巫山縣龍頭山滑坡物理模型實驗研究

柯文俊 吳 劍 王能勇 徐夢蛟

(三峽大學土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002)

巫山縣龍頭山滑坡物理模型實驗研究

柯文俊 吳 劍 王能勇 徐夢蛟

(三峽大學土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002)

龍頭山滑坡是三峽地質災害防治監測預警工程中重點監測滑坡，通過對其進行滑坡物理模型試驗，對滑坡失穩過程的孔隙水壓和土壓力以及滑坡位移的變化特征進行了觀察總結，并探求庫水位變化和降雨條件對滑坡穩定性的影響，為滑坡的監測預警提供依據。

滑坡，滑坡物理模型試驗，穩定性，庫水位，降雨

1 龍頭山滑坡地理地質條件

龍頭山滑坡位于巫山縣大溪鄉官田村1，7組，長江支流大溪河右岸，為涉水滑坡。坡前緣直抵大溪河邊，剪出口位于139 m，處于庫區蓄水水位以下，滑坡體長460 m，寬360 m，后緣高程270 m。以下伏基巖為滑床，右側以沖溝為界，左側以沖溝為界，平面形態呈箕形，為近似三角形。滑坡前緣較緩，中部和后緣稍陡，平均坡度20°，坡向332°，滑坡體厚度20 m～30 m，平均厚27 m，滑坡體面積16.6×104m2，體積447×104m3。滑坡體有2個滑坡平臺，主平臺位于175 m高程，長、寬分別為100 m，150 m[1]。

2 試驗模型設計

試驗采用三峽大學自行研制的考慮雨水作用的大型滑坡物理模型試驗系統(見圖1)。所設計的模型試驗以相似理論為基礎,以三峽庫區某具體滑坡為原型,對其進行庫水位作用下的滑坡物理模型試驗。目的是為了研究庫水位變化對滑坡變形、破壞及穩定性的影響[2，3]。

2.1 試驗檢測器具及布置

模型試驗選取常規的多物理量測系統,該量測系統主要包括土壓力量測、水壓力量測和位移量測,相應的儀器分別選取土壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器和位移傳感器。為了研究坡體的應力場及位移場的變化規律,在滑坡上布置2個剖面(見圖2)，將相應儀器埋置在2個剖面上。剖面1土壓力傳感器位置為148 m，孔隙水壓力傳感器位置為145 m；剖面2土壓力傳感器位置為177 m，孔隙水壓力傳感器位置為175 m，位移傳感器分別位于兩個剖面的表面。

2.2 試驗物理參數的確定

龍頭山滑坡主要物理力學參數建議值如表1,表2所示。在所列滑坡物理力學參數的基礎上，根據龍頭山滑坡模型試驗概化地質結構的特點，綜合確定龍頭山滑坡滑帶原型材料與相似材料物理力學參數，各參數取值見表1，表2，采用LTS-T作為滑坡模型滑體結構的模型材料進行3次室內試驗，見表3。本次試驗滑體和滑帶相似材料取值見表4，表5。

表1 滑帶原型材料與相似材料物理力學參數

實驗項目原型值相似比相似值強度參數C/kPa14.1～19.21000.141～0.192≈0φ/(°)16.9～21.6116.9～21.6

表2 滑體原型材料與相似材料物理力學參數

表3 滑體模型相似材料配比研究 %

表4 試驗滑體模型相似材料取值

3 滑坡實驗方案

試驗工況實際上就是將復雜的滑坡的外部環境條件概化為人為控制的模型邊坡的邊界條件。模型試驗考慮兩個主要影響滑坡變形破壞的外界環境因素——水庫蓄水和大氣降雨，其中水庫蓄水除了靜止水位對滑坡穩定性有影響，水庫調度中的水位驟降對滑坡穩定性也存在較大影響。水庫蓄水可以以滑坡模型前緣水位邊界條件變化來模擬；大氣降雨則以滑坡模型上部降水來模擬。

3.1 補償角度

由于邊壁摩擦的不可避免，為了克服邊壁摩擦對模型穩定性的影響，通過補償的方式來消除邊壁摩擦的影響無疑是很好的一種方式。在可傾斜模型試驗中，通過不斷抬升模型架角度，可以達到改變模型下滑力和阻滑力之間的比例關系，從而可以達到控制試驗的目的。

表5 試驗滑帶模型相似材料取值

根據公式：

F(α)=0時對應的角度就是需要補償的角度值。可以求得龍頭山滑坡模型因模型邊壁約束作用，模型補償傾斜4.3°可以保持模型穩定性與原型滑坡一致，如圖3所示。

3.2 實驗工況組合

考慮到模型材料的相似性問題以及模型成型引起的邊壁摩擦等問題，可以通過傾斜模型的方式調整模型的安全穩定狀態，這個傾斜角度即為以上提出的補償角度。在這個狀態下，通過觀測模型的變形情況來反映邊坡穩定狀態；試驗工況組合見表6。

表6 試驗工況組合

4 滑坡實驗數據分析

4.1 庫區水位對滑坡的影響分析

從圖4和圖5中可以看出，水位從175 m降至145 m，剖面1的孔隙水壓力隨庫水位的下降呈線性遞減，剖面2的孔隙水壓力基本上保持不變，導致該過程中兩個剖面的變化原因是剖面1斷面的孔隙水壓力傳感器填埋在145 m處，庫水位下降過程該剖面始終都受到水位的影響，庫水位的下降使得滑體中滲入的水分流出，傳感器上覆土的容重變小，孔隙水壓逐漸變小。剖面2中孔隙水壓力傳感器填埋在175 m處，該剖面本不受庫水位下降的影響，所受的孔隙水壓力基本上為0 kPa。剖面1土壓力隨庫水位的下降呈遞減趨勢，剖面1的變化是因為土壓力傳感器填埋在148 m處，水位下降傳感器上覆土的容重變小，使土壓力變小；剖面2土壓力基本不受庫水位變化的影響，其傳感器位于斷面177 m處，庫水的滲入對該斷面上覆土的影響很少。在該試驗中，滑坡未有明顯的滑動，剖面1和剖面2的位移變化并不明顯(見圖6)。

4.2 暴雨對滑坡的影響分析

從圖4和圖5中可以看出，水位從175 m降至145 m，剖面1的孔隙水壓力應該隨庫水位的下降呈線性減少，但在降雨期間孔隙水壓力隨降雨的發生而增大，其原因是雨水滲入滑坡中，孔隙水壓力傳感器上的覆土容重增大，致使孔隙水壓增加。當降雨結束后，孔隙水壓仍隨庫水位的下降而減少。剖面2中的孔隙水壓基本保持在0 kPa上，在降雨期間剖面2的孔隙水壓力也出現增大情況，但降雨一結束孔隙水壓力又下降，保持在0 kPa上。由于滑坡并未滑動，所以降雨對此次工況中滑坡的影響不明顯。

4.3 滑坡穩定性分析

在滑坡蓄水到175 m的過程中，水的軟化作用大大降低滑面的抗剪強度,水位的變化產生動、靜水壓力均使坡體的穩定性降低。水庫蓄水引起土體結構的重新調整,使得滑坡涉水部分土體的有效應力發生變化,抗剪強度降低。而在水庫水位從175 m降至145 m過程中,由于庫水和雨水滲流作用,使滑坡涉水部分土體內部形成較大的水頭差,該水頭差引起的滲透力將使該部分滑體有向下運動的趨勢,這就使得涉水區域已經破壞的松散的土體在動水壓力的作用下,土體中細顆粒從孔隙中被帶出,使得該部分土體繼續出現滲透變形和破壞，從而使整個滑坡變得更加不穩定。

滑坡前緣175 mm～145 mm水位浸潤段發生淺層滑動后，前緣阻滑段的阻滑作用減弱，可能誘發滑坡整體滑動，因此前緣175 mm～145 mm水位浸潤段的變形可以作為滑坡整體滑動的預警前兆；滑坡前緣淺層滑動和整體深層滑動都在監測斷面Ⅰ的位移曲線上有所表現，因此監測斷面Ⅰ應作為龍頭山滑坡監測的重點監測斷面。

5 結語

通過對龍頭山滑坡的試驗研究可以得出以下結果：

1)龍頭山降雨使地下水位抬高，使滑坡地下水力坡度增大。同時，大量降水沿滑體表面發育的裂隙的入滲排泄首先對滑體物質和滑帶土產生了軟化效應，直接降低了滑帶土的抗剪強度，甚至可完全失去力學性能；其次是地下水靜水壓力效應，增加了滑坡體的重量；再者就是地下水的動水壓力效應，增加了沿滲流方向的滑動力。滑體動、靜水壓力增加以及地下水飽和軟化滑帶土，使滑體易于變形失穩。2)三峽水庫蓄水至175 m后，滑體前緣將更多地浸泡于水中，且庫水位的漲落將對滑體穩定產生更為不利的影響。水庫正式運行后采用“冬蓄夏泄”的水位調度方式，水位調幅變化可達30 m。水庫水位抬升使得整個滑坡體地下水向坡體的滲透壓力升高，一定程度上有利于滑坡穩定，但水位下降時勢必會形成向臨空方向的動水壓力，牽引滑坡變形。

[1] 吳 劍，程圣國.三峽庫區龍頭山滑坡物理模型試驗研究報告[R].2012.

[2] 張振華，羅先啟，吳 劍,等.三峽庫區滑坡監測模型建模研究[J].人民長江,2006,37(4):93-94.

[3] 劉 波,羅先啟,張振華.三峽庫區千將坪滑坡模型試驗研究[J].三峽大學學報(自然科學版),2007,29(2):124-128.

Model test study on Longtoushan landslide of Wushan county

KE Wen-jun WU Jian WANG Neng-yong XU Meng-jiao

(CivilEngineeringandArchitectureCollege,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

Longtoushan landside is the major monitoring landside on the Three Gorges geological projects of preventing, monitoring and early warning. We can observe and summarize the variation of its pore water pressure, soil pressure and landside displacement in the landside instability process with landside physical model tests. And explore the influence of landside stability in the condition of the reservoir level changes and rainfall. It can provide the basis for landside monitoring and early warning.

landside， landside physical model test， stability， reservoir level， rainfall

1009-6825(2014)03-0079-03

2013-11-15

柯文俊(1987- )，男，在讀碩士； 吳 劍(1973- )，男，副教授； 王能勇(1986- )，男，在讀碩士； 徐夢蛟(1989- )，男，在讀碩士

TU457

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