向 杰，唐紅梅，陳 鑫，梁學站，趙先濤

(重慶交通大學 巖土工程研究所，重慶 400074)

大量庫岸滑坡實例表明，三峽水庫使用以來，水庫水位變動導致了庫岸地下水位變化，致使庫岸發(fā)生滑移現(xiàn)象?？梢妿焖偷叵滤际钦T發(fā)滑坡的主要原因[1-3]，土質(zhì)岸坡尤為明顯。

岸坡消落帶土體處于庫水周期性浸泡狀態(tài)下，長期在飽和～非飽和狀態(tài)之間轉(zhuǎn)化，致使各項強度指標大幅度降低，甚至出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，誘發(fā)岸坡前緣出現(xiàn)崩塌。此外，岸坡孔隙水壓力、地下水位線也在不斷變化，二者的組合變化可使庫岸土體蠕動，產(chǎn)生拉張裂縫[4-9]。不難發(fā)現(xiàn)，松散堆積層岸坡，在庫水位升降變化過程中易發(fā)生滑坡。研究庫岸地表裂縫和孔隙水壓力、浸潤線變化的關(guān)系，對揭示庫岸形成滑坡的機理有著重要意義。張楠，等[10]總結(jié)出水位驟降時的孔隙水壓力是區(qū)別于一般的山地滑坡的特殊成因機理。L.T. Zhan，等[11]通過研究庫水位變化與岸坡內(nèi)孔隙水壓力的變化來推導岸坡穩(wěn)定性，得出負孔隙水壓力、摩擦系數(shù)和水壓力是影響庫岸滑坡穩(wěn)定性的三大重要因素。柳群義[12]提出增加庫水位升降速率，地下水位響應滯后變得顯著，地下水位形態(tài)整體變陡，滑坡體動水壓力增大，不利于邊坡穩(wěn)定性。

筆者以神女溪青石滑坡為原型，建立模型[13]，通過包辛涅斯克(Boussinesq)非穩(wěn)定滲流微分方程，求解出不同庫水位變化工況下的浸潤線，并結(jié)合孔隙水壓力數(shù)據(jù)對該模型試驗結(jié)果進行綜合分析。

1 模型概況

神女溪青石滑坡位于巫山縣抱龍鎮(zhèn)青石村8、9社的神女溪右岸，距匯入長江口約2 km，屬土質(zhì)滑坡。三峽水庫蓄水后的2009年，岸坡前緣出現(xiàn)裂縫。隨著庫水位的升降，岸坡前緣發(fā)生坍塌。筆者以青石滑坡為原型，依據(jù)相似理論，通過模型試驗研究庫水位升降對岸坡穩(wěn)定性影響，再現(xiàn)該岸坡的破壞過程。

根據(jù)其原始尺寸，模型槽尺寸確定為長4.39 m，寬2.86 m，高2.22 m。設(shè)計模型幾何相似比λl=1∶25，則模型尺寸為長3.03 m，寬2.86 m，后緣高2.22 m?；鶐r頂面平均坡度為31°，采用塊石堆砌，砂漿抹面，防滲處理。模型坡體鋪筑土層。坡體平均坡角為49°，平均厚41 cm。其中，坡體前緣厚度為45 cm，后緣厚度為20 cm。為研究水位升降過程中在不同水位狀態(tài)下坡體不同高程處的孔隙水壓力，砂漿抹面時，沿模型主剖面中軸從底部高程40 cm開始，每隔20 cm預留6個直徑10 cm的小孔，在鋪土前依次安放6個KYJ-32振弦式孔壓水壓力計(精度誤差為0.03 Pa)。模型見圖1。

圖1 模型(單位：cm)

鋪筑好后坡體見圖2?？紫端畨毫τ嫲卜庞谥髌拭妗?/p>

圖2 鋪筑好后坡體Fig.2 Paved slope

根據(jù)三峽水庫的蓄水降水周期為1個月和時間相似系數(shù)λt= 25，將模型的1個蓄水-降水變化周期確定為29.5 h，從2012-07-30 T 06:30—2012- 07- 31 T 12:00。試驗過程劃分為0～50 cm前期蓄水、50～120 cm正常蓄水、120～170 cm正常蓄水、175～50 cm降水4個階段。模型水位變化工況如表1。

表1 模型水位變化工況

試驗土體為紅色黏土，取坡體土體進行物理力學參數(shù)試驗，結(jié)果見表2。

表2 模型坡體物理力學參數(shù)

2 岸坡地下水浸潤線確定

2.1 基本假定條件

1)含水層均質(zhì)、各向同性，側(cè)向無限延伸，具有水平不透水層；

2)庫水位變化前，原始潛水面水平；

3)潛水流為一維流；

4)庫水位以v等速升降；

5)庫岸按垂直考慮。

根據(jù)上述假設(shè)，由包辛涅斯克(Boussinesq)潛水非穩(wěn)定滲流運動微分方程可得[14-15]：

(1)

方程(1)為2階非線性偏微分方程。求解析解通常是先對其進行線性化，然后再求解。簡化方法一般是將含水層厚度H近似看作常量，即用始、末時段潛水流的平均厚度hm代替，可得到簡化的一維非穩(wěn)定滲流的運動方程[14-15]：

(2)

2.2 求解地下水位浸潤線計算公式

對式(2)采用拉普拉斯(Laplace)積分變換和逆變換，即可得到微分方程的解[16]：

u(x,t)=v0tM(λ)+ct1[1-M(λ)]

(3)

地下水位浸潤線隨時間變化曲線(圖3)方程：

hx,t=h0,0+u(x,t)

(4)

圖3 λ-M(λ)曲線Fig.3 λ-M(λ)curve

對圖3曲線進行擬合，得到擬合公式[16]：

(5)

則，庫水位下降時浸潤線計算簡化公式為：

(6)

針對該模型坡體特征，采用上述理論對相關(guān)參數(shù)進行求解[17-18]，計算結(jié)果見表3。

表3 模型坡體地下水浸潤線計算參數(shù)

試驗滲透系數(shù)、給水度、含水層厚度等一定，主要考慮庫水位變動對坡體內(nèi)地下水位的影響。考慮地下水浸潤線計算工況如表1，為了簡化計算，庫水位升降速率設(shè)為一致，為2.4 m/d。

3 模型實驗結(jié)果分析

3.1 模型蓄水階段0～170 cm

本階段對應的實際水位變化90～175 m，總時長24 h?；掳l(fā)生前實際水位為90 m，為反映原型真實水位變化情況，從0 cm開始蓄水。待水位穩(wěn)定后，每隔30 min記錄一次各個測點孔隙水壓力計讀數(shù)。各測點孔隙水壓力變化曲線如圖4，地下水位線如圖5，坡體裂縫情況見表4。

圖4 水位上升孔隙水壓力曲線Fig.4 Pore water pressure curve with the rising of water level

圖5 水位上升坡體內(nèi)地下水位線Fig.5 Slope seepage line with the rising of water level

試驗水位/cm實際水位/m開始蓄水時刻新生裂縫序號及發(fā)展變形跡象裂縫/cm長度深度50．0145．010：30開始蓄水—58．0147．011：04前緣中部產(chǎn)生裂縫，擴展較快，且與10：22水位50cm時產(chǎn)生的裂縫貫通，前緣左側(cè)出現(xiàn)橫向裂縫，裂縫擴展較快142．026～2870．5150．111：45前緣右側(cè)出現(xiàn)裂縫，規(guī)模較大，裂縫擴展變寬速度較前面出現(xiàn)的裂縫快123．024～3480．0152．512：08前緣左側(cè)出現(xiàn)裂縫67．020～2494．0156．012：39左右兩側(cè)出現(xiàn)羽狀裂縫，規(guī)模較大，岸坡中部的發(fā)展較快，左側(cè)較慢；隨著岸坡厚度的增大，出現(xiàn)的裂縫不斷變深，變寬，前部滑體的坍塌時間變長，在裂縫張開過程中，裂縫兩側(cè)的土體塌落于張開的裂縫中130．026～3099．5157．413：20前緣中部出現(xiàn)較長裂縫，規(guī)模相對較小，裂縫開裂變寬，速度較快184．020～26106．0159．013：52前緣右側(cè)出現(xiàn)裂縫，裂縫前部滑體規(guī)模較大，同一水平左側(cè)稍后也形成裂縫，滑體規(guī)模亦較大，滑體寬度約35cm31．0(右側(cè))25．0(右側(cè))115．5161．414：05前緣中部出現(xiàn)弧形裂縫，在13：52形成的左右裂縫之間，裂縫前部滑體規(guī)模較大，最大寬度約50cm120．035120．0162．514：30蓄水至實際庫水位145m，暫停蓄水——139．0167．317：50岸坡中部出現(xiàn)弧形裂縫，裂縫發(fā)展較慢，且向左擴展，與早先形成的前部裂縫貫通，而且與14：13形成后緣拉張裂縫相交貫通，3條裂縫交于1點11312～16147．0169．318：13后緣產(chǎn)生1條114cm長的細小裂縫，與10：13形成的后緣裂縫貫通114．0151．5170．421：29后緣(高程114cm)細小裂縫張開寬度加大——158．0172．022：02在已經(jīng)貫通的裂縫后緣形成1條約218cm長的裂縫218．0170．0175．023：18后緣出現(xiàn)1條豎向裂縫，與模型槽右側(cè)邊界相距62～71cm，并與后緣相交126．5

從圖4和圖5可看出，在整個水位上升階段，隨著坡體內(nèi)水位線逐漸升高，各測點孔隙水壓力曲線呈上升趨勢。各測點孔隙水壓力曲線相互平行。在初始蓄水6 h內(nèi)，各孔隙水壓力曲線呈線性變化，斜率較大，且相互平行。蓄水位勻速上升過程中，坡體內(nèi)孔隙水壓力曲線上升幅度相對較緩。相對應的坡體內(nèi)不同高程處地下水位線也相互平行。靠近坡面處的地下水位線高于滑面處，表明坡體內(nèi)地下水由坡外向坡內(nèi)滲入。

3.1.1 0～50 cm階段

本階段實際水位變化為90～145 m(8:30—10:30)，共蓄水1.5 h。最高處測點〔圖1(b)①〕位于坡體后緣。本測點孔隙水壓力值初始蓄水階段為負，無地下水位，產(chǎn)生毛細負壓。土顆粒間在毛細負壓的作用下，出現(xiàn)黏附力，壓致微裂隙閉合，孔隙縮小，有利于坡體局部穩(wěn)定，坡體后緣尚未出現(xiàn)裂縫。從圖5地下水位線來看，地下水位處于坡腳。坡腳土層較薄，坡腳土體很快吸水飽和。土體力學參數(shù)值降低，土體松弛，發(fā)生微小剪切位移，累積后宏觀上表現(xiàn)為在蓄水后0.5 h內(nèi)出現(xiàn)弧形裂縫(圖6)。當蓄水位達到50 cm(實際水位145 m)暫停0.5 h內(nèi)，坡體并未新增裂縫，各測點孔隙水壓力曲線和地下水位線亦未出現(xiàn)變化，坡體達到新的平衡。

圖6 坡腳弧形裂縫Fig.6 Toe arc crack

3.1.2 50～170 cm階段

這個蓄水階段模擬實際水位變化為145～175 m，坡體各測點孔隙水壓力曲線與地下水位線變化幅度一致(圖4、圖5)，坡體新增裂縫數(shù)也較多(表4)。

蓄水位從50～120 cm(09:10—14:30)上升階段，各測點孔隙水壓力曲線急劇上升，對應該區(qū)段地下水位線上升較快，表明坡外水向坡內(nèi)滲透速率較快。由坡外向坡體內(nèi)滲透，產(chǎn)生朝向坡體內(nèi)的滲透力有利于坡體穩(wěn)定。該滲透壓力將隨著庫水位的穩(wěn)定而消失。坡體微裂縫逐漸擴展、貫通，前緣出現(xiàn)坍塌，產(chǎn)生新的臨空面(圖7)，有利于中部土體蠕動變形。

圖7 前緣坍塌出現(xiàn)臨空面Fig.7 Existence of the free face caused by edge collapse

蓄水位從120～148 cm(16:00—18:30)上升階段，各測點孔隙水壓力曲線與坡體內(nèi)地下水位線變化都較緩，表明此時坡體土體正趨于飽和階段。坡體內(nèi)水位線上升速度與坡外水位上升速度保持一致。從表4看出，新裂縫產(chǎn)生、發(fā)展速度都較慢。

在120，148 cm水位暫停蓄水階段，各測點孔隙水壓力曲線與坡體內(nèi)浸潤線基本無太大變化，坡體內(nèi)水位線處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時岸坡基本穩(wěn)定。蓄水達到預期高度170 cm(實際水位175 m)后，暫停5 h。整個坡體達到飽和，坡體內(nèi)水壓力為靜水壓力。從表4看出，此階段也未產(chǎn)生新的裂縫。

3.2 170～50 cm水位下降階段

該階段模擬實際水位變化為175～145 m，時長：6 h，水位到達170 cm(實際水位175 m)暫停蓄水，待水位穩(wěn)定岸坡土體飽和后開始放水。每隔30 min記錄孔隙水壓力計的讀數(shù)，得到水位下降時孔隙水壓力變化曲線(圖8)，地下水位浸潤線(圖9)及該階段坡體裂縫情況(表5)。

圖8 水位下降孔隙水壓力曲線Fig.8 Pore water pressure curve with water level decline

圖9 水位下降坡體內(nèi)浸潤線Fig.9 Slope seepage line with water level decline

從圖8和圖9來看，整個水位下降階段(170～50 cm)，孔隙水壓力曲線和地下水位線曲線都呈下降趨勢，且相互平行，表明坡體內(nèi)地下水位線逐漸降低，并向坡外排泄。初始降落階段(水位降幅170～134.4 cm，降落時長2 h)變化率大。圖9中，水位從134.4 cm降落和從120 cm降落階段，由于在蓄水位170 cm時暫停了5 h，土體已完全吸水飽和，突然降水導致滲流梯度較大，地下水位線變化幅度較大。水位從96 cm降到52 cm階段中，坡體外水量較少，且坡體土層較上部相對少，故地下水位線降幅較小。

表5 水位下降階段坡體裂縫發(fā)展情況

(續(xù)表5)

降水范圍/cm試驗水位/cm實際水位/m開始降水時刻新生裂縫序號及發(fā)展變形跡象裂縫長/cm120～50120．0162．509：45繼續(xù)降水—96．0156．510：43水位下降過程中，出現(xiàn)新的裂縫，并伴隨分支裂縫，在岸坡中部產(chǎn)生20cm寬的臺階17584．0153．511：00在岸坡中前部產(chǎn)生細小的平行拉張裂縫4580．0152．511：16岸坡中部的細小裂縫貫通，形成長約35cm的裂縫，此裂縫下部產(chǎn)生一條25cm長的裂縫，兩條裂縫在左側(cè)相交在兩條裂縫的下部產(chǎn)生羽狀裂隙3552．0145．511：40在水位線以上邊界附近產(chǎn)生拉張裂縫—

3.2.1 水位170～120 cm下降階段

此階段為實際降水175～145 m，坡體內(nèi)微裂縫的擴展，成為孔隙水的通道，較蓄水上升時段的通道大。據(jù)孔隙水壓力的半徑效應，必然導致孔隙水壓力減小?？紫端畨毫η€近似呈斜線且相互平行，斜率相等，同時坡體內(nèi)地下水位線變化也近似呈線性變化。

同一水位的地下水位線在坡面附近高程低于滑面附近高程。在初始水位下降1.5 h內(nèi)，坡體內(nèi)孔隙水壓力曲線近似呈線性變化，地下水位線切線斜率最大?？拷旅娴臏\層地下水位線基本與坡外水位相平。在水位下降初期，坡體內(nèi)水位排泄速度與水位下降速度一致?？拷嫣幫翆悠麦w內(nèi)地下水位線的下降速度略等于坡外水位下降速度，產(chǎn)生等滲透壓力差，宏觀表現(xiàn)為出現(xiàn)近等長度的裂縫，如圖10，表5(07:30—10:30)。

圖10 水位170～120 cm階段出現(xiàn)等長度裂縫Fig.10 Appearance of equal crack length in the level of 170～120 cm

3.2.2 水位120～50 cm下降階段

此階段對應實際水位下降145～90 m(11:00—11:50)，各測點孔隙水壓力值變化幅度較大。本坡體黏土含量較高，坡內(nèi)地下水位降速明顯慢于庫水位降速，地下水來不及向外排泄，將產(chǎn)生較大的朝向坡外的動水壓力，坡體新增許多裂縫，并出現(xiàn)下錯臺階。在重力作用下，坡體中部土體向前緣蠕動擠壓過程中，兩側(cè)開始出現(xiàn)羽狀裂隙，逐漸演變?yōu)榱芽p。裂縫擴展速度較快，出現(xiàn)貫通，后緣多出現(xiàn)拉張裂縫，見圖11及表5。

圖11 坡體后緣產(chǎn)生裂隙Fig.11 Fracture in the trailing edge of slope

在120 cm水位暫停降水1 h，浸潤線在滑面附近有所降低，逐漸變?yōu)槠骄?；?0 cm暫停降水3 h時段，地下水位線基本保持水平?？紫端畨毫η€也趨于水平，坡體無新增裂縫。

3.2.3 50～0 cm水位下降階段

對應實際水位下降90～0 m(11:50—12:00)。水位下降到50 cm后，各測點孔隙水壓力值趨于0。前緣土層較薄，故坡體內(nèi)地下水位線與坡外水位線基本齊平，并與坡外水位降幅同步。

4 結(jié) 論

1)水庫土質(zhì)岸坡由初現(xiàn)裂縫-蠕動變形-整體滑動整個過程，源于庫水位及地下水位變動兩重因素。

2)庫水位升降變化過程中，孔隙水壓力曲線變化與坡體內(nèi)地下水位線變化一致。水位上升階段，孔隙水壓力曲線與坡體內(nèi)水位線都呈升高趨勢，且切線斜率近似。蓄水位暫停階段，兩者都趨于平行穩(wěn)定。水位下降階段，孔隙水壓力曲線與地下水位線呈下降趨勢，且切線斜率也近似相等。水位下降暫停階段，兩者也趨于平行穩(wěn)定。

3)孔隙水壓力和地下水位升降是影響坡體穩(wěn)定性主要兩大因素。水位上升過程中，孔隙水壓力使坡腳土體微裂紋擴展成為裂縫，累積后宏觀變化為前緣坍塌，為中、后部坡體變形提供臨空面。水位下降過程中，土質(zhì)岸坡坡內(nèi)地下水來不及向坡外排泄，形成水力梯度，產(chǎn)生較大動水壓力，嚴重惡化了坡體穩(wěn)定性。

本試驗只考慮了模型尺寸的相似，未考慮材料相似，難以做到與原型精確相似。因此，今后要系統(tǒng)深入的研究，以期達到真實再現(xiàn)原型破壞過程。

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