張 力，瞿 竹，姬同旭

(1.貴州三獨(dú)高速公路建設(shè)有限公司，貴州 獨(dú)山 558200；2. 貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴陽(yáng) 520115)

三峽大壩建成后，由于水位的抬升，改變了坡體的地質(zhì)水環(huán)境，引起大量涉水古滑坡的復(fù)活，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，如2003年7月13日發(fā)生的千將坪滑坡[1]造成了14人死亡，10人失蹤，近1 200人無(wú)家可歸的嚴(yán)重后果，滑坡已成為三峽庫(kù)區(qū)重大的地質(zhì)災(zāi)害之一。研究表明滑坡變形與庫(kù)水位周期性升降存在相關(guān)性[2]，庫(kù)水位的周期性升降不僅造成滑坡體孔隙水壓力的變化，更重要的是，庫(kù)水位的周期性升降使消落帶巖土體長(zhǎng)期處于飽和-干燥-飽和的干濕循環(huán)過程，引起消落帶巖土體強(qiáng)度的弱化，對(duì)滑坡體穩(wěn)定性不利。

部分研究學(xué)者在三峽庫(kù)區(qū)滑坡的影響因素、變形特征、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等方面進(jìn)行了研究，包括庫(kù)水位升降[3-5]、降雨[6-10]等影響因素，“階躍型[11]”、“蠕滑型”等變形特征以及基于R/S分析[12]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[13]等方法的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型。也有部分學(xué)者針對(duì)干濕循環(huán)作用問題，開展了針對(duì)性的研究工作，劉新榮[14]、姜永東[15]、Maximiliano R. Vergara[16]、Mario Camilo Torres-Suarez[17]等對(duì)砂巖、頁(yè)巖、火山巖、泥巖的物理力學(xué)特性進(jìn)行了研究，認(rèn)為周期性的干濕循環(huán)作用會(huì)造成巖體的持續(xù)性損傷，強(qiáng)度降低。上述研究對(duì)象主要為巖石，而針對(duì)土質(zhì)涉水邊坡，也有部分學(xué)者開展了干濕循環(huán)作用下土體力學(xué)特性研究，如江強(qiáng)強(qiáng)[18]等、董金玉[19]等研究了干濕循環(huán)作用下滑帶土的強(qiáng)度特性，但針對(duì)干濕循環(huán)作用下消落帶土體強(qiáng)度特性及其對(duì)坡體穩(wěn)定性的研究相對(duì)較少，鮮有研究將土質(zhì)邊坡的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用到邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算中。因此，本文以消落帶土體為研究對(duì)象，以干濕循環(huán)作用過程模擬巖土體經(jīng)歷的庫(kù)水位周期性升降過程，并對(duì)完成干濕循環(huán)作用后的試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，基于干濕循環(huán)作用下消落帶土體強(qiáng)度弱化特性，開展消落帶土體強(qiáng)度弱化對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響研究。

1 滑坡概況

圖1為三峽水庫(kù)庫(kù)水位隨時(shí)間的變化圖，由于三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)水位在145～175 m間反復(fù)波動(dòng)，形成高差達(dá)30 m的消落帶，如圖2所示。庫(kù)水位的周期性波動(dòng)，將使消落帶巖土體長(zhǎng)期處于干濕循環(huán)的交替狀態(tài)，長(zhǎng)此以往，巖土體的強(qiáng)度將逐漸弱化，對(duì)庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性不利，為量化庫(kù)水位周期性波動(dòng)對(duì)土質(zhì)滑坡體穩(wěn)定性的影響，選取一典型土質(zhì)滑坡體為研究對(duì)象為例進(jìn)行研究。

圖1 庫(kù)水位波動(dòng)圖

圖2 消落帶示意圖

滑坡體為長(zhǎng)江支流歸州河右岸的一典型土質(zhì)順向邊坡，后緣以基巖露頭為界，滑坡體兩側(cè)以沖溝為界，具明顯圈椅狀，平面形態(tài)呈舌型，滑體平均厚度約為40 m，體積為560 萬(wàn)m3，基巖地層為侏羅系上統(tǒng)遂寧組砂巖、泥巖互層，基巖產(chǎn)狀45°<40°，裂隙不發(fā)育?；w主要由含碎石角礫的粉質(zhì)黏土組成，坡平均坡度約19°，臨江段較陡，后部較平緩，典型剖面如圖3所示，消落帶土體如圖4所示。

圖3 典型剖面圖

圖4 消落帶土體

按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)對(duì)土體的基本物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，其天然密度為1.92 g/cm3，天然含水率為16.5%，級(jí)配曲線如圖5所示。

圖5 級(jí)配曲線

2 干濕循環(huán)作用下土體強(qiáng)度特性

2.1 試驗(yàn)過程

庫(kù)水位上升時(shí)，消落帶土體含水量增大，庫(kù)水位下降時(shí)，消落帶土體含水量減少，考慮消落帶巖土體的賦存環(huán)境，以飽和和干燥極端情況在室內(nèi)以干濕循環(huán)作用模擬自然的飽和-干燥-飽和作用過程，以消落帶重塑土體為研究對(duì)象，進(jìn)行干濕循環(huán)作用。首先將土樣風(fēng)干后，使用橡皮錘把土樣碾碎并過2 mm篩，過篩后采用四分法對(duì)角取樣，得到足夠數(shù)量的代表性土樣；然后按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)進(jìn)行直剪試驗(yàn)用樣品的制備。通過抽真空飽和法對(duì)試樣進(jìn)行飽和處理并浸泡24 h，然后采用恒溫鼓風(fēng)干燥箱(溫度設(shè)定為105 ℃)對(duì)試樣進(jìn)行干燥處理至恒重，循環(huán)往復(fù)，完成不同干濕循環(huán)作用次數(shù)(0、1、2、4、8次)飽和樣品的制備工作，然后采用應(yīng)變控制式四聯(lián)直剪儀(圖6)完成不同干濕循環(huán)作用次數(shù)下消落帶土體的直剪試驗(yàn)，法向應(yīng)力設(shè)置為50、100、200、400 kPa。試驗(yàn)過程嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)的要求進(jìn)行，按照試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析，必要時(shí)需進(jìn)行試驗(yàn)的補(bǔ)充工作。

圖6 直剪儀

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照試驗(yàn)方案完成直剪試驗(yàn)之后，獲得了不同干濕循環(huán)作用次數(shù)條件下，不同軸向壓力消落帶土體的應(yīng)力～應(yīng)變曲線，以軸向壓力400 kPa為例進(jìn)行說(shuō)明，如圖7所示。

圖7 土體剪應(yīng)力～剪切位移曲線(400 kPa)

從圖7可以看出，不同干濕循環(huán)作用次數(shù)下，消落帶土體的剪應(yīng)力～剪切位移變化趨勢(shì)無(wú)明顯差異，初始時(shí)增加速度較快，然后增加速度放緩，最后趨于穩(wěn)定。初始增加速率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多而減小，抗剪強(qiáng)度隨干濕循環(huán)作用次數(shù)的增多逐漸降低，表明干濕循環(huán)作用下消落帶土體的強(qiáng)度逐漸弱化。

圖8為土體黏聚力和摩擦角隨干濕循環(huán)作用次數(shù)n的演化規(guī)律。從圖8可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，黏聚力c和摩擦角φ均呈不同程度降低的趨勢(shì)，且其降低趨勢(shì)具非線性特征，干濕循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，土體的黏聚力c和摩擦角φ的降低速度較快，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，黏聚力c和摩擦角φ的降低速度逐漸降低，最后均趨于平穩(wěn)，因此，不同干濕循環(huán)作用次數(shù)下，黏聚力c和摩擦角φ可分別表示為干濕循環(huán)作用次數(shù)n的指數(shù)函數(shù)，擬合度分別為0.995 4和0.992 8。還可以看出，黏聚力c的降低速度明顯大于摩擦角φ的降低速度。

圖8 黏聚力、摩擦角隨干濕循環(huán)作用次數(shù)關(guān)系

以干濕循環(huán)0次，即初始土樣的黏聚力c和摩擦角φ為標(biāo)準(zhǔn)，通過黏聚力c和摩擦角φ的降低幅度與標(biāo)準(zhǔn)值的比值分別計(jì)算不同干濕循環(huán)次數(shù)后土體的弱化程度，圖9為土體的黏聚力c和摩擦角φ的弱化程度隨干濕循環(huán)作用次數(shù)n的關(guān)系，從圖9可以看出，隨著干濕循環(huán)作用次數(shù)的增加，土體的黏聚力c和摩擦角φ的弱化程度逐漸增大，表現(xiàn)為前期損傷速率最快，隨后損傷速率逐漸降低，最后趨于平緩。總體來(lái)講，黏聚力c的弱化程度明顯大于摩擦角φ的弱化程度。

圖9 黏聚力、摩擦角弱化程度

這主要因?yàn)楦蓾裱h(huán)作用過程是土體中水分的滲入和滲出的過程，水分的滲入和滲出一方面造成土樣中細(xì)小顆粒的流失，使土樣的密實(shí)性降低，造成微細(xì)裂紋的伸展和擴(kuò)張；另一方面，水分的滲入和滲出也降低了顆粒與顆粒間的黏結(jié)，顆粒間的團(tuán)聚性遭到破壞，部分團(tuán)粒開始分離，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，顆粒間的團(tuán)聚性遭到破壞，部分團(tuán)粒開始分離，甚至逐漸脫落，散亂地堆落在其他顆粒周圍及孔隙中，表現(xiàn)為土體內(nèi)孔隙數(shù)量增多，孔隙空間增大，結(jié)構(gòu)更趨于疏松。二者的共同作用是干濕循環(huán)作用導(dǎo)致土體黏聚力c和摩擦角φ弱化的根本原因。

干濕循環(huán)作用下，土體黏聚力c和摩擦角φ存在弱化現(xiàn)象，而黏聚力c和摩擦角φ對(duì)坡體的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，因此，黏聚力c和摩擦角φ的弱化對(duì)坡體穩(wěn)定性非常不利。

3 基于強(qiáng)度弱化的邊坡穩(wěn)定性分析

三峽水庫(kù)庫(kù)水位長(zhǎng)期處于145～175 m的周期性蓄降水，因此，可將邊坡巖土體劃分為3個(gè)區(qū)域：①天然條件影響區(qū)域：受降雨等天然條件影響的175 m以上巖土體；②干濕循環(huán)作用區(qū)域：長(zhǎng)期處于周期性干燥-飽和的145～175 m干濕循環(huán)作用區(qū)域巖土體；③浸泡飽和區(qū)域：長(zhǎng)期處于浸泡狀態(tài)的145 m以下區(qū)域巖土體；計(jì)算模型如圖10所示。

圖10 計(jì)算模型

針對(duì)邊坡145～175 m區(qū)域內(nèi)的巖土體長(zhǎng)期處于周期性干濕循環(huán)作用狀態(tài)的實(shí)際情況，采用Geo-slope程序?qū)Σ煌蓾裱h(huán)作用次數(shù)下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，計(jì)算方法選用Morgenstern-Price法，滑面為巖-土界面的指定滑面，計(jì)算庫(kù)水位為175 m。巖土體的計(jì)算參數(shù)設(shè)定如下：①天然條件影響區(qū)域土體的計(jì)算參數(shù)為自然狀態(tài)下土體的實(shí)際強(qiáng)度參數(shù)；②干濕循環(huán)作用區(qū)域土體的計(jì)算參數(shù)選用前述不同干濕循環(huán)作用次數(shù)下土樣的強(qiáng)度參數(shù)；③浸泡飽和區(qū)域土體的計(jì)算參數(shù)參照初始飽和土樣的強(qiáng)度參數(shù)。天然條件影響區(qū)和浸泡飽和區(qū)土體參數(shù)同樣采用直剪試驗(yàn)獲取，如表1所示。

表1 天然條件影響區(qū)及浸泡飽和區(qū)土體參數(shù)

將模型天然條件影響區(qū)域、浸泡飽和區(qū)域分別賦予其巖土體強(qiáng)度參數(shù)，并將不同干濕循環(huán)作用次數(shù)(0、1、2、4、8次)下土體強(qiáng)度參數(shù)賦予干濕循環(huán)作用區(qū)域土體，分別計(jì)算并獲得干濕循環(huán)作用下滑坡體的安全系數(shù)F，如圖11所示。

圖11 安全系數(shù)

從圖11可以看出，在0次干濕循環(huán)作用后，滑坡體的安全系數(shù)為1.08，滑坡體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，滑坡體的安全系數(shù)逐漸減小，穩(wěn)定性逐漸降低?；麦w安全系數(shù)F隨干濕循環(huán)作用次數(shù)n的增加呈非線性降低趨勢(shì)，其變化趨勢(shì)可采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行描述，擬合度為0.994 3。在干濕循環(huán)作用區(qū)域土體經(jīng)歷1次干濕循環(huán)作用后，滑坡體穩(wěn)定性由基本穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展為欠穩(wěn)定狀態(tài)，之后，逐漸發(fā)展至不穩(wěn)定狀態(tài)，由此可見，滑坡體穩(wěn)定性的降低，主要是由于消落帶區(qū)域的土體強(qiáng)度在周期性的干濕循環(huán)作用下發(fā)生弱化，進(jìn)而影響了滑坡體整體穩(wěn)定性，對(duì)滑坡體的穩(wěn)定性不利。結(jié)合圖8巖土體力學(xué)參數(shù)c、φ劣化規(guī)律可以看出，干濕循環(huán)作用對(duì)巖土體力學(xué)性質(zhì)及岸坡穩(wěn)定性影響主要集中在前2次干濕循環(huán)作用，之后起變化趨于穩(wěn)定，因而在實(shí)際庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工作中應(yīng)特別關(guān)注水庫(kù)蓄水后的前幾個(gè)水文年內(nèi)岸坡的變形和穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)涉水邊坡消落帶土體長(zhǎng)期處于周期性飽和-干燥-飽和的現(xiàn)狀，采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)涉水滑坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

(1)消落帶土體的黏聚力c、摩擦角φ隨干濕循環(huán)作用次數(shù)n的增加呈非線性降低趨勢(shì)，二者的降低趨勢(shì)均可采用指數(shù)型函數(shù)描述，擬合度高。

(2)隨著干濕循環(huán)作用次數(shù)n的增加，消落帶土體的弱化程度逐漸增大，干濕循環(huán)作用主要通過水分的滲入和滲出過程，造成土體內(nèi)部微裂隙的擴(kuò)張，顆粒間作用力減弱，進(jìn)而引起土體強(qiáng)度的弱化。

(3)消落帶土體強(qiáng)度的弱化對(duì)滑坡體穩(wěn)定性具有顯著的不利影響，邊坡安全系數(shù)F隨著干濕循環(huán)次數(shù)n的增加呈非線性降低趨勢(shì)，可采用指數(shù)型函數(shù)描述，擬合程度高。

(4)當(dāng)前庫(kù)區(qū)岸坡加固削坡、抗滑樁、錨桿等工程措施進(jìn)行處置，而很少對(duì)消落帶區(qū)域進(jìn)行處理，使得許多已加固的岸坡在水位波動(dòng)條件下仍存在較大的變形，庫(kù)水對(duì)消落帶的巖土體的影響可能是岸坡變形穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一。