不同工况下水库膨胀土岸坡稳定性模型试验研究_欧阳熙明.pdf

2023 年第 2 期水利技术监督理论研究DOI:10.3969/j.issn.1008-1305.2023.02.049不同工况下水库膨胀土岸坡稳定性模型试验研究欧阳熙明(吉安市水利水电规划设计院，江西 吉安 343000)摘要:为了解水库膨胀土岸坡在不同工况下的稳定安全性，以某水库上游膨胀土岸坡为研究背景，采用室内模型试验方法，对水位上升、水位下降以及水位上升耦合降雨 3 种工况下的膨胀土岸坡稳定性进行研究。结果表明:在水位上升和下降的情况下，岸坡处于稳定状态，但是在水位上升叠加降雨工况下，岸坡存在失稳破坏的危险，当降雨持续时间超过 3h 后，安全系数将低于允许值。研究结果对类似膨胀土岸坡监测和稳定性评价具有一定的借鉴意义。关键词:膨胀土;岸坡稳定性;模型试验中图分类号:TV861文献标识码:B文章编号:1008-1305(2023)02-0190-05收稿日期:2022-10-10作者简介:欧阳煕明(1987 年)，男，工程师。E-mail:在水利工程建设和运行过程中，关键部位库岸边坡的安全性和稳定性至关重要，是工程设计建设和运行管理的重要内容。库岸边坡的地质灾害主要表现为地面塌陷、滑坡以及崩塌等，且具有隐蔽性和不可预见性，往往会给水利工程本身造成严重损失1。在工程实践中，影响边坡稳定性的因素较多，其中最主要的因素有 2 个，分别是边坡岩土体的结构和物理性质以及降雨。膨胀土作为一种十分典型的高塑性黏性土，在天然状态下一般处于非饱和状态2。其最主要的特点是遇水之后会出现反复变形，也就是遇水膨胀和失水收缩，因此会给岸坡的稳定性造成长期和潜在性的威胁3。目前，全球范围内已经有 40 多个国家和地区发现了较为广泛的膨胀土分布。在工程实践中，由于膨胀土导致的水利工程事故也时有发生。例如，美国的匹斯堡土坝滑坡以及圣弗朗西斯拱坝溃坝事故均是由膨胀土引起的。另一方面，膨胀土边坡失稳破坏和降雨之间存在十分密切的关系，常有大雨大滑、小雨小滑、无雨不滑的说法4。当然，对处于消落带的库岸边坡而言，水库水位的升降变化也会导致边坡膨胀土含水量和内部渗流场的变化，可以产生与降雨类似的影响。而水位升降变化叠加降雨会使问题变得更为复杂。随着我国水利工程建设投资力度的不断加大，工程项目也逐渐向地质环境复杂地区拓展，因此也将面临更多的膨胀土边坡问题。截至目前，膨胀土的应力应变场和膨胀理论尚不完善，这也给相关问题的数值模拟研究带来一定的制约5。另一方面，虽然在工程现场进行原型试验可以获得准确的数据资料，但是不仅耗时更长，试验成本也十分高昂6。试验模型试验在一定条件下可以近似模拟工程实际，是一种快速、有效、低成本的研究方法。因此，如何采用模型试验的方式探讨不同工况下膨胀土边坡的稳定性，具有十分重要的理论意义和实践应用价值。1模型设计与试验方法1.1工程依托某水库正常蓄水位为 59.0m，设计库容 0.6 亿m3。为了提高水库的供水能力，对水库进行了大坝加高扩建。扩建后水库的正常蓄水位为 79.1m，库容为 2.09m3。由于水库上游为冲积平原，且面积较大。在水库扩建完成之后，最高洪水位将抬升15.36m，淹没区面积会大幅扩大。本文选择水库上游左岸 4500m 部位新增淹没区和消落带内的膨胀土岸坡为依托进行模型试验研究。1.2试验模型设计为了保证模型试验能够获得契合工程实际的试验数据，需要以相似性理论为基础，确定模型材料的力学参数的相似比以及物理模型本身的几何比091理论研究水利技术监督2023 年第 2 期尺7。根据工程边坡的实际情况以及试验场地因素，确定模型试验的几何相似系数为 25，换算获得室内试验模型边坡底边长为 3.9m，高为 1.2m，宽为 1.2m，如图 1 所示。图 1模型设计示意(单位:m)模型材料的重度要和实际材料的重度基本一致，即容重相似比为 1，因此需要采用强度和模量相对较低而容重高的材料;试验中模型边界的摩擦系数、泊松比以及黏结力相似比均为 1。根据工程现场的采样数据并参考相关文献资料，寻求合适的模型材料8。其中，模型中下部的填筑材料为膨胀土中掺入水泥、石灰以及膨润土后的混合材料;模型的表层材料为现场取样的膨胀土，采用分层填筑的方式置于混合材料的上部。在模型材料填筑过程中不仅要注意控制填筑误差，同时还要及时采样测定其含水量和密度，确保相似比的一致性。1.3模拟工况基于膨胀土的特点，水是影响此类岸坡稳定的主要因素之一8。对于水库消落带的边坡，主要受库水位升降变化和降雨 2 个因素的影响。依据试验模型的几何尺寸和背景工程实际，试验中设计了 3种试验工况。其中，工况 1 为水位上升工况，工况2 为水位下降工况，工况 3 为水位上升耦合降雨工况。水位上升工况利用水龙头加水的方式模拟，使模型水位升至 45cm;水位下降工况利用小型抽水机抽水的方式模拟，使水位下降至 25cm;降雨工况采用自制 PVC 喷淋管喷洒的方式模拟，模拟降雨强度为 25mm/h，降雨历时为 2h。1.4数据监测与分析试验中的监测设备为微机传感型渗压计和土压力计，内部变形监测采用测斜管和测斜仪，表面变形监测采用全站仪。监测设备的安装采用模型分层填筑后钻孔安装的方式进行。试验中的数据采集系统为 AGI 边坡监测采集系统，可以实现对试验数据的实时采集、传输和存储。利用试验中获得的监测数据，基于摩尔 库伦准则通过强度折减法计算岸坡的安全系数，并根据计算结果对边坡的安全稳定性做出评价10。2计算结果与分析2.1水位上升工况根据水库的应用实际，水位上升工况的试验时长为50h。其中，前10h 为水位上升阶段，后 40h 为水位保持稳定阶段。对试验过程中边坡底部(淹没部位)、中部(消落带)和上部3 个关键部位的位移数据进行整理，结果见表 1(限于篇幅，表中仅列出间隔5h 的试验数据)。位移变化曲线如图2 所示。表 1水位上升工况位移试验结果时间/h位移量/mm底部中部上部00.000.000.0050.000.000.00100.050.060.04150.100.150.08200.180.290.23250.230.440.46300.290.850.72350.351.350.91400.371.400.98450.411.431.02500.421.441.03图 2水位上升工况位移变化曲线由表 1 和图 2 可以看出，水位上升工况下边坡3 个关键部位的位移量均呈现出不断增加最终趋于稳定的变化特点。其中，边坡底部的位移量总体较小，说明库水位上升对边坡底部位移变形的影响相对较小。边坡位移量最大的为边坡中部，其位移量显著大于上部，且为底部的 3 倍以上。原因是该部位位于水库的消落带内，因此库水位的升降变化对该部位的位移变形影响较大。总体来看，边坡各部位的位移变形量不大，且最终表现为收敛状态，因1912023 年第 2 期水利技术监督理论研究此不会对边坡的稳定性造成显著不利影响。根据试验数据计算获取不同时刻的岸坡安全系数值，并绘制出安全系数随时间的变化曲线，如图3 所示。图 3水位上升工况岸坡安全系数变化曲线由图3 可知，在水位上升时段内，岸坡的安全系数呈现出迅速增大的变化特点，由 1.731 增加到2.560;在水位保持平衡期间，岸坡的安全系数呈现出不断减小的变化趋势，但是变化的幅度较为有限，且减幅也越来越小。从具体数值来看，岸坡安全系数由水位达到79.0m 时的最大值2.560 逐步减小到2.241。由此可见，在水位上升工况下，当库水位大到最高时，岸坡的安全系数最大，之后小幅下降并趋于稳定。究其原因，主要是随着水位的升高，岸坡会受到来自水体的侧压力影响，抵消了岸坡的部分下滑力，因此岸坡的安全系数稳步提升。在水位稳定之后，由于水分逐渐渗入岸坡，造成岸坡的浸润线逐渐上升，浸润线以下土质的浮容重逐渐增大，因此安全系数有小幅下降。总体来看，计算过程中岸坡的安全系数均显著大于 1.20 的工程允许值，岸坡处于安全稳定状态，几乎没有发生滑坡和崩塌等地质灾害的风险。2.2水位下降工况根据水库的应用实际，水位下降工况的试验时长仍旧为 50h。其中，前 10h 为水位下降阶段，后40h 为水位保持稳定阶段。对试验过程中边坡底部、中部和上部 3 个关键部位的位移数据进行整理，结果见表 2，位移变化曲线如图 4 所示。由表 2 和图 4 可以看出，水位上升工况下边坡3 个关键部位的位移量均呈现出不断增加最终趋于稳定的变化特点。与水位上升工况不同的是，水位下降工况下水位变化开始时边坡的位移量迅速增加，之后逐渐趋于稳定。究其原因，主要是水位下降过程中，来自水体的侧压力迅速消失，因此导致位移变形迅速增加。从 3 个关键位置的位移量对比来看，仍是底部位移量较小，中部的位移量最大。由此可见，库水位下降对处于消落带的边坡中部的位移变形影响最大。总体来看，边坡各部位的位移变形量不大，且最终表现为收敛状态，因此不会对边坡的稳定性造成显著不利影响。表 2水位下降工况位移试验结果时间/h位移量/mm底部中部上部00.000.000.0050.130.460.18100.250.980.35150.341.460.62200.391.770.97250.431.821.22300.461.851.35350.471.871.44400.481.881.50450.491.891.52500.491.891.53图 4水位下降工况位移变化曲线根据试验数据计算获取不同时刻的岸坡安全系数值，并绘制出安全系数随时间的变化曲线，如图5 所示。图 5水位下降工况岸坡安全系数变化曲线由图 5 可知，在水位下降阶段，岸坡的安全系数呈现出迅速减小的变化特点，但是减小的幅度逐渐减小。从具体数值来看，岸坡安全系数由开始时291理论研究水利技术监督2023 年第 2 期的 2.241 逐渐减小到 1.919;在之后的水位稳定阶段，岸坡安全系数逐渐增大并趋于稳定，安全系数由 1.919 逐渐增加到 2.135。究其原因，主要是库水位迅速下降阶段，由于岸坡迅速失去水体侧压力的作用，因此安全系数迅速减小。在之后的水位稳定阶段，由于岸坡内水分逐渐渗出，土质浮容重逐渐减小，岸坡安全系数逐渐增加。总体来看，变化过程中安全的安全系数均显著大于工程设计值，岸坡处于安全稳定状态。2.3水位上升耦合降雨工况在水位上升的基础上进行降雨模拟。其中降雨过程为 2h，试验时长为 3h。对试验过程中边坡底部、中部和上部 3 个关键部位的位移数据进行整理，结果见表 3，位移变化曲线如图 6 所示。表 3水位上升耦合降雨工况位移试验结果时间位移量/mm底部中部上部00.000.000.000.50.220.480.361.00.350.990.771.50.511.681.312.00.722.571.982.50.963.622.623.01.044.483.35图 6水位上升耦合降雨工况位移变化曲线由表 3 和图 6 可以看出，在水位上升耦合降雨工况下，边坡各部位的位移量均随着时间的变化呈现出不断增大的变化特点，且变化的速率也不断增大，试验结束时边坡各部位的位移量较大且没有收敛的迹象。由此可见，在该工况下边坡处于不稳定状态，极易诱发滑坡、崩塌等地质灾害。根据试验数据计算获取不同时刻的岸坡安全系数值，并绘制出水位上升耦合降雨工况下安全系数随时间的变化曲线，如图 7 所示。由图 7 可知，随着降雨的持续进行，岸坡安全图 7水位上升耦合降雨工况岸坡安全系数变化曲线系数呈现出不断减小的变化趋势，且减小的速率不断加大。究其原因，主要是降雨会造成岸坡浸润线的上升，且降雨时间越长，浸润线的上升幅度越大，因此岸坡内部的饱和区和土体浮容重区也会增大。同时，随着降雨深入边坡土体，土体本身的抗剪强度也会减小，从而导致岸坡安全系数减小。从计算结果来看，第 3h 时边坡安全系数为 1.12，已经小于岸坡稳定允许值，容易发生失稳破坏。由此可见，在水位涨落叠加持续强降雨的情况下，需要关注水库消落带膨胀土岸坡的稳定性，做好相应的监测工作，避免安全事故的发生。3结论此次研究以具体工程为背景，利用室