坡前水位降落对边坡稳定性影响试验

曾万福

(赫章县水务局，贵州 毕节 553200)

1 概 述

滑坡作为最普遍的地质灾害之一，不仅给社会带来巨大的经济损失，而且还严重威胁周边百姓的人身安全。有数据显示，滑坡灾害给我国每年带来超百亿的经济损失。研究表明，滑坡事故多为土质边坡失稳所造成，究其原因是边坡内渗流场的变化导致的。因此，对坡前水位变化对边坡稳定性的研究迫在眉睫。

国内外越来越多的学者将研究重点聚集于此，并取得一系列的研究成果[1-3]。柳群义等[4]基于三维数值软件对某库区边坡进行模拟，获得了库岸的位移和孔隙水压力，研究了水位涨落对库岸边坡的影响。罗先启等[5]利用实验手段，对降雨及库区水位变化下的边坡进行试验模拟，分析了水位变化及降雨下引起的滑坡。年廷凯等[6]采用PLAXIS3D有限元软件，对某土质边坡进行模拟，并基于强度折减法研究库水位降落过程中土质边坡的位移和应力变化；同时对相关敏感参数进行影响因素分析。汪斌等[7]采用FLAC3D大型数值软件对库岸边坡进行模拟，总结了考虑流固耦合作用下边坡滑坡边坡失稳机制。王学武等[8]利用数值模拟手段对非饱和坝坡稳定性进行分析，研究了水位变化对坝坡稳定性的影响。本文通过室内模型试验对坡前水位降落下的边坡稳定性影响进行研究，为今后的相关工程设计提供理论支撑。

2 试验设备及材料

2.1 试验设备

本次室内试验模型箱尺寸为2.5 m(长)×1.0 m(宽)×1.2 m(高)，见图1。模型箱底面和侧面均采用钢化玻璃，玻璃厚度为20 mm。在侧面钢化玻璃上绘制网格线，间隔10 cm，可以很好地观察试验的进展。为控制水位降落速度在5 L/h，模型箱开4个直接20 mm的孔，用以连接旋翼湿式水表。

图1 试验模型箱

采用XL2118B应力应变综合参数测试仪来监测应力应变，见图2。

图2 XL2118B应力应变综合参数测试仪

2.2 土体试样及物理力学参数

试验中选取粉质黏土和中砂两种土质，见图3和图4。其基本物理力学参数见表1，粒径分布见表2。

图3 中 砂

图4 粉质黏土

表1 土体参数表

表2 土体粒径分布表

3 试验方案

3.1 试验过程

试验有以下几个步骤：

1) 在模型箱底部铺设反滤层，厚度为50 mm，以便试验过程中水能自下而上均匀入渗，坡内渗流场区域饱和渗流。

2) 模型箱蓄水后，静置以使渗流处于稳定状态，然后打开出水口模拟水位下降。

3) 利用测试仪监测数据并做记录。

4) 利用网格线记录边坡的位移。

3.2 试验工况

为研究降落速度和落差对边坡的影响，本次试验一共进行6组不同工况的试验，见表3。

表3 试验工况表

4 试验结果分析

4.1 水位降落速率的影响

为研究水位降落速率对边坡的影响，本节选取试验标号1-2和1-3两组试验进行对比。图5为水位降落时浸润线的变化曲线，给出了6组不同时间的结果。由图5可知，边坡浸润线随着水位的降落也一直降落，且不同时刻同一高度边坡前缘水位总体低于边坡后缘水位。这种内外部的水压力差会导致边坡后缘向边坡前缘的渗流，其产生的渗流力会对边坡稳定性产生不利影响。边坡水位下降初期，内外部的水压力差逐渐增大，这是由于边坡前缘水位的不断下降，且边坡底部比边坡顶部长，导致渗流路径的增加。边坡水位下降后期，边坡前缘水位趋于稳定，但边坡后缘水位继续下降，内外部的水压力差渐渐减小。当试验进行到83 min时，内外部的水压力差趋于0。

图5 中砂边坡坡内浸润线随时间变化图

图6为中砂内3个不同点的水位变化曲线，3个点分别为边坡表面、x=140 cm和x=240 cm。由图6可知，在水位下降初期，1-2试验组中x=240 cm处边坡内外水位压力差峰值为14 cm，在83 min时内外水位压力差较初期减小约85%；而1-3试验组中x=240 cm处边坡内外水位压力差峰值为11 cm，在83 min时内外水位压力差较初期减小约80%。因此，随着边坡水位的下降，坡外水位下降速率明显大于坡内水位下降速率。由于渗流路径的不同，同一高度边坡内部位置孔隙水压力消散比边坡表面位置慢。边坡水位下降初期，边坡内部外部水位降落速率显著增大；边坡水位下降后期，边坡前缘水位趋于稳定边坡内部外部水位降落速率趋于一致。同样可以看出，在83 min时，内外部的水压力差趋于0。

图6 中砂边坡坡内不同点水位随时间变化图

4.2 水位落差的影响

本节选择标号2-1和2-2两组试验进行对比，分析水位落差对边坡位移、孔隙压力的影响。图7为浸润线的变化曲线，同样给出了6组不同时间的试验结果。由图7可知，随着边坡水位的下降，边坡前缘水压力衰减速率明显快于边坡后缘水压力衰减速率。在水位下降初期，边坡孔压差随着渗流路径逐渐增大；在水位下降后期，边坡前缘水位逐渐趋于稳定，边坡孔压差缓慢减小。

图7 粉质黏土边坡坡内浸润线随时间变化图

图8为粉质黏土内3个不同点的水位变化曲线，3个点分别为边坡表面、x=180 cm和x=210 cm。由图8可知，在水位下降初期，2-1试验组中x=210 cm处边坡内外水位压力差峰值为41 cm，在137 min时内外水位压力差较初期减小约50%；而2-2试验组中x=210 cm处边坡内外水位压力差峰值为46 cm，在83 min时内外水位压力差较初期减小约54%。同样，随着边坡水位的下降，坡外水位下降速率明显大于坡内水位下降速率。且由于渗流路径的不同，同一高度边坡内部位置孔隙水压力消散比边坡表面位置慢。对比图6的中砂试验可以看出，由于粉质黏土的渗透系数小，其坡内孔压差衰减幅度小且衰减速度慢，水位下降对边坡稳定性的不利影响更大，时间也更久。

图8 粉质黏土边坡坡内不同点水头随时间变化图

4.3 坡形的影响

对比标号1-1试验组边坡x=140 cm和240 cm，标号1-4试验组边坡x=140 cm和240 cm的水头值随时间的变化情况。图9为两组试验边坡前缘水位和不同x位置处水位的变化曲线。由图9可知，不同位置水位的变化规律与前面4组试验一致：随着边坡水位的下降，坡外水位下降速率更大，边坡内部位置孔隙水压力消散更慢。边坡水位下降初期，边坡内部外部水位降落速率显著增大。在水位下降初期，1-1试验组边坡内外水位压力差峰值为14 cm，在82 min时内外水位压力差较初期减小约93%；而1-4试验组边坡内外水位压力差峰值为8 cm，在82 min时内外水位压力差较初期减小约98%。由于1-4试验组中渗流路径更大，边坡内部水位下降更快，边坡内外水压差较1-1试验组也更小。

图9 坡内不同点水头随时间变化图

5 结 论

本文基于室内模型试验模拟水位降落过程中边坡的渗流场变化，得到了不同试验工况下水位下降过程中水位结果及边坡失稳现象；着重研究了坡形、降落速度、土体材料和降落差等不同条件下对边坡稳定性的影响。主要有以下结论：

1) 边坡水位下降初期，边坡内外孔隙水压力差值随着边坡水位的下降逐渐增大；边坡水位下降后期，边坡前缘水位趋于稳定，边坡内外孔隙水压力差值逐渐减小，边坡渗流场接近稳定状态。

2) 渗透性能好的土体，当边坡前缘水位处于稳定状态后，边坡内部孔隙水压力衰减速度较渗透性差的土体快，水位下降对边坡稳定性的不利影响更显著，时间也更久。

3) 水位降落速率、落差和坡形均对边坡有显著影响，随着水位降落速率增大、落差增大和坡比增大，边坡更易失稳发生破坏。