三峽庫(kù)區(qū)秭歸縣千將坪滑坡軟化模型實(shí)驗(yàn)研究

侯珍珠 胡志強(qiáng) 肖詩(shī)榮 楊 鵬 李春霞 王梓帆

(1.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2.山西冶金巖土工程勘察有限公司，太原 030000)

三峽庫(kù)區(qū)秭歸縣沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)2003年7月13日發(fā)生的千將坪滑坡是三峽水庫(kù)初期135 m蓄水一個(gè)月后發(fā)生的特大順層巖質(zhì)滑坡，滑坡體積1 525×104m3，造成24人死亡．

千將坪滑坡發(fā)生后，國(guó)內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)和專家學(xué)者對(duì)其滑坡成因和機(jī)理進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究，取得了大量的研究成果[1-7]，但該滑坡機(jī)理至今在學(xué)術(shù)和工程界存在較大爭(zhēng)議．已有文獻(xiàn)闡明的千將坪滑坡機(jī)理大致可歸納為2類：一是庫(kù)水浮托減重機(jī)理，二是降雨與庫(kù)水耦合產(chǎn)生的孔隙水壓力作用機(jī)理．本文通信作者團(tuán)隊(duì)最早進(jìn)行千將坪滑坡綜合研究，通過(guò)多年的勘察、試驗(yàn)及理論分析，逐步認(rèn)識(shí)到庫(kù)水浸泡軟化滑帶導(dǎo)致滑帶強(qiáng)度降低是滑坡發(fā)生的重要誘因之一．本文通過(guò)取千將坪滑坡滑帶土樣進(jìn)行浸泡試驗(yàn)，將試樣按浸泡天數(shù)0、7、15、30、45、60、90及120 d分為8組進(jìn)行，測(cè)定不同浸泡天數(shù)下試樣的抗剪強(qiáng)度，獲得千將坪滑坡滑帶的浸泡軟化規(guī)律，建立滑帶軟化模型，揭示滑帶軟化規(guī)律，并分析了滑帶軟化對(duì)千將坪滑坡的影響及其作用機(jī)理．本文研究成果對(duì)于受軟弱夾層控制的巖質(zhì)邊(滑)坡的預(yù)測(cè)預(yù)警及工程治理具有重要的借鑒和指導(dǎo)意義．

1 千將坪滑坡概況及滑帶特征

千將坪滑坡位于長(zhǎng)江南岸支流青干河左岸(如圖1所示)，秭歸縣沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)千將坪村向南東傾斜的斜

坡上，斜坡坡度自上而下為30～15°，接近河邊地帶又變陡．滑坡發(fā)育在侏羅系中-下統(tǒng)聶家山組碎屑巖中，巖性為中-厚層粉砂巖夾粉沙質(zhì)泥巖、頁(yè)巖，巖層傾向與斜坡坡向基本一致，上陡下緩，傾角30～15°，構(gòu)成順向坡．

圖1 三峽庫(kù)區(qū)秭歸縣沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)千將坪滑坡遠(yuǎn)眺圖

滑坡后緣高程約400 m，前緣剪出口高程100 m；寬度一般410～480 m，最寬521 m，最大長(zhǎng)度為1 205 m，滑坡平面面積0.52 km2；滑坡厚度中后部20～30 m，中前部40～50 m，最大厚度59 m，滑坡體積為1 542萬(wàn)m3．

滑坡邊界：以中后部順層層間剪切錯(cuò)動(dòng)帶及前緣近水平裂隙型斷層帶(含巖橋)聯(lián)合構(gòu)成底滑面(如圖2所示)，以走向SE的陡傾角裂隙型斷層形成側(cè)向切割邊界，以青干河岸坡為臨空面構(gòu)成千將坪滑坡的邊界．

圖2 滑坡滑動(dòng)后典型地質(zhì)剖面圖

滑坡物質(zhì)組成：滑坡主要由塊裂巖體組成，在滑坡表部局部見(jiàn)有松散堆積塊體及原地表崩坡積物．

順層滑帶未滑動(dòng)前的原型為厚10～30 cm的碳質(zhì)頁(yè)巖夾層夾方解石及生屑灰?guī)r條帶，后期經(jīng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造形成層間剪切錯(cuò)動(dòng)泥化帶，在坡體范圍內(nèi)普遍存在．在滑坡影響區(qū)1號(hào)平硐見(jiàn)厚為20～50 cm的層間錯(cuò)動(dòng)帶(如圖3所示)，為黃褐色粉質(zhì)黏土夾黑色條帶或透鏡狀、團(tuán)塊狀、稍濕，呈可塑狀，為本次實(shí)驗(yàn)取樣處．滑坡滑動(dòng)后在后緣滑壁沿滑帶多處見(jiàn)有3～10 cm的灰白色泥化黏土透鏡體(如圖4所示)．滑坡滑動(dòng)前經(jīng)歷庫(kù)水位抬高40 m及連續(xù)10 d的久雨(累計(jì)162.7 mm)，地下水位大幅升高，淹沒(méi)高程105～135 m的滑帶，長(zhǎng)度約130 m，占順層滑帶長(zhǎng)約14%．

圖3 1號(hào)平硐內(nèi)黃褐色粉質(zhì)黏土(滑帶實(shí)驗(yàn)取樣處)

圖4 滑坡后壁的灰白色透鏡狀滑帶土

理論研究表明，順層滑帶是千將坪滑坡滑坡主要組成部分，是滑坡穩(wěn)定性控制因素．對(duì)順層巖質(zhì)滑坡的滑帶土進(jìn)行系統(tǒng)而深人的研究，分析其強(qiáng)度變化特征，研究其遇水軟化規(guī)律，揭示滑坡機(jī)理從而為滑坡災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警及工程治理提供科學(xué)依據(jù)．

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)原樣選取三峽庫(kù)區(qū)千將坪滑坡1號(hào)平硐內(nèi)順層滑帶濕裝土樣，測(cè)定天然密度、含水量、顆粒級(jí)配分析情況，制備重塑土試樣，靜止24 h充分飽和；制備60 cm3環(huán)刀試樣放入保濕缸中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)30 d(圖5)．根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-1999)，先后對(duì)浸泡0、7、15、30、45、60、90和120 d試樣進(jìn)行浸泡軟化試驗(yàn)(圖6)，測(cè)定不同浸泡天數(shù)下的試樣的固結(jié)快剪抗剪強(qiáng)度．對(duì)浸泡0、60、120 d的滑帶土試樣進(jìn)行礦物組成試驗(yàn)，定量測(cè)定滑帶土中的礦物組成，重點(diǎn)確定粘土礦物及伴生礦物的類型和數(shù)量．

圖5 環(huán)刀試樣的保濕養(yǎng)護(hù) 圖6 試樣分組浸泡

2.2 滑帶土天然物理性質(zhì)參數(shù)

進(jìn)行3組天然含水率測(cè)定，每組2次平行測(cè)定，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)計(jì)算，千將坪滑坡滑帶土平均天然含水率為25.806%．

進(jìn)行1組天然密度測(cè)定，3次平行測(cè)定，經(jīng)試驗(yàn)計(jì)算，千將坪滑坡滑帶土的天然密度為2.152 g/cm3，平均干密度為1.711 g/cm3．

顆粒分析結(jié)果，滑帶土土顆粒級(jí)配良好，土壤分類為粉質(zhì)粘土．滑帶土礦物分析結(jié)果見(jiàn)表1，滑帶土中粘土礦物所占比重達(dá)70%，其中綠泥石含量高達(dá)35%，占粘土礦物含量的50%，其次為伊利石(20%)和高嶺石(20%)．原生礦物所占比例較小，其中主要的原生礦物為石英(25%)，其次為長(zhǎng)石(5%)．

表1 千將坪滑帶土礦物組成定量分析數(shù)據(jù)表

3 實(shí)驗(yàn)成果及滑帶軟化模型建立

3.1 實(shí)驗(yàn)成果

1)強(qiáng)度衰減

歷時(shí)5個(gè)月，制備60 cm3環(huán)刀試樣24組，每組5個(gè)，共計(jì)120個(gè)環(huán)刀試樣．分別按照0、7、15、30、45、60、90、120 d的浸泡齡期進(jìn)行浸泡．每組選取3個(gè)試樣進(jìn)行固結(jié)快剪．試驗(yàn)結(jié)果匯總見(jiàn)表2及圖7、圖8．

表2 千將坪滑帶土固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)果匯總表

圖7 粘聚力與浸泡齡期關(guān)系曲線

圖8 摩擦角與浸泡齡期關(guān)系曲線

3.2 軟化模型及軟化規(guī)律

利用MATLAB 2011b cftool工具箱分別對(duì)粘聚力和摩擦角進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合(如圖9～10所示)，得到滑帶軟化模型式(1)～(2)．

圖9 粘聚力與浸泡齡期曲線擬合圖

圖10 摩擦角與浸泡齡期曲線擬合圖

粘聚力擬合公式為二次多項(xiàng)式分式，見(jiàn)式(1)：

(1)

式中，C為粘聚力(kPa)；d為浸泡齡期(d)．

摩擦角擬合公式為二次多項(xiàng)式分式，見(jiàn)式(2)：

(2)

式中，φ為摩擦角(°)；d為浸泡齡期(d)．

式(1)、式(2)是浸泡條件下滑帶土的軟化模型．

該模型表述了滑帶土的粘聚力和內(nèi)摩擦角與浸泡天數(shù)的變化規(guī)律．千將坪滑坡滑帶土在長(zhǎng)時(shí)間浸泡后，粘聚力和內(nèi)摩擦角均有不同程度的衰減．其中在120 d的浸泡齡期中，試樣的粘聚力減少達(dá)38.6%，內(nèi)摩擦角減少22.1%．

在浸泡的120 d內(nèi)，試樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角的衰減總體上都是保持先快后慢最終趨于穩(wěn)定的規(guī)律．不同的是粘聚力在浸泡的初30 d衰減速率一直保持比較高的數(shù)值，在初30 d內(nèi)衰減幅度達(dá)到33.6%，占整個(gè)衰減幅度的87%，而后90 d內(nèi)衰減速率急劇減少，后90 d的衰減幅度僅占整個(gè)衰減幅度的13%，平均到每天，幾乎可以忽略不計(jì)．

相比于粘聚力的衰減規(guī)律，內(nèi)摩擦角的衰減則呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)．在初15 d內(nèi)摩擦角的衰減速率較為穩(wěn)定，在這15 d內(nèi)衰減幅度占整個(gè)衰減幅度的51%．在15～30 d內(nèi)，衰減速率略有減小，0～30 d內(nèi)衰減幅度占整個(gè)衰減幅度的76%．在30～60 d內(nèi)，衰減速率進(jìn)一步減小，這一階段的衰減幅度占整個(gè)衰減幅度的24%．在60～120 d內(nèi)衰減速率逐漸趨于零，試樣的內(nèi)摩擦角趨于穩(wěn)定．

4 浸泡軟化對(duì)千將坪滑坡的作用和影響

試驗(yàn)表明，水-土作用和粘土礦物的轉(zhuǎn)化影響著試樣抗剪強(qiáng)度的變化．本節(jié)分別嘗試通過(guò)磨圓作用、介離作用、潤(rùn)滑作用和粘土礦物轉(zhuǎn)化4個(gè)方面分析浸泡軟化對(duì)千將坪滑坡的作用和影響．

1)磨圓作用

當(dāng)土體長(zhǎng)時(shí)間在純水中浸泡，礦物的溶解和水解在改造土顆粒表面的粗糙度的同時(shí)，進(jìn)一步改造土顆粒的外形，增加土顆粒的磨圓度，并且使原本相互接觸咬合的土顆粒產(chǎn)生了間隙，如圖11所示．這種對(duì)土顆粒形態(tài)的改造作用表現(xiàn)在宏觀上主要是試樣內(nèi)摩擦角的減?。?/p>

圖11 浸泡導(dǎo)致土顆粒磨圓度的變化

2)介離作用

水對(duì)粘土原始粘聚力和固化粘聚力的破壞實(shí)質(zhì)上都是通過(guò)改變?cè)颊惩令w粒的距離而實(shí)現(xiàn)．這種水分子通過(guò)改變粘土顆粒表面雙電層厚度和膠體膜厚度的作用可以形象的稱為介離作用．這種介離作用是造成試樣在浸泡120 d內(nèi)粘聚力下降的主要原因．

3)潤(rùn)滑作用

千將坪滑帶土中主要的粘土礦物有綠泥石、伊利石和高嶺石．這3種層狀粘土礦物層間多以氫鍵或其它離子鍵相連接．在長(zhǎng)時(shí)間的浸泡中，會(huì)與水中的極性水分子發(fā)生少量的離子交換，由于H+活動(dòng)性大于K+，仍會(huì)有少量的H+與K+發(fā)生交換，降低晶格層間的作用力．這種由于晶體層間離子交換造成的粘土強(qiáng)度下降的現(xiàn)象可以稱為潤(rùn)滑作用．

4)基于浸泡軟化的滑坡機(jī)理概述

雖然室內(nèi)試驗(yàn)條件與滑坡實(shí)際浸泡情況有一定的差別和出入，但滑坡滑帶軟化試驗(yàn)結(jié)果與滑坡受庫(kù)水影響失穩(wěn)在時(shí)間上的高度一致性說(shuō)明了浸泡軟化對(duì)滑坡的較大影響和作用，基于浸泡軟化觀點(diǎn)，將千將坪滑坡的失穩(wěn)機(jī)理概述如下：在庫(kù)水與降雨耦合作用下，至2003年7月13日，千將坪滑坡滑帶累計(jì)浸泡已達(dá)33 d，處于滑帶軟化的快速衰減階段，滑帶土的抗剪強(qiáng)度接近殘余值，滑帶的粘聚力和內(nèi)摩擦角分別降低33.4%和17.1%，順層滑帶塑性區(qū)完全貫通，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)由1.377(蓄水前)降至0.944[6]，并在峰殘強(qiáng)降效應(yīng)下[7]，巨大的滑體勢(shì)能轉(zhuǎn)換為滑坡動(dòng)能，滑體沿切層滑帶(近水平切層結(jié)構(gòu)面)以較大的初始速度(2.2m/s)剪出，并加速形成高速滑坡(16 m/s)，沖向青干河對(duì)岸，1 min完成滑動(dòng)過(guò)程，滑距達(dá)220 m．

5 結(jié) 論

1)千將坪滑坡滑帶浸泡軟化規(guī)律：在浸泡的120 d內(nèi)，試樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角的衰減總體上保持先快后慢最終趨于穩(wěn)定的規(guī)律，前30 d為快速衰減階段，強(qiáng)度衰減占總衰減幅度的80%左右．粘聚力在浸泡的初30 d衰減速率一直保持較高數(shù)值，在初30 d內(nèi)衰減幅度達(dá)到33.6%，占整個(gè)衰減幅度的87%；內(nèi)摩擦角30 d內(nèi)衰減幅度為16.8%，占整個(gè)衰減幅度的76%．

2)浸泡產(chǎn)生的水-土作用通過(guò)磨圓作用、介離作用、潤(rùn)滑作用及粘土礦物轉(zhuǎn)化等作用方式對(duì)滑帶土浸泡后的強(qiáng)度衰減起著重要影響[8，9]，從而影響滑坡的穩(wěn)定性．

3)基于浸泡軟化的千將坪滑坡機(jī)理：千將坪滑坡滑動(dòng)時(shí)，滑帶累計(jì)浸泡已達(dá)33 d，處于滑帶軟化的快速衰減階段，滑帶的粘聚力和內(nèi)摩擦角分別降低33.4%和17.1%，順層滑帶塑性區(qū)完全貫通，在峰殘強(qiáng)降效應(yīng)下，巨大的滑體勢(shì)能轉(zhuǎn)換為滑坡動(dòng)能，滑體沿切層滑帶以較大的初始速度(2.2 m/s)剪出，并加速形成高速滑坡(16 m/s)．據(jù)此可推斷滑帶的浸泡軟化是千將坪滑坡在水庫(kù)蓄水1月后發(fā)生失穩(wěn)滑動(dòng)的重要誘因之一．