基于離心模型試驗的水動力型滑坡失穩(wěn)機制研究

朱 軍 威,張 強,2,盧 曉 春,陳 鴻 杰,程 偉

(1.三峽大學 水利與環(huán)境學院,湖北 宜昌 443002; 2.中國水利水電科學研究院 巖土工程研究所,北京 100038; 3.華能瀾滄江水電股份有限公司,云南 昆明 650214; 4.中國電建昆明勘測設計研究院有限公司,云南 昆明 650051)

0 引 言

水動力型滑坡是指由降雨、水位變動、地表徑流及地下水活動等水動力因素驅動而發(fā)生的斜坡巖土體失穩(wěn)災害[1]。水動力型滑坡是中國西南高壩大庫庫區(qū)最常見的滑坡類型,是影響庫區(qū)安全的重要因素?，F(xiàn)有研究表明[2-5],庫水位變動和降雨是影響水動力型滑坡的重要因素。因此,開展庫水位變動和降雨條件下庫岸邊坡失穩(wěn)機制研究,對于中國西南地區(qū)水動力型滑坡防災減災具有重要意義。

當前,對水動力型滑坡變形破壞機理的研究仍以模型試驗為主[6-10],其中離心模型試驗相似性較好[11-13],能通過離心慣性力場模擬重力場,獲得與原型相似的應力狀態(tài),直觀再現(xiàn)與自重相關的變形過程,因此近年來得到了廣泛應用。在水庫誘發(fā)滑坡研究方面:苗發(fā)盛、馮文凱、湯明高等運用離心模型試驗研究了庫水位升降條件下滑坡變形破壞機制,其中庫水位變幅均低于20 m[14-16];付小林等[17]開展了庫水位下降15 m條件下的離心模型試驗,分析了不同庫水位消落方式下的滑坡穩(wěn)定性響應規(guī)律;Fan等[18]基于離心模型試驗,研究了庫水位快速下降18 m條件下滑坡變形破壞特征。在降雨型滑坡研究方面:Zhang等[19]開展了降雨條件下黏性邊坡失穩(wěn)機理的離心模型試驗研究;張永雙等[20]運用離心模型試驗研究了降雨和裂縫耦合作用下滑坡變形破壞特征;潘皇宋[21]等針對折線型滑坡,開展了開挖和降雨條件下滑坡失穩(wěn)機制研究。

綜上可見,受離心技術的限制,目前針對水動力型滑坡開展的離心模型試驗研究中,多數(shù)模擬的庫水位變幅較小,很少有超過20 m;針對庫水位變動或者降雨單一因素作用對滑坡變形破壞的研究較多,而對兩者共同作用下的研究極為罕見,特別是有關高離心加速度下的降雨。本文試驗模型以云南省黃登水電站庫區(qū)車邑坪滑坡為參照對象,自主設計庫水位升降和降雨系統(tǒng),利用大型離心機給模型施加70g的離心加速度,開展3種方案下的大型滑坡離心模型試驗,分析庫水位變動和降雨對車邑坪滑坡變形影響的主次關系,揭示車邑坪滑坡的變形失穩(wěn)機制,以為黃登庫區(qū)的滑坡防治提供重要依據(jù)。

1 車邑坪滑坡基本特征

1.1 黃登庫區(qū)概況

黃登庫區(qū)長約88 km,庫區(qū)河谷多呈對稱的“V”形谷,地勢總體北高南低,兩岸岸坡陡峻,自然坡度為30°～50°,局部為懸崖峭壁。黃登庫區(qū)由4個庫段組成,分別為壩址-大格拉庫段、大格拉-小龍村庫段、小龍村-多依庫段和多依-托巴庫段。水庫正常蓄水位為1 619 m,死水位為1 586 m,正常蓄水位庫容為15.49億m3,水庫運行調節(jié)水位變幅為33 m。庫區(qū)雨季一般為5～10月,多年平均降水量為973.5 mm,如圖1所示。

圖1 黃登庫區(qū)降雨量與庫水位變化曲線

黃登庫區(qū)于2017年11月開始蓄水,運行過程中,受庫水位變動和降雨影響,庫區(qū)兩岸一系列古滑坡復活,主要分布在大格拉-多依庫段,如圖2所示?；伦冃螌е聨於味嗵庨_裂,同時沿江公路外側坡面出現(xiàn)大量拉張裂縫,嚴重威脅當?shù)卮迕竦纳敭a(chǎn)安全。

圖2 黃登庫區(qū)滑坡分布示意

1.2 車邑坪滑坡特點

車邑坪村分為小村和大村,小村所在庫段為一個古滑坡體(H1),大村下游側沖溝的左岸發(fā)育一古滑坡體(H2)。古滑坡體H1總體上呈一長“舌”形,上、下游邊界發(fā)育有沖溝,總體積為1 000萬m3,屬于大型滑坡堆積體。滑坡體表現(xiàn)為縱向中部厚、前緣后緣相對較薄、橫向上下游側薄的空間分布特征,其中南北向寬450～800 m,東西向長約1 300 m,分布高程為1 540～2 265 m,厚度23.80～63.98 m。古滑坡體H2估算體積為12萬m3,屬于中型土質滑坡堆積體,滑坡體前緣高程為1 760 m,遠高于黃登庫區(qū)正常蓄水位,滑坡變形破壞與水庫蓄水沒有關系,屬自然地質災害。

古滑坡體H1曾出現(xiàn)了3次明顯的滑動或變形開裂現(xiàn)象,具體表現(xiàn)為在原滑坡后緣及堆積體內(nèi)形成3個規(guī)模相對較小的次級滑坡,如圖3所示。其中,H1-1、H1-2滑坡體分別于1956年和1992年形成,H1-3滑坡于2019年6月形成。H1-1滑坡和H1-2滑坡前緣遠高于黃登庫區(qū)正常蓄水位,無明顯滑動跡象,處于穩(wěn)定狀態(tài)。而H1-3滑坡前緣剪出口部位已被水庫淹沒,后緣拉張裂縫、錯臺現(xiàn)象發(fā)育,H1-3滑坡的蠕滑變形在不利工況作用下進一步變形破壞的可能性大。

1.3 車邑坪滑坡物質組成

根據(jù)勘探鉆孔揭露情況,H1古滑坡堆積體組成物質主要為碎石、塊石、粉砂土、砂質黏土,如圖4所示。塊石粒徑一般為50～250 mm,最大可達300～500 mm。塊石、碎石含量60%～70%,巖性以板巖為主,其次為砂巖。碎石一般呈棱角狀,土體均勻性差,結構松散,鉆孔揭露厚度為23.8～63.98 m,變化較大。堆積體下部為既有滑帶,組成物質為含礫石黏土,夾個別碎石,礫石、碎石呈次圓狀。下部基巖為侏羅系深灰色千枚狀板巖,局部夾變質砂巖,風化程度深,巖體傾倒變形跡象明顯,物理力學性質較差。此外,H1-3滑坡部分滑動帶土體有明顯的鏡面剪切現(xiàn)象,呈可塑-硬塑狀,厚度為10～30 cm。

1.4 車邑坪滑坡裂縫特征

車邑坪滑坡體沿江公路下部為主變形區(qū),發(fā)育有多條拉張裂縫,其中大多分布在滑坡體前緣附近,主要為2019年6月庫水位下降過程中產(chǎn)生(見圖5)。裂縫常伴隨地面沉降、淺表層巖土體滑動等地質災害,其縱剖面形態(tài)大多近乎直立,或呈圈椅狀、弧形等。

圖5 車邑坪滑坡裂縫分布

2 庫水位變動聯(lián)合降雨離心模型試驗

2.1 試驗裝置研制

為開展離心模型試驗,自主研制了一套試驗系統(tǒng),包括庫水位升降系統(tǒng)和降雨系統(tǒng)。庫水位升降系統(tǒng)主要由3級水箱和水閥組成,如圖6(a)所示。在離心機運轉過程中,打開出水閥,水從供水箱流出,從而實現(xiàn)庫水位上升;打開進水閥,高水位庫水流入進水箱1,然后拔起尖嘴塞,剩余的庫水流入進水箱2,進而完成庫水位下降。降雨系統(tǒng)主要由蓄水箱、電磁閥和降雨器組成,其中蓄水箱固定在離心機中軸處,如圖6(b),(c)所示。試驗中,打開電磁閥,在離心力作用下,水沿著輸水管流入降雨器中,形成降雨。

2.2 試驗模型

離心模型試驗采用中國水利水電科學研究院LXJ-4-450土工離心試驗機。滑床需具備足夠的強度和剛度,以避免在試驗過程中發(fā)生變形。因此,將滑床設計為進水箱?；w土取自車邑坪滑坡(見圖3),為消除粒徑效應,采用等量替代法剔除部分超粒徑顆粒,最終的模型土體粒徑級配曲線如圖7所示。

通過室內(nèi)篩分試驗、顆粒級配試驗、擊實試驗、密度測試、含水率測試和直剪試驗確定土體材料配比,以使模型接近原型土體的物理力學參數(shù)(見表1)。

表1 模型土體物理力學參數(shù)

考慮到離心模型試驗尺寸要求,選取滑坡前緣部位作為研究范圍(見圖4),通過對模型進行簡化處理,制備了離心試驗模型(見圖8)。

圖8 離心試驗模型

車邑坪滑坡體滑動方向長80～120 m,滑體厚度10～35 m,水庫蓄水后經(jīng)歷了多次庫水位驟降,其中最大變幅為33 m。考慮試驗模型箱的尺寸(1.35 m×0.4 m×0.9 m,長×寬×高),以及高離心加速度下由于庫水位變動和降雨引起模型箱質心變化大的風險,本次試驗選定離心加速度為70g。試驗中庫水位變化幅度對應的原型約為23 m,與庫區(qū)首次水位降幅相一致。

2.3 試驗方案

根據(jù)黃登庫區(qū)氣象和水文資料,選擇3種條件下可能出現(xiàn)的最不利工況,搭建3個相同的滑坡離心模型開展試驗。試驗監(jiān)測儀器布設如圖8(a)所示,試驗工況如表2所列。

表2 試驗工況

第1組模擬黃登庫區(qū)水位變動對滑坡的影響。模型水位先從120 mm漲至450 mm,停留一段時間,待孔壓傳感器讀數(shù)至基本穩(wěn)定后,再降至120 mm(模型底部)。

第2組模擬黃登庫區(qū)穩(wěn)定運行期間降雨對滑坡的影響。在模型水位穩(wěn)定于450 mm時降雨,降雨強度參考庫區(qū)歷史上出現(xiàn)的大暴雨,對應的原型雨強為216 mm/d。

第3組模擬黃登庫區(qū)庫水位下降期間降雨對滑坡的影響。在模型水位從450 mm降至315 mm時降雨,降雨強度與第2組保持一致。待降雨結束后,模型水位繼續(xù)下降至120 mm(模型底部)。

2.4 試驗結果分析

2.4.1宏觀變形

圖9(a),(b),(c)分別為離心模型試驗第1組、第2組和第3組試驗過程變形破壞典型照片。

由圖9(a)可以看出,庫水位上升階段滑坡無明顯裂縫產(chǎn)生,這是由于此過程中,水不斷滲入坡體內(nèi)部,形成指向坡體內(nèi)的動水壓力,滑坡穩(wěn)定性增大。然而,隨著庫水位首次下降,滑坡前緣向前滑移,中部迅速拉裂,裂縫逐級發(fā)展。在此期間,地下水位滯后于庫水位,坡體內(nèi)產(chǎn)生指向庫區(qū)的動水壓力,致使滑坡變形。之后庫水位二次下降,滑坡前緣進一步滑移,中部裂縫不斷擴寬并貫通,大量土體堆積到前部。同時,后緣出現(xiàn)一些拉裂縫。

從圖9(b)可以看出,當庫水位上升至450 mm時,邊坡無明顯變形。在孔壓趨于穩(wěn)定時,開始進行降雨。雨水持續(xù)沖刷坡表,部分細顆粒流入庫區(qū),仍未出現(xiàn)裂隙,原因可能是雨水的入滲只停留在坡體淺表層。降雨結束后,開始庫水位下降,中部迅速產(chǎn)生拉裂隙,并逐漸擴展貫通,出現(xiàn)局部崩滑。

由圖9(c)可以看出,在庫水位下降至315 mm時,坡體出現(xiàn)兩條寬5～10 mm的貫通性裂縫和一些微裂縫。然后降雨,已有的裂縫迅速擴大,同時新的裂縫產(chǎn)生,后緣中部垮塌。這是由于大量雨水沿著已有的裂縫快速滲入坡體,抬高地下水位,產(chǎn)生指向坡外的動水壓力。此外,雨水裹挾大量細顆粒流入庫區(qū),破壞了坡體的骨架結構。降雨結束后,庫水位繼續(xù)下降至120 mm,因前緣的水箱限制了滑坡的進一步變形,此過程中基本無破壞。

以上變形特征表明:庫水位下降是車邑坪滑坡變形的主要原因,當滑坡有貫通性裂縫(滲流通道)時,降雨將加劇坡體變形,甚至導致失穩(wěn)。

2.4.2孔隙水壓力

對第3組孔隙水壓力監(jiān)測曲線進行重點分析(下文土壓力分析部分相同),結果見圖10。分析表明:庫水位上升階段,隨著滑坡前緣逐漸被水淹沒,孔壓傳感器依次響應,表現(xiàn)出一定的滯后性,距坡表越遠則越明顯。其中,坡表的P3和中部的P2分別滯后49 s和366 s,靠近底滑面的P7滯后658 s。這是由于模型土體屬于黏性土,滲透系數(shù)較小,庫水不易入滲。當庫水位不再上升后,各孔壓傳感器值經(jīng)歷一段時間才逐漸趨于穩(wěn)定。

圖10 孔隙水壓力監(jiān)測曲線

庫水位首次下降階段,前緣水位迅速下降,孔壓傳感器值與庫水位幾乎同時開始減小,表明坡體內(nèi)滲流通道較好。P3、P5、P7在1 330 s時上升,可能是局部水體回流所致。庫水位趨于穩(wěn)定后,P3、P5、P7出現(xiàn)下降,這是由于坡體此時已出現(xiàn)許多裂縫,因而局部殘余的水流向庫區(qū)。降雨階段,大量雨水沿著已有的裂縫快速滲入坡體,所有孔壓傳感器值幾乎同時出現(xiàn)增長。之后,P4、P7、P5減小,這是因為此時坡體發(fā)生大的變形,滲入的雨水更容易流入庫區(qū)。

庫水位二次下降階段,前緣水位快速下降,所有孔壓傳感器值均減小。其中,P5表現(xiàn)出一定的滯后性,可能是局部水流在此匯聚所致。之后,除P5、P7外,各孔壓傳感器值基本趨于穩(wěn)定。P5、P7一直下降,這是由于其距坡表最遠,水體流入庫區(qū)較困難。

以上孔壓分析表明,庫水位上升階段,地下水位滯后于庫水位,滑坡內(nèi)形成指向坡體內(nèi)的動水壓力。而庫水位下降和降雨階段,地下水位均高于庫水位,滑坡內(nèi)產(chǎn)生指向坡體外的動水壓力。

2.4.3土壓力

因離心力加載過程中,滑坡土壓不斷變化,故將離心機啟動時刻設置為0。土壓傳感器S4在試驗過程中損壞。試驗過程土壓力監(jiān)測曲線如圖11所示(試驗土壓力監(jiān)測值為土體總應力)。分析表明,加載階段,土壓力隨加速度的增大而增大,出現(xiàn)“臺階”狀,這是由于土壓力與加速度線性相關。

圖11 土壓力監(jiān)測曲線

庫水位上升階段,坡體前緣的S1和中部的S2數(shù)值出現(xiàn)陡增,這是由于庫水向坡體內(nèi)入滲使臨近庫區(qū)的土體重度增大。后緣的S3數(shù)值發(fā)生陡降,是因為庫水的浮力使坡腳抗滑力下降,坡體前緣向前滑動微小距離,進而坡體后緣出現(xiàn)裂縫。之后,各土壓傳感器值慢慢趨于穩(wěn)定。

庫水位首次下降階段,除S3外,其余土壓傳感器值均減小,這是由于裂縫的產(chǎn)生造成坡體的應力降低。S3數(shù)值出現(xiàn)增長,是因為其上方土體發(fā)生了一定的堆積。降雨階段,所有土壓傳感器值同時增大,這是雨水的入滲使土體的重度增加所致。

庫水位二次下降階段,S5數(shù)值增加,原因是后方的土體堆積到此處。坡體下部的S2、S3數(shù)值基本保持不變,這是因為其上部土體的增加和減少近似相等。之后,土壓漸漸趨于穩(wěn)定。最后,離心力卸載,所有土壓傳感器值減小到零。

以上土壓力分析表明,庫水位變動和降雨對滑坡應力影響較大。

3 滑坡失穩(wěn)機制及處理建議

3.1 滑坡失穩(wěn)機制

對比3組模型試驗過程中滑坡的變形破壞特征可以發(fā)現(xiàn),水庫蓄水、庫水位下降和降雨這3個因素對車邑坪滑坡變形的影響程度為庫水位下降>降雨>水庫蓄水。結合地質條件分析,主要原因是庫水位變幅較大(33 m),且坡體含有黏性土,滲透系數(shù)較小,在庫水位下降過程中,土體內(nèi)水來不及排出,產(chǎn)生了動水壓力,促使滑坡發(fā)生失穩(wěn),見圖12(a),(b)。通過試驗對比發(fā)現(xiàn),在無裂縫狀態(tài)下進行降雨,滑坡基本無明顯變形,僅表層存在一定沖刷現(xiàn)象;而在有裂縫條件下進行降雨,滑坡裂縫擴展,表層出現(xiàn)了塌陷變形,見圖12(c)。上述分析表明,庫水位下降是車邑坪滑坡變形的主要因素,降雨為其激發(fā)因素。

3.2 處理建議

(1) 目前車邑坪滑坡從近水邊庫段到滑坡體后緣均出現(xiàn)了裂縫,在不利工況作用下進一步滑動、擴大的可能性較大,將會對滑坡體上車邑坪小村內(nèi)居民及建筑物、沿江公路帶來較大的安全影響,其危險性和社會影響極大。車邑坪滑坡變形范圍大、變形深度深,治理相對困難且投資造價較高,建議對整個車邑坪小村進行搬遷處理,確保當?shù)鼐用裆拓敭a(chǎn)安全。

(2) 加強整個車邑坪庫段的巡視和巡查工作,同時對前期已經(jīng)開展的滑坡體表部和深部變形工作繼續(xù)進行監(jiān)測,密切關注滑坡體的變形情況。建立健全切實可行的預警機制、應對機制,編制應急預案,對可能發(fā)生的庫岸變形失穩(wěn)快速應對。在應急響應的過程中,盡可能減少、消除庫岸變形失穩(wěn)的危害,最大限度降低災害的損失或危害。

4 結 論

本文依托黃登庫區(qū)車邑坪滑坡,在野外調查基礎上,對該典型的水動力型滑坡開展了庫水位變動和降雨作用下的大型滑坡離心模型試驗。綜合分析,得到以下結論:

(1) 庫水位上升階段,孔壓的增長表現(xiàn)出一定的滯后性,其中滑坡中后部尤為明顯。庫水位下降階段,距坡表越遠,孔壓消散越慢,均小于庫水位降落速率。降雨階段,對于有裂縫的滑坡,孔壓增長迅速。

(2) 庫水位下降是車邑坪滑坡變形的主要因素,降雨為激發(fā)因素。庫水位下降使滑坡產(chǎn)生指向坡體外的動水壓力,致使滑坡前緣向前滑動,中部產(chǎn)生裂縫,逐漸擴展到后緣。裂縫為降雨入滲提供了通道,加劇裂縫的發(fā)展。

(3) 車邑坪滑坡變形范圍大、變形深度深,治理相對困難且投資造價較高,建議對整個車邑坪小村進行搬遷處理,確保當?shù)鼐用裆拓敭a(chǎn)的安全。同時,建立健全的預警機制,編制應急預案,以便快速應對可能發(fā)生的庫岸變形失穩(wěn)。