动力作用下水利边坡失稳形态研究

王建东,张月明,朱 超

(淮安市水利勘测设计研究院有限公司,江苏 淮安 223002)

0 引 言

已有文献研究认为,降雨是造成滑坡的主要因素[1-2]。为此,许多学者针对降雨入渗对边坡稳定性开展了相关研究。胡明鉴等[3]基于某滑坡作为研究对象,进行降雨对滑坡稳定性的研究,得出了降雨是激发滑坡复杂变化的主要因素等结论。朱文彬等[4]将Duncan-Chang模型与饱和-非饱和本构模型相结合,通过建立新模型的方式,开展了降雨型滑坡稳定性的研究。孙书勤等[5]基于三维有限元仿真软件FLAC3d,对某滑坡的稳定性进行了模拟分析,结果表明,在仿真模拟过程中,天然状态下的滑坡体是稳定的,仅有坡脚处的局部受到侵蚀,而在暴雨条件下坡体的失稳破坏可能性同样不大,但会发生局部的牵引式崩塌。张桂荣等[6]对某处滑坡进行了不同降雨强度及库水位升降后稳定性的模拟分析,并针对不同降雨强度、时长下的滑坡稳定性变化进行了探讨,结果表明,导致滑坡发生失稳破坏变形临界雨量为200m/d。付文韬[7]以西北地区的黄土-泥岩滑坡和堆积岩滑坡为研究对象,运用Geo-Studio的不同模块以及三维有限元分析软件 FLAC3D,分析了滑坡在不同降雨工况下的稳定趋势和变形破坏机制。

本文通过自主设计模型试验的方式,针对雨水冲刷作用下水利边坡失稳形态进行研究,对边坡模型不同点位处的土压力、孔隙水压力、基质吸力以及含水率进行监测与分析,研究结果可为边坡在雨水冲刷作用下的失稳形态及特性研究提供理论支持。

1 研究概况

强降雨天气下,造成水利边坡失稳而发生下滑的现象常有发生。为了探究雨水动力作用下水利边坡失稳下滑的形态及滑坡过程,本文通过自主设计模型试验的方式开展研究。整个试验在模型箱里进行,模型箱的尺寸为7m×2m×2m(长×宽×高),模型箱主要包括箱体、供水系统、数据采集系统(土压力、孔隙水压力以及张力)以及摄像记录系统等。边坡侧视图及俯视图的具体尺寸见图1。

图1 边坡的具体尺寸图示

该模型主要使用渗压计、张力计和土压力计,对试验数据进行采集。其中,土压力计T1、T2、T3、T4、T5分别布置在模型箱体底部四边形的4个顶点位置以及正中心处,布置具体情况见图2。布置深度1.7m,收集数据的步长10min。

图2 土压力计的布置示意图

张力计采用编号Z1、Z2、Z3、Z4、Z5表示,分别埋设于边坡顶部和边坡表面,埋深分别为1.5、1.2、0.3、0.2和0.6m(边坡顶端为埋深的零点),张力计的布置示意图见图3。

图3 张力计的布置示意图

渗压计采用编号S1-S11表示,其中9只埋设于试验箱底部,埋深0.17m,其余两只埋深0.12m,具体见图4。

图4 渗压计的布置示意图

2 试验方案及方法介绍

根据某水电站的实测边坡坡脚角度(50°)以及降雨强度(70mm/h),对模型试验进行设计。根据相似比例原理,设计边坡滑坡模型,试验黏土取自该水电站所在位置的边坡滑坡土样,滑坡体的具体物理参数见表1。

表1 滑坡体物理参数

将黏土按照密度1.7 g/cm3分层装入模型箱,层厚0.4m。分两次开展模拟降雨:第一次降雨的时间为开始试验后的第47h,持续时间为0.25h;第二次降雨的时间为第71h,降雨持续时间1.5h。两次降雨强度均为70mm/h。

3 试验结果分析

3.1 边坡土压力变化分析

边坡在雨水动力冲刷作用下的土压力变化情况见图5。由图5可以发现,在前50h土压力计测得T1、T4、T5的土压力无明显变化,压力值分别为29.47、12.32和20.90kPa;T4所在位置测得的土压力在第58h开始有明显的升高,土压力计T1、T5测得的压力均呈减小趋势。由于该试验在第47h和第71h进行降雨,第71h的降雨引起了边坡滑坡,T1和T4处的土压力有明显下降;而在第105h左右开始对滑坡后的土样进行了清理,由此导致土压力计测得T1、T4和T5处的土压力均有明显减小。其中,土压力计T4测得的土压力呈现断层式下降,而T1处土压力的下降速率明显高于T5。

图5 边坡受雨水冲刷动力作用下的土压力变化情况

3.2 边坡孔隙水压力变化分析

根据渗压计测量的边坡各处空隙水压力数据发现,S1-S6处的数据均无明显变化,而S7-S9有明显变化,因此选择S8做进一步分析。在整个试验过程,S8的孔隙水压力变化情况见图6。在前60h内,S8处的孔隙水压力均无明显变化,其值均保持为0;而在第60h以后,S8的孔隙水压力逐渐增大。由于降雨发生在开始试验的第47h,降雨强度为70mm/h,随着雨水的不断渗入,导致孔隙水的压力逐渐增大。根据图6可以发现,第二次降雨导致孔隙水压力的增长远小于第一次降雨,最终两次降雨导致的孔隙水压力最大约为0.15kPa。

图6 边坡受雨水冲刷动力作用下的孔隙水压力变化情况

3.3 边坡基质吸力变化分析

边坡的基质吸力代表边坡土质对水的吸引能力,是研究非饱和土力学性能的一个重要指标。此外,降雨入渗导致边坡失稳甚至破坏,也需要对基质吸力进行研究,因此基质吸力参数对研究雨水冲刷动力下的边坡失稳形态具有重要意义。

图7为边坡受雨水冲刷动力作用下的基质吸力变化情况。由图7可以发现,在前40h以内,张力计Z1、Z2、Z3、Z4、Z5测得的张力均随着时间的增加而增大。这是由于所使用的黏土均处在非饱和状态,基质吸力均呈现增大的状态,且随着时间的增加,试验中的黏土逐渐趋向于饱和,基质吸力也逐渐趋向于稳定;在开始试验的第47h和第71h实施降雨,降雨强度为70mm/h,两次降雨的持续时间分别为0.25和1.5h。当第一次降雨出现,由于Z1、Z2处在雨水的冲刷下开始出现裂缝,因此该两处的基质吸力均呈现减小状态;当第二次降雨在第71h开始出现,边坡出现滑坡现象,Z3、Z4处的基质吸力开始降低。根据图7可以明显发现,Z5处的基质吸力在第40h以后并无明显变化,也即Z5所在位置并不受两次降雨的影响。这主要是由于Z5处的埋深为0.6m,两次降雨均未渗入到边坡坡顶的0.6m处,因此Z5处的基质吸力在达到最大值约42kPa后,不会再受降雨的影响而随着时间发生变化。

图7 边坡受雨水冲刷动力作用下的基质吸力变化情况

3.4 边坡含水率变化分析

当边坡受到雨水冲刷作用时,雨水会不断入渗至边坡土壤中,导致边坡含水率发生变化。为了探究边坡发生滑坡后的边坡含水率随深度的变化情况,试验中,在坡顶沿竖向方向挖取剖面,用以测量边坡含水率随边坡深度的变化情况,结果见图8。图8中,0cm即为模型边坡的顶部位置,而1.7m为边坡的最底部(等于模型边坡的高度)。由图8可知,在试验前未经历雨水冲刷作用力的情况下,边坡深度0～1.7m处的含水率均保持在19.5%;而当试验后,在经历了两次降雨之后,边坡0～0.4m处的含水率发生不同程度的变化。其中,边坡顶部含水率的增量最大,增量约为4.8%,含水率为24.3%;深度0.2和0.4m处的含水率分别增加至22.3%和21.2%。而当深度为0.5m时,试验前与试验后的含水量保持一致,并且随着深度的进一步增加,含水率均不再发生变化。这主要是由于降雨入渗边坡的深度范围有限,只会对边坡0～0.5m范围的含水率造成影响,并不会影响更深的土壤含水率。

图8 边坡含水率随深度的变化情况

4 结 论

为了探究雨水动力作用下水利边坡失稳下滑的形态及滑坡过程,本文通过自主设计模型试验的方式进行了研究。结论如下:

1)边坡在雨水动力冲刷作用下的土压力会发生变化,在未进行降雨前,监测点位处的土压力均保持不变。当开展降雨后,边坡前脚位置、边坡底端正中心和边坡底后脚处的土压力呈现出不同的变化状态。其中,边坡前脚顶点处的土压力与底端正中心处在施行降雨后均呈下降趋势,而边坡后脚的土压力在经过两次降雨后,均有增长的趋势。

2)在开始实施降雨前,边坡的孔隙水压力均无明显变化,其值均保持为0;而在开展降雨之后,随着雨水的不断渗入,导致孔隙水的压力逐渐增大,两次降雨最终导致的孔隙水压力最大约为0.15kPa;根据试验测得的基质吸力在前40h内均随着时间的增加而增大,之后随着试验中的黏土逐渐趋向于饱和,基质吸力也逐渐趋向于稳定;降雨的出现会影响边坡的基质吸力,导致基质吸力逐渐变小,但由于边坡发生滑坡时雨水并不会入渗至边坡0.6m深度处,因而该深度处的基质吸力并不会降低。

3)当边坡未受到雨水冲刷作用时,边坡不同深度处的含水率均保持在19.5%左右;而当经历降雨作用后,边坡不同深度处的含水率发生不同程度的变化。其中,边坡顶部含水率的增量最大,深度为0.2～0.4m处的含水率也有不同程度的增加;当深度为0.5m时,试验前与试验后的含水量保持一致,并且随着深度的进一步增加,含水率均不再发生变化。