動(dòng)力作用下水利邊坡失穩(wěn)形態(tài)研究

王建東,張?jiān)旅?朱 超

(淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,江蘇 淮安 223002)

0 引 言

已有文獻(xiàn)研究認(rèn)為,降雨是造成滑坡的主要因素[1-2]。為此,許多學(xué)者針對(duì)降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性開(kāi)展了相關(guān)研究。胡明鑒等[3]基于某滑坡作為研究對(duì)象,進(jìn)行降雨對(duì)滑坡穩(wěn)定性的研究,得出了降雨是激發(fā)滑坡復(fù)雜變化的主要因素等結(jié)論。朱文彬等[4]將Duncan-Chang模型與飽和-非飽和本構(gòu)模型相結(jié)合,通過(guò)建立新模型的方式,開(kāi)展了降雨型滑坡穩(wěn)定性的研究。孫書(shū)勤等[5]基于三維有限元仿真軟件FLAC3d,對(duì)某滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析,結(jié)果表明,在仿真模擬過(guò)程中,天然狀態(tài)下的滑坡體是穩(wěn)定的,僅有坡腳處的局部受到侵蝕,而在暴雨條件下坡體的失穩(wěn)破壞可能性同樣不大,但會(huì)發(fā)生局部的牽引式崩塌。張桂榮等[6]對(duì)某處滑坡進(jìn)行了不同降雨強(qiáng)度及庫(kù)水位升降后穩(wěn)定性的模擬分析,并針對(duì)不同降雨強(qiáng)度、時(shí)長(zhǎng)下的滑坡穩(wěn)定性變化進(jìn)行了探討,結(jié)果表明,導(dǎo)致滑坡發(fā)生失穩(wěn)破壞變形臨界雨量為200m/d。付文韜[7]以西北地區(qū)的黃土-泥巖滑坡和堆積巖滑坡為研究對(duì)象,運(yùn)用Geo-Studio的不同模塊以及三維有限元分析軟件 FLAC3D,分析了滑坡在不同降雨工況下的穩(wěn)定趨勢(shì)和變形破壞機(jī)制。

本文通過(guò)自主設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)的方式,針對(duì)雨水沖刷作用下水利邊坡失穩(wěn)形態(tài)進(jìn)行研究,對(duì)邊坡模型不同點(diǎn)位處的土壓力、孔隙水壓力、基質(zhì)吸力以及含水率進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析,研究結(jié)果可為邊坡在雨水沖刷作用下的失穩(wěn)形態(tài)及特性研究提供理論支持。

1 研究概況

強(qiáng)降雨天氣下,造成水利邊坡失穩(wěn)而發(fā)生下滑的現(xiàn)象常有發(fā)生。為了探究雨水動(dòng)力作用下水利邊坡失穩(wěn)下滑的形態(tài)及滑坡過(guò)程,本文通過(guò)自主設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)的方式開(kāi)展研究。整個(gè)試驗(yàn)在模型箱里進(jìn)行,模型箱的尺寸為7m×2m×2m(長(zhǎng)×寬×高),模型箱主要包括箱體、供水系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(土壓力、孔隙水壓力以及張力)以及攝像記錄系統(tǒng)等。邊坡側(cè)視圖及俯視圖的具體尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 邊坡的具體尺寸圖示

該模型主要使用滲壓計(jì)、張力計(jì)和土壓力計(jì),對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。其中,土壓力計(jì)T1、T2、T3、T4、T5分別布置在模型箱體底部四邊形的4個(gè)頂點(diǎn)位置以及正中心處,布置具體情況見(jiàn)圖2。布置深度1.7m,收集數(shù)據(jù)的步長(zhǎng)10min。

圖2 土壓力計(jì)的布置示意圖

張力計(jì)采用編號(hào)Z1、Z2、Z3、Z4、Z5表示,分別埋設(shè)于邊坡頂部和邊坡表面,埋深分別為1.5、1.2、0.3、0.2和0.6m(邊坡頂端為埋深的零點(diǎn)),張力計(jì)的布置示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 張力計(jì)的布置示意圖

滲壓計(jì)采用編號(hào)S1-S11表示,其中9只埋設(shè)于試驗(yàn)箱底部,埋深0.17m,其余兩只埋深0.12m,具體見(jiàn)圖4。

圖4 滲壓計(jì)的布置示意圖

2 試驗(yàn)方案及方法介紹

根據(jù)某水電站的實(shí)測(cè)邊坡坡腳角度(50°)以及降雨強(qiáng)度(70mm/h),對(duì)模型試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)相似比例原理,設(shè)計(jì)邊坡滑坡模型,試驗(yàn)黏土取自該水電站所在位置的邊坡滑坡土樣,滑坡體的具體物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 滑坡體物理參數(shù)

將黏土按照密度1.7 g/cm3分層裝入模型箱,層厚0.4m。分兩次開(kāi)展模擬降雨:第一次降雨的時(shí)間為開(kāi)始試驗(yàn)后的第47h,持續(xù)時(shí)間為0.25h;第二次降雨的時(shí)間為第71h,降雨持續(xù)時(shí)間1.5h。兩次降雨強(qiáng)度均為70mm/h。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 邊坡土壓力變化分析

邊坡在雨水動(dòng)力沖刷作用下的土壓力變化情況見(jiàn)圖5。由圖5可以發(fā)現(xiàn),在前50h土壓力計(jì)測(cè)得T1、T4、T5的土壓力無(wú)明顯變化,壓力值分別為29.47、12.32和20.90kPa;T4所在位置測(cè)得的土壓力在第58h開(kāi)始有明顯的升高,土壓力計(jì)T1、T5測(cè)得的壓力均呈減小趨勢(shì)。由于該試驗(yàn)在第47h和第71h進(jìn)行降雨,第71h的降雨引起了邊坡滑坡,T1和T4處的土壓力有明顯下降;而在第105h左右開(kāi)始對(duì)滑坡后的土樣進(jìn)行了清理,由此導(dǎo)致土壓力計(jì)測(cè)得T1、T4和T5處的土壓力均有明顯減小。其中,土壓力計(jì)T4測(cè)得的土壓力呈現(xiàn)斷層式下降,而T1處土壓力的下降速率明顯高于T5。

圖5 邊坡受雨水沖刷動(dòng)力作用下的土壓力變化情況

3.2 邊坡孔隙水壓力變化分析

根據(jù)滲壓計(jì)測(cè)量的邊坡各處空隙水壓力數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),S1-S6處的數(shù)據(jù)均無(wú)明顯變化,而S7-S9有明顯變化,因此選擇S8做進(jìn)一步分析。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程,S8的孔隙水壓力變化情況見(jiàn)圖6。在前60h內(nèi),S8處的孔隙水壓力均無(wú)明顯變化,其值均保持為0;而在第60h以后,S8的孔隙水壓力逐漸增大。由于降雨發(fā)生在開(kāi)始試驗(yàn)的第47h,降雨強(qiáng)度為70mm/h,隨著雨水的不斷滲入,導(dǎo)致孔隙水的壓力逐漸增大。根據(jù)圖6可以發(fā)現(xiàn),第二次降雨導(dǎo)致孔隙水壓力的增長(zhǎng)遠(yuǎn)小于第一次降雨,最終兩次降雨導(dǎo)致的孔隙水壓力最大約為0.15kPa。

圖6 邊坡受雨水沖刷動(dòng)力作用下的孔隙水壓力變化情況

3.3 邊坡基質(zhì)吸力變化分析

邊坡的基質(zhì)吸力代表邊坡土質(zhì)對(duì)水的吸引能力,是研究非飽和土力學(xué)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。此外,降雨入滲導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)甚至破壞,也需要對(duì)基質(zhì)吸力進(jìn)行研究,因此基質(zhì)吸力參數(shù)對(duì)研究雨水沖刷動(dòng)力下的邊坡失穩(wěn)形態(tài)具有重要意義。

圖7為邊坡受雨水沖刷動(dòng)力作用下的基質(zhì)吸力變化情況。由圖7可以發(fā)現(xiàn),在前40h以內(nèi),張力計(jì)Z1、Z2、Z3、Z4、Z5測(cè)得的張力均隨著時(shí)間的增加而增大。這是由于所使用的黏土均處在非飽和狀態(tài),基質(zhì)吸力均呈現(xiàn)增大的狀態(tài),且隨著時(shí)間的增加,試驗(yàn)中的黏土逐漸趨向于飽和,基質(zhì)吸力也逐漸趨向于穩(wěn)定;在開(kāi)始試驗(yàn)的第47h和第71h實(shí)施降雨,降雨強(qiáng)度為70mm/h,兩次降雨的持續(xù)時(shí)間分別為0.25和1.5h。當(dāng)?shù)谝淮谓涤瓿霈F(xiàn),由于Z1、Z2處在雨水的沖刷下開(kāi)始出現(xiàn)裂縫,因此該兩處的基質(zhì)吸力均呈現(xiàn)減小狀態(tài);當(dāng)?shù)诙谓涤暝诘?1h開(kāi)始出現(xiàn),邊坡出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象,Z3、Z4處的基質(zhì)吸力開(kāi)始降低。根據(jù)圖7可以明顯發(fā)現(xiàn),Z5處的基質(zhì)吸力在第40h以后并無(wú)明顯變化,也即Z5所在位置并不受兩次降雨的影響。這主要是由于Z5處的埋深為0.6m,兩次降雨均未滲入到邊坡坡頂?shù)?.6m處,因此Z5處的基質(zhì)吸力在達(dá)到最大值約42kPa后,不會(huì)再受降雨的影響而隨著時(shí)間發(fā)生變化。

圖7 邊坡受雨水沖刷動(dòng)力作用下的基質(zhì)吸力變化情況

3.4 邊坡含水率變化分析

當(dāng)邊坡受到雨水沖刷作用時(shí),雨水會(huì)不斷入滲至邊坡土壤中,導(dǎo)致邊坡含水率發(fā)生變化。為了探究邊坡發(fā)生滑坡后的邊坡含水率隨深度的變化情況,試驗(yàn)中,在坡頂沿豎向方向挖取剖面,用以測(cè)量邊坡含水率隨邊坡深度的變化情況,結(jié)果見(jiàn)圖8。圖8中,0cm即為模型邊坡的頂部位置,而1.7m為邊坡的最底部(等于模型邊坡的高度)。由圖8可知,在試驗(yàn)前未經(jīng)歷雨水沖刷作用力的情況下,邊坡深度0～1.7m處的含水率均保持在19.5%;而當(dāng)試驗(yàn)后,在經(jīng)歷了兩次降雨之后,邊坡0～0.4m處的含水率發(fā)生不同程度的變化。其中,邊坡頂部含水率的增量最大,增量約為4.8%,含水率為24.3%;深度0.2和0.4m處的含水率分別增加至22.3%和21.2%。而當(dāng)深度為0.5m時(shí),試驗(yàn)前與試驗(yàn)后的含水量保持一致,并且隨著深度的進(jìn)一步增加,含水率均不再發(fā)生變化。這主要是由于降雨入滲邊坡的深度范圍有限,只會(huì)對(duì)邊坡0～0.5m范圍的含水率造成影響,并不會(huì)影響更深的土壤含水率。

圖8 邊坡含水率隨深度的變化情況

4 結(jié) 論

為了探究雨水動(dòng)力作用下水利邊坡失穩(wěn)下滑的形態(tài)及滑坡過(guò)程,本文通過(guò)自主設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)的方式進(jìn)行了研究。結(jié)論如下:

1)邊坡在雨水動(dòng)力沖刷作用下的土壓力會(huì)發(fā)生變化,在未進(jìn)行降雨前,監(jiān)測(cè)點(diǎn)位處的土壓力均保持不變。當(dāng)開(kāi)展降雨后,邊坡前腳位置、邊坡底端正中心和邊坡底后腳處的土壓力呈現(xiàn)出不同的變化狀態(tài)。其中,邊坡前腳頂點(diǎn)處的土壓力與底端正中心處在施行降雨后均呈下降趨勢(shì),而邊坡后腳的土壓力在經(jīng)過(guò)兩次降雨后,均有增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

2)在開(kāi)始實(shí)施降雨前,邊坡的孔隙水壓力均無(wú)明顯變化,其值均保持為0;而在開(kāi)展降雨之后,隨著雨水的不斷滲入,導(dǎo)致孔隙水的壓力逐漸增大,兩次降雨最終導(dǎo)致的孔隙水壓力最大約為0.15kPa;根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的基質(zhì)吸力在前40h內(nèi)均隨著時(shí)間的增加而增大,之后隨著試驗(yàn)中的黏土逐漸趨向于飽和,基質(zhì)吸力也逐漸趨向于穩(wěn)定;降雨的出現(xiàn)會(huì)影響邊坡的基質(zhì)吸力,導(dǎo)致基質(zhì)吸力逐漸變小,但由于邊坡發(fā)生滑坡時(shí)雨水并不會(huì)入滲至邊坡0.6m深度處,因而該深度處的基質(zhì)吸力并不會(huì)降低。

3)當(dāng)邊坡未受到雨水沖刷作用時(shí),邊坡不同深度處的含水率均保持在19.5%左右;而當(dāng)經(jīng)歷降雨作用后,邊坡不同深度處的含水率發(fā)生不同程度的變化。其中,邊坡頂部含水率的增量最大,深度為0.2～0.4m處的含水率也有不同程度的增加;當(dāng)深度為0.5m時(shí),試驗(yàn)前與試驗(yàn)后的含水量保持一致,并且隨著深度的進(jìn)一步增加,含水率均不再發(fā)生變化。