降雨和库水位耦合作用下滑坡的模型试验研究

谢 鹏， 陈 昊， 朱 蕾， 卿 菁

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

随着我国经济建设的迅速发展， 很多水电工程建设项目在峡谷区实施， 峡谷地区地质情况复杂， 本身就存在大量的欠稳定滑坡体， 水电工程的建设在峡谷区产生了大量的库岸滑坡地质灾害， 一定程度上限制了经济的可持续发展[1-3]。 因此， 库岸边坡稳定性分析和边坡的破坏模式以及破坏机理一直是边坡研究的一个重点课题。 在众多发生的边坡失稳案例中， 库水位变化和突发性降雨起着举足轻重的影响作用[4-6]， 成为边坡地质灾害热门研究领域之一。

何满潮等研究了地下水在边坡不同岩体介质中的力学状态， 总结了地下水对边坡的作用方式； 王乐等[7-11]通过边坡渗流与坡面径流条件， 得出三维有限元模型边坡渗流场； 张珏等用[12-13]DDA方法建立了连续的裂隙渗流空间场，扩展了裂隙渗流计算空间及精度； 薛阳等[14]利用核磁共振等科学技术获取了涉水边坡坡体水的运动曲线， 研究了边坡渗透系数的变化特征。 陈祖煜等用[15-19]极限平衡法、 有限元法和其它的散体分析方法对库岸涉水边坡稳定进行了定量分析。 然而假定条件与现场不一定相符， 故物理模型试验能在单一和多个诱发因素耦合作用下， 最大程度真实展现滑坡孕育、 发展乃至失稳破坏的全过程[20-25]。 本文对千将坪滑坡进行物理模型试验， 探讨在不同角度下降雨和库水位耦合作用下滑坡的破坏过程， 在一定程度上有益于缩小理论与实际的差异， 对库岸滑坡预警有一定的借鉴价值。

1 滑坡概况

千将坪滑坡位于秭归县沙镇溪镇千将坪村，所在的青干河河段右岸(南岸)为逆向陡崖，千将坪滑坡体主滑区为舌状地形，左岸(北岸)为顺向坡，坡度13°～35°。斜坡形态呈平直坡，北西-南东向展布，北西高南东低，滑体后缘高程400 m，前缘高程90 m。斜坡上陡下缓，平均坡度25 °。滑体长1150 m，宽600 m,平均厚度约25 m，体积1725×104 m3，属于特大型滑坡。主滑方向140 °。滑坡滑动前及三峡水库蓄水前的天然条件下，谷底宽度50～80 m，高程89 m左右，枯水期水深0.5～3.0 m。三峡水库135 m高程水位下，河面宽度200～300 m，水深45 m左右。滑体主要由块裂岩体组成，在滑坡表面局部见有松散堆积块体及原地表崩坡积物。岩性为中厚层粉沙质泥岩、泥质粉沙岩夹厚层长石石英砂岩，岩体一般为块状～次块状结构，局部沿裂隙断开形成裂缝，岩体较为破碎。滑带物质组成主要为碳质页岩夹方解石脉及生屑灰岩透镜体，多处见3～10 cm厚的泥化粘土透镜体。滑床为微风化新鲜的中厚层粉沙质泥岩、泥质粉沙岩夹厚层长石石英砂岩，仅沿部分裂隙有轻微蚀变。

2 滑坡物理模型

2.1 模型制作及试验工况

选取主滑方向作为千将坪滑坡物理模型试验研究。 将剖面材料分成滑床、 滑带、 滑体等三个分区(图1)。 根据现有滑坡模型试验系统中模型槽的尺寸， 确定试验剖面模型长度和原型长度的相似比为1∶190， 模型长6000 cm， 最大高度为2100 cm。

图 1 千将坪滑坡主滑方向剖面概化分区图

根据现有的的较完备的量测系统，可对试验过程中滑坡体的位移场的变化进行较准确的量测，该滑坡模型试验系统由试验平台起降控制系统、室内人工降雨控制系统、水库水位控制系统、多物理量测试系统、非接触位移量测试系统组成。试验平台一端的底部为铰支，另一端可以自由抬升，其最大抬升角度为20°。

为了分析千将坪滑坡在水库蓄水和降雨条件下位移场的变化特征，在剖面Ⅰ到剖面Ⅳ各埋设一个孔隙水压力传感器、一个土压力传感器和位移传感器，如图2所示。

在试验过程中，使模型的倾角分别为0°、7°、10°，对试验整个过程的测点数据进行采集，形成滑坡模型试验监测数据。

2.2 相似材料

模型几何相似比采用n=190，密度相似比为1，根据相似原理，采用量纲分析法可以推导模型材料各参数的相似比存在如下

式中：C为相似比，φ为内摩擦角，μ为泊松比，c为粘聚力，E为弹性模量，k为渗透系数，v为库水波动速率，q为雨墙，t为时间。

根据试验和工程类比得到千将坪滑坡主要物理力学参数建议值。本试验滑带相似材料选取的是大小玻璃、滑带土和水，滑体选取的是重晶砂、河砂、重晶石粉、石蜡、粘土和水。根据相似理论和试验配比进行多组材料试验，然后进行分析比较，得到目标滑体、滑带物理力学参数如表1所示。

图3 千将坪滑坡模型试验模拟水库蓄水、降雨过程

表1 滑坡模型物理力学参数

3 千将坪滑坡试验结果及分析

在模型架倾斜角度分别为0°、7°、10°情况下，对模型模拟水库蓄水、降雨过程，以及滑坡模型试验整个过程的测点数据进行采集，形成滑坡模型试验监测数据。

从图4到6可以看出，模型倾角为0°时，滑坡前缘剖面Ⅰ的孔隙水压力在库水位上升一段时间后才开始增大，经过一段时间的稳定，在降雨后又上升然后下降，然后趋向平稳，说明库水入渗需要一定的时间，孔隙水压力滞后于库水位上升，且降雨和库水位都会增加孔隙水压力；剖面Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ几乎没有出现明显的孔隙水压力变化情况。模型倾角为7°时剖面Ⅰ的孔隙水压力与0°时相似，不过孔隙水压力值更大，剖面Ⅱ、Ⅲ与剖面Ⅰ出现同样的变化过程，剖面Ⅳ变化过程与0°时相似。模型倾角为10°时剖面Ⅰ、Ⅱ变化过程与0°、7°相似，不过孔隙水压力在降雨后一段时间达到峰值，然后急剧下降，剖面Ⅲ、Ⅳ没有明显的变化。

图 4 0°各剖面孔隙水压力

图 5 7°各剖面孔隙水压力

图 6 10°各剖面孔隙水压力

从图7到图9可以看出，模型架在0°和7°时，各剖面的土压力没有太大的变化；在10°时，剖面Ⅰ、Ⅱ降雨前土压力与0°和7°工况相似，不过急降雨过后一段时间急剧上升然后下降，这时剖面Ⅰ、Ⅱ已经破坏，与图12各剖面位移变化线相符合。

图 7 0°各剖面土压力

图 8 7°各剖面土压力

图 9 10°各剖面土压力

图10到图12显示出：0°和7°时各剖面没有明显的位移变化情况，与相应工况土压力变化情况呈正相关。导致0°和7°工况位移变化出现波动的主要原因是：降雨从坡体表面入渗会引起孔隙水压力增大，孔隙水压力增大导致地表附近非饱和土的基质吸力降低，这就容易导致土体变形，但这种增大现象滞后于降雨过程，这主要是由于降雨入渗需要一定的时间。当降雨停止后，由于地表的蒸发作用,使得孔隙水压力减小，这就致使地表附近非饱和土体基质吸力升高，提高土体的抗剪强度，使得土体的变形受到制约。

图10 0°各剖面位移变化过程线

图11 7°各剖面位移变化过程线

图12 10°各剖面位移变化过程线

图13是模型试验结束后坡体的堆积形态，为了便于比较，将滑坡原型滑前滑后地质剖面按比例绘制在图片上。可以看到滑坡原型滑后堆积形态与模型堆积形态基本一致，说明通过倾斜模型的方式获得的边坡破坏形态和原型一致。本次模型试验最大真实程度展现滑坡孕育、发展乃至失稳破坏的全过程，明晰了全过程中水压力、土压力及位移的变化情况，能为滑坡预警及治理设计提供一定的借鉴。

图13 千将坪滑坡模型滑后堆积形态

4 结论

通过在不同角度工况下对滑坡模型进行实验研究，可以得出以下结论：

1)随着模型架角度的增大，滑面倾角也随之增大，在同样降雨和库水位耦合作用下更容易失稳。

2)不同监测剖面位移变化特征表明降雨和库水位耦合作用下，位移基本存在于滑坡前缘，滑坡后缘波动较弱，表现出牵引式滑坡特征。

3)水压力和土压力在滑坡破坏前瞬间都急剧增大达到峰值，破坏失稳时急剧减小，呈现出应力重分布现象。在滑坡达到临界破坏状态前，孔隙水压力和土压力都变得异常，可以作为滑坡即将失去稳定性的预兆之一。