巫山縣龍頭山滑坡物理模型實(shí)驗(yàn)研究

柯文俊 吳 劍 王能勇 徐夢(mèng)蛟

(三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

巫山縣龍頭山滑坡物理模型實(shí)驗(yàn)研究

柯文俊 吳 劍 王能勇 徐夢(mèng)蛟

(三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

龍頭山滑坡是三峽地質(zhì)災(zāi)害防治監(jiān)測(cè)預(yù)警工程中重點(diǎn)監(jiān)測(cè)滑坡，通過對(duì)其進(jìn)行滑坡物理模型試驗(yàn)，對(duì)滑坡失穩(wěn)過程的孔隙水壓和土壓力以及滑坡位移的變化特征進(jìn)行了觀察總結(jié)，并探求庫水位變化和降雨條件對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響，為滑坡的監(jiān)測(cè)預(yù)警提供依據(jù)。

滑坡，滑坡物理模型試驗(yàn)，穩(wěn)定性，庫水位，降雨

1 龍頭山滑坡地理地質(zhì)條件

龍頭山滑坡位于巫山縣大溪鄉(xiāng)官田村1，7組，長(zhǎng)江支流大溪河右岸，為涉水滑坡。坡前緣直抵大溪河邊，剪出口位于139 m，處于庫區(qū)蓄水水位以下，滑坡體長(zhǎng)460 m，寬360 m，后緣高程270 m。以下伏基巖為滑床，右側(cè)以沖溝為界，左側(cè)以沖溝為界，平面形態(tài)呈箕形，為近似三角形。滑坡前緣較緩，中部和后緣稍陡，平均坡度20°，坡向332°，滑坡體厚度20 m～30 m，平均厚27 m，滑坡體面積16.6×104m2，體積447×104m3?；麦w有2個(gè)滑坡平臺(tái)，主平臺(tái)位于175 m高程，長(zhǎng)、寬分別為100 m，150 m[1]。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用三峽大學(xué)自行研制的考慮雨水作用的大型滑坡物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)(見圖1)。所設(shè)計(jì)的模型試驗(yàn)以相似理論為基礎(chǔ),以三峽庫區(qū)某具體滑坡為原型,對(duì)其進(jìn)行庫水位作用下的滑坡物理模型試驗(yàn)。目的是為了研究庫水位變化對(duì)滑坡變形、破壞及穩(wěn)定性的影響[2，3]。

2.1 試驗(yàn)檢測(cè)器具及布置

模型試驗(yàn)選取常規(guī)的多物理量測(cè)系統(tǒng),該量測(cè)系統(tǒng)主要包括土壓力量測(cè)、水壓力量測(cè)和位移量測(cè),相應(yīng)的儀器分別選取土壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器和位移傳感器。為了研究坡體的應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)的變化規(guī)律,在滑坡上布置2個(gè)剖面(見圖2)，將相應(yīng)儀器埋置在2個(gè)剖面上。剖面1土壓力傳感器位置為148 m，孔隙水壓力傳感器位置為145 m；剖面2土壓力傳感器位置為177 m，孔隙水壓力傳感器位置為175 m，位移傳感器分別位于兩個(gè)剖面的表面。

2.2 試驗(yàn)物理參數(shù)的確定

龍頭山滑坡主要物理力學(xué)參數(shù)建議值如表1,表2所示。在所列滑坡物理力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)龍頭山滑坡模型試驗(yàn)概化地質(zhì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，綜合確定龍頭山滑坡滑帶原型材料與相似材料物理力學(xué)參數(shù)，各參數(shù)取值見表1，表2，采用LTS-T作為滑坡模型滑體結(jié)構(gòu)的模型材料進(jìn)行3次室內(nèi)試驗(yàn)，見表3。本次試驗(yàn)滑體和滑帶相似材料取值見表4，表5。

表1 滑帶原型材料與相似材料物理力學(xué)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目原型值相似比相似值強(qiáng)度參數(shù)C/kPa14.1～19.21000.141～0.192≈0φ/(°)16.9～21.6116.9～21.6

表2 滑體原型材料與相似材料物理力學(xué)參數(shù)

表3 滑體模型相似材料配比研究 %

表4 試驗(yàn)滑體模型相似材料取值

3 滑坡實(shí)驗(yàn)方案

試驗(yàn)工況實(shí)際上就是將復(fù)雜的滑坡的外部環(huán)境條件概化為人為控制的模型邊坡的邊界條件。模型試驗(yàn)考慮兩個(gè)主要影響滑坡變形破壞的外界環(huán)境因素——水庫蓄水和大氣降雨，其中水庫蓄水除了靜止水位對(duì)滑坡穩(wěn)定性有影響，水庫調(diào)度中的水位驟降對(duì)滑坡穩(wěn)定性也存在較大影響。水庫蓄水可以以滑坡模型前緣水位邊界條件變化來模擬；大氣降雨則以滑坡模型上部降水來模擬。

3.1 補(bǔ)償角度

由于邊壁摩擦的不可避免，為了克服邊壁摩擦對(duì)模型穩(wěn)定性的影響，通過補(bǔ)償?shù)姆绞絹硐叡谀Σ恋挠绊憻o疑是很好的一種方式。在可傾斜模型試驗(yàn)中，通過不斷抬升模型架角度，可以達(dá)到改變模型下滑力和阻滑力之間的比例關(guān)系，從而可以達(dá)到控制試驗(yàn)的目的。

表5 試驗(yàn)滑帶模型相似材料取值

根據(jù)公式：

F(α)=0時(shí)對(duì)應(yīng)的角度就是需要補(bǔ)償?shù)慕嵌戎??？梢郧蟮谬堫^山滑坡模型因模型邊壁約束作用，模型補(bǔ)償傾斜4.3°可以保持模型穩(wěn)定性與原型滑坡一致，如圖3所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)工況組合

考慮到模型材料的相似性問題以及模型成型引起的邊壁摩擦等問題，可以通過傾斜模型的方式調(diào)整模型的安全穩(wěn)定狀態(tài)，這個(gè)傾斜角度即為以上提出的補(bǔ)償角度。在這個(gè)狀態(tài)下，通過觀測(cè)模型的變形情況來反映邊坡穩(wěn)定狀態(tài)；試驗(yàn)工況組合見表6。

表6 試驗(yàn)工況組合

4 滑坡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 庫區(qū)水位對(duì)滑坡的影響分析

從圖4和圖5中可以看出，水位從175 m降至145 m，剖面1的孔隙水壓力隨庫水位的下降呈線性遞減，剖面2的孔隙水壓力基本上保持不變，導(dǎo)致該過程中兩個(gè)剖面的變化原因是剖面1斷面的孔隙水壓力傳感器填埋在145 m處，庫水位下降過程該剖面始終都受到水位的影響，庫水位的下降使得滑體中滲入的水分流出，傳感器上覆土的容重變小，孔隙水壓逐漸變小。剖面2中孔隙水壓力傳感器填埋在175 m處，該剖面本不受庫水位下降的影響，所受的孔隙水壓力基本上為0 kPa。剖面1土壓力隨庫水位的下降呈遞減趨勢(shì)，剖面1的變化是因?yàn)橥翂毫鞲衅魈盥裨?48 m處，水位下降傳感器上覆土的容重變小，使土壓力變小；剖面2土壓力基本不受庫水位變化的影響，其傳感器位于斷面177 m處，庫水的滲入對(duì)該斷面上覆土的影響很少。在該試驗(yàn)中，滑坡未有明顯的滑動(dòng)，剖面1和剖面2的位移變化并不明顯(見圖6)。

4.2 暴雨對(duì)滑坡的影響分析

從圖4和圖5中可以看出，水位從175 m降至145 m，剖面1的孔隙水壓力應(yīng)該隨庫水位的下降呈線性減少，但在降雨期間孔隙水壓力隨降雨的發(fā)生而增大，其原因是雨水滲入滑坡中，孔隙水壓力傳感器上的覆土容重增大，致使孔隙水壓增加。當(dāng)降雨結(jié)束后，孔隙水壓仍隨庫水位的下降而減少。剖面2中的孔隙水壓基本保持在0 kPa上，在降雨期間剖面2的孔隙水壓力也出現(xiàn)增大情況，但降雨一結(jié)束孔隙水壓力又下降，保持在0 kPa上。由于滑坡并未滑動(dòng)，所以降雨對(duì)此次工況中滑坡的影響不明顯。

4.3 滑坡穩(wěn)定性分析

在滑坡蓄水到175 m的過程中，水的軟化作用大大降低滑面的抗剪強(qiáng)度,水位的變化產(chǎn)生動(dòng)、靜水壓力均使坡體的穩(wěn)定性降低。水庫蓄水引起土體結(jié)構(gòu)的重新調(diào)整,使得滑坡涉水部分土體的有效應(yīng)力發(fā)生變化,抗剪強(qiáng)度降低。而在水庫水位從175 m降至145 m過程中,由于庫水和雨水滲流作用,使滑坡涉水部分土體內(nèi)部形成較大的水頭差,該水頭差引起的滲透力將使該部分滑體有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),這就使得涉水區(qū)域已經(jīng)破壞的松散的土體在動(dòng)水壓力的作用下,土體中細(xì)顆粒從孔隙中被帶出,使得該部分土體繼續(xù)出現(xiàn)滲透變形和破壞，從而使整個(gè)滑坡變得更加不穩(wěn)定。

滑坡前緣175 mm～145 mm水位浸潤(rùn)段發(fā)生淺層滑動(dòng)后，前緣阻滑段的阻滑作用減弱，可能誘發(fā)滑坡整體滑動(dòng)，因此前緣175 mm～145 mm水位浸潤(rùn)段的變形可以作為滑坡整體滑動(dòng)的預(yù)警前兆；滑坡前緣淺層滑動(dòng)和整體深層滑動(dòng)都在監(jiān)測(cè)斷面Ⅰ的位移曲線上有所表現(xiàn)，因此監(jiān)測(cè)斷面Ⅰ應(yīng)作為龍頭山滑坡監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面。

5 結(jié)語

通過對(duì)龍頭山滑坡的試驗(yàn)研究可以得出以下結(jié)果：

1)龍頭山降雨使地下水位抬高，使滑坡地下水力坡度增大。同時(shí)，大量降水沿滑體表面發(fā)育的裂隙的入滲排泄首先對(duì)滑體物質(zhì)和滑帶土產(chǎn)生了軟化效應(yīng)，直接降低了滑帶土的抗剪強(qiáng)度，甚至可完全失去力學(xué)性能；其次是地下水靜水壓力效應(yīng)，增加了滑坡體的重量；再者就是地下水的動(dòng)水壓力效應(yīng)，增加了沿滲流方向的滑動(dòng)力?；w動(dòng)、靜水壓力增加以及地下水飽和軟化滑帶土，使滑體易于變形失穩(wěn)。2)三峽水庫蓄水至175 m后，滑體前緣將更多地浸泡于水中，且?guī)焖坏臐q落將對(duì)滑體穩(wěn)定產(chǎn)生更為不利的影響。水庫正式運(yùn)行后采用“冬蓄夏泄”的水位調(diào)度方式，水位調(diào)幅變化可達(dá)30 m。水庫水位抬升使得整個(gè)滑坡體地下水向坡體的滲透壓力升高，一定程度上有利于滑坡穩(wěn)定，但水位下降時(shí)勢(shì)必會(huì)形成向臨空方向的動(dòng)水壓力，牽引滑坡變形。

[1] 吳 劍，程圣國.三峽庫區(qū)龍頭山滑坡物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].2012.

[2] 張振華，羅先啟，吳 劍,等.三峽庫區(qū)滑坡監(jiān)測(cè)模型建模研究[J].人民長(zhǎng)江,2006,37(4):93-94.

[3] 劉 波,羅先啟,張振華.三峽庫區(qū)千將坪滑坡模型試驗(yàn)研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,29(2):124-128.

Model test study on Longtoushan landslide of Wushan county

KE Wen-jun WU Jian WANG Neng-yong XU Meng-jiao

(CivilEngineeringandArchitectureCollege,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

Longtoushan landside is the major monitoring landside on the Three Gorges geological projects of preventing, monitoring and early warning. We can observe and summarize the variation of its pore water pressure, soil pressure and landside displacement in the landside instability process with landside physical model tests. And explore the influence of landside stability in the condition of the reservoir level changes and rainfall. It can provide the basis for landside monitoring and early warning.

landside， landside physical model test， stability， reservoir level， rainfall

1009-6825(2014)03-0079-03

2013-11-15

柯文俊(1987- )，男，在讀碩士； 吳 劍(1973- )，男，副教授； 王能勇(1986- )，男，在讀碩士； 徐夢(mèng)蛟(1989- )，男，在讀碩士

TU457

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