謝 鵬， 陳 昊， 朱 蕾， 卿 菁

(湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院， 湖北 武漢 430068)

隨著我國經濟建設的迅速發(fā)展， 很多水電工程建設項目在峽谷區(qū)實施， 峽谷地區(qū)地質情況復雜， 本身就存在大量的欠穩(wěn)定滑坡體， 水電工程的建設在峽谷區(qū)產生了大量的庫岸滑坡地質災害， 一定程度上限制了經濟的可持續(xù)發(fā)展[1-3]。 因此， 庫岸邊坡穩(wěn)定性分析和邊坡的破壞模式以及破壞機理一直是邊坡研究的一個重點課題。 在眾多發(fā)生的邊坡失穩(wěn)案例中， 庫水位變化和突發(fā)性降雨起著舉足輕重的影響作用[4-6]， 成為邊坡地質災害熱門研究領域之一。

何滿潮等研究了地下水在邊坡不同巖體介質中的力學狀態(tài)， 總結了地下水對邊坡的作用方式； 王樂等[7-11]通過邊坡滲流與坡面徑流條件， 得出三維有限元模型邊坡滲流場； 張玨等用[12-13]DDA方法建立了連續(xù)的裂隙滲流空間場，擴展了裂隙滲流計算空間及精度； 薛陽等[14]利用核磁共振等科學技術獲取了涉水邊坡坡體水的運動曲線， 研究了邊坡滲透系數的變化特征。 陳祖煜等用[15-19]極限平衡法、 有限元法和其它的散體分析方法對庫岸涉水邊坡穩(wěn)定進行了定量分析。 然而假定條件與現場不一定相符， 故物理模型試驗能在單一和多個誘發(fā)因素耦合作用下， 最大程度真實展現滑坡孕育、 發(fā)展乃至失穩(wěn)破壞的全過程[20-25]。 本文對千將坪滑坡進行物理模型試驗， 探討在不同角度下降雨和庫水位耦合作用下滑坡的破壞過程， 在一定程度上有益于縮小理論與實際的差異， 對庫岸滑坡預警有一定的借鑒價值。

1 滑坡概況

千將坪滑坡位于秭歸縣沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)千將坪村，所在的青干河河段右岸(南岸)為逆向陡崖，千將坪滑坡體主滑區(qū)為舌狀地形，左岸(北岸)為順向坡，坡度13°～35°。斜坡形態(tài)呈平直坡，北西-南東向展布，北西高南東低，滑體后緣高程400 m，前緣高程90 m。斜坡上陡下緩，平均坡度25 °?；w長1150 m，寬600 m,平均厚度約25 m，體積1725×104 m3，屬于特大型滑坡。主滑方向140 °?；禄瑒忧凹叭龒{水庫蓄水前的天然條件下，谷底寬度50～80 m，高程89 m左右，枯水期水深0.5～3.0 m。三峽水庫135 m高程水位下，河面寬度200～300 m，水深45 m左右?；w主要由塊裂巖體組成，在滑坡表面局部見有松散堆積塊體及原地表崩坡積物。巖性為中厚層粉沙質泥巖、泥質粉沙巖夾厚層長石石英砂巖，巖體一般為塊狀～次塊狀結構，局部沿裂隙斷開形成裂縫，巖體較為破碎?；瑤镔|組成主要為碳質頁巖夾方解石脈及生屑灰?guī)r透鏡體，多處見3～10 cm厚的泥化粘土透鏡體?；矠槲L化新鮮的中厚層粉沙質泥巖、泥質粉沙巖夾厚層長石石英砂巖，僅沿部分裂隙有輕微蝕變。

2 滑坡物理模型

2.1 模型制作及試驗工況

選取主滑方向作為千將坪滑坡物理模型試驗研究。 將剖面材料分成滑床、 滑帶、 滑體等三個分區(qū)(圖1)。 根據現有滑坡模型試驗系統(tǒng)中模型槽的尺寸， 確定試驗剖面模型長度和原型長度的相似比為1∶190， 模型長6000 cm， 最大高度為2100 cm。

圖 1 千將坪滑坡主滑方向剖面概化分區(qū)圖

根據現有的的較完備的量測系統(tǒng)，可對試驗過程中滑坡體的位移場的變化進行較準確的量測，該滑坡模型試驗系統(tǒng)由試驗平臺起降控制系統(tǒng)、室內人工降雨控制系統(tǒng)、水庫水位控制系統(tǒng)、多物理量測試系統(tǒng)、非接觸位移量測試系統(tǒng)組成。試驗平臺一端的底部為鉸支，另一端可以自由抬升，其最大抬升角度為20°。

為了分析千將坪滑坡在水庫蓄水和降雨條件下位移場的變化特征，在剖面Ⅰ到剖面Ⅳ各埋設一個孔隙水壓力傳感器、一個土壓力傳感器和位移傳感器，如圖2所示。

在試驗過程中，使模型的傾角分別為0°、7°、10°，對試驗整個過程的測點數據進行采集，形成滑坡模型試驗監(jiān)測數據。

2.2 相似材料

模型幾何相似比采用n=190，密度相似比為1，根據相似原理，采用量綱分析法可以推導模型材料各參數的相似比存在如下

式中：C為相似比，φ為內摩擦角，μ為泊松比，c為粘聚力，E為彈性模量，k為滲透系數，v為庫水波動速率，q為雨墻，t為時間。

根據試驗和工程類比得到千將坪滑坡主要物理力學參數建議值。本試驗滑帶相似材料選取的是大小玻璃、滑帶土和水，滑體選取的是重晶砂、河砂、重晶石粉、石蠟、粘土和水。根據相似理論和試驗配比進行多組材料試驗，然后進行分析比較，得到目標滑體、滑帶物理力學參數如表1所示。

圖3 千將坪滑坡模型試驗模擬水庫蓄水、降雨過程

表1 滑坡模型物理力學參數

3 千將坪滑坡試驗結果及分析

在模型架傾斜角度分別為0°、7°、10°情況下，對模型模擬水庫蓄水、降雨過程，以及滑坡模型試驗整個過程的測點數據進行采集，形成滑坡模型試驗監(jiān)測數據。

從圖4到6可以看出，模型傾角為0°時，滑坡前緣剖面Ⅰ的孔隙水壓力在庫水位上升一段時間后才開始增大，經過一段時間的穩(wěn)定，在降雨后又上升然后下降，然后趨向平穩(wěn)，說明庫水入滲需要一定的時間，孔隙水壓力滯后于庫水位上升，且降雨和庫水位都會增加孔隙水壓力；剖面Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ幾乎沒有出現明顯的孔隙水壓力變化情況。模型傾角為7°時剖面Ⅰ的孔隙水壓力與0°時相似，不過孔隙水壓力值更大，剖面Ⅱ、Ⅲ與剖面Ⅰ出現同樣的變化過程，剖面Ⅳ變化過程與0°時相似。模型傾角為10°時剖面Ⅰ、Ⅱ變化過程與0°、7°相似，不過孔隙水壓力在降雨后一段時間達到峰值，然后急劇下降，剖面Ⅲ、Ⅳ沒有明顯的變化。

圖 4 0°各剖面孔隙水壓力

圖 5 7°各剖面孔隙水壓力

圖 6 10°各剖面孔隙水壓力

從圖7到圖9可以看出，模型架在0°和7°時，各剖面的土壓力沒有太大的變化；在10°時，剖面Ⅰ、Ⅱ降雨前土壓力與0°和7°工況相似，不過急降雨過后一段時間急劇上升然后下降，這時剖面Ⅰ、Ⅱ已經破壞，與圖12各剖面位移變化線相符合。

圖 7 0°各剖面土壓力

圖 8 7°各剖面土壓力

圖 9 10°各剖面土壓力

圖10到圖12顯示出：0°和7°時各剖面沒有明顯的位移變化情況，與相應工況土壓力變化情況呈正相關。導致0°和7°工況位移變化出現波動的主要原因是：降雨從坡體表面入滲會引起孔隙水壓力增大，孔隙水壓力增大導致地表附近非飽和土的基質吸力降低，這就容易導致土體變形，但這種增大現象滯后于降雨過程，這主要是由于降雨入滲需要一定的時間。當降雨停止后，由于地表的蒸發(fā)作用,使得孔隙水壓力減小，這就致使地表附近非飽和土體基質吸力升高，提高土體的抗剪強度，使得土體的變形受到制約。

圖10 0°各剖面位移變化過程線

圖11 7°各剖面位移變化過程線

圖12 10°各剖面位移變化過程線

圖13是模型試驗結束后坡體的堆積形態(tài)，為了便于比較，將滑坡原型滑前滑后地質剖面按比例繪制在圖片上?？梢钥吹交略突蠖逊e形態(tài)與模型堆積形態(tài)基本一致，說明通過傾斜模型的方式獲得的邊坡破壞形態(tài)和原型一致。本次模型試驗最大真實程度展現滑坡孕育、發(fā)展乃至失穩(wěn)破壞的全過程，明晰了全過程中水壓力、土壓力及位移的變化情況，能為滑坡預警及治理設計提供一定的借鑒。

圖13 千將坪滑坡模型滑后堆積形態(tài)

4 結論

通過在不同角度工況下對滑坡模型進行實驗研究，可以得出以下結論：

1)隨著模型架角度的增大，滑面傾角也隨之增大，在同樣降雨和庫水位耦合作用下更容易失穩(wěn)。

2)不同監(jiān)測剖面位移變化特征表明降雨和庫水位耦合作用下，位移基本存在于滑坡前緣，滑坡后緣波動較弱，表現出牽引式滑坡特征。

3)水壓力和土壓力在滑坡破壞前瞬間都急劇增大達到峰值，破壞失穩(wěn)時急劇減小，呈現出應力重分布現象。在滑坡達到臨界破壞狀態(tài)前，孔隙水壓力和土壓力都變得異常，可以作為滑坡即將失去穩(wěn)定性的預兆之一。