二元結(jié)構(gòu)庫(kù)岸邊坡失穩(wěn)機(jī)制試驗(yàn)研究

張 鈞，梁為邦，林 紅，蘇東院，田 毅，許萬(wàn)忠，熊茹雪，史丁康

(1.云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650021；2.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性歷來(lái)是水庫(kù)建設(shè)過(guò)程中必須重視的重要問(wèn)題。水庫(kù)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中水位升降導(dǎo)致庫(kù)岸邊坡巖土體發(fā)生“再造”過(guò)程，使邊坡巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)及地下水環(huán)境發(fā)生重大改變，其結(jié)果可能導(dǎo)致庫(kù)岸邊坡發(fā)生滑坡災(zāi)害，造成庫(kù)區(qū)航道堵塞從而影響正常的航運(yùn)；此外，大方量近壩邊坡的滑動(dòng)垮塌甚至可能導(dǎo)致“翻壩”事故。因此，研究水位升降條件下庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題具有重要的理論及應(yīng)用價(jià)值。

目前，該類(lèi)問(wèn)題的研究方法主要有理論研究[1-2]、模型試驗(yàn)[3-4]和數(shù)值模擬[5-6]。王俊杰等[7]通過(guò)研究均質(zhì)土邊坡在初次蓄水時(shí)發(fā)生的塌岸現(xiàn)象，得出了岸坡坡角越大、土體顆粒粒徑越小，坡面形狀為凸形的岸坡越易發(fā)生塌岸破壞的結(jié)論；王樂(lè)華等[8]針對(duì)邊坡角度這一影響因素，對(duì)邊坡破壞的影響現(xiàn)象進(jìn)行了觀(guān)測(cè)，認(rèn)為坡度較大(50°和60°)時(shí)，在水位上升階段便發(fā)生大規(guī)模塌岸現(xiàn)象，坡角為40°的邊坡在水位下降期間發(fā)生大規(guī)模的滑動(dòng)破壞可能性更大，總結(jié)出坡度對(duì)岸坡變形-破壞模式影響顯著的結(jié)論；于克臣等[9]、竇增寧等[10]結(jié)合具體工程案例，圍繞降雨這一邊界條件對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：在降雨條件作用下，孔隙水壓力、土壓力和位移曲線(xiàn)呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律；賈官偉等[11]借助模型試驗(yàn)揭示出水位驟降導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的原因是由于坡外水位驟降時(shí)，坡內(nèi)水位的下降速度顯著滯后于坡外，產(chǎn)生指向坡外的滲流；姜海西等[12]重點(diǎn)研究了水位升降和波浪作用下結(jié)構(gòu)面為 30°和 50°的兩種巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性和破壞機(jī)制，得出了水下巖質(zhì)邊坡坡腳處應(yīng)力集中最大，破壞始于坡腳，且隨著結(jié)構(gòu)面傾角的變小波浪對(duì)水下巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面的影響將減弱的結(jié)論；徐平等[13]、朱亞亞等[14]借助數(shù)值模擬手段考慮非飽和滲流對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響，分析出滑坡體在水位上升下降過(guò)程中，穩(wěn)定性均先減小后增大。

從上述可以看出，以往研究大多將庫(kù)岸邊坡設(shè)定為均質(zhì)體，從而探討水位升降條件下[15]庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性變化和破壞失穩(wěn)規(guī)律，但對(duì)于特定的二元結(jié)構(gòu)庫(kù)岸邊坡在水位升降條件下的破壞機(jī)制研究并不多見(jiàn)。眾所周知，邊坡的結(jié)構(gòu)特征是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素，在外力地質(zhì)作用下邊坡表面巖體風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)、沉積，從而形成上部為堆積土體下部為基巖的“二元結(jié)構(gòu)邊坡”，土巖界面容易成為邊坡失穩(wěn)的潛在滑移面；邊坡的變形失穩(wěn)特征與土巖界面的傾角及整體邊坡角度密切相關(guān)，尤其是在水位升降條件下，二元結(jié)構(gòu)庫(kù)岸邊坡巖土體的浸潤(rùn)線(xiàn)[16-17]分布特征及演化規(guī)律將呈現(xiàn)出特殊性，該狀態(tài)下的邊坡變形失穩(wěn)機(jī)制將趨于復(fù)雜[18]。

本文通過(guò)構(gòu)建水位升降條件下的二元結(jié)構(gòu)庫(kù)岸邊坡物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，借助監(jiān)測(cè)及攝影的技術(shù)手段觀(guān)測(cè)邊坡變形破壞的特征，力圖揭示水位變化條件下邊坡處于不同坡角及土巖界面不同傾角狀態(tài)下的邊坡失穩(wěn)機(jī)制，尤其是水位變化條件下庫(kù)岸巖土體浸潤(rùn)線(xiàn)的分布及演化特征，研究結(jié)果可為水庫(kù)岸滑坡災(zāi)害的成因分析和治理方案提供分析和治理依據(jù)。

基于本項(xiàng)目為理論問(wèn)題研究，揭示的是研究對(duì)象的一般規(guī)律，不需得出確切的應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)，物理模型的構(gòu)建只需將二元結(jié)構(gòu)邊坡的結(jié)構(gòu)及組成特征展現(xiàn)出來(lái)，從而揭示所建模型在水位升降條件下變形、破壞及失穩(wěn)響應(yīng)機(jī)制，因此，本項(xiàng)目物理模型的建立不考慮尺寸效應(yīng)問(wèn)題。

1 物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建包括模型試驗(yàn)材料的選取、模型制作及模型響應(yīng)的監(jiān)測(cè)布置。

1.1 模型試驗(yàn)材料選取

為觀(guān)測(cè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谒簧禇l件下的反應(yīng)特征，本物理試驗(yàn)構(gòu)建2 m×1 m×1.3 m(長(zhǎng)×寬×高)的試驗(yàn)水槽，水槽側(cè)壁采用15 mm厚度的鋼化玻璃，四壁用槽鋼及角鋼加固水槽；邊坡模型上部松散堆積層采用粉質(zhì)黏土與河砂混合夯實(shí)，河砂、粉質(zhì)黏土以1∶1.5比例均勻混合拌制；邊坡模型下部巖體采用C20混凝土模擬制作，水泥采用普通硅酸鹽水泥，粗骨料采用河沙代替，制作后的巖土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用模擬材料物理力學(xué)參數(shù)

1.2 物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱?/h3>

邊坡模型長(zhǎng)1.3 m，寬1 m，高1.1 m，按照10°、15°、25°制成不同角度基巖模型；將整體邊坡角分別設(shè)定為35°、45°、55°制成相應(yīng)的上覆土體模型；為使填土與下部基巖緊密結(jié)合，基巖混凝土表面做拉毛處理，在達(dá)到齡期的基巖混凝土上部填筑覆土，填土采用人工分層夯實(shí)的方法進(jìn)行制作，每層厚20 cm，為達(dá)到夯實(shí)目的，模型前緣設(shè)置擋板，利用木錘進(jìn)行人工逐層夯實(shí)至設(shè)計(jì)尺寸；模型箱底部設(shè)置進(jìn)出水控制閥及流量水表以控制試驗(yàn)中水位的升降量及速度。

1.3 模型響應(yīng)測(cè)試原件布設(shè)

試驗(yàn)過(guò)程重點(diǎn)觀(guān)測(cè)水位升降條件下的坡體變形及破壞特征，尤其是坡體浸潤(rùn)線(xiàn)的演化規(guī)律，為此，在邊坡模型中部沿傾向設(shè)置不同的位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)：采用橫梁懸掛吊錘的方式測(cè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的原始坐標(biāo)及水位變化后的坐標(biāo)值，對(duì)比測(cè)出監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位變化條件下的變形值；吊錘用鋼梁按一定間距固定于水箱上部，共設(shè)4個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)，自后緣至坡腳按1～4排號(hào)順序布置，水平間距為30 cm。為觀(guān)察及測(cè)取水位變化條件下的坡體浸潤(rùn)線(xiàn)的變化特征及分布規(guī)律，在模型坡體的中部不同位置布設(shè)測(cè)壓管，水平間距為15 cm，數(shù)量為9個(gè)，并將各測(cè)壓管延伸固定于水槽箱體的側(cè)壁，模型框架、浸潤(rùn)線(xiàn)測(cè)試及位移測(cè)試的布置見(jiàn)圖1。

圖1 模型框架及測(cè)試原件布設(shè)

2 物理模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)控制及過(guò)程

二元結(jié)構(gòu)庫(kù)岸邊坡的變形破壞特征與水位升降幅度及升降速度密切相關(guān)。為揭示其內(nèi)在的變形及破壞失穩(wěn)機(jī)制，本研究模仿實(shí)際工況條件，重點(diǎn)觀(guān)測(cè)單次水位上升、水位下降及循環(huán)水位升降工況下的物理模型響應(yīng)，即在各工況條件下控制水位的升降幅度及升降速率，同時(shí)觀(guān)測(cè)模型的變化特征，水位升降按以下控制條件進(jìn)行：

(1)以1 m/h的速率進(jìn)行蓄水試驗(yàn)控制，當(dāng)水位達(dá)到設(shè)定高度時(shí)，停止蓄水；每階段靜置1.5 h，達(dá)到最高水位后靜置24 h，再以同樣的速率進(jìn)行泄水，完成一個(gè)循環(huán)的水位升降試驗(yàn)過(guò)程。

(2)水位升降幅度控制以25 cm為一觀(guān)測(cè)階段，最高水位75 cm，試驗(yàn)根據(jù)不同整體坡角、不同土巖界面傾角、不同循環(huán)升降次數(shù)，將模型試驗(yàn)分為五組，各狀態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

試驗(yàn)利用測(cè)壓管和鉛錘線(xiàn)墜記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)水壓力變化及位移情況；采用數(shù)碼攝像機(jī)拍攝邊坡巖土體的變形破壞現(xiàn)象。試驗(yàn)過(guò)程水位調(diào)度見(jiàn)圖2。

表2 模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

2.2 水位初次升降條件下邊坡巖體變形破壞特征

2.2.1水位上升條件下邊坡巖體變形破壞特征

蓄水階段固定土巖界面傾角15°不變，觀(guān)察整體邊坡角分別為35°、45°、55°的邊坡變形破壞特征：35°邊坡蓄水過(guò)程中始終未見(jiàn)明顯變形破壞；45°邊坡臨水部位發(fā)生局部沖蝕破壞，被侵蝕的土體逐漸向坡腳堆積；55°邊坡水位以上坡體出現(xiàn)張拉裂縫伴隨大規(guī)?？逅?。坡體的變形破壞特征見(jiàn)圖3。

圖2 試驗(yàn)水位調(diào)度圖

蓄水階段固定整體邊坡角45°不變，觀(guān)察土巖界面傾角分別為10°、15°、25°邊坡的變形破壞特征：10°傾角邊坡以水面下淺層侵蝕破壞為主，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；15°傾角邊坡后緣出現(xiàn)更大規(guī)模的侵蝕破壞，破壞規(guī)模甚于前者；25°傾角邊坡后緣出現(xiàn)貫通的張拉裂縫并進(jìn)一步擴(kuò)張；各狀態(tài)下邊坡的變形破壞程度隨水位的升幅呈現(xiàn)逐漸劣化的趨勢(shì)。邊坡變形破壞特征見(jiàn)圖4。

圖3 初次蓄水條件下不同坡角邊坡破壞特征

圖4 初次蓄水條件下不同土、巖界面傾角邊坡破壞特征

2.2.2水位下降條件下邊坡巖體的變形破壞特征

保持降水階段土巖界面傾角15°不變，邊坡角分別為35°、45°、55°時(shí)的邊坡變形破壞特征：水位下降過(guò)程中35°邊坡始終未見(jiàn)明顯的變形破壞現(xiàn)象；45°邊坡前緣發(fā)生“再造”性岸線(xiàn)前移；55°邊坡進(jìn)一步發(fā)生逐級(jí)坍塌破壞，原水位上升期間形成的坡頂張拉裂被壓密，水位下降至坡腳位置，破壞停止，達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。相應(yīng)坡體變形破壞體征見(jiàn)圖5。

保持降水階段邊坡角45°不變，土巖界面傾角分別為10°、15°、25°時(shí)邊坡變形破壞特征：10°傾角邊坡水位下降過(guò)程中，坡體水面以上部分變化較小，坡表面發(fā)生淺層小范圍侵蝕破壞，堆積至坡腳；15°傾角邊坡后緣土體發(fā)生侵蝕破壞，堆積至坡腳，未出現(xiàn)整體滑移跡象；25°傾角邊坡降水過(guò)程中，后緣裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，前緣發(fā)生滑動(dòng)，失穩(wěn)跡象明顯。邊坡變形破壞特征見(jiàn)圖6。

圖5 初次泄水條件下不同坡角邊坡破壞特征

圖6 初次泄水條件下不同土巖界面傾角邊坡破壞特征

2.3 水位循環(huán)升降條件下邊坡巖體變形破壞特征

水位循環(huán)升降試驗(yàn)條件下，觀(guān)測(cè)土巖界面傾角為25°，坡角為45°邊坡的變形破壞特征：水位上升過(guò)程中，水位以下邊坡前緣變形較大，局部出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象；隨水位上升過(guò)程的延續(xù)，水位以上坡頂?shù)膹埨芽p逐漸顯現(xiàn)并加寬，但未發(fā)生整體滑動(dòng)失穩(wěn)；水位上升到預(yù)定標(biāo)高后控制試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)入水位下降過(guò)程。

水位循環(huán)下降過(guò)程中，邊坡的變形破壞特征如下：邊坡變形破壞“再造”特征顯著，水位上升階段形成的圓弧狀裂縫逐漸加寬深切，沿土巖界面的深層失穩(wěn)特征明顯，試驗(yàn)后期發(fā)生大規(guī)?？逅?，邊坡的變形破壞呈現(xiàn)突發(fā)快速的特征；邊坡變形破壞規(guī)模較大，破壞源于坡腳，變形破壞劇烈，具有突發(fā)性，屬深層破壞。此工況下邊坡變形失穩(wěn)特征見(jiàn)圖7。

3 模型試驗(yàn)曲線(xiàn)及分析

3.1 模型試驗(yàn)曲線(xiàn)

本研究共開(kāi)展5組模型試驗(yàn)，鑒于篇幅所限，本文選取坡角為45°、土巖界面傾角為25°的邊坡第一、三次循環(huán)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探索分析所選模型在水位升降過(guò)程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化趨勢(shì)及浸潤(rùn)線(xiàn)分布特征及演化規(guī)律。水位升降及邊坡破壞狀態(tài)下浸潤(rùn)線(xiàn)分布變化特征曲線(xiàn)如圖8所示，不同循環(huán)次數(shù)及水位升降條件下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)全程位移變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖9。

圖7 第三次水位循環(huán)升降條件下的邊坡破壞特征

圖8 水位變化條件下浸潤(rùn)線(xiàn)分布規(guī)律圖

3.2 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1水位升降條件下的浸潤(rùn)線(xiàn)分布及演化規(guī)律

由圖8可見(jiàn)：初次水位上升階段的瞬態(tài)浸潤(rùn)線(xiàn)擬合后近似為上凹形曲線(xiàn)，試驗(yàn)表明：隨坡外水位的迅速上升，坡外水頭壓力逐漸增大，在水頭壓力的作用下庫(kù)內(nèi)水體不斷向庫(kù)岸邊坡巖土體滲透擴(kuò)散，水頭壓力隨滲透半徑逐漸耗損，直至一定滲透半徑后滲透阻力與滲透水頭壓力達(dá)到平衡，滲透過(guò)程結(jié)束。水位下降階段瞬態(tài)浸潤(rùn)線(xiàn)擬合后近似為下凹形曲線(xiàn)，試驗(yàn)表明：隨坡外水位的迅速下降，坡外水頭壓力逐漸減小，水位線(xiàn)以上坡體內(nèi)部的水體將產(chǎn)生相對(duì)于坡外的滲透水頭壓力，隨坡內(nèi)水體的不斷外滲流出，坡內(nèi)水位逐漸下降，最終坡體浸潤(rùn)線(xiàn)呈現(xiàn)出下凹特征。

初次循環(huán)工況，在連續(xù)升降條件下坡體浸潤(rùn)線(xiàn)在水位快速下降階段的下凹曲線(xiàn)的曲率表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，該現(xiàn)象是由于水位上升階段沒(méi)有經(jīng)歷水位靜止?fàn)顟B(tài)，導(dǎo)致向坡體內(nèi)部的滲透水流沒(méi)有機(jī)會(huì)進(jìn)行充分的擴(kuò)散即進(jìn)入水位下降階段，從而形成浸潤(rùn)線(xiàn)的上述變化特征。

3.2.2水位升降條件下坡體位移演化規(guī)律

由監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線(xiàn)圖9可見(jiàn)：?jiǎn)蜗蛩簧仙^(guò)程中各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值基本呈現(xiàn)逐漸增大的規(guī)律，坡體位移場(chǎng)發(fā)生重新分布；同一水位狀態(tài)下水下部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移值從坡底向上逐漸減小，坡體水位以上部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移增大幅度小于水下點(diǎn)，這是因?yàn)樗虏糠值钠麦w物理力學(xué)指標(biāo)不斷劣化，造成其蠕變位移不斷增大；水位線(xiàn)以上部分坡體未被浸泡，保持原有的土體物理力學(xué)指標(biāo)不變，因而其變形較小。單向水位下降過(guò)程中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量和增量均遠(yuǎn)大于水位上升階段，水位線(xiàn)以上坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移逐漸增大，而水位線(xiàn)以下坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移增大幅度更大，其原因是由于在水位上升期間，坡腳已經(jīng)被軟化侵蝕，位移在逐步累積，上部的拉裂是坡腳的破壞牽引所致；水位的下降導(dǎo)致水位線(xiàn)以上坡體內(nèi)部產(chǎn)生向外的滲透壓力，致使后緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移進(jìn)一步增大，當(dāng)水位快速下降并且幅度較大時(shí)，水位線(xiàn)以上坡體監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移加劇，導(dǎo)致坡體上部巖土體出現(xiàn)張拉裂縫，裂縫逐漸增大導(dǎo)致位移突變，直至坡體失穩(wěn)滑移。

圖9 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化曲線(xiàn)

水位多次循環(huán)升降條件后的坡體監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化趨勢(shì)與單向水位升降條件下的坡體位移規(guī)律基本吻合，只是水位循環(huán)升降過(guò)程中水位線(xiàn)以上部分坡體監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移相對(duì)較小，這是由于水位單向循環(huán)升降過(guò)程中，上升水體還沒(méi)有在庫(kù)岸坡體內(nèi)充分?jǐn)U散就快速進(jìn)入水位下降狀態(tài)，坡體內(nèi)外的動(dòng)水壓力較小且向外的滲流量有限所導(dǎo)致的結(jié)果。

3.2.3水位升降條件下坡體破壞失穩(wěn)演化規(guī)律

上述試驗(yàn)表明：水位上升過(guò)程中坡體的破壞失穩(wěn)部位主要集中于坡體前緣的涉水區(qū)域，表現(xiàn)為局部滑動(dòng)失穩(wěn)；水位以上的坡頂部位易出現(xiàn)張拉裂縫，這是由于坡體前緣破壞所導(dǎo)致的“牽引”式失穩(wěn)所致；水位下降過(guò)程中破壞區(qū)域主要集中于水位線(xiàn)以上的坡體區(qū)域，破壞特征表現(xiàn)為較大的土體蠕變、張拉裂縫及垮塌失穩(wěn)，這是由于水位的快速下降導(dǎo)致坡體內(nèi)部水體不能及時(shí)排出，較大的孔隙水壓力及飽和土體重度導(dǎo)致水位以上坡體沿土巖界面發(fā)生破壞失穩(wěn)。

4 結(jié)論

(1)水位上升過(guò)程中坡體浸潤(rùn)線(xiàn)呈現(xiàn)上凹特征，水位標(biāo)高向坡內(nèi)逐漸減?。凰幌陆颠^(guò)程中坡體浸潤(rùn)線(xiàn)呈現(xiàn)下凹特征，水位標(biāo)高向坡外逐漸減小；循環(huán)蓄水時(shí)，同一時(shí)刻浸潤(rùn)線(xiàn)凹曲率較初次蓄水有所減小。

(2)伴隨庫(kù)水位的不斷上升，水下坡體前緣浸泡部分逐漸增大，該部分土體力學(xué)指標(biāo)不斷劣化，坡體前緣的垮塌將導(dǎo)致坡體上部覆土沿土巖界面的變形加劇，甚至垮塌失穩(wěn)。

(3)水位上升過(guò)程中二元結(jié)構(gòu)庫(kù)岸邊坡的變形破壞主要產(chǎn)生于邊坡前緣的涉水區(qū)域。

(4)水位快速循環(huán)升降條件下的水位下降階段，水位線(xiàn)以上坡體變形破壞程度小于單向水位下降階段，且變形破壞主要集中于水位線(xiàn)以上的坡體部分，水位線(xiàn)以下部分巖土體較為穩(wěn)定。

(5)高坡角的二元結(jié)構(gòu)邊坡在庫(kù)水升降條件下破壞以垮塌為主；土巖界面傾角的大小會(huì)影響潛在滑動(dòng)面位置的變化。

(6)水位升降條件下二元結(jié)構(gòu)庫(kù)岸邊坡的土巖界面是變形和失穩(wěn)的潛在危險(xiǎn)面，多次循環(huán)蓄泄水將引發(fā)邊坡沿土巖界面的失穩(wěn)。