朱权威，冯文凯*，肖锐铧，吴卓林，苏永超

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 610059；2.中国地质环境监测院,北京 100081)

自三峡水库蓄水周期性运营之后,库水位的周期性升降极大地影响了库区岸坡的稳定性。因此如何科学地研究库水周期性运营过程中库水对岸坡的影响,是目前三峡库区地质灾害防治中的首要问题。对于三峡库区的多数岩质滑坡来说,其主要的成灾模式有滑移-拉裂型、滑移-弯曲型、塑流-拉裂型及崩解型[1-2],这些类型的滑坡在形成过程中会产生大量的碎石块,坡体内的碎石块错乱堆积,内部往往存在较多的空隙,而这些空隙比较容易形成贯通的渗流通道,从而滑坡体往往具有较好的渗透性,对于三峡库区的岩质滑坡,按库水作用的形式可分为浮托减重型、动水压力型和岩体劣化型,而对于浮托减重型和动水压力型滑坡的核心是考虑库水升降过程中的k和Δv的关系(k为坡体的渗透系数,Δv为水库升降水的速度),由此可以看出,对于库区滑坡坡体的渗透性是影响滑坡稳定性的一个非常重要的因素。

要对滑坡进行深入研究,必须将野外调查和室内试验以及理论分析有机地结合起来,其中离心模拟试验已经成为滑坡研究的一个重要组成部分,对于离心模拟试验能否成功的关键在于相似材料的选择以及相关参数的获取。目前对于离心模拟相似材料的研究大多是基于静力学问题方面的研究[3-8],且多数是针对离心模拟所需的试块进行实验研究,然而,鲜有对黏结试块与试块之间的黏结材料进行研究,而在库区滑坡离心模拟中水的渗透主要是通过试块之间的黏结材料进行的,因此,黏结材料的渗透性是库区滑坡离心模拟中的一个关键因素。于是,本文采用正交试验研究不同砂胶比、级配以及水泥石膏比对离心模拟中黏结材料渗透性的影响。

1 正交试验的设计方案

正交试验方法是研究多因素多水平的试验方法,它能够通过较少的试验得到较为科学的试验结果。

为了研究胶砂比、级配和水泥石膏比3因素对黏结材料渗透性的影响规律,试验选取10～20目和40～60目的石英砂、100目的石膏和硅酸盐水泥开展正交试验研究,其中级配的选取在石英砂中进行,由于0.5～1 mm的石英砂粒径是10～20目和40～60目的主要粒径,10～20目0.5～1 mm的粒径占58.6%,40～60目0.5～1 mm的粒径占66.6%,因此,主要是通过调节0.5～1 mm石英砂粒径的量来改变级配,具体方法是:称取同等重量的10～20目和40～60目的石英砂一起进行筛分,之后通过减去石英砂总重量的30%、20%、10%和0的0.5～1 cm粒径的石英砂来得到不同级配(见表1),级配曲线见图1。在正交试验中选取A(砂胶比)、B(级配)和C(水泥石膏比)作为3个因素,每个因素设置4个水平进行正交试验,各水平不同的设置见表1,采用L16(43)正交表,共16组试验见表2,每组试验制作3个试件,共48个试件,结果取三组试验的平均值。

图1 石英砂级配曲线Fig.1 Quartz sand grading curve

表1 相似材料正交设计水平

表2 相似材料正交试验配比方案

2 试件的制作与试验

2.1 试件的制作

(1)材料准备。按照表1的配比称重取水及各原材料。

(2)材料的拌合。将称重好石英砂、石膏、水泥和水依次加入到盆中进行手工充分搅拌(图2)。

(3)装料。将搅拌好的材料逐次加入到钢环并分层压实,然后称重,每个式样的误差控制在1%之内。

(4)编号及养护。对16组式样进行编号,编号分别为a～p;每组的三个试样编号为1、2、3(图3)；在室温下养护7 d。

(5)饱水。在试验前进行充分饱水48 h。

图2 材料的拌制Fig.2 Mixing of materials

图3 每组试样的编号Fig.3 Number of each group of samples

图4 渗透仪示意图Fig.4 Schematic diagram of the permeameter

2.2 试验过程

试验仪器采用的是自行设计的渗透仪器,示意图如图4所示,试验采用定水头进行测量渗透系数,水头Δh=90 cm,试样高L=5 cm,渗透截面直径D=5 cm。数据的采集为前三组每10 min记录一组数据,之后每20 min记录一次,直至最后三组数据之间相差小于5%时结束实验。

3 试验结果及敏感性因素分析

3.1 试验结果

经过48个试样的渗透试验测试,试验结果如表3所示,黏结材料渗透系数的分布范围为2.5×10-7～1.2×10-2cm·s-1(2.2×10-4～10.4 m·d-1),按照《水文地质手册》[9],见表4,黏结材料的渗透等级分布为弱透水性-强渗透性。由汤明高等[10]获得的三峡库区15个区县的396个滑坡1 188个现场或室内试验数据分析得到三峡库区的滑坡渗透系数分布范围为1.2×10-5～2.4×10-2cm·s-1(0.01～21 m·d-1),渗透性良和渗透性中等(1.2×10-5～1.2×10-2cm·s-1)的滑坡合计达到97%。而对于离心物理模拟来说,由材料相似定理的换算带来的渗透系数量级的变化大致在1～3个数量级左右(离心模拟CK=n,CK是边坡模型与离心模型的比值,n为离心加速度)[11-12],由此可知表3中的黏结材料渗透系数可满足三峡库区大多数岩质滑坡离心模拟的需要。

表3 材料渗透性试验结果

表4 三峡库区滑坡体渗透等级划分

3.2 影响因素敏感性分析

3.2.1 极差分析

在正交试验理论中,极差是各因素各水平下平均值的最大值与最小值之差,其大小反映各因素对指标的影响程度,极差小表明该因素的不同水平对指标值产生的差异较小,反之则越大。

由此方法对试验结果进行分析,对黏结材料实验结果中各因素相同水平下的渗透参数值求均值和极差,结果见表5,图5是由表5绘制出渗透系数影响因素直观分析图。

表5 极差分析

图5 渗透系数影响因素直观图Fig.5 Visualization of factors affecting the permeability coefficient

由表5可以看出各因素对渗透系数的影响程度从大到小一次为A>B>C,即骨胶比和石英砂级配影响较为显著,由图5可以看出,渗透系数随着砂胶比和0.5～1 mm粒径的石英砂占比的增大而增大,渗透系数随着水泥石膏比的增加先减小后增大。

3.2.2 方差分析

方差表示每个数据偏离平均值的程度,方差越大表明数据间的离散程度越高,差异越大。相对于极差分析来说,方差的优点在于考虑了试验指标中的每一个信息。在正交试验理论中,为了区分各因素不同水平的试验结果是由因素水平产生的,还是由于试验误差产生的,并对各因素对相关物理参数影响的显著性水平进行精准的数量评估。此正交试验的方差分析结果如表6所示。

表6 方差分析结果

方差分析得到如下结果。

(1)各因素不同水平的试验结果差异是由因素水平不同引起的,并不是由试验误差引起的。

(2)砂胶比对黏结材料的渗透性影响高度显著,石英砂级配对黏结材料的渗透性影响显著,水泥石膏比对黏结材料的渗透性影响不显著。

4 结论

(1)在对三峡库区岩质滑坡进行离心模拟试验时,可以用试块与试块之间的黏结材料来模拟三峡库区岩质滑坡的渗透特性。

(2)由正交试验得到的渗透系数的分布为2.4×10-7～1.1×10-2cm·s-1,基本上可满足三峡库区大多数岩质滑坡的离心模拟试验。

(3)不同因素对黏结材料渗透性影响的规律不同,通过极差和方差分析认为,3种因素中砂胶比影响最大,级配的影响次之,水泥石膏比的影响不明显。