庫岸滑坡變形規律研究

申永斌，王 冬，閆小龍

(山東省魯南地質工程勘察院，山東 濟寧 272100)

1 概 述

我國南方多山地區，因降雨導致山體滑坡、洪水等自然災害以及庫岸滑坡事故頻繁發生。因此，針對庫岸滑坡進行研究，分析不同水位下庫岸滑坡變形特征，對在邊坡地形修建水庫工程，提前預測防范事故發生有著十分重要的意義和指導性作用。

蘇昌等[1]基于控滑因素對滑坡進行剖析，對地質災害防治問題提出合理方法。李飛[2]基于可靠性、可行性、合理性和協調性等因素，編制出坍岸變形治理方案。高明等[3]基于水庫型滑坡，探究滑坡預防與預警工作的重要性。李原寶等[4]在室內外試驗基礎上，基于M-Р法和蒙特卡洛法對滑坡穩定性進行研究。吳龍生等[5]通過分析滑坡特征，研究引起滑坡蓄水浸泡和沖刷的原因。郭舟[6]對固岸邊坡進行穩定性分析，并通過相關材料收集和計算，為后期工程施工建設提供參考。殷坤龍等[7]結合前人研究成果，從多角度出發，對國內外滑坡涌浪風險研究現狀進行概述，并基于易損性評價體系對近期發生事故進行研究分析。趙桂蘭[8]結合工程實際，通過數值模擬建模，建立庫岸邊坡數值模擬模型，并在此基礎上研究分析不同水位下滑坡的穩定性變化規律。

由上述研究可知，目前我國對于不同水位下庫岸滑坡變形特征情況研究較少，更多傾向于理論性研究。本文以西南長江上游山體庫岸滑坡為研究對象，結合邊坡所處環境及水庫水位情況，研究自然狀態和暴雨條件下模型土體滲流、壓力及位移變化規律。通過建立試驗平臺，模擬庫岸滑坡實際情況，探究滑坡前緣、中部以及后緣的位移和壓力變化情況，為庫岸滑坡變形特征研究提供參考。

2 工程概況

西南長江上游區域山體眾多，導致該地區多滑坡。本研究滑坡為大滑坡，主滑方向250°，坡度11°。滑坡尺寸為541m×413m×14m(長×寬×厚)，體積約3.1×106m3。滑坡邊界較為明顯，左右側邊界分別為巖土接觸面和沖溝，前后端分別伸入長江以及為巖土接觸面。

通過對該區域探測，滑坡土體較為疏松，以粉質黏土和碎石為主。滑帶土厚度約0.4m，顏色呈灰白色，其組成成分由礫石和粉質黏土組成。滑坡區地下水由孔隙水和裂隙水組成，且坡體后緣水質環境較差，難以獲得降雨補給，降雨主要通過坡體右側入江。在強降雨條件下，庫水位上升，裂隙水動態流動情況明顯，且具備一定承壓性，導致滑帶土體基本性能減弱，使滑坡等事故發生。

3 模型建立

3.1 模型參數及試驗平臺制作

庫岸邊坡穩定性常常受到地形、地層巖性和地貌等因素影響，也受水庫水位變化以及降雨情況影響。該庫岸邊坡總長540m，高275m，北東與基巖山體交界，南西面向大江。本文基于水庫變化以及降雨情況建立模型，模型模擬長度為275cm，前后緣高差56cm。根據相似原理，模型公式如下：

X*=Xp/Xm

(1)

式中：X*為相似常數；Xp/Xm為原型與模型之間的相似比。

本次試驗條件原型與模型幾何相似比為200，可通過該公式推導出物理參數之間的相似比：容重、滲透系數、內摩擦角、降雨強度和水庫水位下降速度的相似比為1；黏聚力、壓縮模量、水位高程和時間的相似比為200。將模型分為4個部分，分別為滑體、滑帶、滑動面及滑床。滑體相似材料前中后緣碎石、黏土和砂質量比分別為1∶5∶1、1∶3∶2和2∶5∶3。滑帶、滑動面和滑床則由0.5mm的聚乙烯膜、厚5mm的土工膜和磚沙構成。通過原位試驗和室內試驗得到相應材料基本物理參數，見表1。

表1 物理參數

本模型基于自制的地質環境進行試驗。模型裝置為亞克力材質，裝置尺寸為4.6m×1.0m×3.3m(長×寬×高)，地質模型箱為4m×0.8m×0.9m(長×寬×高)。模型兩側設置供排水系統，地質模型箱上方設置降雨裝置和液壓控制升降系統。

3.2 數據監測系統布置

為監測庫岸邊坡因水庫水位變化及降雨影響下邊坡土體滲流、壓力及位移變化規律，在滑坡模型不同位置安裝數據采集系統。數據采集系統由3個位移變送器、3個土壓力傳感器和3個孔隙水壓力計組成，分別放置在前中后緣。平面布置情況見圖1。

圖1 數據采集系統平面布置圖

3.3 試驗過程設計

本試驗結合邊坡所處環境及水庫水位情況，研究自然狀態和暴雨條件下模型土體滲流、壓力及位移變化規律。天然狀態下，庫水位從155m蓄水至175m，之后水位下降至145m，庫水位上升和下降速率分別為0.6和1m/d；暴雨條件下，庫水位從175m下降至145m，庫水位下降速率為0.45m/d，其中降雨強度為220mm/d。

4 結果分析

4.1 天然狀態下邊坡土體滲流、壓力及位移變化規律

在天然狀態下，對模型邊坡進行640min的數據采集，探究邊坡土體滲流、壓力及位移變化規律。見圖2。

圖2 天然狀態下監測曲線

由圖2可知，對于庫水位50min內保持穩定水位，之后便通過流量控制裝置將庫水位控制在175m，并持續80min，之后便降至145m并保持。水位變化過程中，滑坡位移保持不變，而土壓力與孔隙水壓力的變化情況呈先減小后增大再減小的循環變化趨勢。其中，庫水位從155m至175m的過程中，模型土壓力和孔隙水壓力在該時間段內保持不變，之后便呈減小趨勢。減小趨勢直至160min時，前緣兩種壓力趨于穩定；第200min時，中部和后緣的兩種壓力才趨于穩定。這主要是由于模型前緣距水庫較近，導致其受到土壓力和孔隙水壓力強于后緣，而中部和后緣兩種壓力減小是由于土體地下水向前滲流導致。但中部兩種壓力變化情況最明顯，這主要是由于地下水位上升導致坡體前緣土體飽和面積增大，失去坡體平衡性。庫水位在175m時，兩種壓力都在減小，但減小速率變緩。當庫水位回到162m時，模型土壓力和孔隙水壓力呈先增大后減小的變化趨勢，之后便又增大。

綜上所述，在自然狀態下，模型土壓力和孔隙水壓力的變化趨勢相似。

4.2 暴雨條件下邊坡土體滲流、壓力及位移變化規律

在暴雨條件下，對模型邊坡進行640min的數據采集，探究邊坡土體滲流、壓力及位移變化規律。見圖3。

由圖3可知，當庫水位降至165m時，經過21min的220mm/d降雨后，滑坡前緣出現變形趨勢，之后中部和后緣部分位移也開始增加，前緣、中部和后緣位移最大變形量分別為7.8、5.2和3.8mm。而對于土壓力和孔隙水壓力，庫水位在至175m到下降過程中，模型土壓力和孔隙水壓逐漸減小之后便趨于穩定。而在降雨過程中，滑坡土壓力和孔隙水壓力整體增大，但前緣部分土壓力呈先增大后減小的變化趨勢，中部及后緣土壓力則在不停波動，但整體孔隙水壓力則呈先增大后減小的變化趨勢。這主要是因為降雨情況下，模型孔隙水壓力增加導致土體重度增大，土壓力隨之變大。降雨停止后，地下水位降低導致坡體孔隙水壓力減小。

圖3 暴雨條件下監測曲線

綜上所述，模型有應力集中和應變能積累現象。庫水位與降雨的耦合作用導致土壓力出現最大值，而在暴雨來臨時，模型土壓力出現波動則由于降雨存在時空不均勻性，而土壓力后期減小則是由于坡體變形后，坡體內部釋放應變能，導致滑坡應力重分布。通過本試驗可知，只有將滑坡實際情況探測更清楚，才能更好掌握滑坡的變形特征，并進行預測，為科學防災減災做出指導。

5 結 論

1)在自然狀態下庫水位變化過程中，滑坡位移保持不變，而土壓力與孔隙水壓力的變化情況呈先減小后增大再減小的循環變化趨勢。距離水庫越近，所受土壓力和孔隙水壓力越強，但土體地下水滲流會導致兩種壓力減小。

2)地下水位上升會導致坡體前緣土體飽和面積增大，失去坡體平衡性。但在自然狀態下，模型土壓力和孔隙水壓力的變化趨勢總體相似。

3)在暴雨條件下，模型前緣、中部和后緣位移最大變形量分別為7.8、5.2和3.8mm。滑坡土壓力和孔隙水壓力整體增大，但前緣部分土壓力呈先增大后減小的變化趨勢，中部及后緣土壓力則在不停波動，但孔隙水壓力整體則呈先增大后減小的變化趨勢。

4)模型有應力集中和應變能積累現象。庫水位與降雨的耦合作用導致土壓力出現最大值，降雨存在時空不均勻性，導致土壓力發生波動，且坡體變形導致其內部釋放應變能，使滑坡應力重分布。