庫水長期升降作用下庫岸邊坡穩(wěn)定性研究

鄧成進(jìn)1，2，王孔偉3，袁秋霜1，2，賈巍1,2

(1.中國水電工程顧問集團(tuán) 西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安710065；2.國家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心

高邊坡與地質(zhì)災(zāi)害研究治理分中心，西安710065；3. 三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌443002)

摘要：選取三峽庫區(qū)典型庫岸的砂巖進(jìn)行“浸泡-風(fēng)干”循環(huán)試驗(yàn)，模擬庫水升降條件對(duì)庫區(qū)水位變幅區(qū)巖石強(qiáng)度的影響。根據(jù)巖石試驗(yàn)結(jié)果和巖體RMR法推算出經(jīng)歷不同水位條件下巖體參數(shù)劣化規(guī)律，并通過數(shù)值模擬研究變幅區(qū)砂巖的劣化對(duì)庫岸典型滑坡區(qū)庫岸穩(wěn)定性的影響，分析庫岸邊坡在庫水長期作用下演化規(guī)律。研究表明：水位升降過程對(duì)變幅區(qū)巖體質(zhì)量的劣化作用較為明顯，會(huì)導(dǎo)致庫岸邊坡破壞的時(shí)間大為縮短；庫岸坍塌破壞過程與此類滑坡穩(wěn)定性有直接的聯(lián)系，可能最終會(huì)導(dǎo)致此類滑坡復(fù)活。研究成果可為庫區(qū)內(nèi)此類滑坡長期穩(wěn)定性分析提供參考。

關(guān)鍵詞：庫岸邊坡；浸泡-風(fēng)干試驗(yàn)；庫水位變幅區(qū)；滑坡復(fù)活；巖體RMR法

中圖分類號(hào)：P642文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1研究背景

三峽庫區(qū)蓄水后， 庫區(qū)庫岸水位變幅區(qū)的巖體將受到長期的“飽水-風(fēng)干”循環(huán)作用， 使巖體產(chǎn)生漸進(jìn)式破壞和不同程度的劣化[1-2]， 很可能使穩(wěn)定的庫岸邊坡朝不穩(wěn)定方向發(fā)展。 目前， 崔政權(quán)等[3-5]詳細(xì)研究了三峽庫區(qū)蓄水后水-巖作用對(duì)典型滑坡穩(wěn)定性的影響， 為研究蓄水后庫區(qū)滑坡的穩(wěn)定性提供了參考依據(jù)。 而針對(duì)水-巖作用機(jī)制等內(nèi)容的諸多研究成果， 主要集中在不同飽和狀態(tài)、 不同pH值及不同化學(xué)溶液條件下巖石的強(qiáng)度及變形特征， 以及其強(qiáng)度隨浸泡時(shí)間變化和破壞形態(tài)等方面[6-8]， 較少深入研究“飽水-風(fēng)干”對(duì)庫區(qū)水位變幅區(qū)巖體的長期作用過程， 以及水壓力“楔入”作用下巖體的長期劣化規(guī)律對(duì)庫岸滑坡穩(wěn)定性的影響。

本文研究的庫岸邊坡距三峽大壩47～64 km，該庫區(qū)岸段密集分布8個(gè)規(guī)模不一的滑坡，組成三峽庫區(qū)內(nèi)一個(gè)典型滑坡群，且為典型擠壓—推移—剪切破壞類型順層滑坡。本文重點(diǎn)針對(duì)該區(qū)域其中一個(gè)典型滑坡，研究庫區(qū)水位變幅區(qū)巖體劣化對(duì)庫岸邊坡長期穩(wěn)定性的影響，為三峽庫區(qū)庫岸邊坡長期穩(wěn)定分析提供參考依據(jù)。

2滑坡基本情況

滑坡位于長江右岸，兩側(cè)以溝為界，平面似一個(gè)“漏斗”，“漏斗”進(jìn)口面向長江，高程135 m，寬約1 450 m，漏斗出口位于滑坡后緣北端，最高標(biāo)高520 m，兩側(cè)溝大體近南北向延伸，后緣滑壁平直光滑，長約數(shù)百米，滑坡體方量總約9 000萬m3。

滑床主要由香溪組中、下級(jí)地層組成，順層滑動(dòng)部分滑床以香溪組炭質(zhì)粉砂巖為主；切層巖體由層狀石英砂巖、含礫石英砂巖構(gòu)成?；碌刭|(zhì)剖面見圖1，滑坡滑床的上部與巖層面一致，呈直線，傾角21°～25°，下部滑床頂面變緩?；w順層滑動(dòng)的滑帶由軟弱的煤系地層構(gòu)成，滑坡的前部為切層滑動(dòng)，形成滑面較緩，有著明顯的阻滑作用。

圖1　滑坡地質(zhì)剖面 Fig.1　Geological profile of landslide

3庫水作用下巖石試驗(yàn)研究

本文通過試驗(yàn)研究變幅區(qū)巖石強(qiáng)度隨庫水位不斷升降的劣化規(guī)律，巖石浸泡試驗(yàn)采用YRK-1巖石溶解試驗(yàn)儀。由于砂巖在該岸坡巖組中占較大比例，試驗(yàn)的試樣均取自該滑坡體前部砂巖。

試驗(yàn)考慮3種水位升降(變幅深度)及浸泡方案，并模擬變幅區(qū)巖體經(jīng)歷的庫水升降過程，方案見圖2。其中，試驗(yàn)儀器最大水壓分別為：①0.8 MPa水壓，相當(dāng)于庫區(qū)80 m水位變幅；②0.4 MPa水壓，相當(dāng)于庫區(qū)40 m水位變幅；③0 MPa水壓，相當(dāng)于常規(guī)的巖石“浸泡-風(fēng)干”循環(huán)試驗(yàn)。3種方案的試驗(yàn)過程一致：每期試樣在水中浸泡30 d，前10 d均勻上升到設(shè)計(jì)水位，中間10 d水位穩(wěn)定期，后10 d為水位下降期。同時(shí)，對(duì)每一期“浸泡-風(fēng)干”之后的試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，共進(jìn)行6期(循環(huán)6次)試驗(yàn)，浸泡后各期巖石試驗(yàn)強(qiáng)度和變形模量見表1。

圖2　庫水升降作用下巖石浸泡方案 Fig.2　Plan of rock immersion under reservoir water level fluctuation 表1　巖石強(qiáng)度和變形模量試驗(yàn)結(jié)果 Table 1　Test results of rock strength and deformation modulus

循環(huán)次數(shù)不同水壓下的單軸抗壓強(qiáng)度/MPa不同水壓下的變形模量/GPa0.8MPa0.4MPa0MPa0.8MPa0.4MPa0MPa045.9845.9845.983.263.263.26148.2641.6937.543.512.772.30237.2333.0033.522.271.791.85330.9229.9430.921.561.451.56429.0728.9629.391.351.341.39528.5128.6428.721.291.301.31628.1028.5128.591.261.291.28

由表1可知，隨著巖石經(jīng)歷“浸泡-風(fēng)干”循環(huán)次數(shù)的增加，巖石強(qiáng)度和變形模量整體上均呈不斷降低的趨勢(shì)。經(jīng)歷第6次循環(huán)試驗(yàn)后，0.8 MPa水壓條件下巖石劣化程度最高，強(qiáng)度值約為初始值的61.1%，變形模量為初始值的38.6%。

在不同水壓條件下，巖石經(jīng)歷“浸泡-風(fēng)干”循環(huán)試驗(yàn)后其質(zhì)量劣化的變化規(guī)律并不一致。在常壓條件下(0 MPa水壓)，經(jīng)歷1次循環(huán)后巖石質(zhì)量迅速劣化，其強(qiáng)度為初始值的81.6%，變形模量為初始值的70.6%，而后單次循環(huán)對(duì)巖石影響變小。在0.4和0.8 MPa水壓條件下，巖石在經(jīng)歷1～2次循環(huán)后，其強(qiáng)度下降卻并不明顯，在經(jīng)歷3～4次循環(huán)時(shí)巖石強(qiáng)度迅速降低，而后變化速率變慢，其中在0.8 MPa水壓條件下，巖石強(qiáng)度降低更快。

4庫水壓力長期作用下巖體參數(shù)的確定

為了得到庫岸變幅區(qū)巖體參數(shù)劣化規(guī)律，假定在庫水作用下庫岸巖體變形模量與巖石變形模量的變化規(guī)律一致，根據(jù)巖體變形模量與RMR的關(guān)系[9]，可推求巖體RMR值變化規(guī)律。通過巖體RMR確定巖體參數(shù)初始值，最終得到不同“浸泡-風(fēng)干”循環(huán)次數(shù)作用下巖體c和φ值變化規(guī)律。

根據(jù)地質(zhì)資料，依據(jù)RMR值評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出修正后的初始RMR值為26，根據(jù)該RMR值估算巖體變形參數(shù)E及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)m，s值，計(jì)算巖體初始參數(shù)：黏聚力c0=0.617 MPa，內(nèi)摩擦角φ0=43.3°。根據(jù)巖體RMR變化規(guī)律，推求出每次循環(huán)后巖體的c和φ值，并采用相應(yīng)公式對(duì)巖體c和φ值變化規(guī)律進(jìn)行擬合，擬合公式[10]為

(1)

式中：N表示期次；y為期次N對(duì)應(yīng)的c或φ值；y0為初始的c0或φ0值；a，b均為擬合系數(shù)。通過擬合公式可計(jì)算出不同水壓(水位變幅)條件下，不同循環(huán)次數(shù)N的變幅區(qū)巖體內(nèi)摩擦角、黏聚力變化情況，見圖3。

圖3　擬合后內(nèi)摩擦角和黏聚力的變化情況 Fig.3　Variations of internal friction angle and cohesion of rock mass according to fitting formula

由圖3可知，在不考慮庫水位變幅條件(0 MPa壓力)條件下，前期巖體參數(shù)下降較快，其中在經(jīng)歷1次浸泡后巖體內(nèi)摩擦角下降9%，黏聚力下降10.8%，而后單次循環(huán)對(duì)巖體參數(shù)影響較小，這與文獻(xiàn)[10]常規(guī)的風(fēng)干-飽和循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果較為接近。但在考慮水位變幅作用(0.4和0.8 MPa水壓)后，前期變幅區(qū)巖體參數(shù)的劣化不明顯，而后期巖體參數(shù)劣化速度較快；而且?guī)靺^(qū)水位變幅深度越大，變幅區(qū)巖體參數(shù)劣化也越為明顯。

5滑坡在庫水長期作用下穩(wěn)定性分析

5.1　計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

采用FLAC3D對(duì)該滑坡進(jìn)行建模，本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，模型長1 926 m，高1 028 m，網(wǎng)格剖分采用四邊形或三角形網(wǎng)格(見圖4)，共有單元5 640個(gè)，節(jié)點(diǎn)11 612個(gè)，模型底邊和側(cè)邊法線方向約束。根據(jù)三峽庫區(qū)蓄水后水位升降特點(diǎn)，庫岸變幅區(qū)30 m巖體經(jīng)受“飽和-風(fēng)干”作用，根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行插值取30 m水位變幅條件(0.3 MPa)下巖體參數(shù)的劣化規(guī)律，得出不同水位升降作用次數(shù)N對(duì)應(yīng)的巖體力學(xué)參數(shù)?；麦w物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

圖4　模型單元網(wǎng)格 Fig.4　Element subdivision

表2　滑坡巖體物理力學(xué)參數(shù) Table 2　Physico-mechanical parameters of slope rock mass

5.2　蓄水后滑坡穩(wěn)定性分析

通過計(jì)算得出各個(gè)循環(huán)次數(shù)下的滑坡塑性區(qū)及水平位移變化情況(見圖5、圖6)，以分析庫水位周期性升降對(duì)滑坡長期演化過程的影響。同時(shí)，在FLAC3D中計(jì)算滑坡在175 m正常蓄水位條件下的穩(wěn)定安全系數(shù)，以評(píng)價(jià)和分析滑坡目前的穩(wěn)定狀態(tài)。采用強(qiáng)度折減法計(jì)算得出該滑坡安全系數(shù)為1.46，有一定的安全裕度?；滤苄詤^(qū)分布見圖5(a)(循環(huán)1次)，塑性區(qū)并未貫通，只有水下部分滑帶均呈塑性屈服狀態(tài)，表明蓄水后滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5　經(jīng)歷多次循環(huán)后滑坡塑性區(qū)分布 Fig.5　Distribution of plastic zone of landslide after cycles

圖6　經(jīng)歷多次循環(huán)后滑坡水平位移 Fig.6　Horizontal displacement of landslide after cycles

5.3　滑坡長期演化規(guī)律分析

由圖5(b)可知，蓄水之后到80次循環(huán)之間，隨著滑坡前部變幅區(qū)巖體質(zhì)量不斷劣化，變幅區(qū)巖體塑性區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，而滑帶的塑性區(qū)范圍不斷減少；經(jīng)歷80次循環(huán)后，隨著變幅區(qū)巖體塑性區(qū)范圍的擴(kuò)大，滑帶塑性區(qū)范圍也逐漸增大；由圖5(d)可見,在經(jīng)歷98次循環(huán)后，滑坡前緣部位已經(jīng)完全破壞，前部滑體對(duì)滑坡的支撐阻滑作用明顯減弱，滑帶塑性區(qū)已經(jīng)完全貫通。

由圖6(a)、(b)可知，蓄水后至10次循環(huán)之間，滑坡最大水平位移為30～50 mm；而后至95次循環(huán)(圖6(c))，滑坡前部最大水平位移逐漸增至100 mm；在經(jīng)歷98次循環(huán)作用后(圖6(d))，滑坡前緣部位位移產(chǎn)生突變，滑坡最大水平位移約為1 000 mm，表明滑坡前緣部位已經(jīng)完全破壞，且滑坡體出現(xiàn)明顯的整體位移，表明滑坡可能復(fù)活。

綜上所述，隨著循環(huán)次數(shù)增加，庫岸變幅區(qū)巖體不斷劣化，最終在經(jīng)歷98次循環(huán)后，滑坡前部巖體軟化、坍塌、破壞，滑帶塑性區(qū)貫通，滑坡體出現(xiàn)明顯的整體位移，滑坡重新復(fù)活。此時(shí)巖體參數(shù)c0=0.26 MPa，φ0=17.2°，由計(jì)算可知，此參數(shù)相當(dāng)于未考慮水位變幅條件下循環(huán)202次、40 m水位變幅下循環(huán)81次、80 m水位變幅下循環(huán)21次時(shí)的巖體參數(shù)。表明庫水位升降過程加劇原有水-巖作用，導(dǎo)致庫岸邊坡破壞的時(shí)間大為縮短，對(duì)該區(qū)域的滑坡長期穩(wěn)定性構(gòu)成極大的危害。

6結(jié)論

(1) 該滑坡為三峽庫區(qū)內(nèi)一個(gè)典型的擠壓—推移—剪切破壞類型順層滑坡，前部為切層滑動(dòng)，滑面較緩，有著明顯的阻滑作用。蓄水后該滑坡水位變幅區(qū)的巖體經(jīng)歷著長期“浸泡-風(fēng)干”循環(huán)作用，水壓力的“楔入”作用造成巖體劣化，庫岸巖體破壞，極有可能引起此類型的滑坡重新復(fù)活。

(2) 巖石浸泡試驗(yàn)結(jié)果可知，在水壓作用前期試驗(yàn)過程中，巖石質(zhì)量劣化并不明顯，而到后期其質(zhì)量劣化速度加快，最終巖石強(qiáng)度更低，表明水位升降過程對(duì)變幅區(qū)的巖石質(zhì)量劣化作用較為明顯，加劇水-巖作用過程。通過巖體RMR法推算出不同條件、經(jīng)歷不同循環(huán)次數(shù)N后的內(nèi)摩擦角、黏聚力的變化情況。研究表明，考慮水位變幅條件下前期參數(shù)劣化較慢，但在后期劣化較快，水位變幅深度越大，巖體參數(shù)劣化程度也越大。

(3) 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，滑坡體前部水位變幅區(qū)巖體塑性區(qū)擴(kuò)展與滑坡穩(wěn)定性有著密切關(guān)系，庫岸坍塌過程與滑坡穩(wěn)定性有直接的聯(lián)系：隨著變幅區(qū)巖體持續(xù)軟化，經(jīng)歷98次循環(huán)后，變幅區(qū)的巖體全部坍塌，滑坡體出現(xiàn)明顯的整體位移，塑性區(qū)貫通，此時(shí)滑坡重新復(fù)活。

上述研究表明，庫水位升降過程加劇原有水-巖作用，導(dǎo)致庫岸破壞的時(shí)間大為縮短，對(duì)區(qū)域滑坡群的長期穩(wěn)定性構(gòu)成極大的危害。

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(編輯：黃玲)

Stability of Reservoir Slope under RepetitiveVariation of Reservoir Water Level

DENG Cheng-jin1,2，WANG Kong-wei3，YUAN Qiu-shuang1,2，JIA Wei1,2

(1.Hydro China Xibei Engineering Corporation，Xi’an710065，China；2.High Slope and Geological Hazard Research Treatment Division of China Hydropower Technology Research and Development Center，Xi’an710065，China；3.College of Civil Engineering and Architecture，China Three Gorges University，Yichang443002，China)

Abstract:The influence of reservoir water level on rock strength in the water level variation zone was researched through immerse-dry test on sandstone collected from typical bank slope in Three Gorges Reservoir area. The degradation of rock mass parameters in the presence of different water levels was deduced by using the test results and RMR method. Furthermore, the impact of rock degradation in the variation zone on the stability of a typical landslide in the Three Gorges Reservoir Area was analyzed through numerical simulation. Results reveal that the increase and drawdown of water level has obvious deterioration effect on rock mass, and shortens the time of bank slope failure. The reservoir bank collapse is directly related with the landslide stability and may cause the reliving of landslide. This research is a reference for analyzing the long-term stability of landslide in the reservoir area.

Key words: bank slope of reservoir; immerse-dry test; variation zone of reservoir water level; landslide relive; RMR method