三峽庫(kù)區(qū)巖質(zhì)滑坡離心模擬黏結(jié)材料滲透性試驗(yàn)研究

朱權(quán)威，馮文凱*，肖銳鏵，吳卓林，蘇永超

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059；2.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院,北京 100081)

自三峽水庫(kù)蓄水周期性運(yùn)營(yíng)之后,庫(kù)水位的周期性升降極大地影響了庫(kù)區(qū)岸坡的穩(wěn)定性。因此如何科學(xué)地研究庫(kù)水周期性運(yùn)營(yíng)過程中庫(kù)水對(duì)岸坡的影響,是目前三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治中的首要問題。對(duì)于三峽庫(kù)區(qū)的多數(shù)巖質(zhì)滑坡來說,其主要的成災(zāi)模式有滑移-拉裂型、滑移-彎曲型、塑流-拉裂型及崩解型[1-2],這些類型的滑坡在形成過程中會(huì)產(chǎn)生大量的碎石塊,坡體內(nèi)的碎石塊錯(cuò)亂堆積,內(nèi)部往往存在較多的空隙,而這些空隙比較容易形成貫通的滲流通道,從而滑坡體往往具有較好的滲透性,對(duì)于三峽庫(kù)區(qū)的巖質(zhì)滑坡,按庫(kù)水作用的形式可分為浮托減重型、動(dòng)水壓力型和巖體劣化型,而對(duì)于浮托減重型和動(dòng)水壓力型滑坡的核心是考慮庫(kù)水升降過程中的k和Δv的關(guān)系(k為坡體的滲透系數(shù),Δv為水庫(kù)升降水的速度),由此可以看出,對(duì)于庫(kù)區(qū)滑坡坡體的滲透性是影響滑坡穩(wěn)定性的一個(gè)非常重要的因素。

要對(duì)滑坡進(jìn)行深入研究,必須將野外調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)以及理論分析有機(jī)地結(jié)合起來,其中離心模擬試驗(yàn)已經(jīng)成為滑坡研究的一個(gè)重要組成部分,對(duì)于離心模擬試驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵在于相似材料的選擇以及相關(guān)參數(shù)的獲取。目前對(duì)于離心模擬相似材料的研究大多是基于靜力學(xué)問題方面的研究[3-8],且多數(shù)是針對(duì)離心模擬所需的試塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,然而,鮮有對(duì)黏結(jié)試塊與試塊之間的黏結(jié)材料進(jìn)行研究,而在庫(kù)區(qū)滑坡離心模擬中水的滲透主要是通過試塊之間的黏結(jié)材料進(jìn)行的,因此,黏結(jié)材料的滲透性是庫(kù)區(qū)滑坡離心模擬中的一個(gè)關(guān)鍵因素。于是,本文采用正交試驗(yàn)研究不同砂膠比、級(jí)配以及水泥石膏比對(duì)離心模擬中黏結(jié)材料滲透性的影響。

1 正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案

正交試驗(yàn)方法是研究多因素多水平的試驗(yàn)方法,它能夠通過較少的試驗(yàn)得到較為科學(xué)的試驗(yàn)結(jié)果。

為了研究膠砂比、級(jí)配和水泥石膏比3因素對(duì)黏結(jié)材料滲透性的影響規(guī)律,試驗(yàn)選取10～20目和40～60目的石英砂、100目的石膏和硅酸鹽水泥開展正交試驗(yàn)研究,其中級(jí)配的選取在石英砂中進(jìn)行,由于0.5～1 mm的石英砂粒徑是10～20目和40～60目的主要粒徑,10～20目0.5～1 mm的粒徑占58.6%,40～60目0.5～1 mm的粒徑占66.6%,因此,主要是通過調(diào)節(jié)0.5～1 mm石英砂粒徑的量來改變級(jí)配,具體方法是:稱取同等重量的10～20目和40～60目的石英砂一起進(jìn)行篩分,之后通過減去石英砂總重量的30%、20%、10%和0的0.5～1 cm粒徑的石英砂來得到不同級(jí)配(見表1),級(jí)配曲線見圖1。在正交試驗(yàn)中選取A(砂膠比)、B(級(jí)配)和C(水泥石膏比)作為3個(gè)因素,每個(gè)因素設(shè)置4個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn),各水平不同的設(shè)置見表1,采用L16(43)正交表,共16組試驗(yàn)見表2,每組試驗(yàn)制作3個(gè)試件,共48個(gè)試件,結(jié)果取三組試驗(yàn)的平均值。

圖1 石英砂級(jí)配曲線Fig.1 Quartz sand grading curve

表1 相似材料正交設(shè)計(jì)水平

表2 相似材料正交試驗(yàn)配比方案

2 試件的制作與試驗(yàn)

2.1 試件的制作

(1)材料準(zhǔn)備。按照表1的配比稱重取水及各原材料。

(2)材料的拌合。將稱重好石英砂、石膏、水泥和水依次加入到盆中進(jìn)行手工充分?jǐn)嚢?圖2)。

(3)裝料。將攪拌好的材料逐次加入到鋼環(huán)并分層壓實(shí),然后稱重,每個(gè)式樣的誤差控制在1%之內(nèi)。

(4)編號(hào)及養(yǎng)護(hù)。對(duì)16組式樣進(jìn)行編號(hào),編號(hào)分別為a～p;每組的三個(gè)試樣編號(hào)為1、2、3(圖3)；在室溫下養(yǎng)護(hù)7 d。

(5)飽水。在試驗(yàn)前進(jìn)行充分飽水48 h。

圖2 材料的拌制Fig.2 Mixing of materials

圖3 每組試樣的編號(hào)Fig.3 Number of each group of samples

圖4 滲透儀示意圖Fig.4 Schematic diagram of the permeameter

2.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)儀器采用的是自行設(shè)計(jì)的滲透儀器,示意圖如圖4所示,試驗(yàn)采用定水頭進(jìn)行測(cè)量滲透系數(shù),水頭Δh=90 cm,試樣高L=5 cm,滲透截面直徑D=5 cm。數(shù)據(jù)的采集為前三組每10 min記錄一組數(shù)據(jù),之后每20 min記錄一次,直至最后三組數(shù)據(jù)之間相差小于5%時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及敏感性因素分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過48個(gè)試樣的滲透試驗(yàn)測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,黏結(jié)材料滲透系數(shù)的分布范圍為2.5×10-7～1.2×10-2cm·s-1(2.2×10-4～10.4 m·d-1),按照《水文地質(zhì)手冊(cè)》[9],見表4,黏結(jié)材料的滲透等級(jí)分布為弱透水性-強(qiáng)滲透性。由湯明高等[10]獲得的三峽庫(kù)區(qū)15個(gè)區(qū)縣的396個(gè)滑坡1 188個(gè)現(xiàn)場(chǎng)或室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到三峽庫(kù)區(qū)的滑坡滲透系數(shù)分布范圍為1.2×10-5～2.4×10-2cm·s-1(0.01～21 m·d-1),滲透性良和滲透性中等(1.2×10-5～1.2×10-2cm·s-1)的滑坡合計(jì)達(dá)到97%。而對(duì)于離心物理模擬來說,由材料相似定理的換算帶來的滲透系數(shù)量級(jí)的變化大致在1～3個(gè)數(shù)量級(jí)左右(離心模擬CK=n,CK是邊坡模型與離心模型的比值,n為離心加速度)[11-12],由此可知表3中的黏結(jié)材料滲透系數(shù)可滿足三峽庫(kù)區(qū)大多數(shù)巖質(zhì)滑坡離心模擬的需要。

表3 材料滲透性試驗(yàn)結(jié)果

表4 三峽庫(kù)區(qū)滑坡體滲透等級(jí)劃分

3.2 影響因素敏感性分析

3.2.1 極差分析

在正交試驗(yàn)理論中,極差是各因素各水平下平均值的最大值與最小值之差,其大小反映各因素對(duì)指標(biāo)的影響程度,極差小表明該因素的不同水平對(duì)指標(biāo)值產(chǎn)生的差異較小,反之則越大。

由此方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,對(duì)黏結(jié)材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果中各因素相同水平下的滲透參數(shù)值求均值和極差,結(jié)果見表5,圖5是由表5繪制出滲透系數(shù)影響因素直觀分析圖。

表5 極差分析

圖5 滲透系數(shù)影響因素直觀圖Fig.5 Visualization of factors affecting the permeability coefficient

由表5可以看出各因素對(duì)滲透系數(shù)的影響程度從大到小一次為A>B>C,即骨膠比和石英砂級(jí)配影響較為顯著,由圖5可以看出,滲透系數(shù)隨著砂膠比和0.5～1 mm粒徑的石英砂占比的增大而增大,滲透系數(shù)隨著水泥石膏比的增加先減小后增大。

3.2.2 方差分析

方差表示每個(gè)數(shù)據(jù)偏離平均值的程度,方差越大表明數(shù)據(jù)間的離散程度越高,差異越大。相對(duì)于極差分析來說,方差的優(yōu)點(diǎn)在于考慮了試驗(yàn)指標(biāo)中的每一個(gè)信息。在正交試驗(yàn)理論中,為了區(qū)分各因素不同水平的試驗(yàn)結(jié)果是由因素水平產(chǎn)生的,還是由于試驗(yàn)誤差產(chǎn)生的,并對(duì)各因素對(duì)相關(guān)物理參數(shù)影響的顯著性水平進(jìn)行精準(zhǔn)的數(shù)量評(píng)估。此正交試驗(yàn)的方差分析結(jié)果如表6所示。

表6 方差分析結(jié)果

方差分析得到如下結(jié)果。

(1)各因素不同水平的試驗(yàn)結(jié)果差異是由因素水平不同引起的,并不是由試驗(yàn)誤差引起的。

(2)砂膠比對(duì)黏結(jié)材料的滲透性影響高度顯著,石英砂級(jí)配對(duì)黏結(jié)材料的滲透性影響顯著,水泥石膏比對(duì)黏結(jié)材料的滲透性影響不顯著。

4 結(jié)論

(1)在對(duì)三峽庫(kù)區(qū)巖質(zhì)滑坡進(jìn)行離心模擬試驗(yàn)時(shí),可以用試塊與試塊之間的黏結(jié)材料來模擬三峽庫(kù)區(qū)巖質(zhì)滑坡的滲透特性。

(2)由正交試驗(yàn)得到的滲透系數(shù)的分布為2.4×10-7～1.1×10-2cm·s-1,基本上可滿足三峽庫(kù)區(qū)大多數(shù)巖質(zhì)滑坡的離心模擬試驗(yàn)。

(3)不同因素對(duì)黏結(jié)材料滲透性影響的規(guī)律不同,通過極差和方差分析認(rèn)為,3種因素中砂膠比影響最大,級(jí)配的影響次之,水泥石膏比的影響不明顯。