不同工況下水庫膨脹土岸坡穩(wěn)定性模型試驗研究

歐陽熙明

(吉安市水利水電規(guī)劃設計院，江西 吉安 343000)

在水利工程建設和運行過程中，關鍵部位庫岸邊坡的安全性和穩(wěn)定性至關重要，是工程設計建設和運行管理的重要內容。庫岸邊坡的地質災害主要表現(xiàn)為地面塌陷、滑坡以及崩塌等，且具有隱蔽性和不可預見性，往往會給水利工程本身造成嚴重損失[1]。在工程實踐中，影響邊坡穩(wěn)定性的因素較多，其中最主要的因素有2個，分別是邊坡巖土體的結構和物理性質以及降雨。

膨脹土作為一種十分典型的高塑性黏性土，在天然狀態(tài)下一般處于非飽和狀態(tài)[2]。其最主要的特點是遇水之后會出現(xiàn)反復變形，也就是遇水膨脹和失水收縮，因此會給岸坡的穩(wěn)定性造成長期和潛在性的威脅[3]。目前，全球范圍內已經(jīng)有40多個國家和地區(qū)發(fā)現(xiàn)了較為廣泛的膨脹土分布。在工程實踐中，由于膨脹土導致的水利工程事故也時有發(fā)生。例如，美國的匹斯堡土壩滑坡以及圣弗朗西斯拱壩潰壩事故均是由膨脹土引起的。另一方面，膨脹土邊坡失穩(wěn)破壞和降雨之間存在十分密切的關系，常有大雨大滑、小雨小滑、無雨不滑的說法[4]。當然，對處于消落帶的庫岸邊坡而言，水庫水位的升降變化也會導致邊坡膨脹土含水量和內部滲流場的變化，可以產(chǎn)生與降雨類似的影響。而水位升降變化疊加降雨會使問題變得更為復雜。

隨著我國水利工程建設投資力度的不斷加大，工程項目也逐漸向地質環(huán)境復雜地區(qū)拓展，因此也將面臨更多的膨脹土邊坡問題。截至目前，膨脹土的應力應變場和膨脹理論尚不完善，這也給相關問題的數(shù)值模擬研究帶來一定的制約[5]。另一方面，雖然在工程現(xiàn)場進行原型試驗可以獲得準確的數(shù)據(jù)資料，但是不僅耗時更長，試驗成本也十分高昂[6]。試驗模型試驗在一定條件下可以近似模擬工程實際，是一種快速、有效、低成本的研究方法。因此，如何采用模型試驗的方式探討不同工況下膨脹土邊坡的穩(wěn)定性，具有十分重要的理論意義和實踐應用價值。

1 模型設計與試驗方法

1.1 工程依托

某水庫正常蓄水位為59.0m，設計庫容0.6億m3。為了提高水庫的供水能力，對水庫進行了大壩加高擴建。擴建后水庫的正常蓄水位為79.1m，庫容為2.09m3。由于水庫上游為沖積平原，且面積較大。在水庫擴建完成之后，最高洪水位將抬升15.36m，淹沒區(qū)面積會大幅擴大。本文選擇水庫上游左岸4500m部位新增淹沒區(qū)和消落帶內的膨脹土岸坡為依托進行模型試驗研究。

1.2 試驗模型設計

為了保證模型試驗能夠獲得契合工程實際的試驗數(shù)據(jù)，需要以相似性理論為基礎，確定模型材料的力學參數(shù)的相似比以及物理模型本身的幾何比尺[7]。根據(jù)工程邊坡的實際情況以及試驗場地因素，確定模型試驗的幾何相似系數(shù)為25，換算獲得室內試驗模型邊坡底邊長為3.9m，高為1.2m，寬為1.2m，如圖1所示。

圖1 模型設計示意(單位：m)

模型材料的重度要和實際材料的重度基本一致，即容重相似比為1，因此需要采用強度和模量相對較低而容重高的材料；試驗中模型邊界的摩擦系數(shù)、泊松比以及黏結力相似比均為1。根據(jù)工程現(xiàn)場的采樣數(shù)據(jù)并參考相關文獻資料，尋求合適的模型材料[8]。其中，模型中下部的填筑材料為膨脹土中摻入水泥、石灰以及膨潤土后的混合材料；模型的表層材料為現(xiàn)場取樣的膨脹土，采用分層填筑的方式置于混合材料的上部。在模型材料填筑過程中不僅要注意控制填筑誤差，同時還要及時采樣測定其含水量和密度，確保相似比的一致性。

1.3 模擬工況

基于膨脹土的特點，水是影響此類岸坡穩(wěn)定的主要因素之一[8]。對于水庫消落帶的邊坡，主要受庫水位升降變化和降雨2個因素的影響。依據(jù)試驗模型的幾何尺寸和背景工程實際，試驗中設計了3種試驗工況。其中，工況1為水位上升工況，工況2為水位下降工況，工況3為水位上升耦合降雨工況。水位上升工況利用水龍頭加水的方式模擬，使模型水位升至45cm；水位下降工況利用小型抽水機抽水的方式模擬，使水位下降至25cm；降雨工況采用自制PVC噴淋管噴灑的方式模擬，模擬降雨強度為25mm/h，降雨歷時為2h。

1.4 數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析

試驗中的監(jiān)測設備為微機傳感型滲壓計和土壓力計，內部變形監(jiān)測采用測斜管和測斜儀，表面變形監(jiān)測采用全站儀。監(jiān)測設備的安裝采用模型分層填筑后鉆孔安裝的方式進行。試驗中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為AGI邊坡監(jiān)測采集系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對試驗數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸和存儲。利用試驗中獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于摩爾-庫倫準則通過強度折減法計算岸坡的安全系數(shù)，并根據(jù)計算結果對邊坡的安全穩(wěn)定性做出評價[10]。

2 計算結果與分析

2.1 水位上升工況

根據(jù)水庫的應用實際，水位上升工況的試驗時長為50h。其中，前10h為水位上升階段，后40h為水位保持穩(wěn)定階段。對試驗過程中邊坡底部(淹沒部位)、中部(消落帶)和上部3個關鍵部位的位移數(shù)據(jù)進行整理，結果見表1(限于篇幅，表中僅列出間隔5h的試驗數(shù)據(jù))。位移變化曲線如圖2所示。

表1 水位上升工況位移試驗結果

圖2 水位上升工況位移變化曲線

由表1和圖2可以看出，水位上升工況下邊坡3個關鍵部位的位移量均呈現(xiàn)出不斷增加最終趨于穩(wěn)定的變化特點。其中，邊坡底部的位移量總體較小，說明庫水位上升對邊坡底部位移變形的影響相對較小。邊坡位移量最大的為邊坡中部，其位移量顯著大于上部，且為底部的3倍以上。原因是該部位位于水庫的消落帶內，因此庫水位的升降變化對該部位的位移變形影響較大。總體來看，邊坡各部位的位移變形量不大，且最終表現(xiàn)為收斂狀態(tài)，因此不會對邊坡的穩(wěn)定性造成顯著不利影響。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算獲取不同時刻的岸坡安全系數(shù)值，并繪制出安全系數(shù)隨時間的變化曲線，如圖3所示。

圖3 水位上升工況岸坡安全系數(shù)變化曲線

由圖3可知，在水位上升時段內，岸坡的安全系數(shù)呈現(xiàn)出迅速增大的變化特點，由1.731增加到2.560；在水位保持平衡期間，岸坡的安全系數(shù)呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢，但是變化的幅度較為有限，且減幅也越來越小。從具體數(shù)值來看，岸坡安全系數(shù)由水位達到79.0m時的最大值2.560逐步減小到2.241。由此可見，在水位上升工況下，當庫水位大到最高時，岸坡的安全系數(shù)最大，之后小幅下降并趨于穩(wěn)定。究其原因，主要是隨著水位的升高，岸坡會受到來自水體的側壓力影響，抵消了岸坡的部分下滑力，因此岸坡的安全系數(shù)穩(wěn)步提升。在水位穩(wěn)定之后，由于水分逐漸滲入岸坡，造成岸坡的浸潤線逐漸上升，浸潤線以下土質的浮容重逐漸增大，因此安全系數(shù)有小幅下降。總體來看，計算過程中岸坡的安全系數(shù)均顯著大于1.20的工程允許值，岸坡處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，幾乎沒有發(fā)生滑坡和崩塌等地質災害的風險。

2.2 水位下降工況

根據(jù)水庫的應用實際，水位下降工況的試驗時長仍舊為50h。其中，前10h為水位下降階段，后40h為水位保持穩(wěn)定階段。對試驗過程中邊坡底部、中部和上部3個關鍵部位的位移數(shù)據(jù)進行整理，結果見表2，位移變化曲線如圖4所示。

由表2和圖4可以看出，水位上升工況下邊坡3個關鍵部位的位移量均呈現(xiàn)出不斷增加最終趨于穩(wěn)定的變化特點。與水位上升工況不同的是，水位下降工況下水位變化開始時邊坡的位移量迅速增加，之后逐漸趨于穩(wěn)定。究其原因，主要是水位下降過程中，來自水體的側壓力迅速消失，因此導致位移變形迅速增加。從3個關鍵位置的位移量對比來看，仍是底部位移量較小，中部的位移量最大。由此可見，庫水位下降對處于消落帶的邊坡中部的位移變形影響最大。總體來看，邊坡各部位的位移變形量不大，且最終表現(xiàn)為收斂狀態(tài)，因此不會對邊坡的穩(wěn)定性造成顯著不利影響。

表2 水位下降工況位移試驗結果

圖4 水位下降工況位移變化曲線

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算獲取不同時刻的岸坡安全系數(shù)值，并繪制出安全系數(shù)隨時間的變化曲線，如圖5所示。

圖5 水位下降工況岸坡安全系數(shù)變化曲線

由圖5可知，在水位下降階段，岸坡的安全系數(shù)呈現(xiàn)出迅速減小的變化特點，但是減小的幅度逐漸減小。從具體數(shù)值來看，岸坡安全系數(shù)由開始時的2.241逐漸減小到1.919；在之后的水位穩(wěn)定階段，岸坡安全系數(shù)逐漸增大并趨于穩(wěn)定，安全系數(shù)由1.919逐漸增加到2.135。究其原因，主要是庫水位迅速下降階段，由于岸坡迅速失去水體側壓力的作用，因此安全系數(shù)迅速減小。在之后的水位穩(wěn)定階段，由于岸坡內水分逐漸滲出，土質浮容重逐漸減小，岸坡安全系數(shù)逐漸增加。總體來看，變化過程中安全的安全系數(shù)均顯著大于工程設計值，岸坡處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 水位上升耦合降雨工況

在水位上升的基礎上進行降雨模擬。其中降雨過程為2h，試驗時長為3h。對試驗過程中邊坡底部、中部和上部3個關鍵部位的位移數(shù)據(jù)進行整理，結果見表3，位移變化曲線如圖6所示。

表3 水位上升耦合降雨工況位移試驗結果

圖6 水位上升耦合降雨工況位移變化曲線

由表3和圖6可以看出，在水位上升耦合降雨工況下，邊坡各部位的位移量均隨著時間的變化呈現(xiàn)出不斷增大的變化特點，且變化的速率也不斷增大，試驗結束時邊坡各部位的位移量較大且沒有收斂的跡象。由此可見，在該工況下邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，極易誘發(fā)滑坡、崩塌等地質災害。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算獲取不同時刻的岸坡安全系數(shù)值，并繪制出水位上升耦合降雨工況下安全系數(shù)隨時間的變化曲線，如圖7所示。

圖7 水位上升耦合降雨工況岸坡安全系數(shù)變化曲線

由圖7可知，隨著降雨的持續(xù)進行，岸坡安全系數(shù)呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢，且減小的速率不斷加大。究其原因，主要是降雨會造成岸坡浸潤線的上升，且降雨時間越長，浸潤線的上升幅度越大，因此岸坡內部的飽和區(qū)和土體浮容重區(qū)也會增大。同時，隨著降雨深入邊坡土體，土體本身的抗剪強度也會減小，從而導致岸坡安全系數(shù)減小。從計算結果來看，第3h時邊坡安全系數(shù)為1.12，已經(jīng)小于岸坡穩(wěn)定允許值，容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。由此可見，在水位漲落疊加持續(xù)強降雨的情況下，需要關注水庫消落帶膨脹土岸坡的穩(wěn)定性，做好相應的監(jiān)測工作，避免安全事故的發(fā)生。

3 結論

此次研究以具體工程為背景，利用室內物理模型試驗的方式探討了水庫消落帶膨脹土岸坡的安全穩(wěn)定性，獲得的主要結論如下。

(1)在庫水位上升工況下，岸坡的位移量呈現(xiàn)出先小幅增加，后迅速增加，最終趨于穩(wěn)定的變化特征；邊坡的安全系數(shù)呈現(xiàn)出迅速增大，然后小幅減小的變化特征，且安全系數(shù)顯著大于允許值，岸坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)在庫水位下降工況下，岸坡的位移量呈現(xiàn)出先迅速增加最終趨于穩(wěn)定的變化特征；岸坡的安全系數(shù)呈現(xiàn)出迅速減小，然后小幅增大的變化特征，且安全系數(shù)顯著大于允許值，岸坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)隨著降雨的持續(xù)進行，岸坡的位移量呈現(xiàn)出不斷增大的變化特征且增速不斷增大，并無收斂的跡象；岸坡安全系數(shù)呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢，且減小的速率不斷加大；第3h的岸坡安全系數(shù)小于允許值，容易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。

(4)在水位上升耦合持續(xù)強降雨的情況下，需要關注水庫消落帶膨脹土岸坡的穩(wěn)定性，做好相應的監(jiān)測工作，避免安全事故的發(fā)生。