基于離心模型試驗(yàn)的水動(dòng)力型滑坡失穩(wěn)機(jī)制研究

朱 軍 威,張 強(qiáng),2,盧 曉 春,陳 鴻 杰,程 偉

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002; 2.中國水利水電科學(xué)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(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650051)

0 引 言

水動(dòng)力型滑坡是指由降雨、水位變動(dòng)、地表徑流及地下水活動(dòng)等水動(dòng)力因素驅(qū)動(dòng)而發(fā)生的斜坡巖土體失穩(wěn)災(zāi)害[1]。水動(dòng)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(dòng)和降雨是影響水動(dòng)力型滑坡的重要因素。因此,開展庫水位變動(dòng)和降雨條件下庫岸邊坡失穩(wěn)機(jī)制研究,對(duì)于中國西南地區(qū)水動(dòng)力型滑坡防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

當(dāng)前,對(duì)水動(dòng)力型滑坡變形破壞機(jī)理的研究仍以模型試驗(yàn)為主[6-10],其中離心模型試驗(yàn)相似性較好[11-13],能通過離心慣性力場(chǎng)模擬重力場(chǎng),獲得與原型相似的應(yīng)力狀態(tài),直觀再現(xiàn)與自重相關(guān)的變形過程,因此近年來得到了廣泛應(yīng)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(yùn)用離心模型試驗(yàn)研究了庫水位升降條件下滑坡變形破壞機(jī)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(yàn),分析了不同庫水位消落方式下的滑坡穩(wěn)定性響應(yīng)規(guī)律;Fan等[18]基于離心模型試驗(yàn),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(jī)理的離心模型試驗(yàn)研究;張永雙等[20]運(yùn)用離心模型試驗(yàn)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(duì)折線型滑坡,開展了開挖和降雨條件下滑坡失穩(wěn)機(jī)制研究。

綜上可見,受離心技術(shù)的限制,目前針對(duì)水動(dòng)力型滑坡開展的離心模型試驗(yàn)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(duì)庫水位變動(dòng)或者降雨單一因素作用對(duì)滑坡變形破壞的研究較多,而對(duì)兩者共同作用下的研究極為罕見,特別是有關(guān)高離心加速度下的降雨。本文試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵栽颇鲜↑S登水電站庫區(qū)車邑坪滑坡為參照對(duì)象,自主設(shè)計(jì)庫水位升降和降雨系統(tǒng),利用大型離心機(jī)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(yàn),分析庫水位變動(dòng)和降雨對(duì)車邑坪滑坡變形影響的主次關(guān)系,揭示車邑坪滑坡的變形失穩(wěn)機(jī)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(zhǎng)約88 km,庫區(qū)河谷多呈對(duì)稱的“V”形谷,地勢(shì)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(gè)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(yùn)行調(diào)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(yùn)行過程中,受庫水位變動(dòng)和降雨影響,庫區(qū)兩岸一系列古滑坡復(fù)活,主要分布在大格拉-多依庫段,如圖2所示?；伦冃螌?dǎo)致庫段多處開裂,同時(shí)沿江公路外側(cè)坡面出現(xiàn)大量拉張裂縫,嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)卮迕竦纳?cái)產(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(diǎn)

車邑坪村分為小村和大村,小村所在庫段為一個(gè)古滑坡體(H1),大村下游側(cè)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(zhǎng)“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?；麦w表現(xiàn)為縱向中部厚、前緣后緣相對(duì)較薄、橫向上下游側(cè)薄的空間分布特征,其中南北向?qū)?50～800 m,東西向長(zhǎng)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(zhì)滑坡堆積體,滑坡體前緣高程為1 760 m,遠(yuǎn)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(guān)系,屬自然地質(zhì)災(zāi)害。

古滑坡體H1曾出現(xiàn)了3次明顯的滑動(dòng)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(gè)規(guī)模相對(duì)較小的次級(jí)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(yuǎn)高于黃登庫區(qū)正常蓄水位,無明顯滑動(dòng)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(cuò)臺(tái)現(xiàn)象發(fā)育,H1-3滑坡的蠕滑變形在不利工況作用下進(jìn)一步變形破壞的可能性大。

1.3 車邑坪滑坡物質(zhì)組成

根據(jù)勘探鉆孔揭露情況,H1古滑坡堆積體組成物質(zhì)主要為碎石、塊石、粉砂土、砂質(zhì)黏土,如圖4所示。塊石粒徑一般為50～250 mm,最大可達(dá)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(jié)構(gòu)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(zhì)為含礫石黏土,夾個(gè)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(zhì)砂巖,風(fēng)化程度深,巖體傾倒變形跡象明顯,物理力學(xué)性質(zhì)較差。此外,H1-3滑坡部分滑動(dòng)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(dòng)等地質(zhì)災(zāi)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(dòng)聯(lián)合降雨離心模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置研制

為開展離心模型試驗(yàn),自主研制了一套試驗(yàn)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(jí)水箱和水閥組成,如圖6(a)所示。在離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,打開出水閥,水從供水箱流出,從而實(shí)現(xiàn)庫水位上升;打開進(jìn)水閥,高水位庫水流入進(jìn)水箱1,然后拔起尖嘴塞,剩余的庫水流入進(jìn)水箱2,進(jìn)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(jī)中軸處,如圖6(b),(c)所示。試驗(yàn)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(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

離心模型試驗(yàn)采用中國水利水電科學(xué)研究院LXJ-4-450土工離心試驗(yàn)機(jī)?；残杈邆渥銐虻膹?qiáng)度和剛度,以避免在試驗(yàn)過程中發(fā)生變形。因此,將滑床設(shè)計(jì)為進(jìn)水箱?；w土取自車邑坪滑坡(見圖3),為消除粒徑效應(yīng),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(jí)配曲線如圖7所示。

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

表1 模型土體物理力學(xué)參數(shù)

考慮到離心模型試驗(yàn)尺寸要求,選取滑坡前緣部位作為研究范圍(見圖4),通過對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,制備了離心試驗(yàn)?zāi)Ｐ?見圖8)。

圖8 離心試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

車邑坪滑坡體滑動(dòng)方向長(zhǎng)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?？紤]試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞某叽?1.35 m×0.4 m×0.9 m,長(zhǎng)×寬×高),以及高離心加速度下由于庫水位變動(dòng)和降雨引起模型箱質(zhì)心變化大的風(fēng)險(xiǎn),本次試驗(yàn)選定離心加速度為70g。試驗(yàn)中庫水位變化幅度對(duì)應(yīng)的原型約為23 m,與庫區(qū)首次水位降幅相一致。

2.3 試驗(yàn)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(gè)相同的滑坡離心模型開展試驗(yàn)。試驗(yàn)監(jiān)測(cè)儀器布設(shè)如圖8(a)所示,試驗(yàn)工況如表2所列。

表2 試驗(yàn)工況

第1組模擬黃登庫區(qū)水位變動(dòng)對(duì)滑坡的影響。模型水位先從120 mm漲至450 mm,停留一段時(shí)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(yùn)行期間降雨對(duì)滑坡的影響。在模型水位穩(wěn)定于450 mm時(shí)降雨,降雨強(qiáng)度參考庫區(qū)歷史上出現(xiàn)的大暴雨,對(duì)應(yīng)的原型雨強(qiáng)為216 mm/d。

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

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1宏觀變形

圖9(a),(b),(c)分別為離心模型試驗(yàn)第1組、第2組和第3組試驗(yàn)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(dòng)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(jí)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(dòng)水壓力,致使滑坡變形。之后庫水位二次下降,滑坡前緣進(jìn)一步滑移,中部裂縫不斷擴(kuò)寬并貫通,大量土體堆積到前部。同時(shí),后緣出現(xiàn)一些拉裂縫。

從圖9(b)可以看出,當(dāng)庫水位上升至450 mm時(shí),邊坡無明顯變形。在孔壓趨于穩(wěn)定時(shí),開始進(jìn)行降雨。雨水持續(xù)沖刷坡表,部分細(xì)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(jié)束后,開始庫水位下降,中部迅速產(chǎn)生拉裂隙,并逐漸擴(kuò)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(shí),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(kuò)大,同時(shí)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(dòng)水壓力。此外,雨水裹挾大量細(xì)顆粒流入庫區(qū),破壞了坡體的骨架結(jié)構(gòu)。降雨結(jié)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(jìn)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(dāng)滑坡有貫通性裂縫(滲流通道)時(shí),降雨將加劇坡體變形,甚至導(dǎo)致失穩(wěn)。

2.4.2孔隙水壓力

對(duì)第3組孔隙水壓力監(jiān)測(cè)曲線進(jìn)行重點(diǎn)分析(下文土壓力分析部分相同),結(jié)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(yīng),表現(xiàn)出一定的滯后性,距坡表越遠(yuǎn)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(dāng)庫水位不再上升后,各孔壓傳感器值經(jīng)歷一段時(shí)間才逐漸趨于穩(wěn)定。

圖10 孔隙水壓力監(jiān)測(cè)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(shí)開始減小,表明坡體內(nèi)滲流通道較好。P3、P5、P7在1 330 s時(shí)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(shí)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(shí)出現(xiàn)增長(zhǎng)。之后,P4、P7、P5減小,這是因?yàn)榇藭r(shí)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(yuǎn),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(dòng)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(dòng)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(jī)啟動(dòng)時(shí)刻設(shè)置為0。土壓傳感器S4在試驗(yàn)過程中損壞。試驗(yàn)過程土壓力監(jiān)測(cè)曲線如圖11所示(試驗(yàn)土壓力監(jiān)測(cè)值為土體總應(yīng)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(tái)階”狀,這是由于土壓力與加速度線性相關(guān)。

圖11 土壓力監(jiān)測(cè)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?yàn)閹焖母×κ蛊履_抗滑力下降,坡體前緣向前滑動(dòng)微小距離,進(jìn)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(yīng)力降低。S3數(shù)值出現(xiàn)增長(zhǎng),是因?yàn)槠渖戏酵馏w發(fā)生了一定的堆積。降雨階段,所有土壓傳感器值同時(shí)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?yàn)槠渖喜客馏w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(dòng)和降雨對(duì)滑坡應(yīng)力影響較大。

3 滑坡失穩(wěn)機(jī)制及處理建議

3.1 滑坡失穩(wěn)機(jī)制

對(duì)比3組模型試驗(yàn)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(gè)因素對(duì)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(jié)合地質(zhì)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(dòng)水壓力,促使滑坡發(fā)生失穩(wěn),見圖12(a),(b)。通過試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn),在無裂縫狀態(tài)下進(jìn)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(jìn)行降雨,滑坡裂縫擴(kuò)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(jìn)一步滑動(dòng)、擴(kuò)大的可能性較大,將會(huì)對(duì)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(xiǎn)性和社會(huì)影響極大。車邑坪滑坡變形范圍大、變形深度深,治理相對(duì)困難且投資造價(jià)較高,建議對(duì)整個(gè)車邑坪小村進(jìn)行搬遷處理,確保當(dāng)?shù)鼐用裆拓?cái)產(chǎn)安全。

(2) 加強(qiáng)整個(gè)車邑坪庫段的巡視和巡查工作,同時(shí)對(duì)前期已經(jīng)開展的滑坡體表部和深部變形工作繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),密切關(guān)注滑坡體的變形情況。建立健全切實(shí)可行的預(yù)警機(jī)制、應(yīng)對(duì)機(jī)制,編制應(yīng)急預(yù)案,對(duì)可能發(fā)生的庫岸變形失穩(wěn)快速應(yīng)對(duì)。在應(yīng)急響應(yīng)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(zāi)害的損失或危害。

4 結(jié) 論

本文依托黃登庫區(qū)車邑坪滑坡,在野外調(diào)查基礎(chǔ)上,對(duì)該典型的水動(dòng)力型滑坡開展了庫水位變動(dòng)和降雨作用下的大型滑坡離心模型試驗(yàn)。綜合分析,得到以下結(jié)論:

(1) 庫水位上升階段,孔壓的增長(zhǎng)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(yuǎn),孔壓消散越慢,均小于庫水位降落速率。降雨階段,對(duì)于有裂縫的滑坡,孔壓增長(zhǎng)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(dòng)水壓力,致使滑坡前緣向前滑動(dòng),中部產(chǎn)生裂縫,逐漸擴(kuò)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(duì)困難且投資造價(jià)較高,建議對(duì)整個(gè)車邑坪小村進(jìn)行搬遷處理,確保當(dāng)?shù)鼐用裆拓?cái)產(chǎn)的安全。同時(shí),建立健全的預(yù)警機(jī)制,編制應(yīng)急預(yù)案,以便快速應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的庫岸變形失穩(wěn)。