肖捷夫 李云安 蔡浚明

(中國地質大學(武漢)，武漢 430074，中國)

0 引 言

長江三峽庫區(qū)兩岸分布2619處涉水古、老滑坡，其中700多處在水庫蓄水運營后有復活跡象，庫岸滑坡變形破壞成為庫區(qū)人民正常生產生活的重大安全隱患(陳劍等，2005；湯明高等，2019)。庫水位漲落對滑坡穩(wěn)定性的影響是一個非常重要且尚未解決的難題(黃潤秋，2007)，研究滑坡在水位漲落作用下的響應特征和變形破壞機制對庫岸滑坡風險防治具有非常重要的意義。

三峽庫區(qū)藕塘滑坡是一具有多個次級滑體和滑帶的巨型古滑坡，自三峽工程蓄水運行以來，滑坡前緣被庫水淹沒，出現(xiàn)復活跡象。前人從現(xiàn)場監(jiān)測結果分析、力學極限平衡分析、數(shù)值模擬等方面對該古滑坡進行了研究，Yin et al.(2016)分析現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)認為庫水位的漲落是影響藕塘滑坡復活的重要因素，應合理控制庫水位漲落速度。黃達等(2019)分析藕塘滑坡變形特點結合數(shù)值模擬得出了滑坡變形的時空特點和機制。江南等(2018)采用數(shù)學算法對藕塘滑坡位移數(shù)據(jù)進行學習，預測了滑坡位移發(fā)展。當前對于此類坡長上千米的巨型滑坡變形失穩(wěn)過程的相關研究資料較少(代貞偉等，2016)。

模型試驗能夠直觀反應滑坡變形演化過程，對影響變形的因素進行準確控制，并全面獲取模型變形演化過程中的各項參數(shù)，已成為滑坡研究的重要手段(羅先啟等，2008)。朱建東等(2019)、孫萍等(2019)進行模型試驗研究了黃土滑坡在降雨作用下的入滲規(guī)律與變形破壞模式，并分析了失穩(wěn)機理。胡修文等(2005)運用模型試驗研究了趙樹嶺滑坡在水位驟降情況下的整體穩(wěn)定性變化及其變形破壞特征。李邵軍等(2008)、Jia et al.(2009)進行模型試驗獲得了水位漲落致使庫岸滑坡變形破壞的模式和作用機理。趙代鵬等(2013)針對浮托減重型滑坡進行模型試驗研究，結合數(shù)值模擬印證，得到了此類滑坡在水位漲落情況下有效應力變化特點和穩(wěn)定性變化規(guī)律。陳曉平等(2011)通過模型試驗發(fā)現(xiàn)庫岸古滑坡在水庫運營后坡腳抗滑阻力下降是滑坡變形的主要原因，并試驗得出了加固坡腳可以明顯改善滑坡穩(wěn)定狀況的結論。王俊杰等(2011)、周昌等(2018)分別用模型試驗研究了不同結構的庫岸在不同水位波動速度下的塌岸過程與破壞機理。周躍峰等(2014)和Miao et al.(2018)運用離心模型試驗研究了庫岸牽引式滑坡的演化模式和失穩(wěn)機制。杜鋒等(2018)通過模型試驗研究向家坪水庫滑坡，發(fā)現(xiàn)庫水快速下降、暴雨和后緣地下水位耦合作用會導致滑坡變形滑動。當前國內外針對庫岸滑坡變形演化規(guī)律的模型試驗研究多以單體滑坡為研究對象，以具有多個次級滑體和滑帶的復雜滑坡為研究對象的試驗很少涉及。

綜上所述，考慮到藕塘滑坡的結構特點以及模型試驗研究方法的優(yōu)勢，本文基于對藕塘滑坡地質結構的分析，利用大型物理模型試驗展開研究，通過分段分層堆筑滑坡模型，合理設計庫水位作用試驗工況，運用位移、土壓力、孔隙水壓力監(jiān)測技術準確獲得了試驗模型實時數(shù)據(jù)，揭示藕塘滑坡在庫水位漲落作用下的響應特征和變形破壞模式和機制，為該類滑坡的模型試驗研究提供了借鑒。

1 滑坡原型

藕塘滑坡位于重慶奉節(jié)縣安坪鎮(zhèn)?；聦儆诰扌凸呕?，經歷多級多期次滑動形成，具有多個次級滑體和滑帶。2003年三峽大壩蓄水后，滑坡多處區(qū)域出現(xiàn)明顯的沉降、裂縫，前緣發(fā)生局部崩塌等，出現(xiàn)較多滑坡復活跡象。藕塘滑坡平面示意圖如圖1所示。

圖1 藕塘滑坡平面示意圖

滑坡由3個期次的滑坡組成，3個次級滑坡主滑方向相同，約345°。第一期次滑坡位于藕塘滑坡前中部，面積92×104im2左右?；麦w剖面總體形態(tài)似勺狀。滑體前緣最厚處超115im，剪出口在大壩蓄水后常年沒于庫水位以下，呈切層反翹剪出，前緣隨庫水位升降周期性地被淹沒和浮現(xiàn)?；潞缶壪鄬^薄，高程位于300im至370im之間，被第二期次滑坡體前緣覆蓋。第二期次滑坡位于藕塘滑坡中部，面積32×104im2左右。平面總體形態(tài)呈不規(guī)則狀。第二期次滑坡前緣略反翹，切層剪出超覆在第一期次滑坡體后緣上，受到第一期次滑坡阻滑，剪出口高程位于250im至300im之間；后緣被第三期次滑坡體前緣覆蓋。第三期次滑坡位于藕塘滑坡后緣，面積54×104im2左右。平面總體形態(tài)亦似斜歪古鐘。前緣位于400im至530im之間，后緣高程705im左右?；瑤熬徍蠖?。第三期次滑坡前緣超覆在第二期次滑坡后緣上，近水平至反翹狀剪出。坡體受阻于第二期次滑坡后緣。

2 相似模型試驗

2.1 模型概化

本試驗采用假三維地質力學模型，基于遵循能夠反映藕塘滑坡在庫水位漲落條件下的響應特征和演化過程的原則，根據(jù)滑坡地質結構特點，選取工程地質縱剖面B-B′剖面為試驗剖面。

從試驗可操作性和合理性角度考慮，將原型概化，滑坡模型共分4層，從下往上分別是滑床基巖，第一期次、第二期次滑坡滑帶與第三期次滑坡滑帶，滑坡堆積層②和滑坡堆積層①(圖2)。其中：滑床基巖主要起到支撐基座的作用，不做相似材料模擬。

圖2 滑坡模型及模型試驗系統(tǒng)示意圖

2.2 相似條件與模型材料

試驗基于三峽大學大型滑坡物理模型試驗平臺開展，根據(jù)滑坡原型規(guī)模和試驗平臺尺寸設計模型相似比n=250，以此比例得到滑坡體模型尺寸：長約7.2im，寬0.8im，高約2.3im。

根據(jù)相似理論并參考前人研究成果選取試驗相似材料(羅先啟等，2008；周昌等，2018)，最終確定滑體相似材料為黏土、河沙、碎石、重晶砂、雙飛粉、膨潤土；滑帶相似材料為不同粒徑玻璃滑珠與滑帶土的混合物。

黏土、河沙、碎石為滑體的主體骨料，黏土可增加黏聚力、降低滲透系數(shù)及內摩擦角，河沙可增大內摩擦角、降低黏聚力，重晶砂作為配重材料，雙飛粉主要起到降低黏聚力的作用，膨潤土可大幅降低相似材料的滲透系數(shù)、彈性模量和內摩擦角。

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)進行了多組相似材料滲透系數(shù)和物理力學參數(shù)試驗，綜合對比各種相似材料，最終確定了藕塘滑坡滑體和滑帶相似材料配比，試驗模型物理力學參數(shù)及材料配比見表1。

表1 滑坡模型材料物理力學參數(shù)及材料配比

2.3 模型堆制

在模型箱玻璃板上繪制滑坡模型輪廓線，作為滑坡模型堆筑依據(jù)。采用磚塊砌筑滑床基巖輪廓，表面用水泥砂漿抹平，模擬滑動基巖面。在模型箱兩側壁各立一排夾板。采用分段的方式，以擋板將第一期次滑坡分為多段，每段首先在模型基巖面上鋪厚約1icm的第一期次滑坡滑帶相似材料，模擬其滑動面，再在其上按照4icm土層厚度堆土擊實第一層，以此類分段分層推完成第一期次滑坡堆筑。重復上述堆筑步驟完成第二期次滑坡滑帶和滑體與第三期次滑坡滑帶和滑體的堆筑。將夾板取出，用砂和玻璃珠1︰1混合材料填充空隙，以減少滑坡模型與玻璃側壁的摩擦作用。最后按之前繪制好的輪廓線進行削坡作業(yè)，使滑坡模型表面與輪廓線盡量重合。堆制完成的試驗模型見圖3。

圖3 試驗模型

2.4 試驗監(jiān)測方案

從滑坡體模型前緣至后緣依次布置監(jiān)測斷面一到四對滑坡模型表面變形、滑坡體孔隙水壓力與土壓力變化進行實時監(jiān)測，其中監(jiān)測斷面一、二位于第一期次滑坡，三位于第二期次滑坡，四位于第三期次滑坡，各監(jiān)測斷面及所有傳感器布置位置如圖4所示，詳細布置為：

圖4 試驗模型及監(jiān)測布置

(1)坡體表面變形監(jiān)測：在各監(jiān)測斷面處滑坡模型表面位置，按監(jiān)測斷面編號依次布置W1、W2、W3、W4 4個拉線式位移傳感器，以獲得滑坡模型表面變形實時數(shù)據(jù)。

(2)孔隙水壓力監(jiān)測：在各監(jiān)測斷面處滑坡模型中滑帶以上2icm位置，按監(jiān)測斷面編號依次布置K1、K2、K3、K4 4個孔隙水壓力傳感器，監(jiān)測模型內部孔隙水壓力變化的實時數(shù)據(jù)。

(3)土壓力監(jiān)測：在各監(jiān)測斷面處滑坡模型中滑帶以上2icm位置，按監(jiān)測斷面編號依次布置T1、T2、T3、T4 4個土壓力傳感器，監(jiān)測滑坡模型在試驗過程中內部土壓力的實時變化情況。

2.5 試驗工況

為研究庫水位漲落作用下藕塘滑坡響應特征和破壞模式，根據(jù)監(jiān)測到的三峽水庫2011年9月1日到2014年9月1日之間水位調度數(shù)據(jù)，庫區(qū)水位日最大漲幅：3.21im，日最大降幅：2.79im(代貞偉，2016)，分別選取1im·d-1、2im·d-1、3im·d-1的庫水位漲落速度開展試驗模擬，通過模型相似比計算出試驗的相似環(huán)境參數(shù)，制作試驗模型進行試驗，試驗模擬工況如下(表2)所示。

表2 試驗模擬工況

工況一：庫水位以1im·d-1速度(試驗中2.64imm·h-1)從145im漲至175im靜止3id(試驗中約4.5ih)后降至145im。

工況二：庫水位以2im·d-1速度(試驗中5.27imm·h-1)從145im漲至175im靜止3id(試驗中約4.5ih)后降至145im。

工況三：庫水位以3im·d-1速度(試驗中7.91imm·h-1)從145im漲至175im靜止3id(試驗中約4.5ih)后降至145im。

3 試驗結果分析

3.1 不同水位漲落速度下坡體變形特征

水庫蓄水后，水位上漲，庫岸巖土體被水浸泡軟化，隨著庫水位各種情況的調度，水位漲落和水流的作用勢必會對庫岸滑坡造成不同程度的影響。

試驗發(fā)現(xiàn)，庫水位漲落速度越快，觀察到的模型變形越明顯。對各種漲落速度下試驗模型表面裂縫發(fā)展情況進行觀察，在水位上漲階段，隨著水位的抬升，巖土體被水浸泡軟化產生微小裂縫，其中庫水位以1im·d-1和2im·d-1上漲時觀察到不明顯的微裂縫，以3im·d-1上漲過程中觀察到坡腳有微小開裂，總體來看試驗模型在水位上升過程中變形微小。進入水位穩(wěn)定階段，未見裂縫繼續(xù)發(fā)展。至水位下降階段，庫水不斷消落，試驗模型坡腳新的裂縫產生，舊的裂縫繼續(xù)擴展，其中：尤以水位3im·d-1下降工況下最為明顯，地下水外滲形成的張拉裂縫從側邊向模型中間延伸發(fā)展，并向深部擴張，逐漸貫通，坡腳失穩(wěn)，發(fā)生崩滑。1im·d-1和2im·d-1水位漲落工況下未見試驗模型破壞。圖5為試驗模型在庫水位以3im·d-1速度漲落作用下坡腳失穩(wěn)破壞照片。

圖5 3 m·d-1 水位漲落工況試驗模型前緣照片

從試驗結果看，在1im·d-1、2im·d-1、3im·d-13種庫水位漲落速度下，觀察到的試驗模型的變形都發(fā)生在第一期次滑坡區(qū)域，而在第二期次和第三期次滑坡區(qū)域，即試驗模型的中后部，未觀察到明顯的變形跡象。

對試驗模型地表位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，其中不同水位漲落速度下監(jiān)測點W1的位移時間變化曲線見圖6，3im·d-1水位漲落速度下各位移監(jiān)測點數(shù)值變化曲線見圖7。

圖6 W1位移監(jiān)測曲線

圖7 3 m·d-1 庫水位漲落速度下不同斷面位移監(jiān)測曲線

從試驗模型表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)看，水位漲落速度越快，造成的試驗模型表面位移越大；在同一水位漲落速度下，位于第一期次滑坡的W1、W2點的位移大于分別位于第二期次、第三期次滑坡的W3、W4點。

從各種庫水位漲落速度下試驗模型所反映出的變形特征可見庫水位漲落對滑坡的影響范圍主要集中在第一期次滑坡區(qū)域。比較同速度下庫水位上漲作用和下降作用對試驗模型變形的影響可知滑坡穩(wěn)定性受庫水位下降影響更大，揭示出藕塘滑坡的動水壓力型滑坡特征。從試驗模型從前緣到后緣變形逐漸減弱的特征可以看出滑坡呈現(xiàn)牽引式變形特征。試驗模型變形規(guī)律與黃達等(2019)對現(xiàn)場變形監(jiān)測分析出的結果一致。

3.2 不同水位漲落速度下坡內應力響應特征

在不同水位漲落速度下，試驗模型呈現(xiàn)相似的浸潤線變化規(guī)律。在庫水位上漲過程中，試驗模型前緣浸潤線逐漸彎曲、抬升，凹向坡外，水位繼續(xù)上升，浸潤線凹向逐漸從指向坡外往指向坡后緣旋轉，彎曲幅度逐漸增大；當水位穩(wěn)定之后，試驗模型內凹型浸潤線逐漸抬升變?yōu)榕c水面平行的直線；庫水位開始下降，試驗模型近水庫區(qū)域浸潤線下降速度明顯快于遠水庫區(qū)域，浸潤線凸向坡外，隨著水位進一步降低，浸潤線凸出的彎曲幅度增大。對比不同水位漲落速度下的情況，水位漲落速度慢時，產生的浸潤線彎曲很小，水位上漲速度越快，彎曲現(xiàn)象越明顯。可見地下水位隨庫水位的變化存在一定的滯后性。地下水位的滯后變化與孔隙水壓力和土壓力的變化直接關聯(lián)。整理不同庫水位漲落速度下監(jiān)測到的孔隙水壓力數(shù)據(jù)得到曲線如圖8，土壓力隨時間變化曲線如圖9。

圖8 不同水位漲落速度下孔隙水壓力時間變化曲線

圖9 不同水位漲落速度下土壓力時間變化曲線

從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，無論哪種庫水位漲落速度下，監(jiān)測點K3、K4的孔隙水壓力和監(jiān)測點T3、T4的土壓力均無明顯變化，可見水位漲落對試驗模型中后部(即第二期次和第三期次滑坡區(qū)域)坡體應力狀態(tài)未產生明顯影響。從變化曲線來看，在不同水位漲落速度下，監(jiān)測點的孔隙水壓力和土壓力呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。分析監(jiān)測點K1、T1和K2、T2的監(jiān)測數(shù)據(jù)，由于水的滲流需要一定的時間，監(jiān)測到的孔隙水壓力和土壓力反映出變化相對于庫水位變化滯后的特征，庫水位漲落速度越快，滯后的時間也越長。同時，同一水位漲落速度下，距離水庫遠的孔隙水壓力監(jiān)測點K2和土壓力監(jiān)測點T2變化滯后于距離水庫近的監(jiān)測點K1、T1。其中：孔隙水壓力到達峰值相對于水位到達峰值的滯后時間見圖10。

圖10 孔隙水壓力滯后時間曲線

3.3 滑坡變形機制分析

水庫的蓄水和周期性調度使得滑坡前緣水位不斷變化，庫水的滲入和滲出、對巖土體的浸泡軟化及浮托減重效應使得滑坡前緣的應力狀態(tài)變化，穩(wěn)定性隨之改變。水位上漲過程中，被淹沒的滑坡前緣巖土體在浮托減重和泡水軟化雙重作用下抗滑力下降，但庫水內滲透的作用產生朝向坡體的滲透壓力一定程度上對坡體起到了加固，各種因素共同影響使第一期次滑坡區(qū)域應力場變化，但應力場的變化未造成第一期次滑坡區(qū)域大的變形，因此未受到庫水位變化影響的位于第一期次滑坡后的第二期次和第三期次滑坡也無明顯變形產生。水位上漲速度越快觀察到的變形跡象越明顯，因為被淹沒的滑坡體受到的浮托力作用快速增大所致。在水位穩(wěn)定段，坡體應力無變化故亦無變形產生。水位下降過程中，經過庫水充分浸泡的巖土體在水位下降后，坡內地下水向外滲出，滲透力的牽引下軟化的巖土體逐漸變形產生拉裂縫，當水位下降速度越快時，拉裂縫擴張，向周圍和深部發(fā)展并貫通，坡腳發(fā)生局部崩滑，表現(xiàn)出牽引式破壞特征。滑坡受庫水位下降影響比受庫水位上漲影響更大，屬于動水壓力型滑坡。第一期次滑坡的變形與局部破壞造成超覆在其后緣的第二期次滑坡穩(wěn)定性變化，產生變形，進而造成第三期次滑坡隨之產生變形，從試驗結果來看，庫水位漲落作用下第一期次滑坡的變形和局部破壞不會引起第二期次和第三期次滑坡產生破壞。

4 結 論

分析藕塘滑坡的地質結構特點，進行概化，設計了大型物理模型試驗，研究藕塘滑坡這種具有多個滑帶和次級滑體的滑坡在庫水位漲落作用下的響應特征及其變形機制，得出以下結論：

(1)庫水位漲落未對第二期次和第三期次滑坡的應力場造成明顯影響，其影響范圍主要在第一期次滑坡區(qū)域，第一期次滑坡的變形失穩(wěn)會引起第二期次、第三期次滑坡穩(wěn)定性變化產生變形。

(2)庫水位以1im·d-1、2im·d-1、3im·d-13種速度上漲作用下滑坡皆不會產生大的變形，僅在坡腳產生微小裂縫，水位上升速度越快，浮托力增長越快，微小裂縫越明顯。

(3)庫水位下降速度越快，造成的滑坡變形越大，當庫水位快速下降時，第一期次滑坡坡腳局部發(fā)生牽引式崩滑的風險大。

(4)藕塘滑坡為動水壓力型滑坡。庫水位的漲落不會造成滑坡的整體破壞，滑坡的破壞模式表現(xiàn)為庫水位快速下降作用下的坡腳局部崩滑。

試驗結果為進一步認識以藕塘滑坡為代表的具有多個次級滑體和滑面的滑坡在庫水位漲落作用下的響應特征和變形機制提供了科學依據(jù)。降雨作用作為影響庫岸滑坡變形的另一重要因素本文沒有考慮，后續(xù)工作需針對降雨及降雨和庫水位聯(lián)合作用下的藕塘滑坡變形特征和機制開展模型試驗研究。