庫水位升降作用下土質岸坡變形特征實驗研究

梁學戰，趙先濤，向 杰，陳 鑫，唐紅梅

（1.湖北文理學院 建筑工程學院，湖北 襄陽 441053；2.重慶交通大學 巖土工程研究所，重慶 400074）

三峽水庫蓄水以來，庫區失穩岸坡在數量和方量都有增多的趨勢，如不能對岸坡的變形做出準確的判斷并采取相應的防治措施，將會造不可估量的損失。庫區岸坡在庫水位周期性升降作用下，要經歷一個較長的變形發展演化過程，且變形在時間和空間變化有一定的規律［1］。目前，對邊坡變形的研究，很多學者在現場監測數據分析和模型試驗方面做了大量的工作［2－17］，胡顯明等［3］通過三峽庫區一復活型庫岸邊坡監測數據的理論分析，表明其運動軌跡具有分形特征；Greif等［5］把ERS和ENVISAT傳感器獲取的合成雷達數據用于斯洛伐克中部山體滑坡變形的量測，此過程精確識別滑坡滑動后坡體位移量和邊界。陳洪凱等［12］以重慶庫區江津艾坪山滑坡為原型，采取幾何相似、物理近似相似的半定量試驗模型，分析了松散土體滑坡吸水、蠕變過程、強度衰減及滑移啟動的宏觀趨勢。羅先啟等［16］針對自動網格法用于大型滑坡模型試驗位移測量時所存在的問題提出了解決措施，并以三峽庫區石榴樹包滑坡模型試驗為例，分析了庫岸邊坡在不同水位運行工況下的位移規律。李邵軍等［18］通過離心模型試驗，模擬了庫岸邊坡在水位升降作用下的失穩過程，得到了庫岸邊坡的破壞模式和裂縫的變形演化過程。現有對岸坡變形的研究大多是對觀測點位移量變化的理論和試驗分析，但在坡體不同部位，不同變形階段會產生拉應力、壓應力、剪應力等局部應力集中，并在相應部位產生與其力學性質對應的裂縫。同時，這些裂縫還會在時間和空間上表現出不同的分布變形特性，而岸坡變形中坡面裂縫隨時間和空間的變化無法精確量測，研究較少。

本文通過模型試驗的方法，對試驗模型坡面新生裂縫進行現場量測，分析庫區土質岸坡在庫水位周期性升降作用下坡體裂縫的時間、空間演化分期配套規律，為三峽庫區土質岸坡的分期分區治理提供依據。

1 模型試驗

1.1 試驗目的

建立三維地質試驗模型，通過觀測土質岸坡在水位升降過程中新生拉張裂縫隨時間變化出現的頻率與規模大小，以及在庫水位升降作用下坡面新生裂縫縱向和橫向的空間發展過程，揭示土質岸坡在庫水位周期性升降作用下表面拉張裂縫的時間、空間演化分期配套規律。

1.2 模型相似比

試驗模型根據相似原理，結合土質岸坡的工程地質條件和地質作用因素，模型采用的主要參數相似條件有模型幾何尺寸相似、物理力學性質相似、滲透性相似以及蓄水時間相似。

1）根據岸坡原型尺寸和實驗條件取幾何相似系數λl＝25。

2）物理力學性質相似系數：為得到與岸坡原型較一致的結果，在進行2次小型模型試驗的基礎上，坡體容重相似系數、坡體內摩擦角和粘聚力相似系數分別為λγ＝1、λφ＝1和λc＝1；為縮短試驗時間，滲透系數相似系數λk＝0.1。

3）蓄水時間相似，根據幾何相似和滲透系數相似：

式中，λvs為滲透流速相似系數；λg為水力梯度相似系數；λh為水頭相似系數；λt為時間相似系數。

1.3 模型設計

以庫區某土質岸坡為原型，根據其原始尺寸，模型槽尺寸確定為4.39m（長）×2.86m（寬）×2.22m（高）。設計模型幾何相似比為λl＝1：25，則模型尺寸為3.03m（長）×2.86m（寬）×2.22m（后緣高）。基巖平均坡角為31°，為增大土與基巖間的摩擦作用，采用塊石堆砌，粗骨料砂漿抹面，防滲漏水。模型坡體鋪筑土層平均厚41cm，其中坡體前緣厚度45cm，后緣厚度20cm，坡體平均坡角為49°，（見圖1）。在土層鋪筑過程中，分層壓密，在不同壓力下經過反復配比重塑，在滿足容重、滲透系數、抗剪強度等主要參數相似要求情況下，現場取土進行土工實驗，得到物理力學參數（表1）。

表1 坡體材料物理力學參數

試驗以三峽水庫實際蓄水狀況，水位從145m蓄水至175m，按模型的幾何相似比以及坡體材料的物理力學參數，模型正常水位變幅為30／λl＝30／25＝1.2m＝120cm，基本對應實際145～175m庫水位變化（圖1）。在模型槽前部左右兩側對應位置用彩色繪圖筆標注試驗水位及相應的水庫實際水位。

圖1 土質岸坡實驗模型（圖中幾何尺寸單位：cm）

1.4 觀測方法

為探討三峽水庫正常水位變幅前蓄水對岸坡變形的影響，實驗從岸坡坡腳實驗水位0開始蓄水。

蓄水前，在模型上部順岸坡縱向搭設水平扶梯，用一卷尺與扶梯處于同一水平位置，在卷尺上每隔5cm用鉛垂量測岸坡縱向中部縱斷面坡面點的垂直高度，用于繪制蓄水前岸坡中部的縱剖面圖。

試驗中，用卷尺、直尺和鉛錘現場組合量測水位升降過程中不同階段新生裂縫的寬度、長度、深度以及裂縫出現的位置，用秒表記錄新生裂縫出現的時間，并對新生裂縫出現時模型槽前部標注的試驗水位和實際水位進行讀數。同時，在新生裂縫產生及坡體局部坍塌時用數碼相機進行實時拍照，并用數碼攝像機進行全程拍攝，以供在室內分析時校核現場的量測結果。

降水到試驗水位50cm時，再量測岸坡縱向中部縱斷面坡面點的垂直高度，用于繪制一個水位變幅后岸坡的縱剖面圖。

1.5 觀測時間

根據三峽水庫的蓄水降水周期為1a和時間相似系數λt＝250，本模型的一個蓄水、降水變化周期確定為29.5h，從2012年7月30日早上6：30至2012年7月31日中午12：00。試驗過程劃分為0～50cm 前期蓄水、50～120cm 正常蓄水、120～170cm正常蓄水和175～50cm降水4個階段。

為反映三峽水庫的實際蓄水、降水過程中岸坡變形特征以及在蓄水、降水過程中不同時長的暫停蓄水和放水對裂縫產生、擴展變化產生的影響，在試驗蓄水、降水過程中，多次暫停蓄水和暫停降水；其中，蓄水過程中，在試驗水位50、120、148、170cm 分別暫停蓄水，暫停時長分別為2.5、1.5、2、8.5h；降水過程中，因變形以整體蠕滑為主，在試驗水位120cm暫停放水，暫停時長為1h。模型試驗時間過程如表2。

表2 模型試驗時間過程

2 模型岸坡表面拉張裂縫的時空變化特性

2.1 水位升降作用下模型岸坡表面新生裂縫時空分布

為分析岸坡表面新生拉張裂縫的時空變化特性，把水位升降過程中不同時間點出現的新生裂縫在實驗模型平面圖中進行標注，主要標注水位上升過程中新生裂縫出現的時間順序和裂縫長度，如圖2所示。

圖2 水位上升過程中新生裂縫平面簡圖

2.2 岸坡表面拉張裂縫時間分布特征

以時間為橫坐標，蓄水、降水過程中坡體新生裂縫長度與水位變化為縱坐標，根據不同時間的水位變化與裂縫規模（裂縫長度、寬度、深度）的關系（表3～6，圖2～6），分析水位升降過程中不同階段新生裂縫隨時間出現的頻率與規模大小的變化規律。

1）前期蓄水（0～50cm）坡面裂縫隨蓄水時間變化特征

為說明岸坡低水位時受蓄水浸泡影響的程度，實驗從實驗水位0cm起開始蓄水。從圖3及表3看出，7月30日6：00－10：30在0～50cm的蓄水階段及50cm暫停蓄水階段均有裂縫產生，且裂縫的時間分配在兩個階段都比較均勻，裂縫的規模（長度、寬度及深度）隨庫水位升高逐漸變大，暫停蓄水后規模逐漸減小。

圖3 7月30日0～50cm水位上升階段裂縫變化規律

圖4 7月30日50～120cm水位上升階段裂縫變化規律

表3 模型實驗7月30日0～50cm蓄水階段坡面裂縫發展演化記錄

2）50～120cm正常蓄水坡面裂縫隨蓄水時間變化特征

7月30日10：30從實驗水位50cm再次蓄水，開始模擬三峽水庫實際庫水位145～175m正常運營時對岸坡的影響。由圖4和表4看出，實驗水位50cm再次蓄水后，隨著水位升高，岸坡新生裂縫出現的頻率變快，裂縫規模（長度、深度、寬度）較前期蓄水變大，擴展變形及裂縫前緣坍塌速度加快。蓄水至120cm暫停蓄水后，岸坡無新裂縫產生，只是蓄水階段產生的新裂縫貫通，且貫通裂縫無明顯位移。

表4 模型試驗7月30日50～120cm蓄水階段坡面裂縫發展演化記錄

續表4

3）120～170cm正常蓄水坡面裂縫隨蓄水時間變化特征

7月30日16：30從試驗水位120cm再次蓄水后，由圖5和表5看出，岸坡新生裂縫出現頻率開始降低，裂縫規模逐漸減小，裂縫的擴展變形速率變慢，7月30日16：30－20：40在148cm暫停蓄水、7月30日23：00－7月31日7：30在170cm水位到達最高水位停止蓄水時，基本無新裂縫出現。說明在水位上升到試驗水位120cm以后，坡體的變形逐漸減小，暫停蓄水后，變形基本消失。

表5 模型試驗7月30－31日120～170cm蓄水階段坡面裂縫發展演化記錄

圖5 7月30－31日120～170cm水位上升階段裂縫變化規律

圖6 7月31日170～50cm水位下降階段裂縫變化規律

續表 5

4）170～50cm降水階段坡面裂縫隨蓄水時間變化特征

7月31日7：30開始降水，在試驗水位170～50cm下降階段，由圖6和表6，岸坡新生裂縫以后緣裂縫為主，初期降水（170～120cm）土質岸坡裂縫的出現頻率較低，后期降水（120～50cm）裂縫出現頻率增大。降水過程中模型兩側坡體與墻面有明顯整體摩擦痕跡（圖7），說明土質岸坡在庫水位下降過程中，坡體沿著滑面以整體蠕滑為主，且初期降水蠕滑速度較慢，后期降水整體蠕滑速度較快。

表6 模型試驗7月31日170～50cm降水階段坡面裂縫發展演化記錄

圖7 試驗水位下降至50cm岸坡模型

2.3 岸坡坡體表面裂縫的空間分布特征

1）裂縫橫向分布變化特征

圖8 局部橫向裂縫

試驗中，隨著水位從土質岸坡坡腳開始蓄水上升，岸坡土體受到庫水浸泡，部分水體入滲到坡體內，遇水坡體軟化，造成土質岸坡坡腳處局部應力集中，局部應力集中區首先發生局部變形，局部新生橫向裂縫孕育產生（圖8），在水位不斷升高過程中，位于同一水平帶局部新生橫向裂縫繼續產生。隨著局部橫向裂縫的擴展變化，形成與局部橫向裂縫同一水平帶內的較長的新生弧形裂縫（圖9）。隨著水位繼續升高，在靠近水位線附近，以先形成局部橫向裂縫、后形成同一水平帶內的弧形裂縫的變形方式重復出現（弧形裂縫或者是先形成的局部橫向裂縫擴展貫通形成，或者是同一水平帶內局部橫向裂縫錯落形成）。

圖9 弧形裂縫

2）裂縫縱向分布變化特征

蓄水階段，模型設計時，坡體前緣設計坡度較陡，臨空面條件較好。水位從坡腳試驗水位0cm附近開始蓄水上升，在坡體前緣水位線附近坡體浸水軟化，拉應力集中，并產生向臨空方向的拉裂錯落變形，出現橫向拉張裂縫（圖8）。隨著水位不斷升高，前緣橫向裂縫變長、加寬、加深，逐漸形成控制性弧形拉張裂縫，水位繼續升高，控制性弧形裂縫前緣局部發生坍塌（圖10），坍塌部分向水下滑移，其后緣土體形成新的臨空條件，形成第二次土體變形→橫向裂縫→控制性弧形裂縫→坍塌變形過程，此后隨著水位的上升，在岸坡水位線附近坡體變形發展依此過程繼續進行。但從水位上升到試驗水位接近120cm開始，在坡體后緣出現拉張裂縫（圖11），此時，坡體前緣水位線附近產生變形、坍塌運動形式減弱。在水位到達148cm以后，水位線附近坡前裂縫基本停止發育，后緣裂縫張開位移加大，同一水平帶的后緣橫向裂縫逐漸貫通（圖12），此時岸坡以整體向下蠕滑為主。

圖10 弧形裂縫前緣土體坍塌

圖11 后緣裂縫

圖12 試驗水位上升至170cm岸坡模型

放水階段，后緣裂縫繼續發展。隨著水位的逐漸下降，坡體后緣裂縫擴展，產生分支裂縫，坡體邊緣形成羽狀裂縫，并有新裂縫產生，但裂縫發展緩慢。在后緣拉張變形發展的同時，下座變形也同步進行，當變形達到一定程度后，在水位下降到96cm時在滑坡體后緣形成弧形拉張裂縫和20cm寬的下錯臺坎。在水位下降過程中，岸坡兩側與試驗邊槽墻體出現明顯的滑動擦痕，在水位降到50cm時，從岸坡坡面可以看到岸坡形成的多級下錯臺階（圖1、圖7）。

3 庫水位升降作用下坡面裂縫時空演化分期配套規律

3.1 庫水位上升階段坡面裂縫的時空分期配套規律

蓄水過程中，試驗水位上升到120cm以前，空間分布岸坡前緣水位線附近控制性弧形裂縫出現，時間分布產生較大頻率的橫向裂縫及弧形裂縫，往往預示著岸坡水位線附近局部變形速率較快，控制性弧形裂縫前緣土體滑動坍塌頻率較大。在水位120～148cm時，空間分布表現出岸坡前后緣均有裂縫出現，時間分布前緣新生裂縫出現的頻率逐漸減小，水位線附近發生變形坍塌的時間間隔變長，后緣裂縫出現的頻率逐漸增大。水位148～170cm時，空間分布岸坡前緣水位線附近新生裂縫發育基本消失，后緣裂縫繼續發育擴展；時間分布后緣裂縫貫通規模擴大且有新裂縫產生，此時岸坡變形以沿滑動面整體緩慢蠕滑為主。在整個水位上升階段暫停蓄水時岸坡裂縫的時空變形均較小，不易發生局部坍塌。

3.2 庫水位下降階段坡面裂縫的時空分期配套規律

試驗水位170～50cm下降過程中，初期降水，空間分布新生拉張裂縫主要出現在岸坡坡體后緣，時間分布后緣拉張裂縫出現頻率較低，發展緩慢；后期降水，空間分布拉張裂縫貫通規模擴大，產生下座變形，中后部出現下錯臺坎，時間分布后緣新生裂縫出現頻率增大；暫停降水時后緣新生裂縫產生頻率較低，裂縫擴展變形量較小。水位下降階段岸坡沿滑動面發生整體緩慢蠕滑。

4 結論

1）在水位上升過程中，土質岸坡新生裂縫橫向分布變化以先形成局部橫向裂縫、后形成同一水平帶內的控制性弧形裂縫的變形方式在水位線附近重復出現，新生裂縫縱向分布變化以土體變形→橫向裂縫→控制性弧形裂縫→坍塌的變形過程隨著水位上升在水位線附近重復出現。水位下降階段，岸坡的空間變形表現為后緣出現拉張裂縫以及沿滑動面發生整體緩慢蠕滑。

2）在前期蓄水（0～50cm）及正常蓄水階段的蓄水初期（50～120cm），裂縫主要出現在岸坡前緣水位線附近，且出現頻率、規模逐漸增大，岸坡以前部坍塌為主；正常蓄水階段的蓄水中期（120～148cm）岸坡前后緣均有裂縫出現，但前緣裂縫頻率、規模逐漸減小，后緣裂縫頻率規模逐漸增大；正常蓄水階段的蓄水后期（148～170cm）前緣裂縫發育基本消失，后緣裂縫繼續發育，岸坡變形以沿滑動面整體蠕滑為主；水位上升過程中暫停蓄水時裂縫發展緩慢。降水階段拉張裂縫主要出現在岸坡坡體后緣，初期降水（170～120cm）裂縫出現頻率較低，發展緩慢；后期降水（120～50cm）裂縫出現頻率規模變大，產生下座變形及下錯臺坎；水位下降階段岸坡沿滑動面發生整體緩慢蠕滑。

3）在庫水位升降過程中，岸坡不同時段和不同空間部位的新生裂縫體系不同，判別岸坡局部失穩或整體滑動，應根據新生裂縫的空間和時間變化特性，以及庫水位周期性變化階段綜合分析確定，并以此采取相應的岸坡分期分區治理措施。

4）進一步的研究將以試驗成果為基礎，對坡體的變形進行相應的數值分析和驗證；一次性的模型試驗結果與試驗模擬的岸坡原型變形特征基本一致，也可以為其他工程岸坡提供借鑒，要將模型試驗的結果推廣應用到其他工程岸坡，應進行多組不同參數不同相似系數岸坡變形的模型試驗，找出其對應規律。

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