庫岸滑坡穩定性物理模擬研究

段永祥，許模，肖先煊

（成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059）

庫岸滑坡穩定性物理模擬研究

段永祥，許模，肖先煊

（成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059）

庫水位升降與降雨是庫岸滑坡發生的主要誘因。以三峽庫區塘角村2號滑坡為例，在室內建立了滑坡地質力學模型。試驗結果表明：水庫水位升降對滑坡前緣涉水部分影響較大，對中部和后緣影響較小；降雨對滑坡前緣、中部、后緣影響相對顯著，主要表現在土壓力及孔隙水壓力與降雨過程呈現同步并略滯后于降雨的特征；降雨及庫水位變化聯合作用下，前緣變形破壞最大，前緣部分的變形破壞牽引中部發生變形。

庫岸型滑坡；物理模型試驗；穩定性；變形破壞

庫岸滑坡是水電工程的一個關鍵問題［1-3］。三峽工程蓄水后，水位每年將在145～175m間波動，在一定程度上打破了岸坡原有地質環境的平衡狀態，使原本復雜的地質環境條件變得更加復雜化。據不完全統計，庫區在175m庫水位影響的范圍內共有大小滑坡1190個，各類變形體更是廣泛分布［4］。因此，研究三峽庫區庫岸邊坡的穩定性是一個重大的工程問題［5］。

近年來，國內不少學者針對庫岸滑坡做了大量研究。劉新喜等［6］以紅石包滑坡為例，利用有限元模擬了滑坡的暫態滲流場，表明庫水位下降對滑坡穩定性的影響受控于滑坡土的入滲能力和滑坡結構形態。姜晨光［7］通過計算機建模，獲得了地下水位變化與庫岸滑坡體穩定性間關系的經驗型數學模型。殷躍平等［8］通過滑坡剛體極限平衡因素敏感性分析論證了降雨及水庫蓄水對滑坡的影響。李曉等［9］應用有限差分法對降雨及庫水位升降各種不同工況下滑坡中的地下水位進行了計算。唐輝明等［10］運用水巖耦合三維有限元數值方法模擬了趙樹嶺滑坡的穩定性，提出水庫蓄水及水位波動是影響滑坡穩定性的主要因素。剛體極限平衡法相對過于簡化，無法給出滑坡具體的變形特征；有限元及有限差分等數值模擬雖能模擬滑坡的應力-應變狀態，但模擬結果的可靠性要依賴于輸入參數和本構關系的準確性，使得有些重要的物理現象仍無法模擬。物理模型試驗可同時考慮多種因素及復雜的邊界條件，能夠觀測和記錄斜坡的變形破壞發展的各個歷程，直觀地模擬滑坡的變形及破壞機理。因而物理模擬研究方法被人們廣泛采用。

以三峽庫區塘角村2號滑坡為研究對象，基于相似理論，采用實驗室自主研制的“地質環境模擬實驗裝置”，開展了降雨及庫水位聯合作用下的物理模型試驗，分析降雨及庫水位升降下滑坡體內應力場、滲流場及位移場的變化規律，預測其可能的破壞機理及變形特征，為其穩定性評價和加固治理提供可靠的依據，以避免盲目治理，減少投資。

1 滑坡地質概況

1.1 滑坡空間形態及規模

塘角村2號滑坡位于重慶市萬州區，長江右岸岸坡。坐標：X=3411700，Y=36544400。所處地貌類型屬侵蝕堆積河谷低山丘陵地貌，滑坡邊界特征明顯，左右兩側均以季節性沖溝為界后緣以陡崖為界。滑體物質由第四系崩積、坡積成因的粉質黏土組成，含碎石，褐色，濕，可塑。滑坡體長1100m，寬約780m，厚7.8～30m，平均厚18.9m。滑帶土為厚度0.6～1.0m的粉質黏土，含砂巖碎礫15%～25%。滑床為侏羅系中統上沙溪廟組（J2s）砂巖、泥巖不等厚互層，巖層產狀170°∠5°。

1.2 滑坡水文地質條件

滑坡區地下水類型以松散層孔隙水為主，大氣降水補給，沿斜坡向下經短途徑流，向長江排泄或以濕地形式在前緣或低洼處排泄。地下水動態主要受大氣降雨的影響，變化較大。實測3個鉆孔地下水位埋深分別為：2.5m（后緣）、2.2m（中部）、3.7m（中前緣）。

2 模型設計

影響塘角村2號滑坡穩定性的因素有滑坡區的地質構造、地形地貌、地層巖性及水庫水位和降雨等。選取滑坡Ⅱ—Ⅱ′剖面進行模擬（圖1），剖面總長1100m，后緣高程320m，剪出口沒入長江，剪出高程為132m。

圖1 滑坡Ⅱ—Ⅱ′剖面圖

2.1 試驗平臺

本模型試驗在地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室自行研制的“地質環境模擬實驗裝置”上進行。該裝置地質體模擬箱長4m，高0.95m，凈寬0.8m，透明材料制作。兩側設有定水頭供排水系統，后置的定水頭供水系統可用于模擬滑坡后緣的靜水壓力對滑坡的作用，前置的定水頭排水系統可模擬水庫水位。地質體模擬箱正上方設計了降雨裝置，可提供50，125mm/d兩檔雨強的降雨模擬。地質體模擬箱的下方安裝有液壓控制升降系統，抬升高度0～1.3m，幅度0°～20°。

2.2 相似條件及物理力學參數

模擬剖面確定后，結合模擬實驗平臺的尺寸，取幾何相似比為300，設計滑坡模型長3.5m，寬0.76m，滑體均厚0.065m。根據相似理論得到各參數相似條件：式中Cγ為容重相似系數；Cφ為摩擦角相似系數；Cμ為泊松比相似系數；Cθ為容積含水率相似系數；Ct為時間相似系數；Cv為降速相似系數；Cq為降雨強度相似系數。

2.3 模型材料

模型由3個主體組成，分別是滑體、滑床、滑帶。采用厚5mm的土工膜與厚0.5mm塑料薄膜對滑帶進行模擬。土工膜和塑料薄膜之間形成的濕潤界面，其摩擦作用相似于滑動帶。對滑體相似材料進行物理力學參數試驗，最終確定：滑體前緣黏土∶砂∶碎石=4∶5∶1，滑體中部黏土∶砂∶碎石=4.5∶4.5∶1，滑體后緣黏土∶砂∶碎石=3∶3∶2。由于滑床基巖比較穩定，對滑坡穩定性影響較小，因此沒有對滑床的模型材料進行配比優選，以磚石砌體構筑。

表1 原型及模型的基本物理力學性質參數取值

圖2 模型剖面設計圖

2.4 模型制作

按配合比配制模型材料后，在物理模擬試驗平臺上進行模型的制作。由于室內試驗本身的局限性，剛性試驗槽墻體會對滑坡體產生側限，在試驗槽兩側鋪設塑料薄膜以減小側限。按照圖2剖面設計圖，依次砌筑滑床，鋪設滑帶和滑體，使其與原型一致。

2.5 監測點布置

為監測塘角村2號滑坡在降雨及庫水位變動條件下坡體內部的滲流場、壓力場及位移場的變化規律。在滑坡后緣、中部、前緣共布置3個觀測剖面，每個剖面安裝一個土壓計、位移計、孔壓計。滑坡模型制作過程中，在滑坡不同位置安裝了數據量測系統。

3 不同工況下模擬試驗及其成果

3.1 實驗步驟

實驗設計完成后，接通電源和水源，通過液壓升降系統將地質體模擬箱抬升5°，使模型地面坡度與野外滑坡原型一致。后槽控制一定水頭高度，用于模擬裂隙水頭，前槽通過穩定溢流箱控制水庫水位高程。根據滑坡所處的地質環境條件和庫水位調度情況，模擬觀測了兩種不同工況下滑坡體內部土壓力、孔隙水壓力及位移的變化規律。

3.2 實驗成果分析

3.2.1 工況1

（1）保持初始庫水位155m約10h，通過控制系統將后槽的水位穩定在290m，此水位低于滑坡模型后緣滑面，可滲透進入磚砂模擬層，模擬基巖裂隙水。用流量控制裝置控制進入水庫中的流量，控制蓄水速率為1m/d。一直蓄水至175m，并保持175m水位32.2h，再以0.6m/d的水位降速一直降至145m，并保持145m水位12h，整個過程歷時150h。

（2）隨著庫水位由155m升至175m，前緣土壓力逐漸增大，水位穩定于175m后，土壓力也相對穩定，隨著庫水位的降低，土壓力緩慢減小。中部和后緣離水庫較遠，受水庫水位升降影響較小，土壓力變化不明顯，如圖3（a）。導致前緣土壓力隨庫水位上升逐漸增大的原因是由于前緣離水庫較近，庫水位上升浸潤前緣滑體，滑坡體前緣土壓力測點附近土體由非飽和逐漸變為飽和，土壓力傳感器上覆土體容重增大，土壓力隨之增大。庫水位保持在175m后，土壓力大小保持不變，隨著水位降低，土體中自由水滲流排出，容重減小，土壓力降低。由于庫水滲入滑坡體前緣，致使孔隙水壓力傳感器上覆水體自由面升高，引起孔隙水壓力增大。隨著庫水位的降低，土體中自由水滲流排入水庫，孔隙水壓力降低。中部、后緣離庫水面較遠，孔隙水壓力變化較小，如圖3（b）。工況1下，庫水位升降過程中，滑坡模型整體處于穩定狀態，整體未發生明顯的變形破壞，如圖3（c）。

圖3 各參數隨時間變化關系

3.2.2工況2

（1）汛期在暴雨和庫水位下降聯合作用下，滑坡變形破壞特征。模擬工況2時，后緣水位高程由290m升至300m。用流量控制裝置控制進入水庫中的流量，水位升至175m穩定32.2h后，水庫水位以0.6m/d持續降至145m。水位降至173m（第82h）時，啟動降雨裝置，歷時4.5h，雨強50mm/d，間隔19h水位降至162m后，再次啟動降雨裝置，以125mm/d的強度降雨，降雨歷時2.25h。水位降至145m后保持12h，整個過程歷時150h。

（2）土壓力和孔隙水壓力變化曲線如圖4（a）、（b）所示，兩者變化趨勢基本相一致。蓄水過程中，三部位土壓力及孔隙水壓力與工況1相近。水位下降過程中，遭受降雨后，前緣、中部、后緣土壓力及孔隙水壓力與降雨過程呈現同步并略滯后于降雨的特征。各部位土壓力增大并滯后于降雨的原因是降雨入滲后，坡體由非飽和變為飽和，土壓力傳感器上覆土體容重增大，土壓力隨之增大，但降雨入滲需要一定時間，因此變化略滯后于降雨。降雨結束后，自由水體沿滲流通道排出，容重減小，土壓力緩慢降低。各部位孔隙水壓力增大并滯后于降雨的原因是降雨入滲后，孔隙水壓力傳感器上覆水體自由面升高，孔隙水壓力增大，因降雨入滲需要一定時間，增長變化略滯后于降雨。降雨結束后，坡體中自由水體沿滲流通道排出，水體自由面降低，孔隙水壓力也隨之降低。

圖4 各參數隨時間變化關系

（3）暴雨和庫水位下降聯合作用下，地表位移變化曲線如圖4（c）。水位下降并伴隨雨強為50mm/d的降雨，滯后降雨后前緣開始出現變形破壞，最大變形量為2.1mm。隨著遭受雨強為125mm/d的二次降雨，前緣滯后降雨后再次滑動，變形破壞加劇，最大變形量為6.8mm。庫水位下降及雨強為50mm/d的聯合作用對中部和后緣影響較小，隨著雨強為125mm/d的降雨及前緣的進一步變形破壞，中部滯后于降雨也出現變形破壞，最大變形量達2.9mm，后緣相對穩定。前緣開始變形破壞的原因是受降雨的影響，雨水滲入坡體，孔隙水壓力增大，土體抗剪強度減弱，且伴隨著庫水位的下降，前緣形成較大的水力坡度，動水壓力增大，坡體前緣穩定性急劇減弱，產生變形破壞。隨著125mm/d的降雨，前緣穩定性進一步減弱，變形破壞加劇。在庫水位下降的過程中，由于降雨的影響及前緣滑移，坡體中部也出現一定變形。

4 結語

（1）采用實驗室自主研制的“地質環境模擬實驗裝置”，在室內建立了地質力學模型，通過室內巖土力學試驗，提供了符合塘角村2號滑坡的試驗模型相似材料。在滑帶土選取方面，采用土工薄膜及塑料薄膜直接接觸模擬滑帶土，模擬效果較好。在試驗槽兩側鋪設塑料薄膜以消除試驗槽墻體對滑坡體產生的側限。

（2）遭受降雨后，前緣、中部、后緣土壓力及孔隙水壓力與降雨過程呈現同步并略滯后于降雨的特征。各部位土壓力及孔隙水壓力增大并滯后于降雨的原因是降雨入滲后坡體由非飽和變為飽和，土壓力傳感器上覆土體容重增大的同時，孔隙水壓力傳感器上覆水體自由面升高，土壓力及孔隙水壓力隨之增大，但降雨入滲需要一定時間，因此兩者的變化略滯后于降雨。降雨結束后，自由水體沿滲流通道排出，容重及自由面降低，兩者呈現緩慢減小的趨勢。

（3）通過物理模型試驗可知，水庫水位升降對該滑坡前緣涉水部分影響較大，中部和后緣影響較小，但滑坡整體處于穩定狀態。極端情況當庫水位下降聯合降雨時，滑坡穩定性較差，且前緣變形破壞最大，在第二次降雨情況下，前緣變形破壞進一步加大，前緣部分的變形破壞牽引中部發生變形。

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［4］水利部長江水利委員會綜合勘測局.長江三峽工程庫區庫岸穩態及崩、滑體專論［R］.1996.

［5］廖紅建，盛謙，高石夯，等.庫水位下降對滑坡體穩定性的影響［J］.巖石力學與工程學報，2005，24（19）：3454-3458.

［6］劉新喜，夏元友，張顯書，等.庫水位下降對滑坡穩定性的影響［J］.巖石力學與工程學報，2005，24（8）：1439-1444.

［7］姜晨光，李少紅，賀勇，等.地下水位變化與庫岸滑坡體穩定性關系的研究［J］.巖土力學，2008.28（S0）:403-406.

［8］殷躍平，彭軒明.三峽庫區千將坪滑坡失穩探討［J］.水文地質工程地質，2007，34（3）：51-54.

［9］李曉，張年學，廖秋林，等.庫水位漲落與降雨聯合作用下滑坡地下水動力場分析［J］.巖石力學與工程學報，2004，23（21）:3714-3720.

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Physicalmodel studies on stability of bank landslide

DUAN Yong-xiang，XUMo，XIAO Xian-xuan
（State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Reservoir water level fluctuation and rainfall are themajor reason that induces the reservoir bank landslide occurrence，physicalmodel can simulate the whole process of deformation and failure of landslide.Taked No.2 of Tangjiaocun landslide in Three Gorges Reservoir Region for an example，developed geomechanicsmodeling for the landslide，and carryed out landslide physicalmodel test with two engineering conditions.Experimental results show that reservoir water level fluctuation will obviously influence leading edge，it is less significant effect for central and trailing edge.Three parts significantly affected by rainfall，themain properties of three parts are soil press and pore water pressure present synchronization and slightly lagged behind the rainfall.Under the combined effects of the reservoirwater and rainfall，leading edge occurred severely deformation，the deformation of central is dragged by leading edge.

reservoir bank landslide；physicalmodel test；stability；deformation and destruction

P64

B

1672-9900（2015）01-0005-05

2014-11-27

段永祥（1990-），男（漢族），內蒙古巴彥淖爾人，碩士，主要從事水文地質及工程地質研究，（Tel）18328502334。