考慮消落帶土體強度弱化的庫區(qū)涉水邊坡穩(wěn)定性研究

張 力，瞿 竹，姬同旭

(1.貴州三獨高速公路建設有限公司，貴州 獨山 558200；2. 貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司，貴陽 520115)

三峽大壩建成后，由于水位的抬升，改變了坡體的地質(zhì)水環(huán)境，引起大量涉水古滑坡的復活，造成了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，如2003年7月13日發(fā)生的千將坪滑坡[1]造成了14人死亡，10人失蹤，近1 200人無家可歸的嚴重后果，滑坡已成為三峽庫區(qū)重大的地質(zhì)災害之一。研究表明滑坡變形與庫水位周期性升降存在相關性[2]，庫水位的周期性升降不僅造成滑坡體孔隙水壓力的變化，更重要的是，庫水位的周期性升降使消落帶巖土體長期處于飽和-干燥-飽和的干濕循環(huán)過程，引起消落帶巖土體強度的弱化，對滑坡體穩(wěn)定性不利。

部分研究學者在三峽庫區(qū)滑坡的影響因素、變形特征、預測預報等方面進行了研究，包括庫水位升降[3-5]、降雨[6-10]等影響因素，“階躍型[11]”、“蠕滑型”等變形特征以及基于R/S分析[12]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡[13]等方法的預測預報模型。也有部分學者針對干濕循環(huán)作用問題，開展了針對性的研究工作，劉新榮[14]、姜永東[15]、Maximiliano R. Vergara[16]、Mario Camilo Torres-Suarez[17]等對砂巖、頁巖、火山巖、泥巖的物理力學特性進行了研究，認為周期性的干濕循環(huán)作用會造成巖體的持續(xù)性損傷，強度降低。上述研究對象主要為巖石，而針對土質(zhì)涉水邊坡，也有部分學者開展了干濕循環(huán)作用下土體力學特性研究，如江強強[18]等、董金玉[19]等研究了干濕循環(huán)作用下滑帶土的強度特性，但針對干濕循環(huán)作用下消落帶土體強度特性及其對坡體穩(wěn)定性的研究相對較少，鮮有研究將土質(zhì)邊坡的室內(nèi)試驗結(jié)果應用到邊坡的穩(wěn)定性計算中。因此，本文以消落帶土體為研究對象，以干濕循環(huán)作用過程模擬巖土體經(jīng)歷的庫水位周期性升降過程，并對完成干濕循環(huán)作用后的試樣進行直剪試驗，基于干濕循環(huán)作用下消落帶土體強度弱化特性，開展消落帶土體強度弱化對滑坡穩(wěn)定性的影響研究。

1 滑坡概況

圖1為三峽水庫庫水位隨時間的變化圖，由于三峽庫區(qū)庫水位在145～175 m間反復波動，形成高差達30 m的消落帶，如圖2所示。庫水位的周期性波動，將使消落帶巖土體長期處于干濕循環(huán)的交替狀態(tài)，長此以往，巖土體的強度將逐漸弱化，對庫岸邊坡的穩(wěn)定性不利，為量化庫水位周期性波動對土質(zhì)滑坡體穩(wěn)定性的影響，選取一典型土質(zhì)滑坡體為研究對象為例進行研究。

圖1 庫水位波動圖

圖2 消落帶示意圖

滑坡體為長江支流歸州河右岸的一典型土質(zhì)順向邊坡，后緣以基巖露頭為界，滑坡體兩側(cè)以沖溝為界，具明顯圈椅狀，平面形態(tài)呈舌型，滑體平均厚度約為40 m，體積為560 萬m3，基巖地層為侏羅系上統(tǒng)遂寧組砂巖、泥巖互層，基巖產(chǎn)狀45°<40°，裂隙不發(fā)育。滑體主要由含碎石角礫的粉質(zhì)黏土組成，坡平均坡度約19°，臨江段較陡，后部較平緩，典型剖面如圖3所示，消落帶土體如圖4所示。

圖3 典型剖面圖

圖4 消落帶土體

按照《土工試驗規(guī)程》(SL237-1999)對土體的基本物理力學參數(shù)進行測定，其天然密度為1.92 g/cm3，天然含水率為16.5%，級配曲線如圖5所示。

圖5 級配曲線

2 干濕循環(huán)作用下土體強度特性

2.1 試驗過程

庫水位上升時，消落帶土體含水量增大，庫水位下降時，消落帶土體含水量減少，考慮消落帶巖土體的賦存環(huán)境，以飽和和干燥極端情況在室內(nèi)以干濕循環(huán)作用模擬自然的飽和-干燥-飽和作用過程，以消落帶重塑土體為研究對象，進行干濕循環(huán)作用。首先將土樣風干后，使用橡皮錘把土樣碾碎并過2 mm篩，過篩后采用四分法對角取樣，得到足夠數(shù)量的代表性土樣；然后按照《土工試驗規(guī)程》(SL237-1999)進行直剪試驗用樣品的制備。通過抽真空飽和法對試樣進行飽和處理并浸泡24 h，然后采用恒溫鼓風干燥箱(溫度設定為105 ℃)對試樣進行干燥處理至恒重，循環(huán)往復，完成不同干濕循環(huán)作用次數(shù)(0、1、2、4、8次)飽和樣品的制備工作，然后采用應變控制式四聯(lián)直剪儀(圖6)完成不同干濕循環(huán)作用次數(shù)下消落帶土體的直剪試驗，法向應力設置為50、100、200、400 kPa。試驗過程嚴格按照《土工試驗規(guī)程》(SL237-1999)的要求進行，按照試驗規(guī)程進行數(shù)據(jù)的處理和分析，必要時需進行試驗的補充工作。

圖6 直剪儀

2.2 試驗結(jié)果分析

按照試驗方案完成直剪試驗之后，獲得了不同干濕循環(huán)作用次數(shù)條件下，不同軸向壓力消落帶土體的應力～應變曲線，以軸向壓力400 kPa為例進行說明，如圖7所示。

圖7 土體剪應力～剪切位移曲線(400 kPa)

從圖7可以看出，不同干濕循環(huán)作用次數(shù)下，消落帶土體的剪應力～剪切位移變化趨勢無明顯差異，初始時增加速度較快，然后增加速度放緩，最后趨于穩(wěn)定。初始增加速率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多而減小，抗剪強度隨干濕循環(huán)作用次數(shù)的增多逐漸降低，表明干濕循環(huán)作用下消落帶土體的強度逐漸弱化。

圖8為土體黏聚力和摩擦角隨干濕循環(huán)作用次數(shù)n的演化規(guī)律。從圖8可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，黏聚力c和摩擦角φ均呈不同程度降低的趨勢，且其降低趨勢具非線性特征，干濕循環(huán)次數(shù)較少時，土體的黏聚力c和摩擦角φ的降低速度較快，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，黏聚力c和摩擦角φ的降低速度逐漸降低，最后均趨于平穩(wěn)，因此，不同干濕循環(huán)作用次數(shù)下，黏聚力c和摩擦角φ可分別表示為干濕循環(huán)作用次數(shù)n的指數(shù)函數(shù)，擬合度分別為0.995 4和0.992 8。還可以看出，黏聚力c的降低速度明顯大于摩擦角φ的降低速度。

圖8 黏聚力、摩擦角隨干濕循環(huán)作用次數(shù)關系

以干濕循環(huán)0次，即初始土樣的黏聚力c和摩擦角φ為標準，通過黏聚力c和摩擦角φ的降低幅度與標準值的比值分別計算不同干濕循環(huán)次數(shù)后土體的弱化程度，圖9為土體的黏聚力c和摩擦角φ的弱化程度隨干濕循環(huán)作用次數(shù)n的關系，從圖9可以看出，隨著干濕循環(huán)作用次數(shù)的增加，土體的黏聚力c和摩擦角φ的弱化程度逐漸增大，表現(xiàn)為前期損傷速率最快，隨后損傷速率逐漸降低，最后趨于平緩。總體來講，黏聚力c的弱化程度明顯大于摩擦角φ的弱化程度。

圖9 黏聚力、摩擦角弱化程度

這主要因為干濕循環(huán)作用過程是土體中水分的滲入和滲出的過程，水分的滲入和滲出一方面造成土樣中細小顆粒的流失，使土樣的密實性降低，造成微細裂紋的伸展和擴張；另一方面，水分的滲入和滲出也降低了顆粒與顆粒間的黏結(jié)，顆粒間的團聚性遭到破壞，部分團粒開始分離，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，顆粒間的團聚性遭到破壞，部分團粒開始分離，甚至逐漸脫落，散亂地堆落在其他顆粒周圍及孔隙中，表現(xiàn)為土體內(nèi)孔隙數(shù)量增多，孔隙空間增大，結(jié)構(gòu)更趨于疏松。二者的共同作用是干濕循環(huán)作用導致土體黏聚力c和摩擦角φ弱化的根本原因。

干濕循環(huán)作用下，土體黏聚力c和摩擦角φ存在弱化現(xiàn)象，而黏聚力c和摩擦角φ對坡體的穩(wěn)定性起著至關重要的作用，因此，黏聚力c和摩擦角φ的弱化對坡體穩(wěn)定性非常不利。

3 基于強度弱化的邊坡穩(wěn)定性分析

三峽水庫庫水位長期處于145～175 m的周期性蓄降水，因此，可將邊坡巖土體劃分為3個區(qū)域：①天然條件影響區(qū)域：受降雨等天然條件影響的175 m以上巖土體；②干濕循環(huán)作用區(qū)域：長期處于周期性干燥-飽和的145～175 m干濕循環(huán)作用區(qū)域巖土體；③浸泡飽和區(qū)域：長期處于浸泡狀態(tài)的145 m以下區(qū)域巖土體；計算模型如圖10所示。

圖10 計算模型

針對邊坡145～175 m區(qū)域內(nèi)的巖土體長期處于周期性干濕循環(huán)作用狀態(tài)的實際情況，采用Geo-slope程序?qū)Σ煌蓾裱h(huán)作用次數(shù)下邊坡的穩(wěn)定性進行研究，計算方法選用Morgenstern-Price法，滑面為巖-土界面的指定滑面，計算庫水位為175 m。巖土體的計算參數(shù)設定如下：①天然條件影響區(qū)域土體的計算參數(shù)為自然狀態(tài)下土體的實際強度參數(shù)；②干濕循環(huán)作用區(qū)域土體的計算參數(shù)選用前述不同干濕循環(huán)作用次數(shù)下土樣的強度參數(shù)；③浸泡飽和區(qū)域土體的計算參數(shù)參照初始飽和土樣的強度參數(shù)。天然條件影響區(qū)和浸泡飽和區(qū)土體參數(shù)同樣采用直剪試驗獲取，如表1所示。

表1 天然條件影響區(qū)及浸泡飽和區(qū)土體參數(shù)

將模型天然條件影響區(qū)域、浸泡飽和區(qū)域分別賦予其巖土體強度參數(shù)，并將不同干濕循環(huán)作用次數(shù)(0、1、2、4、8次)下土體強度參數(shù)賦予干濕循環(huán)作用區(qū)域土體，分別計算并獲得干濕循環(huán)作用下滑坡體的安全系數(shù)F，如圖11所示。

圖11 安全系數(shù)

從圖11可以看出，在0次干濕循環(huán)作用后，滑坡體的安全系數(shù)為1.08，滑坡體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，滑坡體的安全系數(shù)逐漸減小，穩(wěn)定性逐漸降低。滑坡體安全系數(shù)F隨干濕循環(huán)作用次數(shù)n的增加呈非線性降低趨勢，其變化趨勢可采用指數(shù)函數(shù)進行描述，擬合度為0.994 3。在干濕循環(huán)作用區(qū)域土體經(jīng)歷1次干濕循環(huán)作用后，滑坡體穩(wěn)定性由基本穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展為欠穩(wěn)定狀態(tài)，之后，逐漸發(fā)展至不穩(wěn)定狀態(tài)，由此可見，滑坡體穩(wěn)定性的降低，主要是由于消落帶區(qū)域的土體強度在周期性的干濕循環(huán)作用下發(fā)生弱化，進而影響了滑坡體整體穩(wěn)定性，對滑坡體的穩(wěn)定性不利。結(jié)合圖8巖土體力學參數(shù)c、φ劣化規(guī)律可以看出，干濕循環(huán)作用對巖土體力學性質(zhì)及岸坡穩(wěn)定性影響主要集中在前2次干濕循環(huán)作用，之后起變化趨于穩(wěn)定，因而在實際庫區(qū)地質(zhì)災害防治工作中應特別關注水庫蓄水后的前幾個水文年內(nèi)岸坡的變形和穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

本文針對三峽庫區(qū)涉水邊坡消落帶土體長期處于周期性飽和-干燥-飽和的現(xiàn)狀，采用室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬的方法對涉水滑坡體的穩(wěn)定性進行研究，得出以下結(jié)論：

(1)消落帶土體的黏聚力c、摩擦角φ隨干濕循環(huán)作用次數(shù)n的增加呈非線性降低趨勢，二者的降低趨勢均可采用指數(shù)型函數(shù)描述，擬合度高。

(2)隨著干濕循環(huán)作用次數(shù)n的增加，消落帶土體的弱化程度逐漸增大，干濕循環(huán)作用主要通過水分的滲入和滲出過程，造成土體內(nèi)部微裂隙的擴張，顆粒間作用力減弱，進而引起土體強度的弱化。

(3)消落帶土體強度的弱化對滑坡體穩(wěn)定性具有顯著的不利影響，邊坡安全系數(shù)F隨著干濕循環(huán)次數(shù)n的增加呈非線性降低趨勢，可采用指數(shù)型函數(shù)描述，擬合程度高。

(4)當前庫區(qū)岸坡加固削坡、抗滑樁、錨桿等工程措施進行處置，而很少對消落帶區(qū)域進行處理，使得許多已加固的岸坡在水位波動條件下仍存在較大的變形，庫水對消落帶的巖土體的影響可能是岸坡變形穩(wěn)定的關鍵因素之一。