库水位变动下库岸滑坡变形失稳机制离心模型试验.pdf

收稿日期:修回日期:基金项目:国家重点研发计划项目()作者简介:谷建永()男安徽宿州人硕士研究方向为水工结构:.通信作者:张 强()男山西大同人高级工程师博士主要从事边坡和地下工程等方面研究工作:.:./.():库水位变动下库岸滑坡变形失稳机制离心模型试验谷建永张 强卢晓春胡 晶朱军威(.三峡大学 水利与环境学院湖北 宜昌 .中国水利水电科学研究院 岩土工程研究所北京)摘 要:为研究滑坡在库水位变动下的变形演化机制以车邑坪滑坡为原型建立了 滑坡概化模型设计了一套库水位升降系统开展了一次水位抬升及两次不同速率水位连续骤降的离心模型试验 研究结果表明:水位抬升阶段滑坡变形不明显当水位首次骤降时滑坡前缘拉裂缝迅速发展贯通形成断裂带随后断裂带下错滑塌中后部产生张拉裂缝当水位二次骤降时滑坡沿原断裂带继续下滑但滑动程度明显减弱中后部竖向压密行为导致裂缝扩展趋稳 水位抬升阶段孔压滞后性明显随后各阶段逐渐减弱前缘滑体土压各阶段变幅剧烈而中后部在首次骤降时最剧烈 总体上来看导致滑坡失稳的水位骤降速率区间为./滑坡深部动水压力效应较浅层强烈滑坡变形受库水位首次骤降影响强于二次骤降变形破坏呈现由前缘到后部逐渐减弱的牵引式特征各阶段依次呈现初始变形、加速变形及减速变形特征关键词:库岸滑坡动水压力变形水位骤降离心模型试验中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):./.第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报.年 月 .:研究背景库岸滑坡是大型水电工程库水调度工作中不容忽视的问题其不仅造成严重的生命和财产损失还给生态环境带来巨大灾难 据国家统计局统计数据 年间滑坡数量占比 高达 起 库水位升降是影响库岸滑坡稳定性的重要因素改变了地下水原有运移规律极易诱发滑坡变形复活 因此开展库水位变动条件下库岸滑坡变形失稳机制研究具有重要意义针对库水位变动诱发滑坡变形复活机制的研究国内外学者采用现场监测、力学分析、数值模拟及现场和室内试验等方法开展了大量的工作在这些方法中离心模型试验是目前公认的相似性最好的物理模型试验可真实还原现场岸坡条件通过在模型箱中塑造原型滑坡调整各种参数和库水位条件再现滑坡的变形演化全过程 基于离心模型试验李邵军等模拟了三峡库区边坡在库水循环升降条件下的失稳破坏过程 冯文凯等分析了木包鱼滑坡在不同库水位升降速率下的变形响应规律 牟太平等开发了土坡变形测量技术并获得了自重加载下的边坡位移场变化特征 付小林等研究了不同库水位消落方式下滑坡变形破坏机理 李松林等分析了三峡库区浮托减重型滑坡的变形演化模式 苗发盛等以三峡库区凉水井滑坡为研究对象揭示了库水位升降下牵引式滑坡的失稳机理及破坏模式综上可见尽管已有研究在库水位消落方式、升降速率及滑坡类型等方面卓有成效但目前尚缺少全面考虑库水位骤降前后速率不一致条件下滑坡变形演化机制的研究成果特别是动水压力型滑坡由于动水压力效应受工程地质条件影响较大在库水位骤降过程中极易诱发滑坡变形失稳考虑到实际水电工程中库水调度模式一般是先慢后快为了服务工程实际本文选取 水电站库区车邑坪滑坡为研究对象构建了该滑坡前缘 物理概化模型自主研制了一套库水位升降系统运用中国水利水电科学研究院 型土工离心机模拟了库水位先慢后快两阶段的骤降过程获得了滑坡变形破坏全过程孔隙水压力、土压力及含水率变化特征揭示了该滑坡变形演化机制为今后该类滑坡的演化、预测及防治提供了一定参考价值 滑坡原型为研究折线形滑面形态这类老滑坡变形演化机制本次试验选取的滑坡原型为 水电站库区车邑坪滑坡 该滑坡位于 左岸车邑坪小村前缘部分主滑方向 滑坡体轴向长 宽 平面总面积约.滑坡体积约 岩层产状为 滑坡工程地质剖面如图 所示高程/m02 04 06 08 01 0 01 2 03 06 09 01 2 01 5 01 8 02 1 02 4 02 7 0千枚状泥质板岩夹砂岩滑带2 51 4 01 6 0第四系滑坡堆积层:碎石、块石、粉砂土第四系河床冲积层:砂、卵石、砾石夹漂石Qd e l1 6 1 9 m澜沧江J1x距离/m图 车邑坪滑坡工程地质剖面.自 水电站蓄水后在正常运行期间库水位骤降 由于库岸工程地质条件复杂车邑坪滑坡产生多处变形失稳现象 变形监测数据显示位移变形在库水下降阶段持续增长后期随水位抬升逐渐趋于平缓 为研究该类老滑坡在库水位分级骤降影响下的变形特征通过配制与现场滑坡力学性质相近的土样进行滑坡离心模型试验 试验方案.试验原理离心模型试验利用与原型相同材料的小比尺模型在高速旋转的离心机中形成离心力和高加速度场从而使模型应力水平趋近于原型与原型变形过程相似破坏机制一致是目前公认的相似度最好的 第 期谷建永 等 库水位变动下库岸滑坡变形失稳机制离心模型试验物理模型试验 对于模型几何比尺为 的离心模型试验模型与原型主要物理力学参数之间的相似关系如表 所示表 离心模型试验主要物理量的相似关系 物理量相似比物理量相似比加速度/应变长度时间(动力)面积时间(渗流)体积密度含水率黏聚力应力重量.试验设备本次试验采用中国水利水电科学研究院 型土工离心试验机其有效荷载容量 最大旋转半径.最大加速度 主要由主传动系统、吊篮、转臂、配重系统、集流环、仪器舱等组成离心机主要组件如图 所示滑坡模型正视图侧视图模型箱传感器采集线路高速相机 图 型土工离心机.试验模型考虑到车邑坪滑坡原型规模结合离心机载荷容量及模型箱尺寸确定本次离心试验最大离心加速度为 并选取滑坡前缘部分建立试验模型 针对车邑坪滑坡这类折线形滑面形态的古滑坡概化设计试验模型为尽可能减小缩尺效应选择了大尺寸模型箱箱体尺寸为 (长宽高)滑坡模型尺寸为 (长宽高)概化模型如图 所示.模型材料及制作.模型材料根据现场调查及钻探揭露车邑坪滑坡下伏基岩多为风化板岩夹砂岩属于弱透水性或不透水体考虑到模型箱尺寸及供排水需求故将滑床设计为进水箱 滑体土取自车邑坪滑坡现场原状土为消4 0 03 3 82 6 22 2 97 5 52 2 01 1 03 6 55 0 0:m m图 模型概化三维示意图.除尺寸效应需采用等量替代法对部分超粒径颗粒进行剔除替代后的模型土体粒径级配曲线如图 所示1 0 01 010.10.0 102 04 06 08 01 0 0小于某粒径的土粒累计质量百分含量/%土粒粒径/m m图 等量替代后的模型土体粒径级配.试验前根据表 所列相似关系配置模型土料通过常水头渗透试验测得滑坡土样渗透系数为./因离心机作用放大 倍通过掺入少量碎石反复测量渗透系数控制模型土体渗透系数为./真实反映了原型滑坡的渗流过程本次试验共配置了滑体土 其密度为./天然含水率为 模型土体各项物理量的力学指标如表 所示表 滑体土物理力学参数 含水量/密度/()黏聚力/内摩擦角/()渗透系数/().模型制作模型制作前预先将一塑料板紧贴模型箱透明玻璃在塑料板上绘制滑坡轮廓 模型采用分层填筑法共分 层填筑控制每层土料填筑高度为 逐层计算并称量每层土料后均匀铺设然后用手动击实仪沿模型长度方向呈“”字形击实到塑料板的分划线上当填筑到传感器高程时按指定位置埋设 长江科学院院报 年 好相应监测设备 为避免每层土料的接触面光滑在下一层填筑前进行刮毛处理 模型制作完成后按照塑料板上的滑坡轮廓进行削坡.库水位升降系统为模拟库岸滑坡对库水位升降的要求本次试验设计了一套水位升降系统其组成主要包括三级水箱、磁吸石、钢丝绳、通电线路、进水阀、出水阀、孔压传感器、尖嘴塞及水位标识线 其中三级水箱包括供水箱、进水箱、进水箱 供水箱和进水箱 安装在滑坡模型前缘一侧进水箱 放置在模型底部用来作为滑床 供水箱用来抬升水位经出水阀供水进水箱 用来排泄高水位库水经进水阀排水至水箱 进水箱 用来排泄低水位库水当尖嘴塞拔起后库水排入排水箱 进出水阀阀门处各有配重一个以便利用超重力场下磁吸石的自重压向水阀将水阀打开库水位升降系统如图 所示高水位标识线孔压传感器供水箱钢丝绳进水阀出水阀尖嘴塞配重通电线路 磁吸石2磁吸石3磁吸石1进水箱2低水位标识线进水箱1图 库水位升降系统.监测系统本次试验监测系统主要包括孔隙水压力传感器(直径 量程分别为、精度为.)、微型土压力传感器(直径 量程分别为、)及高速摄像机各传感器布设点位如图 所示 其中在河道中布设 支孔压传感器可监测水位变化沿滑坡高度方向呈网状分 层埋设 支孔压传感器沿滑带在高度方向及滑坡中后部分别埋设 支和 支土压力传感器 此外在模型前缘、后缘顶部及侧面分别布设高速摄像机用来捕捉试验过程中滑体变形情况.试验过程本次试验加速度分 级加载最终加载至 水箱S 51 8S 4P 6P 4P 8P 5P 3P 2P 7S 3S 2S 1P 1S 2S 3S 4S 5S 1P 2P 1P 3P 7P 4 P 5P 6 P 8 01 5 03 0 04 5 06 0 07 5 09 0 0 1 0 5 0 1 2 0 0 1 3 5 07 0 06 0 05 0 04 0 03 0 02 0 01 0 004 5 03 1 51 6 41 0 8 5 88 16 87 6 1 1 3 3 51 8 27 5 3 53 1 58 0 09 0 0高速摄像机库水滑体库水滑床滑体供水箱进水箱1高程/m m/m m孔压传感器(P)土压传感器(S)滑床(进水箱2)图 试验模型及各传感器布设点位.其中前 级每级加载 最后 级加载 每级运行 后加载至下一级 试验全过程共持续时间 包含加速度加载、一次水位上升、两次不同速率库水位连续骤降及减速停机四个阶段其中水位最高蓄至 其上升速率约为./而水位首次骤降速率为./二次骤降速率为./各试验阶段对应时刻如图()所示试验过程中加速度与库水位变化如图()所示0 1 0 0 02 0 0 0 3 0 0 04 0 0 05 0 0 06 0 0 0 7 0 0 08 0 0 09 0 0 001 02 03 04 05 06 07 08 09 0库水位加速度加速度/g051 01 52 02 53 03 54 5 6 06 2 4 07 5 6 02 5 2 0变形阶段0 2 5 2 0 4 5 6 0 6 2 4 0 7 5 6 0 8 6 4 0(b)滑坡变形阶段时间/s时间/s(a)试验阶段库水位/c m图 试验阶段和滑坡变形阶段划分.试验结果与分析.变形破坏特征通过对比获取的高清图像可得到滑坡宏观变形破坏全过程 第 时加速度升至 此时水位高程 随后滑坡在图()所示的 个阶段发生了变形演化:在第 时滑坡累计 第 期谷建永 等 库水位变动下库岸滑坡变形失稳机制离心模型试验沉降变形约.属于滑体在库水入渗过程中的正常固结沉降 时水位首次骤降滑坡前缘产生小幅蠕滑和沉降变形中后部出现张拉裂缝值得注意的是在第 期间库水位从.降至.过程中渗流侵蚀作用强烈滑坡前缘整体蠕滑变形及横向裂缝下错塌滑形成宽度约 的断裂带如图()所示而滑坡中后部裂缝扩展如图()所示 该阶段滑坡前缘水位变动区变形量最大中部次之而后部变形量最小 第 水位二次骤降在第 期间滑坡渗流侵蚀减弱主要发生在库水变动区浅层滑体表现为断裂带的持续下滑其滑动深度约 中间较深形成多级蠕滑变形如图()所示 滑坡后缘裂缝继续延伸累计宽度约 未发生明显大变形如图()所示 试验过程中滑坡沉降和裂缝的累积变形量如表 所示图 各阶段滑坡坡表变形特征.表 试验过程中滑坡沉降及裂缝累积变形量 变形阶段变形量/.注:变形阶段滑坡后缘裂缝累计宽度约 .孔压变化考虑到加速度加载过程中孔压无变化故将时间轴 调整为 按照传感器埋设的不同位置分 层进行分析其中滑坡下部孔压、变化如图()所示中部、如图()所示后部、如图()所示图 滑体孔压变化曲线.当库水位抬升至 时孔压 开始升高而 响应滞后 约 随后、呈指数迅速增大在蓄水后期随供水箱水量减少其增幅放缓加水结束后 高于 这是因为库水在离心力作用下沿入渗 的路径继续入渗 因距库水的距离较远而渗入量较少 库水首次骤降时、处地下水位响应滞后库水位 在库水位二次骤降时 处地下水位滞后 处滞后 表明库水首次骤降地下水位响应滞后程度强于二次骤降 在第 至 及