库水位涨落对石榴树包滑坡变形机理的模型试验研究_陈露军.pdf

第4 1卷第5期2023年5月水 电 能 源 科 学W a t e r R e s o u r c e s a n d P o w e rV o l.4 1 N o.5M a y 2 0 2 3D O I:1 0.2 0 0 4 0/j.c n k i.1 0 0 0-7 7 0 9.2 0 2 3.2 0 2 2 1 4 3 6库水位涨落对石榴树包滑坡变形机理的模型试验研究陈露军,卢应发,孙文庆(湖北工业大学土木建筑与环境学院,湖北 武汉 4 3 0 0 6 8)摘要:石榴树包滑坡是三峡库区结构复杂的巨型滑坡之一,自大坝蓄水以来,滑坡出现复活迹象,对周边人民的生命财产造成威胁。为研究石榴树包滑坡在库水位涨落下的变形破坏模式和响应机制,通过大型物理模型试验,精确控制试验库水位涨落条件,在边坡内埋设位移传感器、土压力传感器及孔隙水压力传感器来分析试验现象。结果表明,库水位涨落影响主要集中在滑坡前缘坡脚处,库水蓄水产生悬浮减重作用,会削弱部分滑体重力,从而使得滑坡稳定性下降;坡体内力响应具有滞后性,库水上涨时土体有效应力增加,滑带抗滑力增大,且随着上涨速率增大而形成指向坡内的渗透力越大,有利于滑坡稳定;库水位条件下石榴树包滑坡变形破坏模式为原始边坡坡脚侵蚀及侵蚀扩展坡脚裂隙形成及扩展坡面裂隙形成局部滑塌,为动水压力型滑坡。试验揭示了库水位条件下的变形机理,为研究类似滑坡提供了参考。关键词:石榴树包滑坡;库水位涨落;模型试验;变形机理;破坏模式中图分类号:TV 6 9 8.2+3 2;TU 4 3 2 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 0-7 7 0 9(2 0 2 3)0 5-0 1 3 5-0 4收稿日期:2 0 2 2-0 7-1 3,修回日期:2 0 2 2-0 8-2 8基金项目:国家自然科学基金项目(4 1 6 4 1 0 2 7,4 2 0 7 1 2 6 4);三峡后续工作地质灾害防治项目(0 0 0 1 2 1 2 0 1 5 C C 6 0 0 0 5)作者简介:陈露军(1 9 9 7-),男,硕士研究生,研究方向为岩土力学理论及应用,E-m a i l:c l j 6 1 5 6 1 51 2 6.c o m通讯作者:卢应发(1 9 6 4-),男,教授、博导,研究方向为岩土力学理论及应用,E-m a i l:l y f 7 71 2 6.c o m1 概况石榴树包滑坡位于湖北省巴东县东壤口镇黄蜡石村,长江西陵峡与巫峡之间,滑坡平面形态似舌状,坡面呈阶梯状,平均坡角约2 6,后缘高程为3 4 0 m,前缘剪出口高程为5 6 m,常年被库水淹没,滑体纵长5 5 0 m,宽3 2 04 7 0 m,面积约0.2 5 k m2,厚2 05 0 m不等,体积约为1 1 8 01 04m3。库水位涨落对滑坡稳定性的影响至关重要。本文拟通过模型试验方法从位移、孔隙水压力、土压力三个方面获取数据来分析影响滑坡变形的响应机制及变形机理,以达到灾害预警防治的目的。2 模型试验2.1 模型概化以主滑方向为典型的地质剖面进行模型试验,根据试验场地结构和滑移特性,参照滑坡原型和试验平台尺寸,以1/1 0 0比例概化模型,设计长5.5 m,高3.2 m,宽0.6 m,土体重度相似比C=1,粘聚力相似比Cc=1 0 0,内摩擦角相似比C=1,渗透系数相似比Ck=8.1 8 5,弹性模量相似比Ck=1 0 0。根据相似理论及在所列滑坡物理力学参数的基础上,结合石榴树包滑坡模型试验概化地质结构的特点,综合确定石榴树包滑坡滑带原型材料与相似材料物理力学参数,各参数取值见表1。表1 滑体原型材料与相似材料物理力学参数T a b.1 P h y s i c a l a n d m e c h a n i c a l p a r a m e t e r s o f s l i d i n g b o d y p r o t o t y p e m a t e r i a l s a n d s i m i l a r m a t e r i a l s滑坡部位统计方法天然重度/(k Nm-3)抗剪强度c/k P a/()渗透系数k/(ms-1)弹性模量E/MP a泊松比滑体原型值2 0.0 92 1.1 71 3.51 7.81 2.1 12 6.90.0 0 60.1 01 2.21 8.50.3 3相似值2 0.0 92 1.1 70.1 40.1 81 2.1 12 6.97.3 31 0-40.0 10.1 82.7 60.3 3相似比11 0 018.1 8 51 0 01滑带原型值1 5.02 6.81 2.8 02 1.4 0相似值0.1 50.2 71 2.8 02 1.4 0相似比1 0 012.2 模型制作考虑滑坡滑移特性,在试验模型玻璃上勾勒滑坡边缘线,分别用普通砖块砌成滑床,用水泥砂浆加防渗处理来模拟滑动基岩面。将滑坡分为第1、2期次滑坡,依次堆筑滑带土和滑体土,通过对模型轮廓的切割和修正得到现场模拟试验模型,见图1。图1 模型示意图F i g.1 M o d e l d i a g r a m2.3 试验监测布置从滑坡模型前缘至后缘设置三个监测断面,实时监测坡体孔隙水压力、土压力和坡体位移变化,其中监测剖面、位于第1期次滑坡,监测剖面位于第2期次滑坡,各监测剖面及所用传感器详细埋设见图2。图2 监测剖面及监测布置图F i g.2 M o n i t o r i n g p r o f i l e a n d m o n i t o r i n g l a y o u t2.4 试验工况为研究库水位涨落条件下石榴树包滑坡变形机理及破坏模式,设置4种试验工况:工况1。库水位以1 m/d速率(试验中1 0 mm/d)从1 4 5 c m上涨至1 7 5 c m,静止2 d(试验中约4 h)再以同一速率降至1 4 5 c m。工况2。库水位以2 m/d速率(试验中2 0 mm/d)从1 4 5 c m上涨至1 7 5 c m,静止2 d(试验中约4 h)再以同一速率降至1 4 5 c m。工况3。库水位以3 m/d速率(试验中3 0 mm/d)从1 4 5 c m上涨至1 7 5 c m,静止2 d(试验中约4 h)再以同一速率降至1 4 5 c m。工况4。库水位以4 m/d速率(试验中4 0 mm/d)从1 4 5 c m上涨至1 7 5 c m,静止2 d(试验中约4 h)再以同一速率降至1 4 5 c m。3 试验结果与分析3.1 不同工况下坡体变形模式随着试验水位上涨,库岸周边岩土体被浸泡软化,故研究水位以不同速率上涨及降落入渗至坡体内对库岸滑坡稳定性造成的影响1。在库水位上涨阶段试验中,模型前缘逐渐被水淹没至1 7 5 c m水位,在不同上涨速率下观察模型表面现象,其中以1、2 m/d速率上涨时几乎无明显变形,但以3、4 m/d速率上涨时坡脚产生了微小开裂,4 m/d开裂程度微大于3 m/d时开裂程度。根据试验变化可知,水位上涨时模型变形程度较小,到达最高库水位时,未见坡面前缘裂缝进一步延伸,滑坡后缘无明显变形。水位降落时,坡脚开始出现不连续性裂缝,原裂缝进一步扩展。由于库水外渗入坡体,随后静置一定时间有利于坡体的浸泡软化,尤其是水位以4 m/d速率降落,坡体内外产生较大水头差,产生指向坡外较大的渗透力,由此产生应力使得裂缝逐渐与旧裂缝贯通,坡脚发生局部坍塌。其中工况1、2条件下未见试验模型发生破坏,在工况3条件下库水位降落时旧裂缝产生延伸发展,未见新裂缝产生。图3为试验模型在工况4降落时坡脚发生局部崩滑破坏前后照片。滑体前移横向裂缝崩塌范围拉裂缝(a)前缘发生滑移(b)前缘发生崩塌图3 工况4条件下试验模型前缘破坏照片F i g.3 P h o t o s o f l e a d i n g e d g e f a i l u r e o f t e s t m o d e l u n d e r c o n d i t i o n 4根据试验模型地表位移监测数据分析,在库水位上涨初期,滑坡区抗滑力增大,有利于滑坡稳定。由于水位的上涨边坡内外产生的渗透力有利于坡体稳定,亦即对边坡的稳定性弱化不明显。如图4(a)所示,在第41 6 h(水位从1 4 5 m上涨到1 6 0 m)位移出现缓慢增长趋势,工况14坡体均 发 生 了 滑 移 现 象 且 移 动 位 移 量 分 别 约0.0 3 3、0.0 6 5、0.1 6、0.2 3 mm,滑坡范围主要集中在滑带前缘。水位上涨使得渗透力在坡体内上升,对岩土体起到不可逆软化作用,然而库水蓄水631水 电 能 源 科 学 2 0 2 3年 第4 1卷第5期陈露军等:库水位涨落对石榴树包滑坡变形机理的模型试验研究(a)监测点-位移变化曲线I 1(b)4 m/d条件下不同监测剖面位移变化曲线1020304050600.00.51.01.52.0工况1工况2工况3工况4库水位时间/h位移/mm145150155160165170175库水位/m1020304050600.00.51.01.52.0剖面I剖面II剖面III库水位位移/mm145150155160165170175库水位/m时间/h图4 库水位涨落下监测位移曲线F i g.4 M o n i t o r i n g d i s p l a c e m e n t c u r v e u n d e r f l u c t u a t i o n o f r e s e r v o i r w a t e r l e v e l产生悬浮减重作用,会削弱部分滑体重力,从而降低了滑坡稳定性。第2 53 5 h(库水上涨至1 7 5 m)监测位移保持稳定,分析认为库水位对滑坡体的表面产生了较大的静力反压作用,阻止了坡体前缘下滑。第4 05 8 h(水位从1 7 5 m降至1 4 5 m),随着水位降落速率增加,模型中坡内水位低于坡外水位,两者间落差速率增大,导致坡内水压高于坡外,产生指向坡外较大的渗透力,渗透力愈大,滑坡位移监测值愈大,产生较大的坡体位移量,工况14坡体均发生了滑移现象且移动位移量分别约0.2 0 1、0.5 5 1、0.9 2 6、1.2 1 8 mm,坡体的顶部出现拉裂缝(图3(b),说明滑坡内部已形成贯通滑带,极大恶化坡体稳定性。如图4(b)所示,涨落速率越快,坡面位移越大;水位降落中位移变化主要发生在滑坡前缘,对滑坡后缘位移变化影响较小;同一涨落速率下,处于第1期次滑坡监测点位移大于第2期次滑坡监测点位移,揭示了石榴树包滑坡表现为从前缘向后缘变形逐渐减弱的特征,呈现牵引式滑坡变形,且滑坡稳定性受水位波动影响则属于动水压力型滑坡,其变形规律与现场监测资料分析结果一致。3.2 不同工况下坡体内力响应机制(a)监测点-孔隙水压力曲线I 2(b)不同监测剖面孔隙水压力变化曲线1020304050600123456工况1工况2工况3工况4库水位时间/h孔隙水压力/kPa145150155160165170175库水位/m1020304050600123456工况1剖面I剖面剖面库水位工况4剖面I剖面剖面孔隙水压力/kPa145150155160165170175库水位/m时间/h图5 库水位涨落下孔隙水压力曲线F i g.5 P o r e w a t e r p r e s s u r e c u r v e u n d e r r e s e r v o i r w a t e r l e v e l f l u c t u a t i o n3.2.1 孔隙水压力变化随着试验水位上涨,库岸周边岩土体被浸泡软化,从而改变坡体水位,监测点的孔隙水压力随之改变。监测点-2处水位上涨时孔隙水压力变化曲线见图5(a)。结果表明,不同工况下孔隙水压力变化不同。4种工况下在第53 2 h(水位从1 4 5 m上涨到1 6 0 m)增加幅度分别为2.6 0、2.0 6、1.5 3、1.4 3 k P a。