庫水復(fù)活型滑坡牽引滑動(dòng)機(jī)理模型試驗(yàn)研究

孫立娟，崔 凱，王溢軒

(1.吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130118； 2.高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南交通大學(xué)) ，成都 610031; 3.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

庫區(qū)水位升降對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響是亟待解決的重要課題[1-3]。與普通邊坡相比，庫岸邊坡的外部水環(huán)境變化不同于一般滑坡體。因長期受庫水位升降作用的影響，岸坡前緣受沖刷侵蝕以及浸泡軟化作用，坡腳支撐力削弱，易出現(xiàn)臨空面，常使坡體發(fā)生牽引滑動(dòng)破壞，形成牽引式滑坡[4-7]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，庫岸邊坡多為老滑坡，國際大壩委員會(huì)(LCOLD)統(tǒng)計(jì)了50座水庫的105個(gè)滑坡事故，發(fā)現(xiàn)老滑坡復(fù)活占到75%[8]。對(duì)于老滑坡而言，多數(shù)在地質(zhì)歷史時(shí)期已經(jīng)形成了滑動(dòng)面，且發(fā)生過多級(jí)多次滑動(dòng)，其復(fù)活失穩(wěn)多是由滑帶土強(qiáng)度弱化導(dǎo)致的。水庫蓄水誘發(fā)滑坡的諸多原因中，老滑坡具有既有滑面以及蓄水導(dǎo)致的滑帶土浸水弱化是重要的控制因素[9-10]?；瑤ё鳛榛碌闹匾M成部分，對(duì)滑坡穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的控制作用?；瑤У难莼^程與其所處的應(yīng)力環(huán)境及地下水條件密切相關(guān)，一定程度上導(dǎo)致滑帶的力學(xué)參數(shù)具有明顯的空間分區(qū)特征，進(jìn)而引發(fā)不同的坡體破壞模式。即滑帶土強(qiáng)度演化過程與滑坡體變形發(fā)展直接相關(guān)，滑坡的發(fā)生發(fā)展和運(yùn)動(dòng)過程是滑帶土強(qiáng)度在時(shí)間上的可變性和空間上的差異性的宏觀體現(xiàn)?；碌陌l(fā)生更多地取決于滑動(dòng)面上的應(yīng)力狀態(tài)以及滑帶土強(qiáng)度衰減程度。如云陽地區(qū)老藥鋪滑坡主要是滑面處形成超孔隙水壓力，滑帶土抗剪強(qiáng)度降低，從而誘發(fā)老滑坡復(fù)活[11]。塘角村1號(hào)老滑坡開始啟動(dòng)是滑帶土孔隙水壓力改變的結(jié)果，滑帶土所表現(xiàn)出的力學(xué)特性是老滑坡復(fù)活的關(guān)鍵誘因[12]。萬州中學(xué)老滑坡，其底滑面直接控制老滑坡的整體穩(wěn)定性[13]。

在庫岸滑坡的研究中，從現(xiàn)場調(diào)查、原位試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析以及數(shù)值仿真等方面開展了大量工作[14]，尤其是在庫岸滑坡演化機(jī)制試驗(yàn)研究方面更是取得了顯著成果。如羅先啟等[15]通過物理模型模擬等方法，揭示了千將坪滑坡的滑動(dòng)機(jī)制及滑坡預(yù)警判據(jù)。王明華等[16]研究庫岸滑坡發(fā)現(xiàn)，水庫蓄水易引發(fā)牽引式滑坡的變形模式，降低滑坡體穩(wěn)定性。陳曉平等[17]對(duì)庫岸古滑坡展開研究，發(fā)現(xiàn)水位驟降導(dǎo)致產(chǎn)生向外的動(dòng)水壓力，加劇坡腳滑動(dòng)并誘發(fā)失穩(wěn)。周躍峰等[18]采用模型試驗(yàn)研究了庫水變化引起的黃土滑坡破壞模式，認(rèn)為飽水后黃土因孔隙水壓力增大而導(dǎo)致失穩(wěn)。滕帥等[19]采用模型試驗(yàn)方法，研究土質(zhì)岸坡在水位升降作用下的塌岸破壞特征以及力學(xué)演化機(jī)制。湯明高等[20]采用離心模型試驗(yàn)的方法，揭示了直線型滑帶形態(tài)滑坡在水位升降調(diào)節(jié)下的變形破壞模式。

上述研究更多地關(guān)注坡體入滲以及滲透穩(wěn)定方面的研究，而從滑帶土強(qiáng)度特性角度，探討庫水復(fù)活型老滑坡失穩(wěn)機(jī)制方面的研究較少，特別是采用模型試驗(yàn)手段，建立滑帶土強(qiáng)度衰減與滑坡體破壞模式之間關(guān)系的研究尚未見報(bào)道。

事實(shí)上，對(duì)于存在既有滑面的老滑坡，其滑帶飽水模擬比坡體飽水模擬更重要?，F(xiàn)有試驗(yàn)方法難以實(shí)現(xiàn)庫水均勻入滲滑帶，多數(shù)情況是坡面淺層已被沖刷破壞，滑帶土卻尚未達(dá)到飽和。目前仍缺乏合適的試驗(yàn)手段，尚需進(jìn)一步發(fā)展。本文在認(rèn)識(shí)庫岸老滑坡作用機(jī)制的基礎(chǔ)上，結(jié)合水利工程中的老滑坡體破壞模式，重點(diǎn)關(guān)注滑帶土強(qiáng)度衰減對(duì)滑體變形規(guī)律的影響，開展室內(nèi)模型試驗(yàn)。研發(fā)了能夠模擬地下水對(duì)滑帶軟化作用的試驗(yàn)裝置，由若干滲透盒構(gòu)成分段式滑面，通過對(duì)不同滲透盒注水，模擬滑帶分階段飽水軟化，從而實(shí)現(xiàn)庫水位上升條件下引發(fā)的滑坡體牽引破壞過程。設(shè)計(jì)6種試驗(yàn)方案，研究庫水復(fù)活型老滑坡的滑帶失穩(wěn)機(jī)制、后緣破裂面傾角變化、后緣裂縫形態(tài)演化特征以及坡面位移發(fā)展規(guī)律等，并詳細(xì)分析滑坡體失穩(wěn)破壞模式。這一研究對(duì)于水庫型滑坡預(yù)測、滑坡穩(wěn)定性分析、揭示老滑坡復(fù)活機(jī)制以及漸進(jìn)失穩(wěn)模式等方面具有重要意義。

1 模型試驗(yàn)方案

1.1 “分段式滑面底滲法”試驗(yàn)裝置

一般來說，庫岸滑坡的模型試驗(yàn)通常采用在模型裝置中直接變化水位的試驗(yàn)方法。然而，本文的研究對(duì)象是具有既有滑帶的庫岸老滑坡，對(duì)該類型滑坡而言，滑帶土變形對(duì)整個(gè)滑坡體的穩(wěn)定起控制作用，上述方法較難反映滑帶土的強(qiáng)度衰減對(duì)滑坡體的影響，多數(shù)情況是坡面沖刷破壞，滑帶土卻仍保持穩(wěn)定。為更精準(zhǔn)地反映庫岸老滑坡的主要致滑因素，提出了能夠模擬滑坡分級(jí)差異性滑動(dòng)和地下水軟化滑帶的“分段式滑面底滲法”模型試驗(yàn)方法，并設(shè)計(jì)制作了模型試驗(yàn)裝置。

為實(shí)現(xiàn)模型試驗(yàn)功能和滿足測試需求，試驗(yàn)裝置主要由模型箱、滲透系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和高速攝影采集等組成。為便于觀察滑坡體變形發(fā)展過程，模型箱兩側(cè)采用透明鋼化玻璃作為可視窗口，并設(shè)有透明坐標(biāo)刻度紙(用于精確變形定位分析)，通過安裝在模型箱側(cè)面的視頻跟蹤器和數(shù)碼相機(jī)，實(shí)時(shí)觀測滑坡體的全過程變形特征和裂縫發(fā)展規(guī)律。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，庫岸老滑坡中大型滑坡比例較高。通過對(duì)多個(gè)大型滑坡進(jìn)行調(diào)查，并結(jié)合現(xiàn)有研究成果中庫岸滑坡的模型試驗(yàn)，最終確定本文的模型箱尺寸為120 cm×30 cm×80 cm (長×寬×高)，模型箱內(nèi)部用于填筑滑體土和滑帶土，滑床認(rèn)為是固定不變的。裝置主體是由若干個(gè)滲透盒構(gòu)成的分段式滑面，如圖1所示。滲透盒尺寸為30 cm×12 cm×2 cm，采用壁厚1 mm的鋼板制作而成，滲透盒內(nèi)部除設(shè)置1 cm高支架外，保持空置，支架上放置透水石，厚為1 cm，透水石滲透系數(shù)為1×10-3cm/s。滲透盒的滲透能力為0.18 m3/(h·盒)，即每個(gè)滲透盒每小時(shí)滲透水0.18 m3。從滲透盒底部引出注水管，將各組注水管設(shè)置為同一水頭，與注水容器相連。同時(shí)，在注水管上部安裝控水球閥，用于控制水的開啟、閉合以及調(diào)節(jié)流速等。試驗(yàn)開始時(shí)，在分段式滑面上方依次填筑滑帶土和滑體土，并向注水容器注水，調(diào)節(jié)各組注水管至相同流速，水流經(jīng)透水石均勻入滲至滑帶土中?；瑤岭S注入水量的增加而軟化，致使滑坡失穩(wěn)下滑。設(shè)計(jì)各種工況，通過從前至后向不同的滲透盒注水，模擬庫水上升導(dǎo)致的滑坡體漸進(jìn)失穩(wěn)過程。

圖1 “分段式滑面底滲法”試驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

庫岸滑坡受斜坡體巖層結(jié)構(gòu)組合方式的控制，存在多種地質(zhì)破壞模式，本文主要研究順坡層滑動(dòng)的地質(zhì)模型。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，三峽庫岸老滑坡段的復(fù)活多為沿潛在滑面的整體滑移型破壞機(jī)制。根據(jù)上述特征，設(shè)計(jì)了本文的試驗(yàn)方法并概化出試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｄ壳?，大多?shù)模型試驗(yàn)物理量的相似比主要受邊坡幾何比尺控制。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土質(zhì)類邊坡高度通常在10～60 m取值，本文的試驗(yàn)?zāi)Ｐ透叨冉橛?2～20 cm，因此，選用的幾何相似比為Cl=1∶100，為充分考慮土體自重作用下的滑動(dòng)推力影響，試驗(yàn)土體的重度相似比為Cγ=1∶1，根據(jù)相似理論可得

Cσ=CγCl=1∶100

(1)

Cδ=Cl=1∶100

(2)

Cμ=Cε=Cφ=1∶1

(3)

CE=Cc=1∶100

(4)

式中：Cσ為應(yīng)力相似比，Cγ為重度相似比，Cl為幾何相似比，Cδ為位移相似比，Cμ為泊松比相似比，Cε為應(yīng)變相似比，Cφ為內(nèi)摩擦角相似比，CE為彈性模量相似比，Cc為黏聚力相似比。

試驗(yàn)采用0.3 mm石英砂和0.023 mm超細(xì)陶土作為原材料，滑體土采用砂土比2∶1的比例配置，滑帶土采用純陶土配置，滑帶土初始含水量為10%左右。共設(shè)計(jì)6組試驗(yàn)，主要考慮不同失穩(wěn)滑帶長度和滑體厚度對(duì)滑坡體破壞模式的影響，工況設(shè)計(jì)見表1。從模型箱前端剪出口起對(duì)滲透盒進(jìn)行編號(hào)，從前至后依次為1、2、3、…、10，模型具體尺寸見圖2。圖2中僅示意庫水位上升時(shí)影響的滑帶失穩(wěn)范圍，并以此確定注水工況。

表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

圖2 工況設(shè)計(jì)(cm)

測試各組滑體土和滑帶土的物理力學(xué)參數(shù)，見表2。其中，γ為天然重度，Es為壓縮模量，c為黏聚力，φ為內(nèi)摩擦角。坡體材料滲透系數(shù)為(3～5)×10-6m/s，足以吸收全部滲入水量。模型制作過程中，首先將設(shè)計(jì)滑帶固定在模型箱底部，將滲透盒依次鋪設(shè)在滑帶上，并將連接處和四周邊界予以密封。而后在模型箱玻璃板上分層劃線，并繪制滑坡體輪廓線。先按照2 cm厚度計(jì)算滑帶土用量，鋪設(shè)后擊實(shí)，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)布置傳感器。再按照10 cm厚度計(jì)算每層所需滑體土用量，分層擊實(shí)，各層間劃毛處理，鋪設(shè)完成后削坡得到設(shè)計(jì)坡型。為減小坡體與兩側(cè)玻璃間的摩擦，在接觸面區(qū)域增設(shè)減摩劑，而后在模型箱內(nèi)側(cè)分別安放表面光滑的較薄鐵板，待坡體模型完成切坡后，將鐵板緩慢抽出。此時(shí)，模型與側(cè)面并未緊密貼合，較大程度地減少了側(cè)面摩阻力的影響，更接近實(shí)際。

表2 模型土物理力學(xué)參數(shù)

1.3 監(jiān)測設(shè)備和圖像變形分析

模型試驗(yàn)中，在滑帶處分別埋設(shè)微型孔隙壓力傳感器，以監(jiān)測滑帶土孔隙水壓力變化。同時(shí)，在相同位置布設(shè)土壤水分傳感器，以實(shí)時(shí)監(jiān)測滑帶土含水率變化。此外，采用視頻跟蹤器和數(shù)碼影像等設(shè)備獲取滑坡體變形發(fā)展信息。

位移測試主要是基于MATLAB平臺(tái)，采用GeoPIV-RG技術(shù)實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)的基本原理是首先選取試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某跏紶顟B(tài)圖像作為參考，確定分析區(qū)域并劃分為子塊，通過數(shù)字圖像處理的方法，獲取任意時(shí)刻圖像的水平和豎向位移，同時(shí)分析滑坡體大變形和小變形的情況，在巖土試驗(yàn)方面應(yīng)用較為廣泛[21-22]。分析模型的網(wǎng)格單元?jiǎng)澐秩鐖D3所示。

圖3 滑坡模型中的坡面格網(wǎng)單元?jiǎng)澐?/p>

模型中布設(shè)3個(gè)孔隙水壓力傳感器，分別埋置在滲透盒編號(hào)為2、5和8的滑帶土內(nèi)，對(duì)應(yīng)編號(hào)為PPT1、PPT2和PPT3。同時(shí)，采用美國DECAGON公司生產(chǎn)的EC-50型土壤水分傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測相同滑帶處的含水量變化。該傳感器厚度較小，僅1.5 mm，能夠較好地降低尺寸效應(yīng)的影響，編號(hào)分別為SM1、SM2和SM3，如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽?cm)

1.4 試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)是模擬庫水位上升時(shí)，滑帶土強(qiáng)度弱化導(dǎo)致的滑坡體牽引滑動(dòng)過程。為獲得滑帶土的強(qiáng)度隨含水率的變化特征，對(duì)不同含水率下的滑帶土進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測試，滑帶土黏聚力和內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系曲線如圖5所示?？梢钥闯?，隨著含水率的增高，滑帶土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均顯著降低，滑帶土的抗剪強(qiáng)度明顯受控于含水率的變化。

圖5 滑帶土的c-ω/φ -ω關(guān)系曲線

在設(shè)計(jì)工況時(shí)，采用從下到上向滑帶土注水的方法模擬相鄰滑塊間的牽引滑動(dòng)過程。按照設(shè)計(jì)工況，試驗(yàn)開始時(shí)，自滑坡體前段起分段軟化滑帶，滑帶土飽水弱化，強(qiáng)度不斷降低，第1級(jí)滑塊逐漸形成并向前滑移。隨著變形持續(xù)發(fā)展，逐漸與后側(cè)滑體相離，其后側(cè)滑體因缺少支撐，抗滑力減小，穩(wěn)定性降低至極限平衡狀態(tài)后開始產(chǎn)生小變形，直至第1級(jí)滑塊逐漸趨于穩(wěn)定，進(jìn)行下一工況。由于模型較小，為避免水分對(duì)滑體土的潛蝕作用，將注水速率控制在較小范圍內(nèi)。將同時(shí)注水的第1組滲透盒稱為第1級(jí)滑帶，其軟化引起的坡體變形部分稱為第1級(jí)滑塊，依此類推。

各組試驗(yàn)均采用同一滑帶土，故僅展示一組試驗(yàn)的滑帶土孔壓測試及水分傳感器測試結(jié)果和變化規(guī)律，以方案1為例。

2 模型試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了探究庫水上升誘發(fā)的老滑坡失穩(wěn)模式和力學(xué)機(jī)制，通過分段式滑面底滲法的試驗(yàn)方法，較好地再現(xiàn)了老滑坡的牽引式漸進(jìn)破壞過程，并結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象以及相關(guān)測試數(shù)據(jù)，開展以下方面的分析。

2.1 滑帶土體積含水率變化特征

為明確滑帶土含水率對(duì)坡體變形的影響，在滑帶土不同部位布設(shè)水分傳感器，觀測不同滑帶土含水率下的坡體變形發(fā)展趨勢，各測點(diǎn)體積含水率變化特征如圖6所示。在0～1 800 s，第1級(jí)滑帶監(jiān)測點(diǎn)SM1顯示，含水率隨時(shí)間增加呈線性增長，變化速率較快。而后在1 800～3 600 s，滑帶土含水率上升速率回緩，至40%左右趨于穩(wěn)定，滑帶土逐漸趨于飽和狀態(tài)。此過程中坡面開始出現(xiàn)微變形，在注水滑帶末端坡面位置產(chǎn)生較淺的垂直于坡面的拉裂縫。按照工況設(shè)計(jì)，依次向第2級(jí)和第3級(jí)滑帶注水時(shí)，SM2和SM3的變化規(guī)律與SM1相似，均為開始階段含水率增長較快，達(dá)到40%左右穩(wěn)定，此變化規(guī)律即為方案1滑帶土含水率的發(fā)展過程。由于采用同一性質(zhì)滑帶土，在試驗(yàn)過程中觀察到，其他5組滑帶土在各個(gè)階段隨含水率的變化特征趨于一致，最終滑帶土的含水率均趨于40%左右。

圖6 體積含水率和孔隙水壓力隨時(shí)間變化過程

上述現(xiàn)象表明滑帶土含水率與坡體變形發(fā)展具有良好的相關(guān)關(guān)系，滑帶土的逐漸飽水過程是位于坡體裂縫初步形成的階段。此階段，滑坡體并未有明顯變形現(xiàn)象。滑帶土飽水后抗剪強(qiáng)度大幅度下降是老滑坡復(fù)活的重要原因。雞扒子滑坡的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)也證實(shí)了這一結(jié)論[23]。

2.2 滑帶土孔隙水壓力變化特征

圖6為模型中布設(shè)的3個(gè)微型孔隙水壓力計(jì)監(jiān)測結(jié)果。可以看出，方案1中的滑帶土孔隙水壓力開始啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)明顯滯后于體積含水率啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)，即3個(gè)滑帶位置處的孔隙水壓力值增長均是從滑帶土飽水后開始的，最大孔壓在0.8 kPa左右。監(jiān)測點(diǎn)PPT1和PPT2的孔壓值初始增加較為緩慢而后突然下降，PPT3的孔壓值則增長和下降均較迅速。同時(shí)，對(duì)比其他5組試驗(yàn)的孔隙水壓力結(jié)果發(fā)現(xiàn)，孔隙水壓力的增長節(jié)點(diǎn)均滯后于體積含水率的增長節(jié)點(diǎn)，各組曲線變化趨勢相近，僅最大孔壓值存在部分差別，但均小于1.0 kPa。

此種變化情況影響的坡體變形規(guī)律為:坡體快速變形是在孔壓達(dá)到峰值之后的較短時(shí)間內(nèi)，孔壓的增長過程是坡體變形發(fā)展較為迅速的階段，孔壓消散后坡體變形亦趨于穩(wěn)定。這一現(xiàn)象表明，坡體變形快慢與孔隙水壓力增長速率密切相關(guān)?；瑤幊讐旱睦鄯e和消散導(dǎo)致坡體內(nèi)部應(yīng)力重分布，從而引發(fā)坡體產(chǎn)生較大變形或失穩(wěn)。庫岸老滑坡在庫水位上升時(shí)，容易導(dǎo)致滑帶土產(chǎn)生較高的孔隙水壓力，這種滑動(dòng)面處的孔壓變動(dòng)激發(fā)老滑坡復(fù)活。通常，孔隙水壓力突然上升是滑坡體局部破壞啟動(dòng)的臨界狀態(tài)，滑體啟動(dòng)后孔隙水壓力會(huì)迅速消散，因此，通?；w滑動(dòng)一段距離后即趨于穩(wěn)定?？紫端畨毫υ趲焖突聫?fù)活過程中起主導(dǎo)作用，是老滑坡復(fù)活的重要誘因?？姾２ǖ炔捎檬覂?nèi)環(huán)剪試驗(yàn)?zāi)M孔隙水壓力激發(fā)滑帶土抗剪強(qiáng)度降低過程，揭示了滑帶土孔隙水壓力變動(dòng)是觸發(fā)老滑坡復(fù)活的關(guān)鍵誘因，這與本文的模型試驗(yàn)觀測結(jié)果較為一致。

總體來說，滑帶土逐漸飽水弱化是導(dǎo)致坡體產(chǎn)生微小變形的觸發(fā)因素。飽和或近飽和滑帶土的孔隙水壓力突然增大是滑坡體發(fā)生快速變形的重要提示，可據(jù)此進(jìn)行滑坡的預(yù)測預(yù)報(bào)工作。

2.3 后緣破裂面演化特征

滑坡體后緣面形成機(jī)制為由于底滑面失穩(wěn)下滑，在失穩(wěn)滑面末端對(duì)應(yīng)的坡面位置出現(xiàn)了拉破壞區(qū)，各級(jí)滑塊依次形成后緣拉裂縫。

2.3.1 后緣破裂面傾角變化規(guī)律

定義破裂傾角為坡面破裂點(diǎn)和失穩(wěn)滑帶末端連線與水平面的夾角，如圖7所示。按照設(shè)計(jì)工況，從前至后依次向滲透盒注水，以試驗(yàn)方案1為例。第1級(jí)為工況一(1+2+3組合)，后緣裂縫C1如圖8(a)所示；第2級(jí)為工況二(4+5組合)，后緣裂縫C2如圖8(b)所示；第3級(jí)為工況三(6+7組合)，后緣裂縫C3如圖8(c)所示；第4級(jí)為工況四(8+9組合)，后緣裂縫C4如圖8(d)所示。將各試驗(yàn)方案裂縫傾角值匯總，見表3。

圖7 后緣破裂面傾角α

表3 后緣破裂面傾角α試驗(yàn)值

由表3可以看出，后緣破裂面傾角均為小于90°的陡傾角，主要分布在65°～90°，其中，位于80°～90°的約占半數(shù)。 研究發(fā)現(xiàn)，不同失穩(wěn)滑帶長度和滑體厚度對(duì)后緣破裂面傾角影響明顯?？傮w上，失穩(wěn)滑帶越長，后緣破裂面傾角趨于減小。隨著坡體厚度的減小，各級(jí)滑塊的后緣破裂面傾角依次變大。對(duì)于等厚度直線坡，相同失穩(wěn)滑帶長度的工況，后緣破裂面傾角試驗(yàn)值相差較小。

2.3.2 后緣裂縫形態(tài)演化特征

后緣裂縫在滑坡體內(nèi)部的空間形態(tài)并不單一，受各種因素影響，主要表現(xiàn)為折線型、(倒)弧型和直線型。 其中，折線型裂縫約占總數(shù)量的1/2以上。

各失穩(wěn)滑段分別對(duì)應(yīng)一條主裂縫，在主裂縫貫通過程中伴隨著次生裂縫產(chǎn)生，級(jí)序越低，穩(wěn)定性越差。 坡體變形表現(xiàn)為自下而上逐級(jí)失穩(wěn)，后一級(jí)滑塊向前滑移，擠壓前一級(jí)滑塊，主次裂縫變淺或消失，表明坡體發(fā)生滑移。 坡肩等變坡點(diǎn)位置受張拉作用易形成多條次生裂縫。

坡體厚度對(duì)后緣裂縫形態(tài)產(chǎn)生影響。 厚度較大時(shí)，坡體后緣裂縫通常呈“倒弧型”；隨著厚度減小，后緣裂縫逐漸發(fā)展為“折線型”；厚度繼續(xù)減小，最終呈垂直坡面的“直線+半弧型”，如圖9所示。 坡厚增加引起坡體應(yīng)力變化，導(dǎo)致坡腳附近較大范圍的應(yīng)力增加，故高邊坡偏于不安全。

圖9 不同厚度坡體的后緣裂縫形態(tài)

2.4 坡面水平位移演化特征

由于復(fù)活型老滑坡存在既有滑動(dòng)面，在滑動(dòng)面分段貫通過程中，滑坡體也發(fā)展為多個(gè)塊體。 坡面的宏觀變形跡象正是滑動(dòng)面演化的結(jié)果, 滑動(dòng)面的演化過程直接影響著坡面位移的發(fā)展特征。 基于GeoPIV-RG程序的分析手段，對(duì)滑坡體的坡面水平位移進(jìn)行分析，研究庫水位上升條件下的坡面位移演化模式，對(duì)不同失穩(wěn)滑帶長度下的坡面變形區(qū)域進(jìn)行分析，將其分為坡面強(qiáng)變形區(qū)、弱變形區(qū)和牽引區(qū)。 同時(shí)，建立坡面變形范圍和失穩(wěn)滑帶長度之間的量化關(guān)系。 研究發(fā)現(xiàn)，坡面變形為1～1.5倍的滑帶失穩(wěn)長度，可據(jù)此預(yù)測相應(yīng)的滑帶失穩(wěn)范圍。

圖10分別展示了方案1、2和3(No.1、2、3)的第1級(jí)滑塊坡面水平位移云圖。 No.1、2和3的失穩(wěn)滑帶分別對(duì)應(yīng)滲透盒編號(hào)為1-3、1-5和1-8的滑帶長度。 可以看出，不同失穩(wěn)滑帶長度對(duì)坡面變形區(qū)域影響顯著，隨著失穩(wěn)滑帶的增加，坡面變形區(qū)域逐步增大。

圖10 坡面水平位移云圖

在滑塊變形發(fā)展過程中，同一級(jí)失穩(wěn)滑塊的坡面水平位移主要分為強(qiáng)、弱變形區(qū)和牽引區(qū)，強(qiáng)變形區(qū)的滑塊變形較為劇烈。 隨著失穩(wěn)滑帶長度增加，No.1、2和3的強(qiáng)變形區(qū)最大位移值依次減小，分別為3、2.5和2.0 cm。 同一滑塊內(nèi)部各點(diǎn)變形速率不同，導(dǎo)致形成主、次兩個(gè)子滑塊，與坡面強(qiáng)、弱變形區(qū)相對(duì)應(yīng)。

由于第1級(jí)滑塊失穩(wěn)，對(duì)后側(cè)滑體產(chǎn)生影響，部分坡面產(chǎn)生變形，出現(xiàn)牽引區(qū)位移。失穩(wěn)滑帶長度對(duì)牽引區(qū)范圍產(chǎn)生影響。 隨著失穩(wěn)滑帶的增加，坡面牽引區(qū)影響區(qū)域逐漸變小，No.1可以觀測到較大的牽引位移值，影響區(qū)域?yàn)槠麦w長度方向30～54 cm，變形約0.5 cm；No.2的變形牽引范圍很小，影響區(qū)域?yàn)?8～60 cm，變形值在0～0.5 cm；No.3的坡面變形牽引范圍幾乎不可見。 可知滑坡體破壞區(qū)域越小，坡面變形越劇烈，對(duì)后側(cè)滑體變形程度影響越大，更容易牽引后側(cè)坡體變形失穩(wěn)。 同時(shí)，位于牽引區(qū)和弱變形區(qū)之間的主裂縫和強(qiáng)、弱變形區(qū)之間的次生裂縫也在發(fā)生變化，呈現(xiàn)交替張開和閉合的現(xiàn)象，這與現(xiàn)場滑坡觀測到的現(xiàn)象一致。

方案4、5和6分別為不同坡體厚度工況。通過對(duì)不同坡體厚度工況(No.4、5、6)分析可知，因同一范圍失穩(wěn)滑塊引發(fā)的坡面水平位移也分為強(qiáng)、弱變形區(qū)，對(duì)后側(cè)穩(wěn)定滑體同樣產(chǎn)生牽引。 在相同失穩(wěn)滑帶長度條件下，滑坡體厚度變大對(duì)坡面變形區(qū)域的影響較小，通常厚度越大，第1級(jí)滑塊的坡面變形范圍越小，對(duì)后側(cè)滑坡體的牽引變形影響越小，更偏向于發(fā)生局部失穩(wěn)破壞。

根據(jù)強(qiáng)、弱變形區(qū)和牽引區(qū)的位移變化特征可知，滑坡體的空間演化過程為自前向后發(fā)展的牽引滑動(dòng)模式，即第1級(jí)滑帶失穩(wěn)，導(dǎo)致滑坡體產(chǎn)生第一條后緣拉裂縫，而后第1級(jí)滑塊形成并向前滑移。 該過程中，其水平位移值不斷增加，牽引區(qū)位移也逐步變大，后側(cè)滑坡體持續(xù)產(chǎn)生微小變形，直至第1級(jí)滑塊趨于穩(wěn)定，滑坡體表現(xiàn)為“牽引式破壞”的特征。 因此，水平位移值可以作為滑坡體失穩(wěn)模式的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 滑坡體失穩(wěn)破壞模式

水庫蓄水后老滑坡的抗滑段、部分主滑段，甚至整個(gè)滑坡體都被浸入水下。 由于庫水位的抬升，顯著提高了岸坡中地下水的浸泡和浸潤范圍，導(dǎo)致老滑坡滑動(dòng)帶的軟化區(qū)域不斷增大，抗剪強(qiáng)度迅速降低，潛在滑面逐漸發(fā)展貫通，呈現(xiàn)出典型的牽引式發(fā)展模式。

在充分認(rèn)識(shí)庫岸老滑坡失穩(wěn)機(jī)制的基礎(chǔ)上，主要針對(duì)老滑坡的既有滑帶易誘發(fā)滑坡復(fù)活的特性，模擬庫水位上升過程中滑坡體的漸進(jìn)失穩(wěn)過程，各級(jí)滑塊變形特征如圖11所示。 首先向坡腳處滑帶土勻速注水，滑帶土浸水軟化，產(chǎn)生不均勻沉陷，坡面附近拉應(yīng)力集中，在失穩(wěn)滑帶末端后上方坡面出現(xiàn)后緣拉裂縫，變形模式以蠕滑拉裂為主。 隨著注水量增加，坡腳處土體浸水軟化，阻滑力降低，率先發(fā)生局部破壞。 此后，滑帶土趨于飽和，剪切帶迅速發(fā)展，后緣拉裂縫也不斷貫通，逐漸由局部破壞變?yōu)檎w破壞，第1級(jí)滑塊失穩(wěn)，如圖11(a)和11(b)所示。 而后繼續(xù)向后側(cè)滑帶土注水，逐漸形成各級(jí)滑塊，如圖11(c)、11(d)和11(e)所示。

圖11 庫水復(fù)活型老滑坡分級(jí)演化特征

目前，庫水復(fù)活型老滑坡發(fā)生牽引式滑移的現(xiàn)場實(shí)例眾多。 三峽庫區(qū)杉樹槽滑坡[24]的發(fā)生和水庫長期蓄水以及滑前水位快速上升有關(guān)。 杉樹槽滑坡發(fā)生在三峽水庫水位從145 m上升到175 m的蓄水階段，變形區(qū)域主要分為主滑區(qū)和土質(zhì)牽引區(qū)，如圖12所示。 圖13為三峽庫區(qū)胡家沱滑坡[25]的最終破壞形態(tài)。 受蓄水影響，強(qiáng)變形區(qū)加劇，牽引后側(cè)滑坡體持續(xù)變形。 兩個(gè)滑坡實(shí)例均表明，庫水上升易引發(fā)滑坡體發(fā)生牽引式滑動(dòng)破壞，變形區(qū)具有較明顯的分區(qū)特征，與本文滑坡體發(fā)生分級(jí)失穩(wěn)且牽引后側(cè)滑體前移的試驗(yàn)特征相吻合。

圖12 杉樹槽滑坡變形失穩(wěn)特征

綜合分析認(rèn)為，庫水復(fù)活型老滑坡的破壞機(jī)制主要表現(xiàn)為拉-剪共同作用。 當(dāng)庫水位上升，滑坡體局部浸水，前緣滑帶飽水弱化，抗剪強(qiáng)度逐漸降低，形成一段剪切破壞帶，即滑帶土主要發(fā)生剪切破壞。 而后滑帶蠕滑變形，滑坡體發(fā)生應(yīng)力重分布，導(dǎo)致坡面附近拉應(yīng)力集中，產(chǎn)生后緣拉裂縫，形成拉破壞區(qū)。 隨著塑性區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，拉剪裂縫相互擴(kuò)展，直至形成貫通滑裂面，第1級(jí)滑體整體滑動(dòng)。拉剪混合作用區(qū)主要分布在坡體中部區(qū)域，若尚未形成貫通滑裂面，邊坡不發(fā)生整體滑動(dòng)，但會(huì)形成含有巨型拉裂縫以及剪切破碎區(qū)的動(dòng)平衡。 庫水位不斷上升，逐漸引發(fā)后側(cè)滑坡體逐級(jí)失穩(wěn)，最終呈漸進(jìn)牽引破壞模式。

4 結(jié) 論

1)滑帶土強(qiáng)度衰減與滑坡體變形具有良好的相關(guān)關(guān)系。 滑帶土飽水后抗剪強(qiáng)度大幅度下降是老滑坡復(fù)活的重要條件。 滑動(dòng)面處的孔壓變動(dòng)是激發(fā)老滑坡復(fù)活的重要誘因。 滑帶處孔隙水壓力的增大與滑坡位移的增大是同步發(fā)生的。 孔壓迅速上升導(dǎo)致滑坡體累積變形達(dá)到臨界狀態(tài)，引發(fā)滑坡體破壞。 而后，隨著孔隙水壓力的逐漸消散，變形滑塊滑動(dòng)一段距離后趨于穩(wěn)定。

2)后緣破裂面傾角均為小于90°的陡傾角，主要分布在65°～90°，位于80°～90°的約占半數(shù)。 隨著失穩(wěn)滑帶長度增加，后緣面傾角逐漸減小。 隨著坡體厚度減小，相應(yīng)滑塊的后緣面傾角逐漸變大。

3)不同失穩(wěn)滑帶段分別對(duì)應(yīng)單條裂縫，某段滑帶失穩(wěn)，其對(duì)應(yīng)坡面只觀測到一條裂縫與其對(duì)應(yīng)。 這種現(xiàn)象與實(shí)際滑坡中的主裂縫類似，受模型尺寸影響，次級(jí)裂縫發(fā)育并不顯著。

4)后緣裂縫在滑坡體內(nèi)部的空間形態(tài)并不單一，主要表現(xiàn)為折線型、(倒)弧型和直線型的裂縫形態(tài)，其中折線型破裂面形態(tài)占半數(shù)以上。

5)同一級(jí)失穩(wěn)滑塊的坡面水平位移可分為強(qiáng)、弱變形區(qū)和牽引區(qū)，強(qiáng)變形區(qū)位移值最大。 隨著失穩(wěn)滑帶長度增加，坡面變形區(qū)域增大，對(duì)后側(cè)穩(wěn)定坡體的牽引變形影響變小。 坡面變形為1～1.5倍的失穩(wěn)滑帶長度。

6)庫水復(fù)活型滑坡的破壞機(jī)制主要表現(xiàn)為拉-剪共同作用機(jī)制。 滑帶土主要發(fā)生剪切破壞，坡面附近通常形成拉應(yīng)力破壞區(qū)，滑坡體中部區(qū)域主要為拉剪混合作用區(qū)。 庫水位上升，易導(dǎo)致老滑坡發(fā)生牽引式滑動(dòng)破壞。