庫水上升對含軟弱夾層滑坡穩(wěn)定性影響模型的試驗(yàn)研究

占清華,王世梅,趙代鵬

（1.湖北工業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,武漢 430070；2.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖北宜昌 443002；3.中國長江三峽集團(tuán)公司,成都 610000)

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庫水上升對含軟弱夾層滑坡穩(wěn)定性影響模型的試驗(yàn)研究

占清華1,王世梅2,趙代鵬3

（1.湖北工業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,武漢 430070；2.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖北宜昌 443002；3.中國長江三峽集團(tuán)公司,成都 610000)

摘 要：為研究庫水作用對含軟弱夾層滑坡穩(wěn)定性影響,采用含軟弱夾層的滑坡模型進(jìn)行庫水升降作用試驗(yàn),測量了庫水升降過程中滑坡體內(nèi)土壓力、孔隙水壓力的變化情況,以及滑坡體內(nèi)若干部位的位移情況。結(jié)果表明:庫水位上升時(shí),庫水浸泡滑坡阻滑段導(dǎo)致阻滑力降低,滑坡穩(wěn)定性隨之降低,引起滑坡產(chǎn)生位移變形；庫水上升過程對滑坡穩(wěn)定的影響分為穩(wěn)定、緩慢變形及整體滑移階段3個階段,3個階段表現(xiàn)出不同的力學(xué)及變形特征,也反映了滑坡體穩(wěn)定性隨庫水上升而下降的過程；滑坡體中軟弱夾層為滑坡體內(nèi)的薄弱部位,是決定滑坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵部位。

關(guān)鍵詞：軟弱夾層；庫水升降；模型試驗(yàn)；穩(wěn)定性；土壓力；孔隙水壓力

2016,33（02):86-90

1 研究背景

水庫蓄水和水位的周期性調(diào)節(jié)使涉水邊坡所處的地質(zhì)環(huán)境發(fā)生很大變化,改變了邊坡土體內(nèi)的力學(xué)性質(zhì)［1］,由此引發(fā)了眾多的滑坡地質(zhì)災(zāi)害,如:1999 年8月巫山老縣城城墻內(nèi)的登龍街滑坡［2］,1941—1953年Roosevelt湖附近地區(qū)發(fā)生的滑坡［3］,隨著我國水電的大力開發(fā),特別是西南地區(qū)大型乃至巨型的水電站相繼開工建設(shè),大幅度的水位回升及庫水周期性調(diào)節(jié)已成為國內(nèi)誘發(fā)滑坡災(zāi)害的關(guān)鍵因素［4］。三峽庫區(qū)在175 m庫水位影響的范圍內(nèi)共有大小滑坡2 000余個,各類變形體分布更廣［5-6］。而在眾多的涉水邊坡中,含軟弱夾層的邊坡又常成為實(shí)際滑坡失穩(wěn)的主要因素［7-8］。因此,研究庫水作用對含軟弱夾層滑坡穩(wěn)定性的影響具有重要意義。

本文采用物理模型試驗(yàn)方法,以自主研制的滑坡模型試驗(yàn)系統(tǒng)為平臺,對含軟弱夾層的滑坡模型進(jìn)行庫水升降作用試驗(yàn),通過對滑坡體內(nèi)不同區(qū)域的土壓力、孔隙水壓力及表面位移的監(jiān)測,了解庫水升降作用對含軟弱夾層類滑坡穩(wěn)定性的影響。

2 含軟弱夾層滑坡模型制作

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

庫水升降作用試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)平臺為本團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的滑坡模型試驗(yàn)系統(tǒng)［9］,該試驗(yàn)系統(tǒng)由模型試驗(yàn)框架、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、非接觸式位移測量系統(tǒng)及各物理量量測傳感器構(gòu)成。

非接觸式位移測量系統(tǒng)由深圳愛派克公司提供,系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)和高分辨率圖像采集系統(tǒng),如圖1。圖像采集系統(tǒng)選用了多通道圖像采集卡,具有8位灰度等級量化的功能,配合高分辨率逐行掃描攝像機(jī),使圖像達(dá)到高于1 000×1 000的分辨率,并能自動快速地得到全場的位移、應(yīng)變信息。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 System components

土壓力傳感器及孔隙水壓力傳感器由昆山雙橋傳感器測控技術(shù)有限公司研制,該產(chǎn)品力敏元件利用硅壓阻效應(yīng),通過微機(jī)械加工工藝制作而成,被封裝在不銹鋼外殼與膜片內(nèi),并通過灌充硅油實(shí)現(xiàn)壓力傳導(dǎo)。當(dāng)敏感元件感受到壓力作用時(shí),將會輸出一個與壓力成正比變化的電壓信號。土壓力及孔隙水壓力傳感器如圖2和圖3。

圖2 土壓力傳感器Fig.2 Sensor for measuring soil pressure

圖3 孔隙水壓力傳感器Fig.3 Sensor for measuring pore water pressure

2.2 模型制作

模型在滑坡模型試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)架中進(jìn)行制作,由于試驗(yàn)框架長2.15 m,寬0.54 m,高1.735 m,尺寸較小,無法針對具體滑坡采用相似比進(jìn)行模擬,為此,本試驗(yàn)對含軟弱夾層類滑坡的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行模擬,探索庫水升降作用對滑坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

滑坡一般分為滑床、滑帶及滑體?；惨话銥榱W(xué)特性較好的基巖,試驗(yàn)中采用磚砌筑,其間隙用沙填充,并將其表面貼土工薄膜作為不透水層。軟弱夾層通常是滑坡巖土體內(nèi)存在的層狀或帶狀的軟弱薄層,具有其厚度比相鄰巖層的小、力學(xué)強(qiáng)度及變形模量較低、孔隙極為發(fā)育、結(jié)構(gòu)連結(jié)弱、對水作用敏感、遇水表現(xiàn)出強(qiáng)烈軟化等特征。根據(jù)該特征,試驗(yàn)采用河沙及滑石粉按8∶2的比例拌合,制作而成滲透系數(shù)為8.74×10-2cm/ s,密度為1.771 g/ cm3的軟弱夾層,黏聚力較小,僅為2.2 kPa,內(nèi)摩擦角為21°,初始含水率為11.35%；滑體巖土體力學(xué)性質(zhì)一般較滑帶好,采用黏性土來制作,模型成形后測得其滲透系數(shù)為1.74×10-3cm/ s,密度為1.915 g/ cm3黏聚力為21 kPa,內(nèi)摩擦角為24°,初始含水率為12.96%。制作而成的模型后緣高為0.77 m,長為1.87 m,軟弱夾層平均厚為0.08 m,具體尺寸見圖4。

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鬟^程中,將孔隙水壓力、土壓力等儀器埋設(shè)在土體內(nèi),通過模型試驗(yàn)框架中進(jìn)出水開關(guān)控制庫水位升降,利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對庫水升降過程中物理量值變化過程進(jìn)行采集,試驗(yàn)采用非接觸位移測量系統(tǒng)對其位移進(jìn)行監(jiān)測。

圖4 滑坡物理模型尺寸Fig.4 Physical model size of the landslide

2.3 測點(diǎn)布置

為監(jiān)測滑坡模型內(nèi)孔隙水壓力及土壓力變化過程,在滑體及軟弱夾層分別布置6支孔隙水壓力傳感器和5支土壓力傳感器,并在滑坡表面選擇4點(diǎn)和在軟弱夾層選擇2點(diǎn)作為非接觸位移測點(diǎn),如圖5所示。測點(diǎn)布置位置坐標(biāo)見表1。

圖5 測點(diǎn)布置Fig.5 Layout of measuring points

表1 測點(diǎn)坐標(biāo)Table 1 Coordinates of measuring points

3 庫水作用試驗(yàn)及分析

3.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)過程庫水升降采用分級調(diào)節(jié),水位每上升一級,穩(wěn)定一段時(shí)間,控制過程見表2。

表2 庫水位調(diào)節(jié)過程Table 2 Regulation process of reservoir water level

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 位移測量結(jié)果

按上述庫水升降控制方式對滑坡模型進(jìn)行試驗(yàn),通過非接觸位移測量系統(tǒng)對選擇的6個測點(diǎn)進(jìn)行位移監(jiān)測,得到如下結(jié)果,如圖6（圖中x軸向位移以向右為正,y軸向位移以向上為正)。

從滑坡體表面4個點(diǎn)的位移變化情況可以看出:庫水位由0 m上升至0.28 m的過程中,滑坡表面測點(diǎn)位移不發(fā)生變化；隨著庫水位的逐漸上升,滑坡前緣逐漸淹沒于水下,滑坡表面1＃,2＃測點(diǎn)位移首先出現(xiàn)較小變化,當(dāng)水位上升至0.4 m時(shí),滑坡模型后緣滑體與軟弱夾層部位開始出現(xiàn)明顯的裂縫,滑坡表面1＃,2＃測點(diǎn)在正x方向位移增大較明顯,3＃測點(diǎn)在正x方向及負(fù)y方向位移均有明顯增加,4＃測點(diǎn)在負(fù)y方向位移產(chǎn)生明顯增加；水位在0.4 m處穩(wěn)定一段時(shí)間后繼續(xù)上升,當(dāng)上升至0.41 m時(shí),滑坡體整體滑移,1＃,2＃測點(diǎn)在正x方向位移出現(xiàn)驟增,4＃測點(diǎn)在負(fù)y方向位移亦出現(xiàn)驟增。而在整個庫水升降過程中,軟弱夾層處2個測點(diǎn)位移均較小,位置基本不變。其滑移后實(shí)物圖如圖7。

上述位移測量結(jié)果表明:在庫水升降過程中,滑坡后緣4＃測點(diǎn)在y方向上的變化較x方向明顯,表現(xiàn)為沿軟弱夾層面向下滑移的過程；滑坡表面中部3＃測點(diǎn)在x,y方向上均有明顯移動；滑坡前緣1＃及2＃測點(diǎn)在x方向上變化較明顯,表現(xiàn)為沿其下方軟弱夾層面向右滑動的過程；5＃及6＃測點(diǎn)位于軟弱夾層內(nèi),其位移并不明顯。從圖6中各測點(diǎn)的位移方向及變化特點(diǎn),以及圖7中滑坡模型滑移前后的形態(tài)比對可以看出,在庫水位上升至0.41 m時(shí),模型的滑體以軟弱夾層為滑動面向下發(fā)生整體滑動。

圖7 滑坡整體滑移實(shí)物圖Fig.7 Photographs of integral sliding of landslide model

圖6 位移變化過程線Fig.6 Variations of displacement with time at different non-contact measuring points

3.2.2 孔隙水壓力及土壓力測量結(jié)果

通過自動采集系統(tǒng)對此過程中的孔隙水壓力及土壓力測值進(jìn)行采集,得到如下結(jié)果。各測點(diǎn)土-水總壓力測值變化過程線如圖8所示。

圖8 土壓力測值變化過程線Fig.8 Variations of soil pressure with time at different measuring points

從土壓力變化過程線可以看出:在庫水上升初期,即水位由0 m上升至0.28 m之間,土壓力變化幅度較??；水位由0.28 m上升至0.4 m時(shí),1＃測點(diǎn)土壓力測值有一定幅度的增大,2＃,3＃,5＃測點(diǎn)土壓力測值出現(xiàn)一定幅度的減小；當(dāng)水位0.4 m繼續(xù)升至0.41 m時(shí), 2＃,3＃,4＃測點(diǎn)土壓力測值出現(xiàn)驟降,此時(shí)滑坡體出現(xiàn)明顯滑移；水位由0.41 m繼續(xù)升至0.6 m,再由0.6 m下降至0 m的過程中,土壓力測值變化幅度較小。

各測點(diǎn)孔隙水壓力測值變化過程線如圖9所示。從孔隙水壓力變化過程線可以看出,隨著庫水位上升,孔隙水壓力增大,隨著庫水位下降,孔隙水壓力減小,其測值變化過程與水位升降過程一致。

圖9 孔隙水壓力測值變化過程線Fig. 9 Variations of pore water pressure with time at different measuring points

4 庫水作用對滑坡穩(wěn)定性影響分析

4.1 各觀測量變化過程對照

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出,庫水升降作用可以分為3個過程,即庫水位由0 m上升至0.28 m,由0.28 m上升至0.4 m,由0.4 m上升至0.41 m。在庫水位由0 m上升至0.28 m的過程中,此時(shí)庫水僅淹沒滑坡前緣部分,軟弱夾層內(nèi)較低測點(diǎn)孔隙水壓力隨庫水上升而增加,各測點(diǎn)土壓力變化值較小,6個非接觸位移測點(diǎn)未發(fā)生變化；在庫水位由0.28 m上升至0.4 m的過程中,庫水淹沒至滑坡中部,孔隙水壓力繼續(xù)隨庫水上升而增大,其中2＃,3＃,5＃測點(diǎn)土壓力測值出現(xiàn)一定幅度的減小,此時(shí)滑坡表面測點(diǎn)出現(xiàn)位移變化,且其位移變化方向大致與軟弱夾層面相切,滑體內(nèi)部分土壓力減小的原因可能是滑坡所產(chǎn)生緩慢變化造成了滑坡體內(nèi)應(yīng)力的重新分布；在庫水位由0.4 m上升至0.41 m過程中,庫水淹沒至滑坡中上部,孔隙水壓力繼續(xù)隨庫水上升而增大,2＃,3＃,4＃測點(diǎn)土壓力測值出現(xiàn)驟降,此時(shí)滑坡表面測點(diǎn)出現(xiàn)大的位移變化,滑坡沿軟弱夾層面整體滑移,土壓力出現(xiàn)驟降的時(shí)刻與滑坡出現(xiàn)較大位移的時(shí)刻相吻合,顯然是由于滑坡整體滑移引起的。

4.2 滑坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)庫水作用的3個過程,滑坡的穩(wěn)定性也相應(yīng)表現(xiàn)為以下3個階段。

穩(wěn)定階段:庫水上升初期,庫水僅淹沒滑坡體前緣部分,庫水逐漸入滲到滑坡體內(nèi),引起軟弱夾層中位置較低測點(diǎn)孔隙水壓力的增加,滑坡上部大分部位于水位以上,土壓力變化不明顯,此時(shí)庫水作用滑坡穩(wěn)定性不產(chǎn)生較大影響,不會引起滑坡體表面出現(xiàn)變形。該階段為試驗(yàn)中庫水位由0 m上升至0.28 m的過程,滑坡穩(wěn)定性受庫水影響較小。

緩慢變形階段:滑坡體前緣大部分被淹沒,庫水不斷滲入到滑體及軟弱夾層內(nèi),引起該處孔隙水壓力增大,導(dǎo)致土的有效應(yīng)力降低,滑坡前緣阻滑力降低。軟弱夾層的黏聚力較低,為滑坡體內(nèi)的薄弱部分,當(dāng)軟弱夾層處的阻滑力不足以抵抗由滑坡后緣所引起的下滑力時(shí),滑坡體開始沿軟弱夾層面出現(xiàn)滑移。試驗(yàn)中庫水位由0.28 m上升至0.4 m,滑坡體內(nèi)孔隙水壓力、土壓力及表面位移的變化反映了該階段的變化特征,滑坡體的穩(wěn)定性隨庫水的上升而降低。

整體滑移階段:隨庫水的繼續(xù)上升,滑坡前緣孔隙水壓力繼續(xù)隨庫水而增加,軟弱夾層內(nèi)阻滑力隨之降低,直至滑坡沿軟弱夾層面出現(xiàn)整體滑移。庫水位由0.4 m上升至0.41 m為整體滑移階段,滑坡穩(wěn)定性隨庫水上升而降低,最終沿軟弱夾層帶產(chǎn)生整體滑移。

含軟弱夾層類滑坡的穩(wěn)定性在水的作用下明顯降低,且在阻滑力不足以維持滑坡穩(wěn)定的時(shí)候,表現(xiàn)為沿軟弱夾層面滑動。

5 結(jié) 論

本文通過對滑坡模型進(jìn)行庫水升降作用試驗(yàn)得到以下結(jié)論:

（1)在庫水上升過程中,滑坡體內(nèi)孔隙水壓力隨之增加,土體的有效應(yīng)力隨之減小,引起滑坡阻滑力降低,庫水上升至一定階段時(shí)引起滑坡沿軟弱夾層面產(chǎn)生位移變形。

（2)試驗(yàn)過程中土壓力及表面位移變化,由庫水上升所引起滑坡體變形可分為3個階段:穩(wěn)定階段、緩慢變形階段及整體滑移階段,在此3個階段滑坡體表現(xiàn)出不同力學(xué)及變形特征,同時(shí)也反映了該類滑坡體的穩(wěn)定性隨庫水的上升而降低。

（3)滑坡在緩慢變形階段產(chǎn)生沿軟弱夾層面的變形,整體滑移階段是沿軟弱夾層面整體下滑。這說明軟弱夾層為滑坡體中的薄弱部分,也是決定滑坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵部位。

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（編輯:劉運(yùn)飛)

Model Test Study on Landslide with Weak Layers under Uprise of Reservoir Water

ZHAN Qing-hua1, WANG Shi-mei2, ZHAO Dai-peng3
（1.Hubei University of Technology Engineering and Technology College, Wuhan 430070,China；2.College of Civil Engineering＆Architecture,China Three Gorges University, Yichang 443002,China；3.China Three Gorges Corporation, Chengdu 610000,China)

Abstract:In order to study the impact of reservoir water level fluctuation on stability of landslide with weak layers, we carry out model test and measure the variations of soil pressure and pore water pressure as well as displacements of certain parts of the landslide body during reservoir water level fluctuation. Results show that as reservoir water level rises, slip resistance decreases due to immersion of reservoir water, stability of the landslide reduces, and displacement occurs in landslide. Impacts of reservoir water rising on landslide stability can be divided into three stages: stability phase, slow deformation phase and global glide phase. The three stages exhibits different characteristics, reflecting that the landslide stability decreases with reservoir water rising. Meanwhile, weak interlayer in the landslide is not only the weak part of the landslide, but also the crucial part for landslide stability.

Key words:weak interlayer；fluctuation of reservoir water level；model test；stability；soil pressure；pore water pressure

作者簡介：占清華（1987- ),女,湖北孝感人,碩士研究生,主要從事非飽和土蠕變及高陡邊坡穩(wěn)定性研究,（電話) 18771753775（電子信箱) jingjing＿yc@126.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（50839004)；三峽大學(xué)三峽庫區(qū)三期地質(zhì)災(zāi)害防治重大科學(xué)研究項(xiàng)目（SXKY3-2-1)；湖北工業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目（X2015009)

收稿日期：2014-10-16;修回日期：2015-01-01

doi:10.11988/ ckyyb.20140884

中圖分類號：TV 543

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)02-0086-05