庫岸滑坡變形規(guī)律研究

申永斌，王 冬，閆小龍

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 濟(jì)寧 272100)

1 概 述

我國南方多山地區(qū)，因降雨導(dǎo)致山體滑坡、洪水等自然災(zāi)害以及庫岸滑坡事故頻繁發(fā)生。因此，針對庫岸滑坡進(jìn)行研究，分析不同水位下庫岸滑坡變形特征，對在邊坡地形修建水庫工程，提前預(yù)測防范事故發(fā)生有著十分重要的意義和指導(dǎo)性作用。

蘇昌等[1]基于控滑因素對滑坡進(jìn)行剖析，對地質(zhì)災(zāi)害防治問題提出合理方法。李飛[2]基于可靠性、可行性、合理性和協(xié)調(diào)性等因素，編制出坍岸變形治理方案。高明等[3]基于水庫型滑坡，探究滑坡預(yù)防與預(yù)警工作的重要性。李原寶等[4]在室內(nèi)外試驗(yàn)基礎(chǔ)上，基于M-Р法和蒙特卡洛法對滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究。吳龍生等[5]通過分析滑坡特征，研究引起滑坡蓄水浸泡和沖刷的原因。郭舟[6]對固岸邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并通過相關(guān)材料收集和計(jì)算，為后期工程施工建設(shè)提供參考。殷坤龍等[7]結(jié)合前人研究成果，從多角度出發(fā)，對國內(nèi)外滑坡涌浪風(fēng)險(xiǎn)研究現(xiàn)狀進(jìn)行概述，并基于易損性評(píng)價(jià)體系對近期發(fā)生事故進(jìn)行研究分析。趙桂蘭[8]結(jié)合工程實(shí)際，通過數(shù)值模擬建模，建立庫岸邊坡數(shù)值模擬模型，并在此基礎(chǔ)上研究分析不同水位下滑坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律。

由上述研究可知，目前我國對于不同水位下庫岸滑坡變形特征情況研究較少，更多傾向于理論性研究。本文以西南長江上游山體庫岸滑坡為研究對象，結(jié)合邊坡所處環(huán)境及水庫水位情況，研究自然狀態(tài)和暴雨條件下模型土體滲流、壓力及位移變化規(guī)律。通過建立試驗(yàn)平臺(tái)，模擬庫岸滑坡實(shí)際情況，探究滑坡前緣、中部以及后緣的位移和壓力變化情況，為庫岸滑坡變形特征研究提供參考。

2 工程概況

西南長江上游區(qū)域山體眾多，導(dǎo)致該地區(qū)多滑坡。本研究滑坡為大滑坡，主滑方向250°，坡度11°。滑坡尺寸為541m×413m×14m(長×寬×厚)，體積約3.1×106m3。滑坡邊界較為明顯，左右側(cè)邊界分別為巖土接觸面和沖溝，前后端分別伸入長江以及為巖土接觸面。

通過對該區(qū)域探測，滑坡土體較為疏松，以粉質(zhì)黏土和碎石為主。滑帶土厚度約0.4m，顏色呈灰白色，其組成成分由礫石和粉質(zhì)黏土組成?；聟^(qū)地下水由孔隙水和裂隙水組成，且坡體后緣水質(zhì)環(huán)境較差，難以獲得降雨補(bǔ)給，降雨主要通過坡體右側(cè)入江。在強(qiáng)降雨條件下，庫水位上升，裂隙水動(dòng)態(tài)流動(dòng)情況明顯，且具備一定承壓性，導(dǎo)致滑帶土體基本性能減弱，使滑坡等事故發(fā)生。

3 模型建立

3.1 模型參數(shù)及試驗(yàn)平臺(tái)制作

庫岸邊坡穩(wěn)定性常常受到地形、地層巖性和地貌等因素影響，也受水庫水位變化以及降雨情況影響。該庫岸邊坡總長540m，高275m，北東與基巖山體交界，南西面向大江。本文基于水庫變化以及降雨情況建立模型，模型模擬長度為275cm，前后緣高差56cm。根據(jù)相似原理，模型公式如下：

X*=Xp/Xm

(1)

式中：X*為相似常數(shù)；Xp/Xm為原型與模型之間的相似比。

本次試驗(yàn)條件原型與模型幾何相似比為200，可通過該公式推導(dǎo)出物理參數(shù)之間的相似比：容重、滲透系數(shù)、內(nèi)摩擦角、降雨強(qiáng)度和水庫水位下降速度的相似比為1；黏聚力、壓縮模量、水位高程和時(shí)間的相似比為200。將模型分為4個(gè)部分，分別為滑體、滑帶、滑動(dòng)面及滑床。滑體相似材料前中后緣碎石、黏土和砂質(zhì)量比分別為1∶5∶1、1∶3∶2和2∶5∶3。滑帶、滑動(dòng)面和滑床則由0.5mm的聚乙烯膜、厚5mm的土工膜和磚沙構(gòu)成。通過原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)得到相應(yīng)材料基本物理參數(shù)，見表1。

表1 物理參數(shù)

本模型基于自制的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)。模型裝置為亞克力材質(zhì)，裝置尺寸為4.6m×1.0m×3.3m(長×寬×高)，地質(zhì)模型箱為4m×0.8m×0.9m(長×寬×高)。模型兩側(cè)設(shè)置供排水系統(tǒng)，地質(zhì)模型箱上方設(shè)置降雨裝置和液壓控制升降系統(tǒng)。

3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)布置

為監(jiān)測庫岸邊坡因水庫水位變化及降雨影響下邊坡土體滲流、壓力及位移變化規(guī)律，在滑坡模型不同位置安裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由3個(gè)位移變送器、3個(gè)土壓力傳感器和3個(gè)孔隙水壓力計(jì)組成，分別放置在前中后緣。平面布置情況見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平面布置圖

3.3 試驗(yàn)過程設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)結(jié)合邊坡所處環(huán)境及水庫水位情況，研究自然狀態(tài)和暴雨條件下模型土體滲流、壓力及位移變化規(guī)律。天然狀態(tài)下，庫水位從155m蓄水至175m，之后水位下降至145m，庫水位上升和下降速率分別為0.6和1m/d；暴雨條件下，庫水位從175m下降至145m，庫水位下降速率為0.45m/d，其中降雨強(qiáng)度為220mm/d。

4 結(jié)果分析

4.1 天然狀態(tài)下邊坡土體滲流、壓力及位移變化規(guī)律

在天然狀態(tài)下，對模型邊坡進(jìn)行640min的數(shù)據(jù)采集，探究邊坡土體滲流、壓力及位移變化規(guī)律。見圖2。

圖2 天然狀態(tài)下監(jiān)測曲線

由圖2可知，對于庫水位50min內(nèi)保持穩(wěn)定水位，之后便通過流量控制裝置將庫水位控制在175m，并持續(xù)80min，之后便降至145m并保持。水位變化過程中，滑坡位移保持不變，而土壓力與孔隙水壓力的變化情況呈先減小后增大再減小的循環(huán)變化趨勢。其中，庫水位從155m至175m的過程中，模型土壓力和孔隙水壓力在該時(shí)間段內(nèi)保持不變，之后便呈減小趨勢。減小趨勢直至160min時(shí)，前緣兩種壓力趨于穩(wěn)定；第200min時(shí)，中部和后緣的兩種壓力才趨于穩(wěn)定。這主要是由于模型前緣距水庫較近，導(dǎo)致其受到土壓力和孔隙水壓力強(qiáng)于后緣，而中部和后緣兩種壓力減小是由于土體地下水向前滲流導(dǎo)致。但中部兩種壓力變化情況最明顯，這主要是由于地下水位上升導(dǎo)致坡體前緣土體飽和面積增大，失去坡體平衡性。庫水位在175m時(shí)，兩種壓力都在減小，但減小速率變緩。當(dāng)庫水位回到162m時(shí)，模型土壓力和孔隙水壓力呈先增大后減小的變化趨勢，之后便又增大。

綜上所述，在自然狀態(tài)下，模型土壓力和孔隙水壓力的變化趨勢相似。

4.2 暴雨條件下邊坡土體滲流、壓力及位移變化規(guī)律

在暴雨條件下，對模型邊坡進(jìn)行640min的數(shù)據(jù)采集，探究邊坡土體滲流、壓力及位移變化規(guī)律。見圖3。

由圖3可知，當(dāng)庫水位降至165m時(shí)，經(jīng)過21min的220mm/d降雨后，滑坡前緣出現(xiàn)變形趨勢，之后中部和后緣部分位移也開始增加，前緣、中部和后緣位移最大變形量分別為7.8、5.2和3.8mm。而對于土壓力和孔隙水壓力，庫水位在至175m到下降過程中，模型土壓力和孔隙水壓逐漸減小之后便趨于穩(wěn)定。而在降雨過程中，滑坡土壓力和孔隙水壓力整體增大，但前緣部分土壓力呈先增大后減小的變化趨勢，中部及后緣土壓力則在不停波動(dòng)，但整體孔隙水壓力則呈先增大后減小的變化趨勢。這主要是因?yàn)榻涤昵闆r下，模型孔隙水壓力增加導(dǎo)致土體重度增大，土壓力隨之變大。降雨停止后，地下水位降低導(dǎo)致坡體孔隙水壓力減小。

圖3 暴雨條件下監(jiān)測曲線

綜上所述，模型有應(yīng)力集中和應(yīng)變能積累現(xiàn)象。庫水位與降雨的耦合作用導(dǎo)致土壓力出現(xiàn)最大值，而在暴雨來臨時(shí)，模型土壓力出現(xiàn)波動(dòng)則由于降雨存在時(shí)空不均勻性，而土壓力后期減小則是由于坡體變形后，坡體內(nèi)部釋放應(yīng)變能，導(dǎo)致滑坡應(yīng)力重分布。通過本試驗(yàn)可知，只有將滑坡實(shí)際情況探測更清楚，才能更好掌握滑坡的變形特征，并進(jìn)行預(yù)測，為科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)做出指導(dǎo)。

5 結(jié) 論

1)在自然狀態(tài)下庫水位變化過程中，滑坡位移保持不變，而土壓力與孔隙水壓力的變化情況呈先減小后增大再減小的循環(huán)變化趨勢。距離水庫越近，所受土壓力和孔隙水壓力越強(qiáng)，但土體地下水滲流會(huì)導(dǎo)致兩種壓力減小。

2)地下水位上升會(huì)導(dǎo)致坡體前緣土體飽和面積增大，失去坡體平衡性。但在自然狀態(tài)下，模型土壓力和孔隙水壓力的變化趨勢總體相似。

3)在暴雨條件下，模型前緣、中部和后緣位移最大變形量分別為7.8、5.2和3.8mm?；峦翂毫涂紫端畨毫φw增大，但前緣部分土壓力呈先增大后減小的變化趨勢，中部及后緣土壓力則在不停波動(dòng)，但孔隙水壓力整體則呈先增大后減小的變化趨勢。

4)模型有應(yīng)力集中和應(yīng)變能積累現(xiàn)象。庫水位與降雨的耦合作用導(dǎo)致土壓力出現(xiàn)最大值，降雨存在時(shí)空不均勻性，導(dǎo)致土壓力發(fā)生波動(dòng)，且坡體變形導(dǎo)致其內(nèi)部釋放應(yīng)變能，使滑坡應(yīng)力重分布。