庫水下降與降雨作用下滑坡變形特征和破壞機理

朱勇威, 胡軍安, 胡 鵬

(湖北工業大學土木建筑與環境學院, 湖北 武漢 430068)

三峽庫區存在多處水庫蓄水運營后產生的安全隱患,庫岸滑坡變形破壞影響著庫區旁邊人民正常生產生活。研究滑坡在水位變化作用下的特征機理及變形機制對庫岸滑坡危害的防治具有重大意義[1-3]。陳劍[4]根據現場監測數據,利用力學極限平衡分析及數值模擬的方法進行結果分析,研究表明,適當減小庫水位升降速率,對維持庫水區滑坡穩定性有重要的作用,但還有其他因素影響庫區滑坡;代貞偉[5-6]通過數學算法模擬了庫水作用下滑坡位移的破壞模式;陳曉平等[7-9]通過模擬物理滑坡試驗得出,坡腳抗滑阻力下降是庫區滑坡在水庫運行后發生變形的主要原因;杜鋒、胡修文等[10-12]通過模擬試驗發現,在地下水、暴雨及庫水位快速下降三者共同作用下會導致庫水區滑坡發生失穩破壞;劉新喜、賈官偉等[13-14]結合三峽庫區調控方案,利用有限元方法模擬了庫水位在175 m下降至145 m時以及極端降雨作用下,庫區滑坡暫態滲流場,并考慮了基質吸力對非飽和土物理抗剪強度的影響;盧書強等[15]通過現場地質勘查來確定現場滑坡的形態性質,對滑坡變形發展進行了評估。

現有研究考慮單一因素對庫岸滑坡影響的研究較多,而對多種因素共同作用下滑坡的變形破壞研究較少。本文基于實際滑坡地質結構原型,通過物理模型試驗,模擬不同工況下滑坡的變形及破壞過程,通過滑坡監測面的孔隙水壓力、土壓力以及位移等實時數據來揭示庫水下降以及降雨作用下的滑坡變形特征與破壞機理。

1 滑坡實驗和模型設計

1.1 滑坡基本概況

白家包滑坡位于秭歸縣歸州鎮向家店村,距香溪河入江口2.5 km。大地坐標:經度110°45′33.4″,緯度 30°58′59.9″。滑坡區發育兩山脊之間,為一凹形地貌,滑體內發育一沖溝,為滑坡區地表水排水通道。區內西高東低,西部坡角較大,35～50°,東部稍緩,坡角0～25°。滑坡剪出口位于高程125～135 m,滑坡后緣以基巖為界,高程265 m,右側以山梁為界,左側以山脊下部基巖為界,前緣寬500 m,后緣寬300 m,均寬400 m,縱長約550 m,滑坡面積22×104m2。滑坡坡面坡度10～15°,滑體前緣臨江段坡度20°,中部平緩,坡度10～12°,滑坡平均坡度約15°。深層滑體前緣厚20～30 m,后緣厚10～40 m,中部厚47 m,滑體平均厚度45 m,滑體體積990×104m3。淺層滑體前緣厚10～20 m,中部厚35 m,后緣厚10～40 m,滑體平均厚度30 m,滑體體積660×104m3(圖1)。

圖1 白家包滑坡平面及監測點位置

從白家包滑坡地質勘查成果可以看出,A-A′剖面的方向代表白家包滑坡整體運動方向,因而選取A-A′剖面作為白家包滑坡物理模型試驗的代表剖面進行模型試驗研究。A-A′的地質剖面如圖2所示。對試驗剖面地質結構進行概化,就是將復雜的地質結構概化為幾個特征的材料分區進行試驗模擬,對A-A′剖面材料分成三個區,分別是滑床、滑帶和滑體。滑坡原型A-A′剖面滑坡全長550 m,模型試驗平臺長8 m,模型試驗最大幾何相似比為8/550=1/68.75,考慮到模型中對水庫水位的模擬,最后確定模型試驗幾何相似比為1∶100。

圖2 白家包滑坡A-A’地質剖面

1.2 材料參數確定

已知幾何相似比,根據相似原理[16],黏聚力、彈性模量相似比為10;降雨強度 、時間相似比為10;重度、內摩擦角、泊松比相似比為100。滑坡試驗模型材料的物理參數,如表1所示。

表1 滑坡模型物理力學參數

1.3 試驗工況

試驗僅考慮大氣降雨和水庫蓄水對白家包滑坡變形破環的影響。大氣降雨的影響概化為降雨過程(降雨強度和降雨歷時)的變化對坡面入滲和產流邊界的影響;水庫蓄水的影響概化為水庫水位變化對滑坡前緣水位邊界條件的影響。為了分析在水庫蓄水及降雨條件下,白家包滑坡位移場的變化情況,本試驗將位移傳感器、土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器布置于Ⅰ和Ⅱ的剖面處,用于監測試驗模型實時數據(圖3)。

(a)滑坡模型側視圖

根據滑坡原型的氣象、水文資料[17]對降雨量進行簡化,忽略日降雨量在10 mm以下的降雨歷程,日平均降雨量29.1 mm,最小降雨15.5 mm,最大降雨量51.7 mm,降雨過程為14 d。175 m降145 m水位按照最大2 m/d的水位下降速度進行,水位下降時長約為15 d,如表2、3,圖4所示。

表2 水位控制過程(175～145 m)

表3 降雨控制過程(175～145 m)

圖4 降雨及庫水位模擬工況(175～145 m)

2 滑坡試驗結果分析

在水庫蓄水作用,以及水庫蓄水和降雨的聯合作用下,對滑坡的孔隙水壓力、土壓力和位移變化情況進行分析。通過兩個階段進行,第一階段(三種工況下):工況1,175 m水位不變。工況2,175 m水位下降至145 m。工況3,175 m水位降至145 m及暴雨作用;第二階段:為探討滑坡破壞模式,在工況3基礎上,再次施加175 m水位降至145 m及暴雨作用,持續40 h,并逐步增加模型平臺的傾斜角直至8°滑坡發生失穩。

2.1 第一階段

1)工況1(175 m水位不變) 如圖5、6、7所示,在1.75 m水位的情況下,兩個觀測面的孔隙水壓力、土壓力以及位移基本保持在一個均值,在水位值穩定之后,此時可觀察到滑坡內部的浸潤線逐漸穩定不變,且浸潤線時與水面平行的一條直線,滑坡模型無明顯變化。

圖5 孔隙水壓力變化曲線

圖6 土壓力變化曲線

圖7 位移變化曲線

2)工況2(175 m水位下降至145 m) 如圖8所示,保持庫水位1.75 m約3.6 h,再以0. 83 cm/h的水位下降速度控制水位下降到1.45 m并且使庫水位保持在1.45 m處,在水位下降的過程中,剖面Ⅰ在2.4 h時刻孔隙水壓力開始減小,直到38.4 h時刻時孔隙水壓力趨于0,而剖面Ⅱ在2.4時刻孔隙水壓力也逐漸減小,直到6.1 h時刻趨于0。分析可知,滑坡前緣部分在保持1.75 m水位時孔隙水壓力值幾乎保持不變,之后庫水位下降導致地下水補給庫水,因此出現了孔隙水壓力減小的趨勢。滑坡中部、后緣距離水庫相對較遠,由于庫水位下降,導致原有地下水向前緣運移推進,因此中部、后緣孔隙水壓力也在減小。

圖8 孔隙水壓力變化曲線

如圖9,剖面Ⅰ的土壓力從2.4 h時刻開始減小, 一直減小到6 kPa,剖面Ⅱ的土壓力有小幅度波動,但總體上無明顯變化。如圖10,中部位移、滑坡體后緣未變化,在此過程中,當水庫水位下降至1.47 m(即在第36 h時刻)時前緣位移發生突變。分析可知,前緣地下水位下降,使得地下水位以上土體排水固結容重減小,從而導致土壓力值持續降低,局部裂縫逐步擴大并貫通,模型邊坡坡腳發生了局部破壞。

圖9 土壓力變化曲線

圖10 位移變化曲線

3) 工況3 ( 175 m 水位降至 145 m 及暴雨作用 ) 由圖11、12可知,在施加暴雨的情況下,水位從1.75 m下降至1.45 m的過程中,觀測面Ⅰ和Ⅱ的孔隙水壓力以及土壓力總體上在減小,且兩者均呈波浪型變化,其中2個觀測點的孔隙水壓力在40.8 h時刻趨于0值,而觀測點1土壓力從9.14 kPa減小到6.04 kPa,觀測點2土壓力仍保持原值。從圖13還可知,大約第18 h時刻發生突變產生位移,此時滑坡前緣和滑坡中部的裂縫數量增加且裂縫逐漸貫通并擴張得更大,甚至模型邊坡坡腳發生局部垮塌,滑坡中部的滑體局部發生輕微蠕動變形,但試驗并未發生整體變形破壞。分析可知,坡內地下水外滲形成動水壓力且地下水的軟化作用降低了前緣穩定性,加上雨水的沖刷作用共同導致了滑坡前緣垮塌及中部的變形。

圖11 孔隙水壓力變化曲線

圖12 土壓力變化曲線

圖13 位移變化曲線

2.2 第二階段:(破壞階段)

如圖14-16,滑坡體內孔隙水壓力值、土壓力值以及位移值均發生突變。其中孔隙水壓力值在第25.2 h時增大明顯,持續約1 h后消散,土壓力值第22.8 h時刻出現一次極值,急劇下降后消散,位移值在第24 h時刻急劇增大,隨后也開始消散。此時,滑坡直接發生整體破壞,土體已處于較高飽水狀態,隨著降雨持續,滑坡體內細微變形逐漸累積,兩個檢測點的孔隙水壓力急劇增大,直到滑坡開始滑動,孔隙水壓力消散,土壓力持續下降,這是因為該滑坡模型在向前滑動對前一階段滑坡后緣形成加載。

圖14 孔隙水壓力變化曲線

圖15 土壓力變化曲線

圖16 位移變化曲線

2.3 變形機制及破壞機理討論

如圖17,在庫水位驟降作用下,滑坡前緣及中部出現了局部變形,整體未出現顯著變形;而在庫水位驟降和暴雨共同作用下,滑坡后緣首先出現顯著變形,隨后在庫水位驟降以及后緣下滑推動下,前緣產生較大位移滑動。后緣總體滑動位移412 mm,前緣總體滑動位移609 mm。前緣滑動過程中脫離,后緣下滑后停留在滑動面上可以保持穩定的部分占滑坡剖面的1/3至1/2,前緣滑動速度較后緣滑動速度大。

圖17 滑坡模型破環過程中位移計采集位移

白家包滑坡的滑坡體受175 m庫水位侵潤的體積大概占滑坡總體積的1/2至2/3,滑坡穩定性受水庫水位變動的作用顯著。我們可以看到滑坡滑動面的特點是前緣平緩,后緣陡峭。且由于白家包滑坡前緣阻滑區體積龐大,滑坡失穩下滑的滑距有限,滑速較低,不具備形成高速滑坡的動力條件。

在暴雨維持一段時間后,滑坡整體在長時間降雨浸泡后出現軟化、微小變形并不斷累積。前一個階段滑坡蠕動變形降低了該階段的前緣穩定性,該階段雨中夾雜的微粒聚集起來堵塞了消散通道致使滑坡透水性能降低,最終在雨水積蓄產生的水平力作用下,滑坡發生了失穩破壞。由此可得出土壓力及空隙水壓力的驟變,對滑坡發生失穩破壞具有預測意義。

3 結論

1)降雨作用使得雨水在滑坡坡面發生了充分的滲入,從而導致了滑坡整體強度削弱,再次降雨時極容易引起滑坡發生失穩破壞。

2)在滑坡模型最終的破壞過程中,后緣的下滑動力主要是其陡峭的后緣滑移面提供的下滑力,因此滑坡后緣啟動與前緣變形并不存在直接的牽引關系。

3)靠近壩庫處的位置易產生蠕動,庫水位與暴雨共同作用下的滑坡屬于淺層牽引式滑坡。滑坡發生整體沿基巖面滑移破壞的可能性不大。

4)強降雨對第一階段后期以及第二階段的滑坡穩定性有明顯影響,坡內雨水的外滲、雨水的沖刷產生水平力及水的軟化作用導致坡腳失穩。坡型的陡峭程度、降雨作用下的自重增加以及地下水、雨水作用下的浸水軟化是造成滑坡相對于整體沿著滑面產生較為明顯蠕動的主要原因。