基于滑帶土強度劣化的庫水復活型滑坡漸進失穩(wěn)機理研究

孫立娟，沈方銘，張互助

吉林建筑大學 交通科學與工程學院 130118

庫岸滑坡受水位升降影響,其邊坡穩(wěn)定性常處于動態(tài)變化過程中.庫岸滑坡體前緣因受沖刷侵蝕以及浸水軟化等影響,易發(fā)生自坡腳率先失穩(wěn),而后其他坡體失穩(wěn)下滑的漸進破壞過程[1].據(jù)調(diào)查,庫岸滑坡多屬于老滑坡,國際大壩委員會(LCOLD)統(tǒng)計了50座水庫的105個滑坡事故,老滑坡復活占比高達75 %[2-3],如1963年10月的意大利Vaiont滑坡、湖南拓溪水庫塘巖光滑坡、塘角村1號滑坡以及三峽庫區(qū)千將坪滑坡均為水庫蓄水后發(fā)生的古、老滑坡復活所致.對于老滑坡而言,其復活失穩(wěn)的主要原因是歷史上曾發(fā)生過多級多次滑動,已然形成了既有滑動面,隨著滑帶土逐漸浸水弱化,抗剪強度不斷降低,從而發(fā)生老滑坡復滑[4-5].在庫岸滑坡的研究中,主要的分析方法有原位測試、模型試驗、理論解析以及數(shù)值模擬等[6],其中數(shù)值模擬方法更多地被用于滑坡體的變形失穩(wěn)研究.顆粒流PFC2D程序因其能夠模擬土質(zhì)邊坡在變形失穩(wěn)過程中的位移、速度以及應(yīng)力狀態(tài)等方面的優(yōu)勢,得到廣泛的推廣和應(yīng)用.李龍起等[7]人以竹林溝滑坡為例,采用離散元顆粒流的方法研究滑坡的運動過程,取得了較好的數(shù)值結(jié)果.結(jié)果表明,滑坡初期主要發(fā)生蠕滑變形,而后向坡前方向發(fā)生剪切蠕變,同時后緣產(chǎn)生張拉裂縫,最后發(fā)展至滑面貫通,坡體失穩(wěn)破壞.張家勇等[8]人以開陽縣魚鰍坡滑坡為例,采用顆粒流離散元PFC3D對其破壞運動過程進行數(shù)值模擬.結(jié)果表明,降雨為魚鰍坡滑坡的直接誘發(fā)因素,滑坡體主要發(fā)生蠕滑-拉裂的牽引式破壞模式.常文斌等[9]人以阻尼參數(shù)標定、動力分析方式以及動荷載輸入為切入點,對顆粒離散元模擬邊坡動力響應(yīng)的研究現(xiàn)狀進行了歸納總結(jié).宋浩燃等[10]人利用三維離散元軟件PFC3D對棄渣邊坡變形失穩(wěn)過程進行數(shù)值模擬.結(jié)果表明,棄渣體由幾乎無黏結(jié)的碎石塊組成,滑動規(guī)模主要受棄渣坡體角度影響.Wei等[11]人基于支持向量機對馬邊滑坡的微觀參數(shù)進行了反演,通過DEM數(shù)據(jù)進行PFC3D建模,并對滑坡的速度、位移以及能量進行分析,數(shù)值模擬結(jié)果與實際特征較為一致.

上述研究表明,離散元顆粒流的方法能較為準確地反映滑坡體的漸進失穩(wěn)過程. 因此,本文采用顆粒流PFC2D進行數(shù)值分析手段，主要探討滑帶土強度衰減與滑坡體變形演化機制之間的內(nèi)在聯(lián)系,分析滑帶土失穩(wěn)對庫岸滑坡破壞模式的影響,揭示老滑坡的漸進失穩(wěn)機理，并與現(xiàn)有模型試驗結(jié)果對比, 從滑坡體分級失穩(wěn)特征、后緣面裂縫形態(tài)以及破壞機制等方面進行分析,驗證數(shù)值分析結(jié)果的正確性和可靠性.該分析結(jié)果可為防災減災以及預測滑坡變形發(fā)展趨勢提供重要參考.

1 模型試驗概況

1.1 “分段式滑面底滲法”試驗裝置

本文的研究對象是具有既有滑帶的庫岸老滑坡.據(jù)統(tǒng)計, 庫岸老滑坡中大型滑坡的占比較高，通過調(diào)查并結(jié)合現(xiàn)有研究成果, 本文選用的模型箱尺寸為120 cm×30 cm×80 cm (長×寬×高),裝置主體是由10個滲透盒組裝成的分段式滑面, 如圖1所示.滲透盒尺寸為30 cm×12 cm×2 cm,壁厚1 mm,主要材料為鋼板.滲透盒內(nèi)部放置厚為1 cm的透水石, 其滲透系數(shù)1×10-3cm/s, 滲透能力為0.18 m3/h.即每個滲透盒每小時滲透水0.18 m3.因透水石滲水方向主要是由下至上,均勻滲入到滑帶土中,且滲透盒壁厚較薄,故不考慮滲透盒壁厚的影響. 試驗裝置主要由模型箱、滲透系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和高速攝影采集等組成.

目前,模型試驗物理量相似比主要受幾何比尺的影響.調(diào)查發(fā)現(xiàn),土質(zhì)類邊坡高度通常在10 m～60 m取值,試驗模型高度處于12 cm～20 cm之間,故選用幾何相似比為Cl=1∶100,不同物理力學參數(shù)的相似系數(shù)見表1.

表1 模型試驗相似關(guān)系Table 1 Similarity relationship of model test

據(jù)調(diào)查,庫水復活型老滑坡的滑體土通常由砂土和黏土組成,故試驗所用原材料主要為50目石英砂和600目超細陶土,滑帶土黏聚力較大，采用純陶土模擬,能夠反映庫岸滑坡土體的主要特征.滑初始含水量為10 %左右.滑體土按照砂土比2∶1配置主要考慮不同失穩(wěn)滑帶長度對滑坡體破壞模式的影響, 工況主要按照水位1、水位2、水位3和水位4所對應(yīng)的滑帶范圍設(shè)計,通過向不同水位所對應(yīng)的滲透盒注水，模擬水位上升過程中的滑坡失穩(wěn)過程，如圖2所示.土體的物理力學參數(shù)見表2.其中,γ為天然重度,Es為壓縮模量,c為粘聚力,φ為內(nèi)摩擦角.

表2 模型土物理力學參數(shù)表Table 2 Physical and mechanical parameters of model soil

1.2 數(shù)值試樣試驗

采用PFC2D進行數(shù)值計算需要確立宏觀參數(shù)和細觀參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系,從而實現(xiàn)參數(shù)的標定,目前通常采用雙軸壓縮數(shù)值試驗來實現(xiàn).本文以庫岸老滑坡作為研究對象，庫水位變化是此類滑坡復活的重要誘因.因水位變化導致地下水位上升,既有滑帶浸水弱化,抗剪強度降低,從而導致滑坡體發(fā)生逐級失穩(wěn)下滑.因此,滑帶土的抗剪強度指標是數(shù)值模擬的關(guān)鍵工作.為此,建立雙軸壓縮試驗模型,模型尺寸為40 mm×20 mm,如圖3所示.受計算精度的影響,需將計算顆粒就進行適當?shù)姆糯?試驗選用不同粒徑的顆粒,且其半徑服從Gauss分布,通過對顆粒參數(shù)的反復調(diào)試,確保與模型土體參數(shù)相吻合,故可用于后續(xù)的漸進破壞過程分析中,細觀參數(shù)取值如表3所示.由于本文的數(shù)值模型以試驗尺寸為參照，模型尺寸較小，因此數(shù)值模型的顆粒半徑就非常小，計算所需時步也成倍增加.

表3 模型土物理力學參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of model soil

2 漸進破壞機理數(shù)值模擬分析

2.1 計算模型的建立

基于數(shù)值試驗所獲得的細觀參數(shù)建立分析模型,采用程序中的平行粘結(jié)模型,能夠模擬抗彎、抗拉和抗剪性能.邊界墻體法向剛度為kn=1.0×10-8N/m,ks=1.0×10-8N/m,摩擦系數(shù)為0.5, 滑體土和滑帶土重度分別為γ滑體=16.14 kN·m-3,γ滑帶=12.15 kN·m-3,顆粒在自重作用下達到平衡狀態(tài),將初始位移和速度歸零并去除邊界約束,對應(yīng)模型試驗設(shè)計工況進行分析.

2.2 滑坡破壞模式分析

2.2.1 PFC2D表觀破壞模式分析

本文采用二維顆粒流程序(Particle Follow Code PFC2D)數(shù)值模擬技術(shù),該程序可用于顆粒團粒體的穩(wěn)定、變形及本構(gòu)關(guān)系等力學性質(zhì)分析,能夠模擬固體力學大變形問題以及描述滑坡體從裂縫產(chǎn)生、首滑塊失穩(wěn)以及后續(xù)滑塊逐級下滑等失穩(wěn)全過程.圖4所示為不同部位滑帶失穩(wěn)所引發(fā)的滑坡體漸進破壞累進過程,通過模擬庫水上升過程的水位1、水位2、水位3和水位4所對應(yīng)的滑帶失穩(wěn)范圍來實現(xiàn).

(a) 初始狀態(tài) (b) 第一級滑帶失穩(wěn) (c) 第二級滑帶失穩(wěn)

(d) 第三級滑帶失穩(wěn) (e) 第四級滑帶失穩(wěn) (f) 滑坡整體失穩(wěn)圖4 滑坡體變形失穩(wěn)全過程Fig.4 The whole process of landslide deformation and instability

圖4展示了滑坡體漸進破壞過程中的表觀破壞過程,圖4(a)為滑體的初始狀態(tài),此時處于穩(wěn)定狀態(tài).在模擬過程中,首先對滑帶1強度進行折減,當計算至30 000時步時,在第一級滑帶末端出現(xiàn)垂直于坡面的拉裂縫, 且裂縫逐漸向坡體內(nèi)部延伸,表明坡體出現(xiàn)微小變形.計算至80 000時步時,坡腳位移增加,滑移速率增大,顆粒間的接觸趨于不規(guī)則,底滑面出現(xiàn)剪切滑移,顆粒間粘結(jié)效應(yīng)逐漸被破壞,后緣拉裂縫發(fā)展成弧形，第一級滑動面貫通,發(fā)生整體滑移,如圖4(b)所示.而后對滑帶2進行強度折減,計算至180 000時步時,形成第二級滑塊,該滑塊失穩(wěn)下滑繼續(xù)推動第一級滑塊失穩(wěn)下滑,照此過程,依次形成第三、四級滑塊.隨著計算時步增加,滑塊位移不斷增大,后一級滑塊失穩(wěn)將加劇前一級滑塊的破壞程度,位移也在不斷累積.隨著滑帶失穩(wěn)范圍的擴大,滑坡體逐級失穩(wěn),直至滑裂面全部貫通,滑坡體整體滑移.綜上可知,滑坡體失穩(wěn)主要經(jīng)歷了坡面微裂縫產(chǎn)生、后緣破裂面貫通、底滑面蠕滑失穩(wěn)、累積位移增加直至整體滑移等漸進破壞過程.庫岸滑坡失穩(wěn)表現(xiàn)為牽引式滑坡破壞模式.

2.2.2 后緣破裂面形成機理探討

通過對庫水復活型滑坡失穩(wěn)機理研究發(fā)現(xiàn),滑帶土強度衰減是誘發(fā)滑坡失穩(wěn)的重要因素. 在滑坡漸進失穩(wěn)過程中,各級滑塊的后緣破裂面形成機理表現(xiàn)為：地下水上升,滑帶土浸水軟化范圍擴大,底部滑面逐漸失穩(wěn)下滑.同時,在失穩(wěn)滑帶末端的坡面位置產(chǎn)生了垂直坡面方向的拉裂縫,形成拉破壞區(qū),各級滑塊失穩(wěn)依次形成后緣拉裂縫.

由圖4可知,后緣裂縫形態(tài)并不一致,主要表現(xiàn)為折線型和弧形兩種.不同分段滑帶失穩(wěn),其末端通常均對應(yīng)一條主裂縫,隨著滑塊破壞程度的增加,滑塊內(nèi)部伴生有次生裂縫.級序越低的滑塊,穩(wěn)定性越差.后一級滑塊失穩(wěn)滑移,會導致前一級滑塊間裂縫假性閉合,而后整體滑移.

2.3 與模型試驗結(jié)果對比分析

本文的模型試驗主要是探討滑帶土強度衰減過程對滑坡體變形失穩(wěn)的影響,采用分段滑面底滲法的模型試驗方法,重現(xiàn)庫岸滑坡水位上升過程中的漸進破壞過程.因庫岸老滑坡通常具有既有滑動面,不同分段滑帶失穩(wěn)將對滑坡體穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響.滑體的表觀變形特征是滑帶土強度演化的直接表現(xiàn),決定著坡體位移的發(fā)展歷程.

圖5(a)所示為滑坡體的初始狀態(tài),滑帶1至滑帶4分別對應(yīng)水位1至水位4引發(fā)的滑帶失穩(wěn)范圍.由于地下水上升導致滑帶土飽水弱化,抗剪強度降低,從而使得失穩(wěn)滑帶范圍的滑體土開始滑移.當上升至水位1時,滑帶土強度開始降低,滑帶1末端對應(yīng)的坡面淺層范圍首先出現(xiàn)拉裂縫,裂縫方向與坡面垂直.隨著滑帶土飽水范圍進一步擴大,底滑帶逐漸整體滑移,此時拉裂縫不斷向坡體內(nèi)部延伸,直至與底滑面貫通,滑塊整體滑移,第一級滑塊失穩(wěn).水位繼續(xù)上升至滑帶2, 由于其前側(cè)滑塊已與后部滑坡體分離,失去支撐作用,隨著底滑面與后緣破裂面逐漸貫通,滑帶2所對應(yīng)的坡體繼續(xù)失穩(wěn),形成第二級滑塊,該變形過程適用于滑帶3和滑帶4所形成的第三、四級滑塊.結(jié)果表明,滑帶土對滑坡體穩(wěn)定性具有控制作用,庫水上升導致的滑帶土強度衰減是滑坡體分級失穩(wěn)的重要誘因.

(a) 初始狀態(tài) (b) 第一級滑帶失穩(wěn)(水位1) (c) 第二級滑帶失穩(wěn)(水位2)

(d) 第三級滑帶失穩(wěn)(水位3) (e) 第四級滑帶失穩(wěn)(水位4) (f) 整個滑坡體失穩(wěn)圖5 不同滑帶失穩(wěn)下的滑坡變形全過程Fig.5 The whole process of landslide deformation and instability

通過將模型試驗和PFC2D數(shù)值分析結(jié)果對比可知,數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗結(jié)果吻合較好,表明數(shù)值模擬結(jié)果的正確性, 二者均很好地揭示了滑坡體的漸進失穩(wěn)過程,其表觀破壞模式和后緣破裂面形態(tài)較為一致. 另外,各級滑塊僅對應(yīng)一條主裂縫,均在滑帶末端坡面位置產(chǎn)生拉裂縫,底滑面主要發(fā)生剪破壞,隨著滑裂面逐漸貫通，滑坡體完全失穩(wěn).庫水復活型滑坡總體上表現(xiàn)為蠕滑-拉裂的牽引式滑坡破壞模式.

3 結(jié)論

本文采用顆粒流理論的PFC2D數(shù)值分析手段,對庫水復活型滑坡的漸進失穩(wěn)機理進行分析,重現(xiàn)了該類型滑坡從微裂縫產(chǎn)生、后緣破裂面形成、底滑面失穩(wěn)、過程性位移累進直至滑坡整體滑移的全過程,并采用模型試驗方法進行驗證,得出以下結(jié)論：

(1) 采用顆粒流理論的PFC2D數(shù)值分析方法,能夠很好地模擬庫水復活型滑坡的漸進破壞過程,對于滑帶土強度劣化引發(fā)的滑坡失穩(wěn)機理及成因機制有了更加深入的認識,為滑坡防治提供重要參考.

(2) 庫水復活型滑坡的直接誘因是地下水上升導致的滑帶土強度衰減,滑坡破壞首先是坡面淺層范圍出現(xiàn)拉裂縫,并不斷向坡體內(nèi)部發(fā)展,直至與底滑面貫通,滑塊完全失穩(wěn).坡體表層通常發(fā)生拉破壞,底滑面主要發(fā)生剪破壞,中間部分為拉剪綜合的動平衡狀態(tài).庫水復活型滑坡總體上表現(xiàn)為蠕滑-拉裂的牽引式滑坡破壞模式.

(3) 各級滑塊僅出現(xiàn)一條主裂縫,在失穩(wěn)滑帶末端的坡面位置產(chǎn)生垂直坡面的拉裂縫, 形成拉破壞區(qū), 各級滑塊失穩(wěn)依次形成后緣拉裂縫.裂縫形態(tài)主要表現(xiàn)為折線型和弧形兩種,滑塊內(nèi)部伴生有次生裂縫.

(4) 庫水復活型滑坡應(yīng)加強坡腳防護,并在各級滑塊累進變形破壞之前采取支護措施,防止變形持續(xù)增加,引發(fā)牽引式破壞.同時,要重點監(jiān)測滑帶土的強度衰減過程,避免復滑.