水位涨落作用下藕塘滑坡响应特征模型试验研究*

肖捷夫 李云安 蔡浚明

(中国地质大学(武汉)，武汉 430074，中国)

0 引 言

长江三峡库区两岸分布2619处涉水古、老滑坡，其中700多处在水库蓄水运营后有复活迹象，库岸滑坡变形破坏成为库区人民正常生产生活的重大安全隐患(陈剑等，2005；汤明高等，2019)。库水位涨落对滑坡稳定性的影响是一个非常重要且尚未解决的难题(黄润秋，2007)，研究滑坡在水位涨落作用下的响应特征和变形破坏机制对库岸滑坡风险防治具有非常重要的意义。

三峡库区藕塘滑坡是一具有多个次级滑体和滑带的巨型古滑坡，自三峡工程蓄水运行以来，滑坡前缘被库水淹没，出现复活迹象。前人从现场监测结果分析、力学极限平衡分析、数值模拟等方面对该古滑坡进行了研究，Yin et al.(2016)分析现场监测数据认为库水位的涨落是影响藕塘滑坡复活的重要因素，应合理控制库水位涨落速度。黄达等(2019)分析藕塘滑坡变形特点结合数值模拟得出了滑坡变形的时空特点和机制。江南等(2018)采用数学算法对藕塘滑坡位移数据进行学习，预测了滑坡位移发展。当前对于此类坡长上千米的巨型滑坡变形失稳过程的相关研究资料较少(代贞伟等，2016)。

模型试验能够直观反应滑坡变形演化过程，对影响变形的因素进行准确控制，并全面获取模型变形演化过程中的各项参数，已成为滑坡研究的重要手段(罗先启等，2008)。朱建东等(2019)、孙萍等(2019)进行模型试验研究了黄土滑坡在降雨作用下的入渗规律与变形破坏模式，并分析了失稳机理。胡修文等(2005)运用模型试验研究了赵树岭滑坡在水位骤降情况下的整体稳定性变化及其变形破坏特征。李邵军等(2008)、Jia et al.(2009)进行模型试验获得了水位涨落致使库岸滑坡变形破坏的模式和作用机理。赵代鹏等(2013)针对浮托减重型滑坡进行模型试验研究，结合数值模拟印证，得到了此类滑坡在水位涨落情况下有效应力变化特点和稳定性变化规律。陈晓平等(2011)通过模型试验发现库岸古滑坡在水库运营后坡脚抗滑阻力下降是滑坡变形的主要原因，并试验得出了加固坡脚可以明显改善滑坡稳定状况的结论。王俊杰等(2011)、周昌等(2018)分别用模型试验研究了不同结构的库岸在不同水位波动速度下的塌岸过程与破坏机理。周跃峰等(2014)和Miao et al.(2018)运用离心模型试验研究了库岸牵引式滑坡的演化模式和失稳机制。杜锋等(2018)通过模型试验研究向家坪水库滑坡，发现库水快速下降、暴雨和后缘地下水位耦合作用会导致滑坡变形滑动。当前国内外针对库岸滑坡变形演化规律的模型试验研究多以单体滑坡为研究对象，以具有多个次级滑体和滑带的复杂滑坡为研究对象的试验很少涉及。

综上所述，考虑到藕塘滑坡的结构特点以及模型试验研究方法的优势，本文基于对藕塘滑坡地质结构的分析，利用大型物理模型试验展开研究，通过分段分层堆筑滑坡模型，合理设计库水位作用试验工况，运用位移、土压力、孔隙水压力监测技术准确获得了试验模型实时数据，揭示藕塘滑坡在库水位涨落作用下的响应特征和变形破坏模式和机制，为该类滑坡的模型试验研究提供了借鉴。

1 滑坡原型

藕塘滑坡位于重庆奉节县安坪镇。滑坡属于巨型古滑坡，经历多级多期次滑动形成，具有多个次级滑体和滑带。2003年三峡大坝蓄水后，滑坡多处区域出现明显的沉降、裂缝，前缘发生局部崩塌等，出现较多滑坡复活迹象。藕塘滑坡平面示意图如图1所示。

图1 藕塘滑坡平面示意图

滑坡由3个期次的滑坡组成，3个次级滑坡主滑方向相同，约345°。第一期次滑坡位于藕塘滑坡前中部，面积92×104im2左右。滑坡体剖面总体形态似勺状。滑体前缘最厚处超115im，剪出口在大坝蓄水后常年没于库水位以下，呈切层反翘剪出，前缘随库水位升降周期性地被淹没和浮现。滑坡后缘相对较薄，高程位于300im至370im之间，被第二期次滑坡体前缘覆盖。第二期次滑坡位于藕塘滑坡中部，面积32×104im2左右。平面总体形态呈不规则状。第二期次滑坡前缘略反翘，切层剪出超覆在第一期次滑坡体后缘上，受到第一期次滑坡阻滑，剪出口高程位于250im至300im之间；后缘被第三期次滑坡体前缘覆盖。第三期次滑坡位于藕塘滑坡后缘，面积54×104im2左右。平面总体形态亦似斜歪古钟。前缘位于400im至530im之间，后缘高程705im左右。滑带前缓后陡。第三期次滑坡前缘超覆在第二期次滑坡后缘上，近水平至反翘状剪出。坡体受阻于第二期次滑坡后缘。

2 相似模型试验

2.1 模型概化

本试验采用假三维地质力学模型，基于遵循能够反映藕塘滑坡在库水位涨落条件下的响应特征和演化过程的原则，根据滑坡地质结构特点，选取工程地质纵剖面B-B′剖面为试验剖面。

从试验可操作性和合理性角度考虑，将原型概化，滑坡模型共分4层，从下往上分别是滑床基岩，第一期次、第二期次滑坡滑带与第三期次滑坡滑带，滑坡堆积层②和滑坡堆积层①(图2)。其中：滑床基岩主要起到支撑基座的作用，不做相似材料模拟。

图2 滑坡模型及模型试验系统示意图

2.2 相似条件与模型材料

试验基于三峡大学大型滑坡物理模型试验平台开展，根据滑坡原型规模和试验平台尺寸设计模型相似比n=250，以此比例得到滑坡体模型尺寸：长约7.2im，宽0.8im，高约2.3im。

根据相似理论并参考前人研究成果选取试验相似材料(罗先启等，2008；周昌等，2018)，最终确定滑体相似材料为黏土、河沙、碎石、重晶砂、双飞粉、膨润土；滑带相似材料为不同粒径玻璃滑珠与滑带土的混合物。

黏土、河沙、碎石为滑体的主体骨料，黏土可增加黏聚力、降低渗透系数及内摩擦角，河沙可增大内摩擦角、降低黏聚力，重晶砂作为配重材料，双飞粉主要起到降低黏聚力的作用，膨润土可大幅降低相似材料的渗透系数、弹性模量和内摩擦角。

根据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)进行了多组相似材料渗透系数和物理力学参数试验，综合对比各种相似材料，最终确定了藕塘滑坡滑体和滑带相似材料配比，试验模型物理力学参数及材料配比见表1。

表1 滑坡模型材料物理力学参数及材料配比

2.3 模型堆制

在模型箱玻璃板上绘制滑坡模型轮廓线，作为滑坡模型堆筑依据。采用砖块砌筑滑床基岩轮廓，表面用水泥砂浆抹平，模拟滑动基岩面。在模型箱两侧壁各立一排夹板。采用分段的方式，以挡板将第一期次滑坡分为多段，每段首先在模型基岩面上铺厚约1icm的第一期次滑坡滑带相似材料，模拟其滑动面，再在其上按照4icm土层厚度堆土击实第一层，以此类分段分层推完成第一期次滑坡堆筑。重复上述堆筑步骤完成第二期次滑坡滑带和滑体与第三期次滑坡滑带和滑体的堆筑。将夹板取出，用砂和玻璃珠1︰1混合材料填充空隙，以减少滑坡模型与玻璃侧壁的摩擦作用。最后按之前绘制好的轮廓线进行削坡作业，使滑坡模型表面与轮廓线尽量重合。堆制完成的试验模型见图3。

图3 试验模型

2.4 试验监测方案

从滑坡体模型前缘至后缘依次布置监测断面一到四对滑坡模型表面变形、滑坡体孔隙水压力与土压力变化进行实时监测，其中监测断面一、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，各监测断面及所有传感器布置位置如图4所示，详细布置为：

图4 试验模型及监测布置

(1)坡体表面变形监测：在各监测断面处滑坡模型表面位置，按监测断面编号依次布置W1、W2、W3、W4 4个拉线式位移传感器，以获得滑坡模型表面变形实时数据。

(2)孔隙水压力监测：在各监测断面处滑坡模型中滑带以上2icm位置，按监测断面编号依次布置K1、K2、K3、K4 4个孔隙水压力传感器，监测模型内部孔隙水压力变化的实时数据。

(3)土压力监测：在各监测断面处滑坡模型中滑带以上2icm位置，按监测断面编号依次布置T1、T2、T3、T4 4个土压力传感器，监测滑坡模型在试验过程中内部土压力的实时变化情况。

2.5 试验工况

为研究库水位涨落作用下藕塘滑坡响应特征和破坏模式，根据监测到的三峡水库2011年9月1日到2014年9月1日之间水位调度数据，库区水位日最大涨幅：3.21im，日最大降幅：2.79im(代贞伟，2016)，分别选取1im·d-1、2im·d-1、3im·d-1的库水位涨落速度开展试验模拟，通过模型相似比计算出试验的相似环境参数，制作试验模型进行试验，试验模拟工况如下(表2)所示。

表2 试验模拟工况

工况一：库水位以1im·d-1速度(试验中2.64imm·h-1)从145im涨至175im静止3id(试验中约4.5ih)后降至145im。

工况二：库水位以2im·d-1速度(试验中5.27imm·h-1)从145im涨至175im静止3id(试验中约4.5ih)后降至145im。

工况三：库水位以3im·d-1速度(试验中7.91imm·h-1)从145im涨至175im静止3id(试验中约4.5ih)后降至145im。

3 试验结果分析

3.1 不同水位涨落速度下坡体变形特征

水库蓄水后，水位上涨，库岸岩土体被水浸泡软化，随着库水位各种情况的调度，水位涨落和水流的作用势必会对库岸滑坡造成不同程度的影响。

试验发现，库水位涨落速度越快，观察到的模型变形越明显。对各种涨落速度下试验模型表面裂缝发展情况进行观察，在水位上涨阶段，随着水位的抬升，岩土体被水浸泡软化产生微小裂缝，其中库水位以1im·d-1和2im·d-1上涨时观察到不明显的微裂缝，以3im·d-1上涨过程中观察到坡脚有微小开裂，总体来看试验模型在水位上升过程中变形微小。进入水位稳定阶段，未见裂缝继续发展。至水位下降阶段，库水不断消落，试验模型坡脚新的裂缝产生，旧的裂缝继续扩展，其中：尤以水位3im·d-1下降工况下最为明显，地下水外渗形成的张拉裂缝从侧边向模型中间延伸发展，并向深部扩张，逐渐贯通，坡脚失稳，发生崩滑。1im·d-1和2im·d-1水位涨落工况下未见试验模型破坏。图5为试验模型在库水位以3im·d-1速度涨落作用下坡脚失稳破坏照片。

图5 3 m·d-1 水位涨落工况试验模型前缘照片

从试验结果看，在1im·d-1、2im·d-1、3im·d-13种库水位涨落速度下，观察到的试验模型的变形都发生在第一期次滑坡区域，而在第二期次和第三期次滑坡区域，即试验模型的中后部，未观察到明显的变形迹象。

对试验模型地表位移监测数据进行处理，其中不同水位涨落速度下监测点W1的位移时间变化曲线见图6，3im·d-1水位涨落速度下各位移监测点数值变化曲线见图7。

图6 W1位移监测曲线

图7 3 m·d-1 库水位涨落速度下不同断面位移监测曲线

从试验模型表面位移监测数据看，水位涨落速度越快，造成的试验模型表面位移越大；在同一水位涨落速度下，位于第一期次滑坡的W1、W2点的位移大于分别位于第二期次、第三期次滑坡的W3、W4点。

从各种库水位涨落速度下试验模型所反映出的变形特征可见库水位涨落对滑坡的影响范围主要集中在第一期次滑坡区域。比较同速度下库水位上涨作用和下降作用对试验模型变形的影响可知滑坡稳定性受库水位下降影响更大，揭示出藕塘滑坡的动水压力型滑坡特征。从试验模型从前缘到后缘变形逐渐减弱的特征可以看出滑坡呈现牵引式变形特征。试验模型变形规律与黄达等(2019)对现场变形监测分析出的结果一致。

3.2 不同水位涨落速度下坡内应力响应特征

在不同水位涨落速度下，试验模型呈现相似的浸润线变化规律。在库水位上涨过程中，试验模型前缘浸润线逐渐弯曲、抬升，凹向坡外，水位继续上升，浸润线凹向逐渐从指向坡外往指向坡后缘旋转，弯曲幅度逐渐增大；当水位稳定之后，试验模型内凹型浸润线逐渐抬升变为与水面平行的直线；库水位开始下降，试验模型近水库区域浸润线下降速度明显快于远水库区域，浸润线凸向坡外，随着水位进一步降低，浸润线凸出的弯曲幅度增大。对比不同水位涨落速度下的情况，水位涨落速度慢时，产生的浸润线弯曲很小，水位上涨速度越快，弯曲现象越明显。可见地下水位随库水位的变化存在一定的滞后性。地下水位的滞后变化与孔隙水压力和土压力的变化直接关联。整理不同库水位涨落速度下监测到的孔隙水压力数据得到曲线如图8，土压力随时间变化曲线如图9。

图8 不同水位涨落速度下孔隙水压力时间变化曲线

图9 不同水位涨落速度下土压力时间变化曲线

从监测数据来看，无论哪种库水位涨落速度下，监测点K3、K4的孔隙水压力和监测点T3、T4的土压力均无明显变化，可见水位涨落对试验模型中后部(即第二期次和第三期次滑坡区域)坡体应力状态未产生明显影响。从变化曲线来看，在不同水位涨落速度下，监测点的孔隙水压力和土压力呈现出相似的变化规律。分析监测点K1、T1和K2、T2的监测数据，由于水的渗流需要一定的时间，监测到的孔隙水压力和土压力反映出变化相对于库水位变化滞后的特征，库水位涨落速度越快，滞后的时间也越长。同时，同一水位涨落速度下，距离水库远的孔隙水压力监测点K2和土压力监测点T2变化滞后于距离水库近的监测点K1、T1。其中：孔隙水压力到达峰值相对于水位到达峰值的滞后时间见图10。

图10 孔隙水压力滞后时间曲线

3.3 滑坡变形机制分析

水库的蓄水和周期性调度使得滑坡前缘水位不断变化，库水的渗入和渗出、对岩土体的浸泡软化及浮托减重效应使得滑坡前缘的应力状态变化，稳定性随之改变。水位上涨过程中，被淹没的滑坡前缘岩土体在浮托减重和泡水软化双重作用下抗滑力下降，但库水内渗透的作用产生朝向坡体的渗透压力一定程度上对坡体起到了加固，各种因素共同影响使第一期次滑坡区域应力场变化，但应力场的变化未造成第一期次滑坡区域大的变形，因此未受到库水位变化影响的位于第一期次滑坡后的第二期次和第三期次滑坡也无明显变形产生。水位上涨速度越快观察到的变形迹象越明显，因为被淹没的滑坡体受到的浮托力作用快速增大所致。在水位稳定段，坡体应力无变化故亦无变形产生。水位下降过程中，经过库水充分浸泡的岩土体在水位下降后，坡内地下水向外渗出，渗透力的牵引下软化的岩土体逐渐变形产生拉裂缝，当水位下降速度越快时，拉裂缝扩张，向周围和深部发展并贯通，坡脚发生局部崩滑，表现出牵引式破坏特征。滑坡受库水位下降影响比受库水位上涨影响更大，属于动水压力型滑坡。第一期次滑坡的变形与局部破坏造成超覆在其后缘的第二期次滑坡稳定性变化，产生变形，进而造成第三期次滑坡随之产生变形，从试验结果来看，库水位涨落作用下第一期次滑坡的变形和局部破坏不会引起第二期次和第三期次滑坡产生破坏。

4 结 论

分析藕塘滑坡的地质结构特点，进行概化，设计了大型物理模型试验，研究藕塘滑坡这种具有多个滑带和次级滑体的滑坡在库水位涨落作用下的响应特征及其变形机制，得出以下结论：

(1)库水位涨落未对第二期次和第三期次滑坡的应力场造成明显影响，其影响范围主要在第一期次滑坡区域，第一期次滑坡的变形失稳会引起第二期次、第三期次滑坡稳定性变化产生变形。

(2)库水位以1im·d-1、2im·d-1、3im·d-13种速度上涨作用下滑坡皆不会产生大的变形，仅在坡脚产生微小裂缝，水位上升速度越快，浮托力增长越快，微小裂缝越明显。

(3)库水位下降速度越快，造成的滑坡变形越大，当库水位快速下降时，第一期次滑坡坡脚局部发生牵引式崩滑的风险大。

(4)藕塘滑坡为动水压力型滑坡。库水位的涨落不会造成滑坡的整体破坏，滑坡的破坏模式表现为库水位快速下降作用下的坡脚局部崩滑。

试验结果为进一步认识以藕塘滑坡为代表的具有多个次级滑体和滑面的滑坡在库水位涨落作用下的响应特征和变形机制提供了科学依据。降雨作用作为影响库岸滑坡变形的另一重要因素本文没有考虑，后续工作需针对降雨及降雨和库水位联合作用下的藕塘滑坡变形特征和机制开展模型试验研究。