坡前水位降落對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響試驗(yàn)

曾萬(wàn)福

(赫章縣水務(wù)局，貴州 畢節(jié) 553200)

1 概 述

滑坡作為最普遍的地質(zhì)災(zāi)害之一，不僅給社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且還嚴(yán)重威脅周邊百姓的人身安全。有數(shù)據(jù)顯示，滑坡災(zāi)害給我國(guó)每年帶來(lái)超百億的經(jīng)濟(jì)損失。研究表明，滑坡事故多為土質(zhì)邊坡失穩(wěn)所造成，究其原因是邊坡內(nèi)滲流場(chǎng)的變化導(dǎo)致的。因此，對(duì)坡前水位變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的研究迫在眉睫。

國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的學(xué)者將研究重點(diǎn)聚集于此，并取得一系列的研究成果[1-3]。柳群義等[4]基于三維數(shù)值軟件對(duì)某庫(kù)區(qū)邊坡進(jìn)行模擬，獲得了庫(kù)岸的位移和孔隙水壓力，研究了水位漲落對(duì)庫(kù)岸邊坡的影響。羅先啟等[5]利用實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)降雨及庫(kù)區(qū)水位變化下的邊坡進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，分析了水位變化及降雨下引起的滑坡。年廷凱等[6]采用PLAXIS3D有限元軟件，對(duì)某土質(zhì)邊坡進(jìn)行模擬，并基于強(qiáng)度折減法研究庫(kù)水位降落過(guò)程中土質(zhì)邊坡的位移和應(yīng)力變化；同時(shí)對(duì)相關(guān)敏感參數(shù)進(jìn)行影響因素分析。汪斌等[7]采用FLAC3D大型數(shù)值軟件對(duì)庫(kù)岸邊坡進(jìn)行模擬，總結(jié)了考慮流固耦合作用下邊坡滑坡邊坡失穩(wěn)機(jī)制。王學(xué)武等[8]利用數(shù)值模擬手段對(duì)非飽和壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，研究了水位變化對(duì)壩坡穩(wěn)定性的影響。本文通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)坡前水位降落下的邊坡穩(wěn)定性影響進(jìn)行研究，為今后的相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供理論支撐。

2 試驗(yàn)設(shè)備及材料

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涑叽鐬?.5 m(長(zhǎng))×1.0 m(寬)×1.2 m(高)，見(jiàn)圖1。模型箱底面和側(cè)面均采用鋼化玻璃，玻璃厚度為20 mm。在側(cè)面鋼化玻璃上繪制網(wǎng)格線，間隔10 cm，可以很好地觀察試驗(yàn)的進(jìn)展。為控制水位降落速度在5 L/h，模型箱開(kāi)4個(gè)直接20 mm的孔，用以連接旋翼濕式水表。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?/p>

采用XL2118B應(yīng)力應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀來(lái)監(jiān)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變，見(jiàn)圖2。

圖2 XL2118B應(yīng)力應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀

2.2 土體試樣及物理力學(xué)參數(shù)

試驗(yàn)中選取粉質(zhì)黏土和中砂兩種土質(zhì)，見(jiàn)圖3和圖4。其基本物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，粒徑分布見(jiàn)表2。

圖3 中 砂

圖4 粉質(zhì)黏土

表1 土體參數(shù)表

表2 土體粒徑分布表

3 試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)有以下幾個(gè)步驟：

1) 在模型箱底部鋪設(shè)反濾層，厚度為50 mm，以便試驗(yàn)過(guò)程中水能自下而上均勻入滲，坡內(nèi)滲流場(chǎng)區(qū)域飽和滲流。

2) 模型箱蓄水后，靜置以使?jié)B流處于穩(wěn)定狀態(tài)，然后打開(kāi)出水口模擬水位下降。

3) 利用測(cè)試儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并做記錄。

4) 利用網(wǎng)格線記錄邊坡的位移。

3.2 試驗(yàn)工況

為研究降落速度和落差對(duì)邊坡的影響，本次試驗(yàn)一共進(jìn)行6組不同工況的試驗(yàn)，見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)工況表

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 水位降落速率的影響

為研究水位降落速率對(duì)邊坡的影響，本節(jié)選取試驗(yàn)標(biāo)號(hào)1-2和1-3兩組試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。圖5為水位降落時(shí)浸潤(rùn)線的變化曲線，給出了6組不同時(shí)間的結(jié)果。由圖5可知，邊坡浸潤(rùn)線隨著水位的降落也一直降落，且不同時(shí)刻同一高度邊坡前緣水位總體低于邊坡后緣水位。這種內(nèi)外部的水壓力差會(huì)導(dǎo)致邊坡后緣向邊坡前緣的滲流，其產(chǎn)生的滲流力會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。邊坡水位下降初期，內(nèi)外部的水壓力差逐漸增大，這是由于邊坡前緣水位的不斷下降，且邊坡底部比邊坡頂部長(zhǎng)，導(dǎo)致滲流路徑的增加。邊坡水位下降后期，邊坡前緣水位趨于穩(wěn)定，但邊坡后緣水位繼續(xù)下降，內(nèi)外部的水壓力差漸漸減小。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到83 min時(shí)，內(nèi)外部的水壓力差趨于0。

圖5 中砂邊坡坡內(nèi)浸潤(rùn)線隨時(shí)間變化圖

圖6為中砂內(nèi)3個(gè)不同點(diǎn)的水位變化曲線，3個(gè)點(diǎn)分別為邊坡表面、x=140 cm和x=240 cm。由圖6可知，在水位下降初期，1-2試驗(yàn)組中x=240 cm處邊坡內(nèi)外水位壓力差峰值為14 cm，在83 min時(shí)內(nèi)外水位壓力差較初期減小約85%；而1-3試驗(yàn)組中x=240 cm處邊坡內(nèi)外水位壓力差峰值為11 cm，在83 min時(shí)內(nèi)外水位壓力差較初期減小約80%。因此，隨著邊坡水位的下降，坡外水位下降速率明顯大于坡內(nèi)水位下降速率。由于滲流路徑的不同，同一高度邊坡內(nèi)部位置孔隙水壓力消散比邊坡表面位置慢。邊坡水位下降初期，邊坡內(nèi)部外部水位降落速率顯著增大；邊坡水位下降后期，邊坡前緣水位趨于穩(wěn)定邊坡內(nèi)部外部水位降落速率趨于一致。同樣可以看出，在83 min時(shí)，內(nèi)外部的水壓力差趨于0。

圖6 中砂邊坡坡內(nèi)不同點(diǎn)水位隨時(shí)間變化圖

4.2 水位落差的影響

本節(jié)選擇標(biāo)號(hào)2-1和2-2兩組試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，分析水位落差對(duì)邊坡位移、孔隙壓力的影響。圖7為浸潤(rùn)線的變化曲線，同樣給出了6組不同時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果。由圖7可知，隨著邊坡水位的下降，邊坡前緣水壓力衰減速率明顯快于邊坡后緣水壓力衰減速率。在水位下降初期，邊坡孔壓差隨著滲流路徑逐漸增大；在水位下降后期，邊坡前緣水位逐漸趨于穩(wěn)定，邊坡孔壓差緩慢減小。

圖7 粉質(zhì)黏土邊坡坡內(nèi)浸潤(rùn)線隨時(shí)間變化圖

圖8為粉質(zhì)黏土內(nèi)3個(gè)不同點(diǎn)的水位變化曲線，3個(gè)點(diǎn)分別為邊坡表面、x=180 cm和x=210 cm。由圖8可知，在水位下降初期，2-1試驗(yàn)組中x=210 cm處邊坡內(nèi)外水位壓力差峰值為41 cm，在137 min時(shí)內(nèi)外水位壓力差較初期減小約50%；而2-2試驗(yàn)組中x=210 cm處邊坡內(nèi)外水位壓力差峰值為46 cm，在83 min時(shí)內(nèi)外水位壓力差較初期減小約54%。同樣，隨著邊坡水位的下降，坡外水位下降速率明顯大于坡內(nèi)水位下降速率。且由于滲流路徑的不同，同一高度邊坡內(nèi)部位置孔隙水壓力消散比邊坡表面位置慢。對(duì)比圖6的中砂試驗(yàn)可以看出，由于粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)小，其坡內(nèi)孔壓差衰減幅度小且衰減速度慢，水位下降對(duì)邊坡穩(wěn)定性的不利影響更大，時(shí)間也更久。

圖8 粉質(zhì)黏土邊坡坡內(nèi)不同點(diǎn)水頭隨時(shí)間變化圖

4.3 坡形的影響

對(duì)比標(biāo)號(hào)1-1試驗(yàn)組邊坡x=140 cm和240 cm，標(biāo)號(hào)1-4試驗(yàn)組邊坡x=140 cm和240 cm的水頭值隨時(shí)間的變化情況。圖9為兩組試驗(yàn)邊坡前緣水位和不同x位置處水位的變化曲線。由圖9可知，不同位置水位的變化規(guī)律與前面4組試驗(yàn)一致：隨著邊坡水位的下降，坡外水位下降速率更大，邊坡內(nèi)部位置孔隙水壓力消散更慢。邊坡水位下降初期，邊坡內(nèi)部外部水位降落速率顯著增大。在水位下降初期，1-1試驗(yàn)組邊坡內(nèi)外水位壓力差峰值為14 cm，在82 min時(shí)內(nèi)外水位壓力差較初期減小約93%；而1-4試驗(yàn)組邊坡內(nèi)外水位壓力差峰值為8 cm，在82 min時(shí)內(nèi)外水位壓力差較初期減小約98%。由于1-4試驗(yàn)組中滲流路徑更大，邊坡內(nèi)部水位下降更快，邊坡內(nèi)外水壓差較1-1試驗(yàn)組也更小。

圖9 坡內(nèi)不同點(diǎn)水頭隨時(shí)間變化圖

5 結(jié) 論

本文基于室內(nèi)模型試驗(yàn)?zāi)M水位降落過(guò)程中邊坡的滲流場(chǎng)變化，得到了不同試驗(yàn)工況下水位下降過(guò)程中水位結(jié)果及邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象；著重研究了坡形、降落速度、土體材料和降落差等不同條件下對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。主要有以下結(jié)論：

1) 邊坡水位下降初期，邊坡內(nèi)外孔隙水壓力差值隨著邊坡水位的下降逐漸增大；邊坡水位下降后期，邊坡前緣水位趨于穩(wěn)定，邊坡內(nèi)外孔隙水壓力差值逐漸減小，邊坡滲流場(chǎng)接近穩(wěn)定狀態(tài)。

2) 滲透性能好的土體，當(dāng)邊坡前緣水位處于穩(wěn)定狀態(tài)后，邊坡內(nèi)部孔隙水壓力衰減速度較滲透性差的土體快，水位下降對(duì)邊坡穩(wěn)定性的不利影響更顯著，時(shí)間也更久。

3) 水位降落速率、落差和坡形均對(duì)邊坡有顯著影響，隨著水位降落速率增大、落差增大和坡比增大，邊坡更易失穩(wěn)發(fā)生破壞。