李松林， 湯明高， 許 強， 付小林

(1.成都理工大學 地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室， 四川 成都 610059；2.中國地質環(huán)境監(jiān)測院 三峽地質災害監(jiān)測中心， 湖北 宜昌 443000)

三峽庫區(qū)歷來是滑坡十分發(fā)育的地區(qū)之一，在庫區(qū)內(nèi)的長江干、支流兩岸分布著2 600余處古老滑坡[1].2008年175 m試驗性蓄水時復活滑坡數(shù)量更是達到了歷史最大值[2].隨著長江經(jīng)濟帶發(fā)展和庫區(qū)地質環(huán)境保護越來越受到重視[3]，水庫蓄水誘發(fā)滑坡的復活變形特征與機理，特別是水庫運行多年后滑坡的長期變形演化趨勢等還有待深入研究.其中浮托減重型滑坡主要受庫水位上升影響，其變形往往是在汛期后的蓄水階段，多屬于大型滑坡，影響較大且機理復雜，但目前在水庫誘發(fā)滑坡研究中對于浮托減重型滑坡的相關研究較少.

庫岸滑坡變形特征和機理目前仍主要以模型試驗研究為主，其中離心模型試驗具有不可比擬的優(yōu)勢，是能用離心慣性力場來模擬重力場，再現(xiàn)滑坡所處的應力場，因此近年來運用較為廣泛.如在降雨型滑坡中，更真實地揭示降雨強度及入滲規(guī)律對滑坡的影響[4-5].在水庫誘發(fā)滑坡中，運用離心試驗主要研究了水位下降條件下滑坡變形破壞機制和土體物理力學特性變化，如水位下降導致的牽引式滑坡變形模式[6]以及不同部位變形特征[7]等，總體上相關研究不是很多.綜上所述，離心模擬試驗在水庫誘發(fā)滑坡變形特征和機理的相關研究仍較少，而對于水庫水位上升誘發(fā)變形的浮托減重型滑坡則更為少見.本文以三峽庫區(qū)中典型的浮托減重型滑坡木魚包滑坡為參考原型,大尺寸離心滑坡模型系統(tǒng)，模擬了在水位上升條件下該滑坡的變形演化過程，通過獲取的高清影像、孔壓和土壓數(shù)據(jù)，分析其變形特征和機制，為同類庫岸滑坡的防控提供了一定參考依據(jù).

1 岸坡原型

浮托減重型滑坡的復活變形多發(fā)生在庫水位上升階段，在水位下降階段變形較弱甚至不變形，主要由其獨特的工程地質結構特征所影響，如靠椅形滑動面形態(tài)，其中后部主要為下滑段，前部為抗滑段，典型滑坡如木魚包滑坡，滑坡滑體縱長1 500 m，均寬約1 200 m，面積180萬m2，體積約9 000萬m3，巖層產(chǎn)狀為25°∠27°，為中傾外層狀斜坡，滑坡的典型剖面如圖1所示.

根據(jù)滑坡現(xiàn)場地表位移監(jiān)測資料(圖2)分析，木魚包滑坡變形與三峽庫水位有著顯著的相關性，且主要集中在每年的11月至次年的3月，即水庫水位上升和高水位運行時期，月位移量可達20 mm，而在4～10月期間，月位移量均較小，汛期(即4～9月)位移一般在10 mm以下，因此累計位移呈典型的“階躍”狀特征[8].

2 試驗方案

2.1 試驗原理

土工離心模型試驗是基于用離心慣性力場來模擬重力場的原理，通過施加在模型上的離心力將模型容重變大，從而使模型中各點的應力趨近于原型.對于模型幾何尺寸相似比(原型/模型)為n的離心模型，可根據(jù)模型試驗相似理論，導出得到主要的物理力學參數(shù)的相似比關系，如表1所示.

2.2 試驗設備與裝置

本次試驗均在成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室內(nèi)完成，采用該實驗室內(nèi)的TLJ-500型土工離心機，其最大重度500gt，有效旋轉半徑4.5 m，擁有80通道靜態(tài)和32通道動態(tài)數(shù)據(jù)采集，8路攝像機視頻監(jiān)視系統(tǒng)，主要構件如圖3所示.

表1 離心模型與原型的相似比(原型/模型為n)

2.3 試驗模型尺寸

模型尺寸確定主要依據(jù)滑坡原型與模型的相似比，并參考離心機容量及模型箱尺寸等因素.本文研究針對三峽庫區(qū)中木魚包滑坡這類浮托減重型滑坡[9]，箱體尺寸為長×寬×高=1.2 m×1.0 m×1.2 m，滑體及滑床尺寸等如圖4所示.

2.4 模型材料與制作

2.4.1 滑床及滑體材料

本次試驗的滑床設計為不滲水或弱滲水的剛性體，采用水泥砂漿與磚塊堆砌而成.滑體土取自三峽庫區(qū)滑坡體現(xiàn)場土體，為侏羅系沙溪廟組的紫紅色粉質黏土夾碎石，為消除尺寸效應需對其進行剔除，采用等量替代法置換超粒徑顆粒，替代后的各粒徑組含量計算公式為

(1)

其中：Pi為替代后粗粒土某粒徑質量分數(shù)，%；P5為大于5 mm粒徑土的質量分數(shù)，%；Pdmax為超粒徑顆粒質量分數(shù)，%；Poi為原級配某粒徑組質量分數(shù)，%.對現(xiàn)場取回的土體經(jīng)過剔除超粒徑顆粒后，得到模型填料的顆粒級配曲線如圖5所示.

根據(jù)離心模擬試驗的相似性原理，需配置與表1中所列相似比參數(shù)相符合的試驗土體材料，依據(jù)相似比原理選定符合試驗要求的配置方案.通過上述配置試驗，配置了符合要求的土體材料229 kg，其天然含水率為14%，密度為2.1 g·cm-3，其他各項物理力學指標如表2所示.

表2 模型土體物理力學參數(shù)

2.4.2 模型制作

制作模型前先在模型箱透明玻璃一側粘貼透明網(wǎng)格紙，在金屬板一側粘貼滑坡剖面設計圖紙.堆砌滑體時，采用分層填筑法，每層滑體堆砌高度為4 cm，首先稱量所需的土體和水，通過噴霧壺使水與土體均勻混合，然后將其均勻鋪設并使用夯板按設計的夯擊路線夯實至預定層高，當滑體填筑至傳感器及標記點高程時，測量并埋設好相應的監(jiān)測裝置.

2.5 監(jiān)測系統(tǒng)

本次試驗的監(jiān)測項目主要包括滑坡體內(nèi)的孔壓、土壓、滑坡位移和水位高程.滑坡體內(nèi)孔壓和土壓監(jiān)測主要依靠布設在滑體內(nèi)的5支微型孔隙水壓力傳感器和6支微型土壓力傳感器，另在模型的河道中布設一支孔壓傳感器以監(jiān)測水位高程變化.滑坡位移則通過布設在模型箱上方和側面的兩臺高速攝像機獲取高清影像.

2.6 試驗工況

試驗加速度按每20g逐級加載，每級運行一定時間后再加載至下一級.本次試驗持續(xù)時間1 928 s，加速度分3次加載，最高加載至50g，蓄水高度為31.9 cm，試驗加速度加載和水位變化如圖6所示.

3 試驗結果

3.1 裂縫分期配套演化

在試驗中滑坡發(fā)生了兩次明顯的變形.經(jīng)過對比分析模型箱側面及坡面正上方的高清圖像，在第一次變形過程中，滑坡變形演化及其裂縫分期配套形成過程可劃分為3個階段：

1) 初始變形階段.第150 s時，水位上升至11 cm處，開始淹沒滑坡坡腳，第400 s時，滑坡出現(xiàn)變形跡象，隨后滑體中部坡表先后出現(xiàn)兩條大致平行于坡體走向的拉張裂縫L1和L2(如圖7a所示).

2) 加速變形階段.隨著庫水位繼續(xù)上升，中部兩條裂縫L1,L2迅速擴展貫通，同時前部裂縫不斷延伸產(chǎn)生次級裂縫L3，而在坡體后部也迅速新增產(chǎn)生橫向張拉裂縫L4，形成拉張應力區(qū)(如圖7b所示).

3) 減速變形階段.隨著滑坡加速變形階段的一次劇烈下蠕滑，第500 s后滑坡變形速率逐漸減緩，而沒有進入到整體下滑失穩(wěn)階段，并在第560 s時滑坡變形逐漸停止，無明顯變形跡象產(chǎn)生.

隨后水位繼續(xù)升高，滑坡未產(chǎn)生變形，直到水位上升淹沒滑體前部，庫水灌入平臺上裂縫并滲入滑體內(nèi)部，滑坡在第1 100 s產(chǎn)生第二次變形.滑坡后部L4拉裂縫迅速擴張，裂縫以下整體沿滑動帶向前推移變形，前緣中部產(chǎn)生壓應力集中現(xiàn)象，地表再次產(chǎn)生隆起，隆起裂縫不斷擴展，變形一直持續(xù)到第1 200 s，隨后變形逐漸減弱，并在第1 300 s時變形停止，滑坡最終破壞后剖面形態(tài)如圖8a所示.

3.2 變形位移分析

通過獲取的高清影像，基于Matlab中圖形用戶界面GUI開發(fā)的PIV分析工具[10]，對不同時段高清影像中的標志點和土顆粒運移軌跡及位移速率等信息進行提取分析，可得到滑坡位移矢量場，通過追蹤位移標志點(如圖8a所示)，得到各監(jiān)測點的累計位移隨時間變化特征，如圖8b所示.

由圖可知滑坡累計位移曲線呈明顯的“階躍狀”特征，這也與現(xiàn)場原型滑坡的累計位移曲線變化特征十分吻合.滑坡模型分別在400～600 s 和1 100～1 300 s之間發(fā)生了兩次明顯的階躍，且第一次變形量較大，地表位移達20 mm，第二次位移約10 mm.變形“力源”主要來自滑體中后部的下滑段，其推擠滑體前部抗滑段的巖土體產(chǎn)生滑移變形，因此中后部受前部阻擋，產(chǎn)生的變形量小于前部平臺.

得到滑坡剖面的整體位移矢量場如圖9所示，同樣顯示第一次滑體位移量較大，而第二次變形有所減弱，且在第一次滑動過程中，滑體前部除了有水平向前的位移外，還有豎向垂直的位移變形，即滑體存在垂直固結壓密行為，滑體前部原始坡面線下降主要發(fā)生在第一次變形.

3.3 孔壓變化

各傳感器布設如圖10所示.滑坡體內(nèi)各部位的孔隙水壓力變形如圖11所示，第340 s時，水位上升至14 cm處，前部滑帶處孔隙水壓力響應上升，P1與P3首先開始響應逐漸增大，且P3上升速率較快，表明庫水水平入滲條件較好.第430 s時，水位上升至15 cm處，滑坡已出現(xiàn)變形，500 s后滑坡變形逐漸停止，隨水位持續(xù)升高，各孔壓也繼續(xù)上升，但增大幅度不大.分析認為與滑坡變形導致土體固結壓密等因素有關，P1與P5增大幅度較其他孔壓大，P1有一微小幅度上升，P5則保持緩慢上升趨勢.隨后在第1 100 s，滑坡再次產(chǎn)生變形并持續(xù)到1 200 s，隨后孔壓P3和P5仍持續(xù)增大，一直增加到1 490 s，P5增加幅度約13 kPa，P3增加幅度約11 kPa.

3.4 土壓變化

5支土壓力曲線變化見圖12，S4被滑坡變形扯斷.在加速度逐漸增加的過程中，土壓S1,S3,S5響應較快，隨加速度增加而增大.第480 s后，土壓S6迅速增大，分析認為是由于滑坡向下滑動導致S6處土體應力集中，致使土壓力值上升，第560 s后，隨著滑坡變形停止，S6逐漸穩(wěn)定并呈緩慢上升趨勢，同樣在第1 150 s時，加速度與水位處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，此時滑坡發(fā)生持續(xù)變形，S6持續(xù)增大，并隨著變形減弱而逐漸趨于穩(wěn)定，表明該區(qū)域是滑坡下滑時的壓應力集中區(qū).土壓S3隨著滑坡變形而出現(xiàn)了明顯下降，分析認為由于滑坡滑動過程中，原上覆厚層土體被推動擠壓向前滑動，產(chǎn)生裂縫并導致應力累積釋放，且新的上覆土體厚度減小，因此土壓力有所降低，在滑坡體前部的S1,S2和S3土壓力中也有同樣變化趨勢.

3.5 含水率分布

試驗結束后的30 min內(nèi)，在滑坡各部位取樣共計18處，典型的含水率值及取樣位置如圖13中數(shù)字標注處所示.總體上看，未涉水區(qū)的土體含水率有所下降，受模型轉動過程中的風干影響，坡表含水率低于坡體深部，含水率等值線呈下凹狀，表明坡體內(nèi)部水分有向坡體深部和坡外滲流的特征；而最高水位線附近土體含水率逐漸變?yōu)樾敝本€，在前緣平臺處則演變?yōu)樯贤範?，平臺土體中部含水率最高，達到了20%以上，由此可見庫水淹沒前緣平臺后，不僅存在垂直入滲，在兩側也存在水平入滲模式，導致含水率云圖呈隆起狀.

3.6 變形演化機制

由上述試驗結果可知，在水庫蓄水后，由于庫水滲入到滑動帶部位，坡內(nèi)水位抬升，對前部平臺滑體產(chǎn)生了向上的浮托力，這從水位上升淹沒滑坡不久后孔壓逐漸增大可以得到驗證.因此前部滑體的正應力降低，從而導致抗剪強度降低，而前部平臺是滑坡的主要抗滑部分，從而導致滑坡整體穩(wěn)定性下降.坡體中后部下滑推動前部滑移，并在前部出現(xiàn)壓應力集中并產(chǎn)生隆起現(xiàn)象，呈典型的推移式滑動模式.

變形均持續(xù)一定時間后逐漸停止而達到穩(wěn)定狀態(tài)，因此滑坡地表累計位移呈典型的“階躍狀”特征，隨深度增加位移量逐漸減小.其變形特性可用開爾文黏彈性體模型表示，在施加初始荷載后，變形過程會經(jīng)歷初始變形再到加速變形到減速變形的衰減蠕變特征.

在滑坡變形過程中，不僅僅存在滑坡整體沿滑帶滑動，滑體本身也存在豎直向的固結壓密，該過程在滑坡第一次變形中尤為明顯.因此地表的位移往往大于滑帶處的位移，從地表到滑帶隨深度增加變形逐漸減弱，如圖14所示.

4 結 論

1) 在庫水位上升淹沒滑坡約4 cm時，發(fā)生了第一次明顯變形，滑坡變形經(jīng)歷了從初始變形到加速變形最后減速變形的過程，地表位移約20 mm，變形呈典型階躍狀，隨后繼續(xù)上升淹沒滑坡19 cm高度時發(fā)生第二次明顯變形，地表位移約10 mm.

2) 滑坡變形為中后部滑體沿滑動帶向前推移變形，前部出現(xiàn)壓應力集中現(xiàn)象，地表不斷產(chǎn)生隆起，呈典型推移式滑動.在兩次明顯變形后，滑坡均再次達到相對穩(wěn)定狀態(tài)，滑坡模型變形特征與實際原型變形特征較為吻合.

3) 滑坡發(fā)生復活變形的主要誘發(fā)機制為庫水上升滲入坡體產(chǎn)生浮托力，從而降低滑體前部主要抗滑段的正應力，致使滑坡抗滑段的抗剪強度降低誘發(fā)變形.而滑坡變形逐漸停止的主要原因是滑坡體在變形過程中存在自身的固結壓密過程，以及下滑后滑坡的勢能損失.

4) 在庫水入滲滑體時，由于滑體前部存在鼓脹隆起現(xiàn)象，因此前部坡體內(nèi)水平狀裂隙較為發(fā)育，導致庫水的水平滲流通道較好，從而坡體中部的孔壓增幅較大，滑后的坡體含水率云圖也顯示前部淹沒區(qū)的土體含水率呈上凸的山包狀分布.