理

滑帶土殘余強(qiáng)度的發(fā)揮機(jī)理與土的三相組成和剪切速率有關(guān)。

Gibo等[27]通過環(huán)剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粉粒和砂粒含量較高的滑帶土當(dāng)效法向應(yīng)力較低時(shí)強(qiáng)度有明顯的恢復(fù);任光明等[32]發(fā)現(xiàn)滑帶土再生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與含水量有關(guān);Lupini等[24]認(rèn)為黏性土殘余強(qiáng)度的發(fā)揮機(jī)理和剪切性狀都是由黏粒含量和黏土礦物顆粒形狀控制;Skempton[6]發(fā)現(xiàn)黏粒含量超過50%后土體殘余強(qiáng)度基本由黏土礦物間的摩擦產(chǎn)生。

剪切速率對(duì)殘余強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在剪切速率大于0.01mm/min的情況[6];Lemos[33]通過改變剪切速率觀察到了快速剪切對(duì)殘余強(qiáng)度的影響;Tika等[34-35]通過環(huán)剪試驗(yàn)對(duì)殘余強(qiáng)度的剪切速度效應(yīng)進(jìn)行了非常細(xì)致的研究,認(rèn)為由于土體在快速剪切過程中剪切面的剪脹效應(yīng)和結(jié)構(gòu)破壞特征,快速剪切的速度影響效應(yīng)可分為正速度效應(yīng)、負(fù)速度效應(yīng)以及介于它們之間的中速度效應(yīng)3種不同情況,產(chǎn)生的影響分別為快剪殘余強(qiáng)度大于慢剪、快剪殘余強(qiáng)度小于慢剪和快剪殘余強(qiáng)度基本等于慢剪,并通過瓦依昂水庫滑帶土的環(huán)剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在100mm/min的剪切速率下最小快剪強(qiáng)度值僅為慢剪強(qiáng)度值的60%;Wang等[36]針對(duì)千將坪古滑坡復(fù)活條件下滑帶土的環(huán)剪試驗(yàn)得出了剪切速率對(duì)強(qiáng)度的影響在剪切速率高于某值時(shí)不能忽略的結(jié)論,但這個(gè)值到底是多少卻與土類及滑帶土所處位置有關(guān),一般在10mm/s以上 ;等等。

1.4 含粗粒細(xì)粒土殘余強(qiáng)度

目前有關(guān)殘余強(qiáng)度的研究,特別是室內(nèi)試驗(yàn)研究,大多是針對(duì)細(xì)粒土,通過細(xì)粒土試驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證的對(duì)殘余強(qiáng)度有明顯影響的因素如黏粒含量、塑限指數(shù)等雖然獲得了共識(shí),但并不表明完全適用于含有較多粗顆粒的滑帶土。我國鐵道部科學(xué)研究院西北研究所1979年曾研究過粗粒含量對(duì)殘余強(qiáng)度的影響[37],發(fā)現(xiàn)當(dāng)含水量大于塑限、粗粒含量大于30%時(shí)對(duì)殘余強(qiáng)度有明顯影響。近年來,李遠(yuǎn)耀等[38]結(jié)合三峽工程資料對(duì)庫區(qū)3000多組滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行了分析和統(tǒng)計(jì),證明粗顆粒含量對(duì)殘余強(qiáng)度的影響是不可忽視的。Wen等[11]通過翔實(shí)的數(shù)據(jù)比較了三峽滑坡區(qū)域滑帶土室內(nèi)反復(fù)剪試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)對(duì)于含礫細(xì)粒土來說,室內(nèi)外殘余強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果有很大的不一致:室內(nèi)反復(fù)剪試驗(yàn)結(jié)果由于在試樣制備中剔除了礫粒,所以殘余強(qiáng)度摩擦角呈現(xiàn)的規(guī)律與以往有關(guān)細(xì)粒土的研究結(jié)果一致;而現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)卻揭示殘余強(qiáng)度摩擦角與粒徑分布密切相關(guān),隨著粗粒含量增加而增加,隨著細(xì)粒含量增加而降低,與塑性指數(shù)相關(guān)性反而很低;另外還發(fā)現(xiàn)殘余強(qiáng)度與細(xì)粒土的關(guān)系其實(shí)與細(xì)粒土,即黏粒和砂粒含量的總體相關(guān)性很高,并非與黏?；蛏傲５哪骋环N含量有關(guān)。

我國庫岸邊坡中的滑帶土很多都屬于含粗粒土的細(xì)粒土,這與國外一些學(xué)者所研究的完全由黏土礦物組成的滑動(dòng)帶對(duì)象有很大的不同,如Skempton[6]研究的倫敦黏土、Mesri等[31]研究的英國石灰?guī)r黏土、Tiwari等[30]研究的日本第三紀(jì)泥巖。針對(duì)粗粒含量較高的滑帶土的殘余強(qiáng)度研究一直沒有引起足夠重視的原因,除了許多研究主要是在延續(xù)和驗(yàn)證早期的一些經(jīng)典成果外,還因?yàn)槟壳笆覂?nèi)試驗(yàn)的一些局限及已有的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)只能針對(duì)細(xì)粒土。

2 滑帶土強(qiáng)度的軟化規(guī)律研究

2.1 滑帶土強(qiáng)度的應(yīng)變軟化

滑帶土隨著剪切應(yīng)變的發(fā)展從峰值強(qiáng)度降低到殘余強(qiáng)度的軟化規(guī)律是滑帶土剪切特性的另一項(xiàng)重要特征。由于黏性土或泥化夾層經(jīng)歷很小的初始位移即可達(dá)到殘余強(qiáng)度,所以在古滑帶和滑坡存在一定蠕動(dòng)變形的情況下,進(jìn)行整體穩(wěn)定分析時(shí)一般可直接采用殘余強(qiáng)度。但對(duì)于粗粒含量較高的細(xì)粒土及斜坡的漸進(jìn)破壞而言,在滑坡的不同發(fā)育階段以及不同部位的滑帶土可能具有不同的強(qiáng)度性狀,即滑動(dòng)帶一般不會(huì)同時(shí)或全部達(dá)到殘余強(qiáng)度,而應(yīng)是處于與剪切變形有關(guān)的、以峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度作為邊界值之間的某種強(qiáng)度。因而,基于滑帶土強(qiáng)度特性的邊坡穩(wěn)定分析除了需要確定殘余強(qiáng)度外,還應(yīng)該確定強(qiáng)度與剪切應(yīng)變的關(guān)系及衰減至最小強(qiáng)度的過程,即強(qiáng)度的應(yīng)變軟化規(guī)律。

針對(duì)土體從峰值強(qiáng)度到殘余強(qiáng)度的過程,Skempton[6]通過超固結(jié)原狀土剪切性狀研究定義了一個(gè)軟化強(qiáng)度,認(rèn)為該強(qiáng)度產(chǎn)生于超固結(jié)土中的剪脹作用,對(duì)滑坡啟動(dòng)有一定控制影響。王恭先[39-40]認(rèn)為峰值強(qiáng)度后的剪切過程將導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)破壞和膨脹吸水軟化,所形成的軟化強(qiáng)度在數(shù)值上相當(dāng)于結(jié)構(gòu)破壞后重塑土正常固結(jié)的峰值強(qiáng)度。Timothy等[41]通過針對(duì)裂隙硬黏土滑坡研究后認(rèn)為完全軟化強(qiáng)度與液限、黏粒含量等有關(guān),另外當(dāng)強(qiáng)度衰減至完全軟化強(qiáng)度后隨著剪切位移的增加還存在一個(gè)滑動(dòng)啟動(dòng)強(qiáng)度,數(shù)值上比較接近軟化強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度均值。Mesri等[42]通過黏性土滑坡實(shí)測(cè)資料的反分析指出,滑動(dòng)啟動(dòng)強(qiáng)度其實(shí)更取決于經(jīng)驗(yàn)判斷,可以定義為峰值強(qiáng)度的某一折減η,比如對(duì)于高塑性硬黏土可取到40%以下。由此可見,從峰值強(qiáng)度到殘余強(qiáng)度之間的軟化規(guī)律雖然可以從邊坡滑動(dòng)機(jī)理上得到合理解釋,但在實(shí)際應(yīng)用中卻很難量化確定,現(xiàn)有研究成果能互相驗(yàn)證并能指導(dǎo)實(shí)際工程的很少。這也表明了滑帶土剪切特性除了具有土體單元的一般力學(xué)機(jī)理外,還會(huì)因邊坡的蠕動(dòng)變形及滑動(dòng)帶各部位逐漸達(dá)到破壞這一過程而使得描述比較復(fù)雜。

2.2 滑帶土強(qiáng)度的水軟化

對(duì)于庫岸邊坡來說,滑動(dòng)帶處于地下水營力最活躍部位,特別是水庫蓄水后將形成大量涉水岸坡,水對(duì)滑帶土強(qiáng)度的影響是構(gòu)成滑帶土剪切特性的又一重要因素。水庫蓄水對(duì)滑帶土剪切強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)在2個(gè)方面:一是直接影響,即滑帶土浸水后強(qiáng)度下降;另一是間接影響,即水位上升造成浸水滑面上有效應(yīng)力減少或抗滑阻力減少導(dǎo)致蠕滑復(fù)活或加速過程中滑帶土強(qiáng)度隨剪切變形產(chǎn)生的變化。

滑帶土強(qiáng)度遇水將降低可以從機(jī)理上得到合理解釋,但是量化分析卻比較困難。根據(jù)Skempton[6]對(duì)倫敦黏土的環(huán)剪試驗(yàn)結(jié)果,滑帶土的殘余強(qiáng)度是與含水量無關(guān)的,這表明環(huán)剪過程中真正做到了充分排水。如果采用直接剪切慢剪試驗(yàn),由于試驗(yàn)中很難保證充分排水,所以一般會(huì)得出殘余強(qiáng)度與含水量有關(guān)的認(rèn)識(shí)[43-45]。黃潤秋等[46]曾針對(duì)雅礱江上游某滑帶土進(jìn)行了三軸試驗(yàn)和直剪試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度的水敏感性是很明顯的。另外,王思敬[47]通過直剪試驗(yàn)對(duì)比了浸水10d和干燥狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)tanφ下降15%～20%,c值下降35%～75%;陳曉平等[48]針對(duì)全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖進(jìn)行了殘余強(qiáng)度試驗(yàn),然后再浸水15d,測(cè)得強(qiáng)度相對(duì)于殘余強(qiáng)度摩擦角進(jìn)一步降低了7%。這些研究成果比較零散,缺乏進(jìn)一步的驗(yàn)證,不僅不能很好地揭示滑帶土強(qiáng)度在水作用下的軟化規(guī)律,也沒有提出確定的、可以相互參照的試驗(yàn)方法。

水庫蓄水對(duì)滑帶土強(qiáng)度的間接影響有更加復(fù)雜的機(jī)制,水位上升造成浸水滑動(dòng)面上有效應(yīng)力減少、強(qiáng)度降低和抗滑阻力減少,如果坡體在這種影響下產(chǎn)生蠕滑或滑動(dòng)加速,則必定導(dǎo)致未浸水部分滑帶土強(qiáng)度產(chǎn)生與剪切變形有關(guān)的變化,直到隨著剪應(yīng)變的發(fā)展全部達(dá)到殘余強(qiáng)度。有研究通過室內(nèi)剪切試驗(yàn)證明[49],只有當(dāng)滑帶土的剪應(yīng)力、含水量、干密度完全不變時(shí),滑體下滑過程才可能不對(duì)滑帶土強(qiáng)度參數(shù)產(chǎn)生影響,但是這種條件在實(shí)際蓄水工程的涉水邊坡中是不可能滿足的。所以,水庫蓄水對(duì)滑帶土剪切特性的影響應(yīng)考慮應(yīng)變軟化和水軟化的耦合效應(yīng)。

目前針對(duì)水庫蓄水或水位上升對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響從滲流角度進(jìn)行的研究非常多,而基于滑帶土強(qiáng)度衰減綜合規(guī)律的研究較少。

2.3 邊坡的漸進(jìn)性破壞

雖然滑帶土強(qiáng)度的軟化規(guī)律及量化描述還有待于進(jìn)一步研究,但除了缺乏膠結(jié)的松散顆粒外,在大位移排水剪切條件下土體都會(huì)表現(xiàn)出一定的應(yīng)變軟化現(xiàn)象卻是不容置疑的[50],這種軟化特性是導(dǎo)致漸進(jìn)型滑坡的主要機(jī)理,也是含滑動(dòng)帶的水庫型滑坡的主要形式。漸進(jìn)性破壞的概念最早由Terzaghi等于1948年提出,Rowe[51]對(duì)這一過程進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,Bjerrum[52]建立了有關(guān)的簡化模型,Hoeg[53]提出了有限元數(shù)值計(jì)算方法。之后更多學(xué)者對(duì)斜坡土體應(yīng)變軟化模型和邊坡漸進(jìn)性破壞規(guī)律進(jìn)行了研究,如:Herbert[54]研究了殘余強(qiáng)度與滑坡的定量關(guān)系;王賡蓀[55]、劉忠玉等[56]研究了軟土和殘積土邊坡的漸進(jìn)性破壞規(guī)律;Zhang等[57]針對(duì)應(yīng)變軟化邊坡提出了一種簡化分析方法,等等。應(yīng)提及的是,這些研究較少針對(duì)滑帶土,并且所建立的軟化模型一般只是針對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,沒有在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮強(qiáng)度-應(yīng)變關(guān)系,并將此關(guān)系應(yīng)用于水位變化條件下庫岸邊坡漸進(jìn)性破壞分析,同時(shí)在計(jì)算成果上沒有注重將邊坡的變形與整體穩(wěn)定安全評(píng)價(jià)相結(jié)合。

Potts研究小組對(duì)強(qiáng)度參數(shù)與累計(jì)塑性應(yīng)變不變量的關(guān)系進(jìn)行了系列研究[58-61],基于M-C準(zhǔn)則建立了可以描述強(qiáng)度隨剪應(yīng)變軟化的彈塑性模型,并對(duì)建于黏土地基的Carsington大壩滑坡進(jìn)行了模擬;Troncone[62]在Potts研究成果基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了滑動(dòng)帶不同部位由于剪應(yīng)變不同而導(dǎo)致強(qiáng)度不同步的問題,借助土性中與時(shí)間有關(guān)的黏滯函數(shù)概念發(fā)展了Potts模型,建立了基于M-C準(zhǔn)則的強(qiáng)度隨剪應(yīng)變軟化的黏彈塑性模型來描述滑動(dòng)帶不同部位的強(qiáng)度軟化特征,并成功應(yīng)用于意大利南部建于含砂(礫)細(xì)粒土上、由于坡腳開挖導(dǎo)致的Senise滑坡的數(shù)值模擬。Potts模型和Troncone模型最與眾不同的是基于土的本構(gòu)關(guān)系建立了描述土體強(qiáng)度隨應(yīng)變降低的模型,并將其應(yīng)用于斜坡漸進(jìn)性破壞分析,但這些研究均沒有考慮地下水或坡體外水位變動(dòng)的影響,因而用于涉水邊坡的分析還有待于進(jìn)一步完善。

3 水庫蓄水誘發(fā)滑坡研究的技術(shù)手段

針對(duì)水庫蓄水誘發(fā)滑坡的研究,無論是從滲透穩(wěn)定角度,還是從滑帶土剪切強(qiáng)度角度,目前采用最多的是土工試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的技術(shù)手段,即通過土工試驗(yàn)確定有關(guān)土性參數(shù),然后采用數(shù)值分析技術(shù)進(jìn)行邊坡變形分析和整體穩(wěn)定分析,如極限平衡法、有限元法、強(qiáng)度折減法[63-65]等,這些數(shù)值分析方法雖然有各自突出的特點(diǎn)和被廣泛應(yīng)用的理由,但每種方法都存在目前還沒有克服的不足,如極限平衡法需事先給出滑動(dòng)面形狀,一般有限元法不能獲得整體穩(wěn)定安全系數(shù),強(qiáng)度折減有限元法在獲得整體穩(wěn)定安全系數(shù)和最危險(xiǎn)滑裂面的同時(shí)不能將邊坡的變形特征一并考慮進(jìn)來,等等。另外,對(duì)于新建大型蓄水工程來說,數(shù)值分析結(jié)果的可靠性也由于實(shí)測(cè)資料的缺乏而存在問題。

土工離心模型試驗(yàn)是迄今為止相似性最好的研究手段,不僅可較為真實(shí)地模擬現(xiàn)場(chǎng)條件,而且可根據(jù)需要調(diào)整各種控制參數(shù),再現(xiàn)原型的應(yīng)力狀態(tài)和變形過程,以及塑性區(qū)發(fā)展過程。基于其在反映重力場(chǎng)方面的突出優(yōu)點(diǎn),土工離心模型試驗(yàn)在邊坡穩(wěn)定分析中得到了有效且廣泛的應(yīng)用,特別是在降雨入滲邊坡穩(wěn)定分析方面[66]。水庫蓄水對(duì)岸坡穩(wěn)定的影響機(jī)理比較復(fù)雜[67],離心模型試驗(yàn)不僅需對(duì)坡外水庫水位變動(dòng)情況進(jìn)行模擬,還需比較真實(shí)地反映庫岸邊坡的非均質(zhì)性,因而試驗(yàn)難度大于開挖、降雨入滲等常見模型,可供利用的資料非常有限。張利民等[68-69]針對(duì)水庫水位的漲落,研制了一種可以在離心機(jī)上使用的供排水裝置系統(tǒng),并用于瀑布溝水電站高堆石壩在水庫蓄水、穩(wěn)定滲流和快速退水3種情況的模擬試驗(yàn);Timpong等[70]針對(duì)坡體內(nèi)地下水位改變對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響進(jìn)行了研究;李紹軍等[71]基于三峽庫區(qū)典型滑坡的工程地質(zhì)特征進(jìn)行了水位變動(dòng)條件下土坡失穩(wěn)的離心模型試驗(yàn)研究。上述試驗(yàn)較少考慮邊坡巖土體的成層特征,針對(duì)含滑帶土的高庫岸邊坡的研究更是鮮見報(bào)道。

4 展 望

基于滑帶土剪切特性的水庫蓄水誘發(fā)滑坡的研究,隨著土力學(xué)理論與試驗(yàn)手段的發(fā)展而具備了獲得更多研究成果的可能,同時(shí)隨著大型蓄水工程的需要而成為必要,無論是在研究數(shù)量還是在研究質(zhì)量方面都存在大幅度提高的空間。

4.1 滑動(dòng)帶含粗粒細(xì)粒土的殘余強(qiáng)度研究

粗粒含量對(duì)滑帶土強(qiáng)度的影響研究雖然進(jìn)行得不多,但反映的問題卻是不容置疑的,即現(xiàn)有的室內(nèi)殘余強(qiáng)度試驗(yàn)方法和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不適合含粗粒土的細(xì)粒土。針對(duì)現(xiàn)在工程中應(yīng)用最廣泛的反復(fù)直剪試驗(yàn)存在的缺陷,改進(jìn)相應(yīng)的試驗(yàn)方法,確定粗粒含量及粒徑分布對(duì)殘余強(qiáng)度的影響,對(duì)于在邊坡穩(wěn)定分析中φ值相差2°～3°推力就可能成倍增長的實(shí)際工程來說是有重要意義的,無論研究理論和計(jì)算手段如何先進(jìn),提供正確的強(qiáng)度指標(biāo)都是庫岸邊坡穩(wěn)定分析的前提。

4.2 滑帶土應(yīng)力-應(yīng)變-強(qiáng)度軟化模型及邊坡漸進(jìn)性破壞研究

針對(duì)浸水軟化問題對(duì)巖石材料進(jìn)行的研究較多,水理敏感性更高的滑帶土體反而由于試驗(yàn)難以操作、試驗(yàn)條件不確定以及統(tǒng)一試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的缺乏而沒有進(jìn)行系統(tǒng)的研究。對(duì)于滑帶土而言,水與土的物理作用不僅表現(xiàn)為強(qiáng)度與含水量的關(guān)系,更表現(xiàn)為強(qiáng)度的應(yīng)變軟化特性和水軟化特性的耦合,所以所建立的軟化模型不僅需要描述具有軟化特征的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,還需要在數(shù)學(xué)形式上將強(qiáng)度參數(shù)隨剪應(yīng)變?cè)黾佣p的規(guī)律表示出來,同時(shí)考慮水致弱化的影響。另外,在邊坡漸進(jìn)性破壞分析中應(yīng)將基于應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的變形分析與基于強(qiáng)度準(zhǔn)則的整體穩(wěn)定分析結(jié)合起來,即通過應(yīng)力-應(yīng)變分析確定坡體的應(yīng)變特征,然后通過強(qiáng)度參數(shù)和應(yīng)變的關(guān)系確定相應(yīng)的整體穩(wěn)定安全系數(shù),使得在掌握邊坡變形規(guī)律的同時(shí)獲得邊坡整體穩(wěn)定安全性評(píng)價(jià)。

4.3 水位變動(dòng)條件下含滑動(dòng)帶的庫岸邊坡穩(wěn)定研究方法

對(duì)于新建水庫邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬除了各種數(shù)值分析方法本身的技術(shù)問題外,一個(gè)共同問題就是結(jié)果的驗(yàn)證問題,因?yàn)樾陆ㄐ钏こ淘谒蛔儎?dòng)下的滑坡實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是不可能被提供的。而土工離心模型試驗(yàn)除了固有的由粒徑效應(yīng)、邊界效應(yīng)等帶來的系統(tǒng)誤差外,目前還存在的最大不足是量測(cè)設(shè)備有限和試驗(yàn)方案有限,所以所采集的數(shù)據(jù)相對(duì)于數(shù)值模擬來說是非常少的,這也是該方法本身很難克服的不足。所以,針對(duì)數(shù)值分析和離心模型試驗(yàn)各自的優(yōu)勢(shì)和不足,在研究手段上將2種方法互補(bǔ),使離心模型試驗(yàn)?zāi)康牟粌H僅是為了獲得有限方案接近原型的結(jié)果,也是為了驗(yàn)證并調(diào)整數(shù)值計(jì)算模型和參數(shù),然后采用驗(yàn)證后的數(shù)值模型作為離心模型試驗(yàn)的補(bǔ)充進(jìn)行多方案對(duì)比模擬,這種將2種方法相結(jié)合的研究手段應(yīng)該是目前乃至很長一個(gè)時(shí)間段內(nèi)最好的研究方法。

基于滑帶土剪切特性對(duì)新建大型蓄水工程建成初期含滑動(dòng)帶的庫岸邊坡穩(wěn)定進(jìn)行研究,將涉水邊坡穩(wěn)定分析與坡體材料特性的揭示緊密聯(lián)系在一起,對(duì)于水庫誘發(fā)滑坡的防災(zāi)減災(zāi)、庫區(qū)環(huán)境保護(hù)是有明顯科學(xué)意義的,此項(xiàng)工作將隨著水庫控制運(yùn)行水平的不斷提高而被更多關(guān)注。

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Overview of landslidesdue toreservoir impoundment based on shear strength properties of sliding zone soils

CHEN Xiaoping(College of Science and Engineering,Jinan University,Guangzhou510632,China)

Based on the strength properties of sliding zone soils as well as their influences on bank landslides,the worldwide representative achievementswere reviewed.The current research status of the residual strength of sliding zone soils,the strain and softening rules of drained shear strength,the strength drop of soil slopes due to reservoir impoundment and the progressive failure of bank slopeswassummarized and introduced.Moreover,the study means and technical pathfor bank landslide due to fluctuating reservoir water levels were discussed.

sliding zone soil;residual strength;reservoir impoundment;bank landslide;softening of soil strength

TV697;TU43

A

1006-7647(2010)03-0077-07

10.3880/j.issn.1006-7647.2010.03.020

廣東省水利科技創(chuàng)新項(xiàng)目(ysk2009-01)

陳曉平(1957—),男,山東青島人,教授,博士,從事土力學(xué)教學(xué)與研究工作。E-mail:chenxp@jnu.edu.cn

2009-06-25編輯:高建群)