水位升降與水下沖刷作用下邊坡破壞試驗研究

齊永正 楊子明 劉瑋民 滕文麗 張安琪 陳昊鵬 姜彥彤

摘 要：庫岸邊坡失穩(wěn)與破壞往往造成嚴(yán)重的人員傷亡與巨大的經(jīng)濟(jì)損失，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)與破壞的因素多種多樣。通過開展4種不同含砂量的下蜀黏土均質(zhì)邊坡失穩(wěn)滑塌破壞室內(nèi)模型試驗，分析了水位升降與水下沖刷侵蝕對邊坡失穩(wěn)滑塌破壞產(chǎn)生的影響，進(jìn)行了4種不同含砂量的下蜀黏土試樣水下崩解試驗。結(jié)果表明：邊坡自身土體成分構(gòu)成對邊坡的穩(wěn)定性有重要影響。在水位升降與水下沖刷作用下，純下蜀土均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性最好，邊坡土體含砂量越大，邊坡抵抗水位升降與水下沖刷的能力越弱，邊坡失穩(wěn)滑塌破壞的時間越短;水位升降與水下沖刷對邊坡穩(wěn)定性的影響隨邊坡土體含砂量的不同存在很大差異，隨著邊坡土體含砂量的增大，水下沖刷作用對邊坡失穩(wěn)滑塌破壞的影響越來越小，水位升降作用對邊坡失穩(wěn)滑塌破壞的影響越來越大。不同含砂量試樣在水中的崩解情況區(qū)別很大，含砂量小的下蜀土試樣在水中的崩解較慢，隨著土體含砂量的增大，試樣崩解速度越來越快。

關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定性;水位升降;水下沖刷;模型試驗;下蜀黏土

中圖分類號：TV871;U213.1+3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.011

引用格式：齊永正，楊子明，劉瑋民，等.水位升降與水下沖刷作用邊坡破壞試驗研究[J].人民黃河，2022，44（2）：51-54，142.

Abstract： The slope instability and destruction of the banks of rivers and lakes often cause serious casualties and huge economic losses， and there are many factors that lead to the instability and destruction of slope. In this paper， four kinds of laboratory model tests for the instability and collapse failure of the homogeneous Xiashu clay slope with different sand rates were carried out， the erosion process of the slope on the instability and collapse failure under the influence of water level fluctuations and underwater scours were analyzed， and the underwater disintegration tests for the samples of Xiashu clay with different sand rates were carried out. The results show that the composition of soil mass has important influence to the stability of slope. Under the joint action of water level fluctuations and underwater scours， the Xiashu clay slope without sand is the most stable ， the higher the sand content of homogenous slope， the weaker the ability of the slope to resist underwater scours and water level fluctuations， and the shorter the time of the slopes unstable slide collapse. The influence of water level fluctuations and underwater scours to the stability of the slope varies greatly with the difference of sand content of the slope soil. With the increase of the sand content of the slope soil， the influence of underwater scours to the collapse of the slope is getting smaller and smaller， and the effect of the water level fluctuations on the slope unstable collapse is more and more important. The disintegration of soil samples with different sand contents in water is very different. The samples with low sand content of Xiashu clay disintegrate slowly in water. With the increase of sand content in soil， the disintegration rate of samples becomes faster and faster.

Key words： slope collapse;water level fluctuations;underwater scouring;model test;Xiashu clay

庫岸邊坡失穩(wěn)與破壞問題引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害事件不僅會對庫區(qū)人民的生命財產(chǎn)造成巨大的損失，還會對社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境造成嚴(yán)重影響[1]。邊坡失穩(wěn)與破壞目前存在數(shù)量多、規(guī)模大、分布廣和治理難等諸多問題，有關(guān)庫岸邊坡的失穩(wěn)和滑塌等問題越來越受到人們的重視。

影響邊坡失穩(wěn)與破壞的因素有很多種[2]，在所有因素中，庫岸邊坡自身的巖土性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造條件是首要因素，也是內(nèi)在因素[3]。同時，邊坡失穩(wěn)90%以上與水有關(guān)系，水是邊坡失穩(wěn)和破壞的重要誘因。

迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者對邊坡失穩(wěn)問題進(jìn)行了大量研究。馬崇武等[4]研究表明退水比漲水時堤岸邊坡更容易受到破壞，且不管是退水還是漲水都存在一個使堤岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)最小的水位值。在邊坡失穩(wěn)與破壞機(jī)理方面，劉才華等[5]指出庫水位上升對邊坡失穩(wěn)與破壞的影響主要表現(xiàn)在孔隙水壓力作用和浸水滑動面強(qiáng)度參數(shù)的弱化上。王新剛等[6]建立三維模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，表明庫水位驟降產(chǎn)生的動水壓力相比于庫水位驟升產(chǎn)生的靜水壓力對滑坡—抗滑樁作用體系的減弱作用更大。艾秀峰等[7]研究表明在庫水位下降時，滑坡體穩(wěn)定性系數(shù)隨水位下降速度的增大而減小。崔潔[8]通過軟件計算結(jié)果顯示水位上升速率越大，邊坡土體穩(wěn)定系數(shù)越大。吳傳余[9]通過對不同水位升降速率下邊坡穩(wěn)定的影響機(jī)理進(jìn)行研究，結(jié)果表明水位下降時，坡體外水壓力迅速減小，而坡體內(nèi)水壓減小相對滯后，形成由坡內(nèi)指向坡外的壓力差，增大的坡體下滑力導(dǎo)致河堤邊坡不穩(wěn)定。Pan等[10]研究表明邊坡高度越高，孔隙水壓力與基質(zhì)吸力的滯后作用越明顯。鄭穎人等[11]證明了滲透力與土體中的水重和周邊靜水壓力是一對平衡力。黃耀英等[12]給出了一種較簡捷的基于代替法的穩(wěn)定滲流對圓弧滑動土坡穩(wěn)定影響的改進(jìn)分析方法。劉博等[13]研究表明非飽和土相對滲透系數(shù)和基質(zhì)吸力關(guān)系曲線與庫岸邊坡的浸潤面位置和安全系數(shù)有極大的相關(guān)性。簡文彬等[14]研究表明土體滲透系數(shù)越大，土體濕潤蔓延距離越遠(yuǎn)，速度越快。李茜莎等[15]采用灰色關(guān)聯(lián)度法對庫岸邊坡不同非飽和參數(shù)對邊坡滲透穩(wěn)定性的影響進(jìn)行敏感性分析，直觀準(zhǔn)確地獲取了主要因素和次要因素。梁邊[16]基于強(qiáng)度折減理論，采用有限差分法FLAC 3D對庫水位影響下的庫岸邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析計算，表明水位的循環(huán)變化對邊坡穩(wěn)定性影響較大。

水對邊坡具有沖刷與侵蝕等不利作用。李燦等[17]通過室內(nèi)模型試驗研究了植被坡面在雨水沖刷作用下的泥沙侵蝕過程。趙煉恒等[18]研究了流水淘蝕作用下的路基邊坡穩(wěn)定性問題。但上述學(xué)者未考慮邊坡在水位升降與水下沖刷作用下的失穩(wěn)與破壞現(xiàn)象以及邊坡自身土體成分構(gòu)成的影響。因此，筆者通過開展水位升降與水下沖刷作用下邊坡失穩(wěn)與破壞試驗，研究水庫水位升降及水下沖刷對邊坡失穩(wěn)與破壞的影響，以期為水庫邊坡設(shè)計和治理提供參考依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 土樣與砂樣選取

土樣選取鎮(zhèn)江地區(qū)下蜀土，土樣物理力學(xué)性質(zhì)詳見表1。

砂樣選取普通石英砂，砂的顆粒級配見圖1。

1.2 邊坡模型制備

依據(jù)設(shè)計尺寸制定亞克力模型箱，在模型箱底部設(shè)置一個進(jìn)出水口，在模型箱四周畫出邊坡模型邊界線，如圖2（a）所示。試驗開始前在模型箱兩側(cè)貼上硫酸紙來記錄土體在水位升降及沖刷過程中的滑塌破壞情況。

取來的土樣烘干粉碎，過直徑10 mm篩，取篩余土樣進(jìn)行試驗，土和砂均用烘箱完全烘干。土樣和砂樣分別按含砂量為0%、30%、50%、70%的配比充分拌和，按同等的擊實功，分5層，每層厚5 cm，擊實至模型高度，沿邊坡模型邊界線鏟去多余土樣至模型箱底部。制作好的模型尺寸如圖2（b）所示。

1.3 崩解試驗試樣制備

取與邊坡含砂量相同的土砂混合料，按15%的含水量，制作崩解試驗試樣，每種含砂量試樣制備兩個（其中一個備用），按標(biāo)準(zhǔn)擊實制成底面直徑為10 cm、高為8 cm的圓柱體試樣，放入烘箱完全烘干。

1.4 邊坡模型試驗

用水管連接模型箱底部進(jìn)水口和自來水水龍頭，用黑色記號筆在模型箱四周外壁面畫出與邊坡坡頂標(biāo)高相同的水平線，完全開啟水龍頭，水由進(jìn)水口按設(shè)定流速注入模型箱，水下沖刷邊坡的同時水位上升，直至到達(dá)邊坡頂面標(biāo)高，關(guān)閉進(jìn)水口，轉(zhuǎn)換為出水口，打開開關(guān)放水，水位逐步下降至坡底，完成一次水位升降過程，測量該次水下沖刷產(chǎn)生的沖刷窩尺寸，觀察邊坡的穩(wěn)定情況。然后，再次轉(zhuǎn)換為進(jìn)水口，重復(fù)以上試驗過程，觀察在水下沖刷和水位升降作用下邊坡沖刷破壞與滑塌的情況，直到邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)與滑塌破壞，結(jié)束試驗，記錄水位升降次數(shù)，初步分析試驗數(shù)據(jù)。清理模型箱，準(zhǔn)備下一組邊坡試驗，以此類推完成4組不同含砂量邊坡模型試驗。

1.5 試樣崩解試驗

將試樣放在水平鐵絲網(wǎng)上，鐵絲網(wǎng)四角用繩索吊在測力計掛鉤上，沒入水中，記錄測力計初始讀數(shù)。此后，每隔10 s記錄測力計讀數(shù)，觀察試樣在水下的崩解情況，直至試樣在水下完全崩解，測力計讀數(shù)不發(fā)生改變時，記錄最終讀數(shù)和試樣編號，結(jié)束該試樣試驗，取下固定桿、測力計和鐵絲網(wǎng)。重復(fù)上述試驗步驟，進(jìn)行下一組崩解試驗，直至完成全部崩解試驗。圖3為不同含砂量試樣崩解試驗進(jìn)行到40 s時的崩解情況。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 邊坡失穩(wěn)滑塌破壞試驗分析

室內(nèi)邊坡試驗發(fā)現(xiàn)，含砂量為0%的下蜀土均質(zhì)邊坡在水位升降181次時呈現(xiàn)坡體失穩(wěn)滑塌破壞現(xiàn)象;含砂量為30%、50%、70%的下蜀土均質(zhì)邊坡出現(xiàn)坡體失穩(wěn)滑塌破壞的水位升降次數(shù)分別為48次、33次、13次。圖4為不同含砂量下蜀土均質(zhì)邊坡坡體失穩(wěn)滑塌破壞的水位升降次數(shù)變化。

由圖4可以看出，邊坡自身土體成分的構(gòu)成對邊坡的穩(wěn)定性有重要影響，含砂量為0%的下蜀土均質(zhì)邊坡抵抗水位升降次數(shù)最多，說明穩(wěn)定性最好;其次是含砂量為30%和50%的均質(zhì)邊坡;含砂量為70%的均質(zhì)邊坡失穩(wěn)滑塌破壞最快，穩(wěn)定性最差。以上試驗現(xiàn)象表明，邊坡土體含砂量越大，水位升降作用下的邊坡穩(wěn)定性越差。另外，從圖4中還可以發(fā)現(xiàn)，邊坡土體在含砂量小時，曲線斜率較大，在含砂量大時，曲線斜率較小，表明邊坡土體含砂量較小時，含砂量變化對邊坡抵抗水位升降的失穩(wěn)滑塌破壞影響較敏感，而邊坡土體含砂量較大時，這種影響趨緩。因此，考慮水位升降作用下均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性時，邊坡含砂量應(yīng)是重要的參考指標(biāo)。

邊坡模型試驗中還觀察了水下沖刷對均質(zhì)邊坡失穩(wěn)滑塌破壞的影響。圖5為下蜀土邊坡在水位升降與水下沖刷作用下邊坡失穩(wěn)滑塌破壞情況。

由圖5可以看出，與水位升降對均質(zhì)邊坡失穩(wěn)滑塌破壞的影響相比，水下沖刷對均質(zhì)邊坡失穩(wěn)滑塌破壞的影響也不容忽視。均質(zhì)邊坡失穩(wěn)滑塌破壞不僅由水位升降引起，有時水下沖刷導(dǎo)致均質(zhì)邊坡失穩(wěn)滑塌破壞的影響超過水位升降的影響。

圖6為水下沖刷產(chǎn)生的邊坡坡體沖刷窩體積隨沖刷次數(shù)的變化曲線。

從圖6中可以看出，邊坡沖刷窩體積的增加速率隨邊坡土體含砂量的變化而變化。含砂量為0%的下蜀土均質(zhì)邊坡持續(xù)抵抗水下沖刷次數(shù)最多，沖刷窩體積的增加速率最小，邊坡失穩(wěn)滑塌破壞時的沖刷窩體積最大，且遠(yuǎn)大于其他幾種含砂量均質(zhì)邊坡至失穩(wěn)滑塌破壞時沖刷窩的體積;含砂量為70%的均質(zhì)邊坡持續(xù)抵抗水下沖刷次數(shù)最少，沖刷窩體積的增加速率最大，邊坡失穩(wěn)滑塌破壞時的沖刷窩體積最小;隨著邊坡土中含砂量的增大，均質(zhì)邊坡沖刷窩的體積增加速率越來越大，但達(dá)到邊坡失穩(wěn)滑塌破壞時的沖刷窩最大體積越來越小。該現(xiàn)象表明，隨著邊坡土中含砂量的增大，水下沖刷對邊坡失穩(wěn)滑塌破壞的影響越來越小，水位升降對邊坡失穩(wěn)滑塌破壞的影響越來越大。在水位升降和水下沖刷作用下，純下蜀土均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性最好，隨著均質(zhì)邊坡土中含砂量增大，邊坡失穩(wěn)滑塌破壞越來越快，含砂量為70%的均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性最差。

2.2 試樣崩解試驗分析

圖7為不同含砂量試樣崩解剩余質(zhì)量隨時間變化曲線。由于崩解試驗土樣是完全烘干狀態(tài)，在這種極端條件下，水分迅速蒸發(fā)會在土樣中形成裂隙通道，因此在崩解試驗過程中受吸濕壓力影響，水很快沿裂隙通道滲入，試樣會先吸水增重。圖7中曲線未進(jìn)行吸水增重修正，因此試樣崩解剩余質(zhì)量—時間曲線先上升后下降，直至試樣完全崩解。

由圖7可以看出，含砂量為70%試樣的崩解過程最快，崩解時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于含砂量為0%的下蜀土試樣崩解時間。隨著土中含砂量減小，試樣崩解速率越來越小。

含砂量為0%和30%的下蜀土試樣外層最先崩解剝落，逐步向內(nèi)層崩解，在每層剝落的過程中均有少量氣泡上升，試樣呈鱗片狀或顆粒狀崩解，崩解過程中未發(fā)生大體積崩解，崩解速率變化較小。含砂量為50%和70%的試樣崩解過程與前兩組差異較大，試樣放入水中吸水后先崩解為幾個大塊，然后每個大塊再崩解為更多小塊體，呈指數(shù)級快速崩解，崩解時間遠(yuǎn)小于含砂量為0%和30%的下蜀土試樣，氣泡大量出現(xiàn)，水體渾濁較快。同時，由圖7可以看出，含砂量為70%的試樣入水后迅速大量吸水，質(zhì)量明顯增大，隨后質(zhì)量迅速減小，表明水的崩解作用對高含砂量下蜀土的破壞影響很大。該試驗現(xiàn)象表明：水位升降時水對純下蜀土邊坡土體的崩解作用較小，其抵抗水位升降的效果最好，而水下沖刷破壞直接改變邊坡穩(wěn)定性，是引起邊坡失穩(wěn)滑塌破壞的主要原因;邊坡土體含砂量增大時，水位升降時水對邊坡土體的崩解作用增強(qiáng)，成為非黏性土邊坡失穩(wěn)滑塌破壞的主要原因。

2.3 機(jī)理分析

水位升降引起了邊坡土體含水率的變化。水強(qiáng)化了邊坡土體間結(jié)合水的作用，但隨著含水率的增大，土體顆粒間結(jié)合水膜變厚，強(qiáng)結(jié)合水向弱結(jié)合水和自由水轉(zhuǎn)變，土體抗剪強(qiáng)度降低。水的入滲會在斜坡坡體內(nèi)部形成暫時的飽和區(qū)和孔隙水壓力。同時，水對邊坡土體還有溶蝕作用、水解作用、透析作用等。水下沖刷會導(dǎo)致邊坡坡腳、坡體產(chǎn)生局部破壞，直接改變邊坡穩(wěn)定性，潛水面上孔隙水壓力上升，坡體穩(wěn)定性下降，邊坡產(chǎn)生失穩(wěn)滑塌破壞。

黏性土的黏粒小，比表面積大，水位上升時，土體受水浸潤，土體中的水與土體所含的親水礦物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，使得土顆粒表層產(chǎn)生結(jié)合水膜，土顆粒間具有較強(qiáng)的膠結(jié)能力，土體黏聚力較大，水不易滲入邊坡土體內(nèi)部，水位升降引起的抗剪強(qiáng)度降低較慢，因而水下沖刷造成邊坡坡腳土體流失產(chǎn)生的局部破壞成為引起邊坡失穩(wěn)滑塌破壞的主要原因。當(dāng)邊坡土體含砂量增大時，土粒粗顆粒增多，邊坡土體性質(zhì)逐漸由黏性土轉(zhuǎn)變?yōu)樯靶酝?。砂性土顆粒間無黏聚力，邊坡主要依靠顆粒間內(nèi)摩擦角提供的抗滑力來維持自身的穩(wěn)定。砂性土滲透系數(shù)較大，水位上升時，水容易滲入邊坡土體內(nèi)部。水具有較強(qiáng)的潤滑作用，造成砂性土顆粒間內(nèi)摩擦角減小，砂性土顆粒間孔隙較易被水填充達(dá)到飽和狀態(tài)，產(chǎn)生較大的孔隙水壓力，同時對土體顆粒產(chǎn)生浮托力，邊坡土體有效應(yīng)力降低，土體抗剪強(qiáng)度快速降低，而且邊坡土體內(nèi)部含水率增大也增加了土體的重度，斜坡下滑力急劇增大。因而，隨著邊坡土體含砂量的增大，水位升降逐漸成為引起邊坡失穩(wěn)滑塌破壞的主要原因。

3 結(jié) 論

（1）邊坡自身土體成分構(gòu)成對邊坡的穩(wěn)定性有重要影響。在水位升降與水下沖刷作用下，含砂量為0%的下蜀土均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性最好，均質(zhì)邊坡含砂量越大，邊坡抵抗水位升降與水下沖刷的能力越弱，邊坡失穩(wěn)滑塌破壞的時間越短;邊坡土體含砂量較小時，邊坡土體含砂量變化對邊坡抵抗水位升降的失穩(wěn)滑塌破壞影響較敏感，邊坡土體含砂量較大時，影響程度趨緩。

（2）水位升降與水下沖刷對邊坡穩(wěn)定性的影響大小隨邊坡土體含砂量的不同存在很大差異，含砂量為0%的下蜀土均質(zhì)邊坡水下沖刷對邊坡失穩(wěn)滑塌破壞的影響遠(yuǎn)大于水位升降的影響;隨著邊坡土體含砂量的增大，水下沖刷對邊坡失穩(wěn)滑塌破壞的影響越來越小，水位升降對邊坡失穩(wěn)滑塌破壞的影響越來越大。

（3）不同含砂量下蜀土試樣在水中的崩解情況存在較大差異，含砂量為0%和含砂量較小的下蜀土試樣在水中崩解較慢，隨著土體含砂量的增大，試樣崩解越來越快。這反映了不同含砂量下蜀土均質(zhì)邊坡抵抗水位升降與水下沖刷失穩(wěn)滑塌破壞影響的差異性。純下蜀土邊坡因為水位升降對邊坡的崩解作用較小，所以水下沖刷是引起邊坡失穩(wěn)滑塌破壞的主要原因;隨含砂量的增大，水位升降對邊坡的崩解作用增強(qiáng)，成為邊坡失穩(wěn)滑塌破壞的主要原因。

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