二元结构库岸边坡失稳机制试验研究

张 钧，梁为邦，林 红，苏东院，田 毅，许万忠，熊茹雪，史丁康

(1.云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021；2.昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093)

库岸边坡的稳定性历来是水库建设过程中必须重视的重要问题。水库运营过程中水位升降导致库岸边坡岩土体发生“再造”过程，使边坡岩土体的物理力学性质及地下水环境发生重大改变，其结果可能导致库岸边坡发生滑坡灾害，造成库区航道堵塞从而影响正常的航运；此外，大方量近坝边坡的滑动垮塌甚至可能导致“翻坝”事故。因此，研究水位升降条件下库岸边坡的稳定性问题具有重要的理论及应用价值。

目前，该类问题的研究方法主要有理论研究[1-2]、模型试验[3-4]和数值模拟[5-6]。王俊杰等[7]通过研究均质土边坡在初次蓄水时发生的塌岸现象，得出了岸坡坡角越大、土体颗粒粒径越小，坡面形状为凸形的岸坡越易发生塌岸破坏的结论；王乐华等[8]针对边坡角度这一影响因素，对边坡破坏的影响现象进行了观测，认为坡度较大(50°和60°)时，在水位上升阶段便发生大规模塌岸现象，坡角为40°的边坡在水位下降期间发生大规模的滑动破坏可能性更大，总结出坡度对岸坡变形-破坏模式影响显著的结论；于克臣等[9]、窦增宁等[10]结合具体工程案例，围绕降雨这一边界条件对边坡稳定性影响进行了试验研究，结果表明：在降雨条件作用下，孔隙水压力、土压力和位移曲线呈现一定的变化规律；贾官伟等[11]借助模型试验揭示出水位骤降导致边坡失稳的原因是由于坡外水位骤降时，坡内水位的下降速度显著滞后于坡外，产生指向坡外的渗流；姜海西等[12]重点研究了水位升降和波浪作用下结构面为 30°和 50°的两种岩质边坡的稳定性和破坏机制，得出了水下岩质边坡坡脚处应力集中最大，破坏始于坡脚，且随着结构面倾角的变小波浪对水下岩质边坡结构面的影响将减弱的结论；徐平等[13]、朱亚亚等[14]借助数值模拟手段考虑非饱和渗流对滑坡稳定性的影响，分析出滑坡体在水位上升下降过程中，稳定性均先减小后增大。

从上述可以看出，以往研究大多将库岸边坡设定为均质体，从而探讨水位升降条件下[15]库岸边坡的稳定性变化和破坏失稳规律，但对于特定的二元结构库岸边坡在水位升降条件下的破坏机制研究并不多见。众所周知，边坡的结构特征是影响边坡稳定性的重要因素，在外力地质作用下边坡表面岩体风化、剥蚀、搬运、沉积，从而形成上部为堆积土体下部为基岩的“二元结构边坡”，土岩界面容易成为边坡失稳的潜在滑移面；边坡的变形失稳特征与土岩界面的倾角及整体边坡角度密切相关，尤其是在水位升降条件下，二元结构库岸边坡岩土体的浸润线[16-17]分布特征及演化规律将呈现出特殊性，该状态下的边坡变形失稳机制将趋于复杂[18]。

本文通过构建水位升降条件下的二元结构库岸边坡物理试验模型，借助监测及摄影的技术手段观测边坡变形破坏的特征，力图揭示水位变化条件下边坡处于不同坡角及土岩界面不同倾角状态下的边坡失稳机制，尤其是水位变化条件下库岸岩土体浸润线的分布及演化特征，研究结果可为水库岸滑坡灾害的成因分析和治理方案提供分析和治理依据。

基于本项目为理论问题研究，揭示的是研究对象的一般规律，不需得出确切的应力场及位移场，物理模型的构建只需将二元结构边坡的结构及组成特征展现出来，从而揭示所建模型在水位升降条件下变形、破坏及失稳响应机制，因此，本项目物理模型的建立不考虑尺寸效应问题。

1 物理试验模型构建

试验模型构建包括模型试验材料的选取、模型制作及模型响应的监测布置。

1.1 模型试验材料选取

为观测试验模型在水位升降条件下的反应特征，本物理试验构建2 m×1 m×1.3 m(长×宽×高)的试验水槽，水槽侧壁采用15 mm厚度的钢化玻璃，四壁用槽钢及角钢加固水槽；边坡模型上部松散堆积层采用粉质黏土与河砂混合夯实，河砂、粉质黏土以1∶1.5比例均匀混合拌制；边坡模型下部岩体采用C20混凝土模拟制作，水泥采用普通硅酸盐水泥，粗骨料采用河沙代替，制作后的岩土体物理力学参数见表1。

表1 试验用模拟材料物理力学参数

1.2 物理试验模型制作

边坡模型长1.3 m，宽1 m，高1.1 m，按照10°、15°、25°制成不同角度基岩模型；将整体边坡角分别设定为35°、45°、55°制成相应的上覆土体模型；为使填土与下部基岩紧密结合，基岩混凝土表面做拉毛处理，在达到龄期的基岩混凝土上部填筑覆土，填土采用人工分层夯实的方法进行制作，每层厚20 cm，为达到夯实目的，模型前缘设置挡板，利用木锤进行人工逐层夯实至设计尺寸；模型箱底部设置进出水控制阀及流量水表以控制试验中水位的升降量及速度。

1.3 模型响应测试原件布设

试验过程重点观测水位升降条件下的坡体变形及破坏特征，尤其是坡体浸润线的演化规律，为此，在边坡模型中部沿倾向设置不同的位移监测点：采用横梁悬挂吊锤的方式测定监测点的原始坐标及水位变化后的坐标值，对比测出监测点水位变化条件下的变形值；吊锤用钢梁按一定间距固定于水箱上部，共设4个观测点，自后缘至坡脚按1～4排号顺序布置，水平间距为30 cm。为观察及测取水位变化条件下的坡体浸润线的变化特征及分布规律，在模型坡体的中部不同位置布设测压管，水平间距为15 cm，数量为9个，并将各测压管延伸固定于水槽箱体的侧壁，模型框架、浸润线测试及位移测试的布置见图1。

图1 模型框架及测试原件布设

2 物理模型试验

2.1 试验控制及过程

二元结构库岸边坡的变形破坏特征与水位升降幅度及升降速度密切相关。为揭示其内在的变形及破坏失稳机制，本研究模仿实际工况条件，重点观测单次水位上升、水位下降及循环水位升降工况下的物理模型响应，即在各工况条件下控制水位的升降幅度及升降速率，同时观测模型的变化特征，水位升降按以下控制条件进行：

(1)以1 m/h的速率进行蓄水试验控制，当水位达到设定高度时，停止蓄水；每阶段静置1.5 h，达到最高水位后静置24 h，再以同样的速率进行泄水，完成一个循环的水位升降试验过程。

(2)水位升降幅度控制以25 cm为一观测阶段，最高水位75 cm，试验根据不同整体坡角、不同土岩界面倾角、不同循环升降次数，将模型试验分为五组，各状态试验数据如表2所示。

试验利用测压管和铅锤线坠记录监测点水压力变化及位移情况；采用数码摄像机拍摄边坡岩土体的变形破坏现象。试验过程水位调度见图2。

表2 模型试验数据表

2.2 水位初次升降条件下边坡岩体变形破坏特征

2.2.1水位上升条件下边坡岩体变形破坏特征

蓄水阶段固定土岩界面倾角15°不变，观察整体边坡角分别为35°、45°、55°的边坡变形破坏特征：35°边坡蓄水过程中始终未见明显变形破坏；45°边坡临水部位发生局部冲蚀破坏，被侵蚀的土体逐渐向坡脚堆积；55°边坡水位以上坡体出现张拉裂缝伴随大规模垮塌。坡体的变形破坏特征见图3。

图2 试验水位调度图

蓄水阶段固定整体边坡角45°不变，观察土岩界面倾角分别为10°、15°、25°边坡的变形破坏特征：10°倾角边坡以水面下浅层侵蚀破坏为主，边坡整体处于稳定状态；15°倾角边坡后缘出现更大规模的侵蚀破坏，破坏规模甚于前者；25°倾角边坡后缘出现贯通的张拉裂缝并进一步扩张；各状态下边坡的变形破坏程度随水位的升幅呈现逐渐劣化的趋势。边坡变形破坏特征见图4。

图3 初次蓄水条件下不同坡角边坡破坏特征

图4 初次蓄水条件下不同土、岩界面倾角边坡破坏特征

2.2.2水位下降条件下边坡岩体的变形破坏特征

保持降水阶段土岩界面倾角15°不变，边坡角分别为35°、45°、55°时的边坡变形破坏特征：水位下降过程中35°边坡始终未见明显的变形破坏现象；45°边坡前缘发生“再造”性岸线前移；55°边坡进一步发生逐级坍塌破坏，原水位上升期间形成的坡顶张拉裂被压密，水位下降至坡脚位置，破坏停止，达到新的稳定状态。相应坡体变形破坏体征见图5。

保持降水阶段边坡角45°不变，土岩界面倾角分别为10°、15°、25°时边坡变形破坏特征：10°倾角边坡水位下降过程中，坡体水面以上部分变化较小，坡表面发生浅层小范围侵蚀破坏，堆积至坡脚；15°倾角边坡后缘土体发生侵蚀破坏，堆积至坡脚，未出现整体滑移迹象；25°倾角边坡降水过程中，后缘裂缝进一步扩展，前缘发生滑动，失稳迹象明显。边坡变形破坏特征见图6。

图5 初次泄水条件下不同坡角边坡破坏特征

图6 初次泄水条件下不同土岩界面倾角边坡破坏特征

2.3 水位循环升降条件下边坡岩体变形破坏特征

水位循环升降试验条件下，观测土岩界面倾角为25°，坡角为45°边坡的变形破坏特征：水位上升过程中，水位以下边坡前缘变形较大，局部出现坍塌现象；随水位上升过程的延续，水位以上坡顶的张拉裂缝逐渐显现并加宽，但未发生整体滑动失稳；水位上升到预定标高后控制试验连续进入水位下降过程。

水位循环下降过程中，边坡的变形破坏特征如下：边坡变形破坏“再造”特征显著，水位上升阶段形成的圆弧状裂缝逐渐加宽深切，沿土岩界面的深层失稳特征明显，试验后期发生大规模垮塌，边坡的变形破坏呈现突发快速的特征；边坡变形破坏规模较大，破坏源于坡脚，变形破坏剧烈，具有突发性，属深层破坏。此工况下边坡变形失稳特征见图7。

3 模型试验曲线及分析

3.1 模型试验曲线

本研究共开展5组模型试验，鉴于篇幅所限，本文选取坡角为45°、土岩界面倾角为25°的边坡第一、三次循环的监测数据进行分析，探索分析所选模型在水位升降过程中各监测点位移变化趋势及浸润线分布特征及演化规律。水位升降及边坡破坏状态下浸润线分布变化特征曲线如图8所示，不同循环次数及水位升降条件下，监测点全程位移变化曲线见图9。

图7 第三次水位循环升降条件下的边坡破坏特征

图8 水位变化条件下浸润线分布规律图

3.2 模型试验结果分析

3.2.1水位升降条件下的浸润线分布及演化规律

由图8可见：初次水位上升阶段的瞬态浸润线拟合后近似为上凹形曲线，试验表明：随坡外水位的迅速上升，坡外水头压力逐渐增大，在水头压力的作用下库内水体不断向库岸边坡岩土体渗透扩散，水头压力随渗透半径逐渐耗损，直至一定渗透半径后渗透阻力与渗透水头压力达到平衡，渗透过程结束。水位下降阶段瞬态浸润线拟合后近似为下凹形曲线，试验表明：随坡外水位的迅速下降，坡外水头压力逐渐减小，水位线以上坡体内部的水体将产生相对于坡外的渗透水头压力，随坡内水体的不断外渗流出，坡内水位逐渐下降，最终坡体浸润线呈现出下凹特征。

初次循环工况，在连续升降条件下坡体浸润线在水位快速下降阶段的下凹曲线的曲率表现出增大的趋势，该现象是由于水位上升阶段没有经历水位静止状态，导致向坡体内部的渗透水流没有机会进行充分的扩散即进入水位下降阶段，从而形成浸润线的上述变化特征。

3.2.2水位升降条件下坡体位移演化规律

由监测点位移曲线图9可见：单向水位上升过程中各个监测点的位移值基本呈现逐渐增大的规律，坡体位移场发生重新分布；同一水位状态下水下部分监测点位移值从坡底向上逐渐减小，坡体水位以上部分监测点位移增大幅度小于水下点，这是因为水下部分的坡体物理力学指标不断劣化，造成其蠕变位移不断增大；水位线以上部分坡体未被浸泡，保持原有的土体物理力学指标不变，因而其变形较小。单向水位下降过程中，监测点位移量和增量均远大于水位上升阶段，水位线以上坡面监测点位移逐渐增大，而水位线以下坡面监测点位移增大幅度更大，其原因是由于在水位上升期间，坡脚已经被软化侵蚀，位移在逐步累积，上部的拉裂是坡脚的破坏牵引所致；水位的下降导致水位线以上坡体内部产生向外的渗透压力，致使后缘监测点位移进一步增大，当水位快速下降并且幅度较大时，水位线以上坡体监测点位移加剧，导致坡体上部岩土体出现张拉裂缝，裂缝逐渐增大导致位移突变，直至坡体失稳滑移。

图9 试验监测点位移变化曲线

水位多次循环升降条件后的坡体监测点位移变化趋势与单向水位升降条件下的坡体位移规律基本吻合，只是水位循环升降过程中水位线以上部分坡体监测点的位移相对较小，这是由于水位单向循环升降过程中，上升水体还没有在库岸坡体内充分扩散就快速进入水位下降状态，坡体内外的动水压力较小且向外的渗流量有限所导致的结果。

3.2.3水位升降条件下坡体破坏失稳演化规律

上述试验表明：水位上升过程中坡体的破坏失稳部位主要集中于坡体前缘的涉水区域，表现为局部滑动失稳；水位以上的坡顶部位易出现张拉裂缝，这是由于坡体前缘破坏所导致的“牵引”式失稳所致；水位下降过程中破坏区域主要集中于水位线以上的坡体区域，破坏特征表现为较大的土体蠕变、张拉裂缝及垮塌失稳，这是由于水位的快速下降导致坡体内部水体不能及时排出，较大的孔隙水压力及饱和土体重度导致水位以上坡体沿土岩界面发生破坏失稳。

4 结论

(1)水位上升过程中坡体浸润线呈现上凹特征，水位标高向坡内逐渐减小；水位下降过程中坡体浸润线呈现下凹特征，水位标高向坡外逐渐减小；循环蓄水时，同一时刻浸润线凹曲率较初次蓄水有所减小。

(2)伴随库水位的不断上升，水下坡体前缘浸泡部分逐渐增大，该部分土体力学指标不断劣化，坡体前缘的垮塌将导致坡体上部覆土沿土岩界面的变形加剧，甚至垮塌失稳。

(3)水位上升过程中二元结构库岸边坡的变形破坏主要产生于边坡前缘的涉水区域。

(4)水位快速循环升降条件下的水位下降阶段，水位线以上坡体变形破坏程度小于单向水位下降阶段，且变形破坏主要集中于水位线以上的坡体部分，水位线以下部分岩土体较为稳定。

(5)高坡角的二元结构边坡在库水升降条件下破坏以垮塌为主；土岩界面倾角的大小会影响潜在滑动面位置的变化。

(6)水位升降条件下二元结构库岸边坡的土岩界面是变形和失稳的潜在危险面，多次循环蓄泄水将引发边坡沿土岩界面的失稳。