三峽庫區巖質滑坡離心模擬黏結材料滲透性試驗研究

朱權威，馮文凱*，肖銳鏵，吳卓林，蘇永超

(1.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；2.中國地質環境監測院,北京 100081)

自三峽水庫蓄水周期性運營之后,庫水位的周期性升降極大地影響了庫區岸坡的穩定性。因此如何科學地研究庫水周期性運營過程中庫水對岸坡的影響,是目前三峽庫區地質災害防治中的首要問題。對于三峽庫區的多數巖質滑坡來說,其主要的成災模式有滑移-拉裂型、滑移-彎曲型、塑流-拉裂型及崩解型[1-2],這些類型的滑坡在形成過程中會產生大量的碎石塊,坡體內的碎石塊錯亂堆積,內部往往存在較多的空隙,而這些空隙比較容易形成貫通的滲流通道,從而滑坡體往往具有較好的滲透性,對于三峽庫區的巖質滑坡,按庫水作用的形式可分為浮托減重型、動水壓力型和巖體劣化型,而對于浮托減重型和動水壓力型滑坡的核心是考慮庫水升降過程中的k和Δv的關系(k為坡體的滲透系數,Δv為水庫升降水的速度),由此可以看出,對于庫區滑坡坡體的滲透性是影響滑坡穩定性的一個非常重要的因素。

要對滑坡進行深入研究,必須將野外調查和室內試驗以及理論分析有機地結合起來,其中離心模擬試驗已經成為滑坡研究的一個重要組成部分,對于離心模擬試驗能否成功的關鍵在于相似材料的選擇以及相關參數的獲取。目前對于離心模擬相似材料的研究大多是基于靜力學問題方面的研究[3-8],且多數是針對離心模擬所需的試塊進行實驗研究,然而,鮮有對黏結試塊與試塊之間的黏結材料進行研究,而在庫區滑坡離心模擬中水的滲透主要是通過試塊之間的黏結材料進行的,因此,黏結材料的滲透性是庫區滑坡離心模擬中的一個關鍵因素。于是,本文采用正交試驗研究不同砂膠比、級配以及水泥石膏比對離心模擬中黏結材料滲透性的影響。

1 正交試驗的設計方案

正交試驗方法是研究多因素多水平的試驗方法,它能夠通過較少的試驗得到較為科學的試驗結果。

為了研究膠砂比、級配和水泥石膏比3因素對黏結材料滲透性的影響規律,試驗選取10～20目和40～60目的石英砂、100目的石膏和硅酸鹽水泥開展正交試驗研究,其中級配的選取在石英砂中進行,由于0.5～1 mm的石英砂粒徑是10～20目和40～60目的主要粒徑,10～20目0.5～1 mm的粒徑占58.6%,40～60目0.5～1 mm的粒徑占66.6%,因此,主要是通過調節0.5～1 mm石英砂粒徑的量來改變級配,具體方法是:稱取同等重量的10～20目和40～60目的石英砂一起進行篩分,之后通過減去石英砂總重量的30%、20%、10%和0的0.5～1 cm粒徑的石英砂來得到不同級配(見表1),級配曲線見圖1。在正交試驗中選取A(砂膠比)、B(級配)和C(水泥石膏比)作為3個因素,每個因素設置4個水平進行正交試驗,各水平不同的設置見表1,采用L16(43)正交表,共16組試驗見表2,每組試驗制作3個試件,共48個試件,結果取三組試驗的平均值。

圖1 石英砂級配曲線Fig.1 Quartz sand grading curve

表1 相似材料正交設計水平

表2 相似材料正交試驗配比方案

2 試件的制作與試驗

2.1 試件的制作

(1)材料準備。按照表1的配比稱重取水及各原材料。

(2)材料的拌合。將稱重好石英砂、石膏、水泥和水依次加入到盆中進行手工充分攪拌(圖2)。

(3)裝料。將攪拌好的材料逐次加入到鋼環并分層壓實,然后稱重,每個式樣的誤差控制在1%之內。

(4)編號及養護。對16組式樣進行編號,編號分別為a～p;每組的三個試樣編號為1、2、3(圖3)；在室溫下養護7 d。

(5)飽水。在試驗前進行充分飽水48 h。

圖2 材料的拌制Fig.2 Mixing of materials

圖3 每組試樣的編號Fig.3 Number of each group of samples

圖4 滲透儀示意圖Fig.4 Schematic diagram of the permeameter

2.2 試驗過程

試驗儀器采用的是自行設計的滲透儀器,示意圖如圖4所示,試驗采用定水頭進行測量滲透系數,水頭Δh=90 cm,試樣高L=5 cm,滲透截面直徑D=5 cm。數據的采集為前三組每10 min記錄一組數據,之后每20 min記錄一次,直至最后三組數據之間相差小于5%時結束實驗。

3 試驗結果及敏感性因素分析

3.1 試驗結果

經過48個試樣的滲透試驗測試,試驗結果如表3所示,黏結材料滲透系數的分布范圍為2.5×10-7～1.2×10-2cm·s-1(2.2×10-4～10.4 m·d-1),按照《水文地質手冊》[9],見表4,黏結材料的滲透等級分布為弱透水性-強滲透性。由湯明高等[10]獲得的三峽庫區15個區縣的396個滑坡1 188個現場或室內試驗數據分析得到三峽庫區的滑坡滲透系數分布范圍為1.2×10-5～2.4×10-2cm·s-1(0.01～21 m·d-1),滲透性良和滲透性中等(1.2×10-5～1.2×10-2cm·s-1)的滑坡合計達到97%。而對于離心物理模擬來說,由材料相似定理的換算帶來的滲透系數量級的變化大致在1～3個數量級左右(離心模擬CK=n,CK是邊坡模型與離心模型的比值,n為離心加速度)[11-12],由此可知表3中的黏結材料滲透系數可滿足三峽庫區大多數巖質滑坡離心模擬的需要。

表3 材料滲透性試驗結果

表4 三峽庫區滑坡體滲透等級劃分

3.2 影響因素敏感性分析

3.2.1 極差分析

在正交試驗理論中,極差是各因素各水平下平均值的最大值與最小值之差,其大小反映各因素對指標的影響程度,極差小表明該因素的不同水平對指標值產生的差異較小,反之則越大。

由此方法對試驗結果進行分析,對黏結材料實驗結果中各因素相同水平下的滲透參數值求均值和極差,結果見表5,圖5是由表5繪制出滲透系數影響因素直觀分析圖。

表5 極差分析

圖5 滲透系數影響因素直觀圖Fig.5 Visualization of factors affecting the permeability coefficient

由表5可以看出各因素對滲透系數的影響程度從大到小一次為A>B>C,即骨膠比和石英砂級配影響較為顯著,由圖5可以看出,滲透系數隨著砂膠比和0.5～1 mm粒徑的石英砂占比的增大而增大,滲透系數隨著水泥石膏比的增加先減小后增大。

3.2.2 方差分析

方差表示每個數據偏離平均值的程度,方差越大表明數據間的離散程度越高,差異越大。相對于極差分析來說,方差的優點在于考慮了試驗指標中的每一個信息。在正交試驗理論中,為了區分各因素不同水平的試驗結果是由因素水平產生的,還是由于試驗誤差產生的,并對各因素對相關物理參數影響的顯著性水平進行精準的數量評估。此正交試驗的方差分析結果如表6所示。

表6 方差分析結果

方差分析得到如下結果。

(1)各因素不同水平的試驗結果差異是由因素水平不同引起的,并不是由試驗誤差引起的。

(2)砂膠比對黏結材料的滲透性影響高度顯著,石英砂級配對黏結材料的滲透性影響顯著,水泥石膏比對黏結材料的滲透性影響不顯著。

4 結論

(1)在對三峽庫區巖質滑坡進行離心模擬試驗時,可以用試塊與試塊之間的黏結材料來模擬三峽庫區巖質滑坡的滲透特性。

(2)由正交試驗得到的滲透系數的分布為2.4×10-7～1.1×10-2cm·s-1,基本上可滿足三峽庫區大多數巖質滑坡的離心模擬試驗。

(3)不同因素對黏結材料滲透性影響的規律不同,通過極差和方差分析認為,3種因素中砂膠比影響最大,級配的影響次之,水泥石膏比的影響不明顯。