水位上升条件下陡坡破坏离心模型试验研究

2022-11-10马卓娜黄会宝

水利水电科技进展 2022年6期

赵杰，马卓娜，黄会宝，张嘎

(1.国能大渡河流域水电开发有限公司，四川成都 610041；2.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084)

滑坡作为一种常见的地质灾害，每年对我国造成的经济损失高达上百亿元。随着水利工程的兴建，水库区陡坡数量也随之增加，库区蓄水过程引起了很多边坡破坏。为了满足防洪、发电等需要，大多数库区边坡(尤其是陡坡)一定时期内的水位上升及稳定蓄水过程所引发滑坡的风险随之增加。在实际工程中，目前通常采用极限平衡法和数值模拟分析法等对边坡破坏进行分析[1-8]。然而，水位上升条件下边坡发生渐进破坏的机理复杂，极限平衡法等传统方法不足以达到分析需要的精度。近年来，各类数值模拟技术快速发展，但由于受到模型、算法等的限制，很难直接应用于实际边坡工程的安全分析与设计。有效的边坡稳定分析方法的基础之一是阐明水位变动条件下陡坡的破坏机理。因此，对于水位上升条件下陡坡发生破坏的机理研究与揭示，是发展合理的边坡稳定性分析方法的依据和基础。

土工离心模型试验可以保证原型与模型在几何相似的前提下，保持应力相等、变形相似，因而其在不同条件下的边坡变形破坏研究中应用广泛[9-12]。苗发盛等[13]以三峡库区边坡为背景，开展了水位升降条件下边坡离心模型试验，试验结果表明滑坡总体呈牵引式破坏，发生滑坡失稳为动水压力所致。Zhang等[14]研究发现水位变动引起孔隙水压力增加，进而导致类似边坡破坏的边坡失稳模式。综上可知，目前开展的水位变动条件下滑坡离心模型试验主要集中在边坡失稳模式的研究上，针对边坡渐进破坏特性的试验还比较少。在考虑土性、坡度、水位等因素影响的边坡变形破坏的相关试验研究还有待加强。

针对以往研究不足，本文开展了水位上升条件下黏性土陡坡变形破坏的离心模型试验，测定了水位上升过程中边坡的全场位移时程及其分布。根据位移测量结果定量确定了边坡的破坏过程，采用变形与破坏过程耦合分析的研究思路进行破坏分析，揭示了陡坡的拉裂与剪切耦合破坏特征、变形规律和渐进破坏机理，可为改进陡坡稳定性及变形分析方法提供依据。

1 离心模型试验

1.1 试验设备

离心模型试验在某土工离心机上开展，该离心机有效半径为2 m，最大离心加速度为250g。离心机配有高刚度铝合金模型箱，可忽略模型箱自身变形，其内部长、宽、高分别为50 cm、10 cm和35 cm。为满足在试验过程观测边坡的要求，专门在模型箱长度方向一侧配置厚度为4 cm的透明有机玻璃板。

水位升降采用超重力场水位变动模拟设备[15]进行模拟，该设备可以在试验采用的离心加速度条件下进行蓄水使得水位上升，并通过置于底部的孔压传感器实现对水位的全程记录。

1.2 试验模型

采用某种粉土(相对密度2.7，塑限18.5%，液限25%)制备边坡模型，如图1所示。在制样过程中控制含水率为18%，按5 cm厚度进行分层夯实，土样干密度为1.55 g/cm3，黏聚力为33 kPa，摩擦角为27°。模型填筑完成后，削坡至设定坡度。边坡模型的高度和坡度分别为20 cm和1.5∶1，其底部与模型箱直接接触以模拟基岩。为减小试验过程中模型箱边界对边坡变形破坏的约束影响，预先在边坡与模型箱边坡的接触面上涂抹硅油。

图1 边坡及滑裂面示意图

1.3 试验过程

a.对边坡从g到50g逐步增加离心加速度，每隔10g待边坡变形稳定后继续加载。

b.当离心加速度达到50g后，等待30 min以达到边坡变形基本稳定。此后从坡脚开始蓄水。每次蓄水50 mm，待变形稳定再继续蓄水，共蓄水100 mm。

c.在每级水位稳定过程中，边坡发生入渗并产生渗透变形，试验全程监测边坡变形破坏情况。

d.待边坡发生破坏后停止试验。

1.4 测量方法

试验采用专为离心场图像采集和土体位移测量开发的系统[16]来观测边坡变形破坏情况。通过该系统采集图像系列，在此基础上进行数据相关性分析，进而确定边坡侧面任一点的位移。为提高图像位移分析精度，坡侧面的灰度需要有较大差别。为此，在制备边坡模型过程中于坡侧面随机性地嵌入白色标记点。水位和位移等测量结果均基于试验模型给出，根据模型相似律，乘以50可得到原型结果。

2 破坏现象

离心模型试验过程中，水位上升与坡顶沉降随时间的发展过程如图2所示。可以看出，第一阶段水位h从0上升至50 mm，并维持了547 s；第二阶段水位从50 mm上升至100 mm，并维持了697 s。除此之外，还可以看出在第一阶段坡顶沉降s很小且稳定在3.5 mm左右；在第二阶段水位由50 mm上升至100 mm的过程中，变形迅速增大，当水位稳定在100 mm时，沉降也逐渐趋于稳定。根据观察与分析，水位上升过程产生较大变形，可判断滑裂面在水位上升过程中已经形成(图1)，还可以看出陡坡未发生浅层剥落、坍塌等破坏，而是发生了深层滑动。为满足定量分析需求，在坡侧平面建立直角坐标系，以坡脚为原点，以水平向右和竖直向上为坐标轴的正方向，x和y分别为水平方向、竖直方向某位置距坡脚的距离。

图2 水位上升与坡顶沉降时程

3 变形特性分析

3.1 位移场变化过程

在试验过程中，观察边坡形态照片可以发现，以水位开始上升为起始时刻(此时边坡处于稳定状态)，在水位上升到50 mm及其后的稳定过程中，坡体发生沉降较小，以竖向的位移为主；水位继续上升至100 mm及其后的稳定过程中，坡体产生明显的竖向和水平位移。图3给出了两次水位上升稳定后的位移矢量分布。从图中可以看出，在100 mm水位稳定过程中，边坡内部的位移较小，并向坡面逐渐增大。边坡最大位移出现在100 mm水位附近，并向上下两侧递减。在边坡临空面内侧已经出现了明显的位移集中区域。可以推断，该区域为滑裂面产生后形成的滑动体。

图3 水位稳定后边坡位移矢量分布

3.2 位移分布特征

由图1可以看出，边坡滑裂面分为基体和滑动体两个组成部分。在滑裂面两侧的基体和滑动体上分别选取不同高程上的典型点A～D，测量其位移时程曲线与水位变化，见图4。从图4可以看出，边坡位移在滑动体和基体表现出很大的差别，在相同高程上，滑动体上的位移显著大于基体。位于基体上的A、C点在水位上升过程中，产生的水平位移u和竖向位移v都很小；而位于滑动体上的B、D点在水位上升至100 mm的过程中产生了明显的位移增量。由此可以判断，水位上升造成坡体滑动进而引起边坡的明显变形。在水位上升至50 mm及后续的稳定过程中，滑动体各点的位移较小且增速缓慢；在水位上升至100 mm的过程中，滑动体各点的位移迅速增大。总体来看，水位上升条件下边坡变形主要发生在滑动体内部，基体可视为刚体。

图4 典型点位移时程曲线

对比滑动体上各典型点随水位上升的位移时程曲线可得，不同点的位移随时间的变化规律并不是一致的。例如，在920 s左右(对应水位92.5 mm)时，位于100 mm高程附近处的B点水平位移和竖向位移同步迅速增大然后逐渐趋于稳定，竖向位移略大于水平位移。对于坡脚处D点，在910 s左右(对应水位92 mm)，水平方向和竖直方向的位移均增大，水平向位移显著大于竖向位移，坡脚鼓起。这意味着在水位上升条件下，滑动体内部各点的变形特征并不一致，与所在位置相关。推测与滑裂面的形状或发展过程相关，或者与水位上升导致应力场及渗流场的变化相关。

4 破坏特性及机理分析

4.1 裂缝分析

在水位上升至100 mm的过程中，首先在坡顶位置处出现了一条明显的裂缝(图1所示裂缝1)，该裂缝发展到一定深度后基本稳定。随后，在坡顶原裂缝外侧产生第二条裂缝(图1所示裂缝2)，并向下发展与已形成的滑裂面贯通形成整体的滑裂面，边坡发生滑动破坏。

图5给出了裂缝两侧点对(两点处于同一高程，距离14.5 mm)的相对位移随水位变化曲线。可基于点对相对位移确定裂缝的类型：当法向相对位移dn大于切向相对位移ds时属于拉裂缝，反之则属于剪裂缝。由图5可知，在水位上升的过程中，位于裂缝两侧的点对的相对位移时程曲线在某个水位发生突变，即表明在此水位裂缝开始出现。可以判断出，在水位达到92.5 mm左右(920 s)时，裂缝1出现；随后在水位100 mm稳定过程中(953 s)，裂缝2出现。裂缝出现时，两点对的法向相对位移逐渐大于切向相对位移，表明两点对之间的裂缝均为张拉破坏。水位上升导致坡顶沉降速率突然增大，坡脚隆起并发生较大的侧向位移，引起坡顶产生拉裂缝，这与高长胜等[17]试验结果是一致的。随着滑裂面的产生和发展，裂缝在受拉过程中受到剪切带的综合作用，切向位移不断增大，但始终小于法向位移，裂缝的扩张受到了拉伸和剪切的综合作用。

图5 裂缝点对的相对位移时程曲线

4.2 滑动破坏过程

为进一步分析滑裂面产生与发展的特性，选取边坡潜在滑裂面不同高程的典型点对进行相对位移分析。点对的位置和高程如图6所示。1组点对由2个点组成，分别位于滑裂面两侧且处于同一高程，2点的距离为29 mm。

由坡顶沉降位移时程曲线和裂缝分析可知，较大的边坡变形主要发生在50 mm水位以后的上升及稳定过程，因此选取730 s后的点对位移时程曲线进行重点分析，如图7所示。可以看出，在水位上升初期，各点对相对位移增长缓慢且增长量较小。当水位继续上升至100 mm的过程中，在某一时刻相对位移增长速率迅速上升，位移时程曲线存在转折点。转折点产生的原因是边坡在此位置出现了局部破坏，从而引起该处点对的相对位移迅速增大。可将转折点所对应的时刻确定为滑裂面发展到点对所处位置的时刻。在图7中用虚线标示出各点对位置发生局部破坏时的时刻，并将对应的水位标注于图6。可以看出，水位上升引起边坡发生破坏，滑裂面首先在边坡下部出现，并逐渐向上发展。也就是说，边坡呈现出由底部向上发展的渐进破坏过程。在滑裂面发展过程中，坡顶产生裂缝1。滑裂面形成后在坡顶产生裂缝2。裂缝2与滑裂面相连从而形成了整体的滑裂面。

图6 点对位置及滑裂面发展过程

图7 滑裂面上各点对的相对位移随时间变化过程

进一步分析可知，无论是切向还是法向，各点对相对位移时程曲线上的转折点对应的水位大致相同。考虑到坡顶点对受到张拉裂缝的影响，其余点对的切向位移量总体上明显大于法向位移量，这说明边坡总体上发生了剪切破坏。

4.3 滑动破坏机理

图8给出了滑裂面形成前边坡水平位移的水平分布。可以看出，水位上升导致边坡在不同高程均出现位移。位移随水位上升而增大，总体表现为边坡深部位移很小，并随距坡表距离减小而增大。这意味着边坡发生滑动破坏之前的水位上升过程已经导致坡体出现显著的变形。

图8 滑裂面形成前边坡水平位移分布

为了进一步分析边坡变形与破坏之间的关系，图9给出了滑裂面形成前边坡水平应变εx的水平分布。可以看出，水平应变分布曲线存在峰值，在峰值附近的区域水平应变明显增大，说明在此区域内变形程度较大且集中，即产生了变形局部化；同时，该变形局部化主要位于最终滑裂面位置左右各20 mm的范围内，当水位上升至80 mm时已经出现，随着水位的上升，同一高程的峰值应变不断增加，变形局部化的程度逐步增强。需要注意的是，滑裂面的位置处于变形局部化区域内，且在水平应变的峰值位置附近。这表明滑裂面是变形局部化发展到一定程度后出现的。可以推断，水位上升过程导致陡坡出现显著的变形过程，该变形并不是均匀分布的，而是在一定区域内集中，出现了明显的变形局部化。变形局部化发展导致在该处出现局部破坏，局部破坏随变形局部化增强发展形成滑裂面，这是水位上升引起陡坡整体滑动破坏的机理。