基于离心模型试验的水动力型滑坡失稳机制研究

2023-10-24朱军威,张强,2,卢晓春,陈鸿杰,程伟

人民长江 2023年10期

朱军威,张强,2,卢晓春,陈鸿杰,程伟

(1.三峡大学水利与环境学院,湖北宜昌 443002; 2.中国水利水电科学研究院岩土工程研究所,北京 100038; 3.华能澜沧江水电股份有限公司,云南昆明 650214; 4.中国电建昆明勘测设计研究院有限公司,云南昆明 650051)

0 引言

水动力型滑坡是指由降雨、水位变动、地表径流及地下水活动等水动力因素驱动而发生的斜坡岩土体失稳灾害[1]。水动力型滑坡是中国西南高坝大库库区最常见的滑坡类型,是影响库区安全的重要因素。现有研究表明[2-5],库水位变动和降雨是影响水动力型滑坡的重要因素。因此,开展库水位变动和降雨条件下库岸边坡失稳机制研究,对于中国西南地区水动力型滑坡防灾减灾具有重要意义。

当前,对水动力型滑坡变形破坏机理的研究仍以模型试验为主[6-10],其中离心模型试验相似性较好[11-13],能通过离心惯性力场模拟重力场,获得与原型相似的应力状态,直观再现与自重相关的变形过程,因此近年来得到了广泛应用。在水库诱发滑坡研究方面:苗发盛、冯文凯、汤明高等运用离心模型试验研究了库水位升降条件下滑坡变形破坏机制,其中库水位变幅均低于20 m[14-16];付小林等[17]开展了库水位下降15 m条件下的离心模型试验,分析了不同库水位消落方式下的滑坡稳定性响应规律;Fan等[18]基于离心模型试验,研究了库水位快速下降18 m条件下滑坡变形破坏特征。在降雨型滑坡研究方面:Zhang等[19]开展了降雨条件下黏性边坡失稳机理的离心模型试验研究;张永双等[20]运用离心模型试验研究了降雨和裂缝耦合作用下滑坡变形破坏特征;潘皇宋[21]等针对折线型滑坡,开展了开挖和降雨条件下滑坡失稳机制研究。

综上可见,受离心技术的限制,目前针对水动力型滑坡开展的离心模型试验研究中,多数模拟的库水位变幅较小,很少有超过20 m;针对库水位变动或者降雨单一因素作用对滑坡变形破坏的研究较多,而对两者共同作用下的研究极为罕见,特别是有关高离心加速度下的降雨。本文试验模型以云南省黄登水电站库区车邑坪滑坡为参照对象,自主设计库水位升降和降雨系统,利用大型离心机给模型施加70g的离心加速度,开展3种方案下的大型滑坡离心模型试验,分析库水位变动和降雨对车邑坪滑坡变形影响的主次关系,揭示车邑坪滑坡的变形失稳机制,以为黄登库区的滑坡防治提供重要依据。

1 车邑坪滑坡基本特征

1.1 黄登库区概况

黄登库区长约88 km,库区河谷多呈对称的“V”形谷,地势总体北高南低,两岸岸坡陡峻,自然坡度为30°～50°,局部为悬崖峭壁。黄登库区由4个库段组成,分别为坝址-大格拉库段、大格拉-小龙村库段、小龙村-多依库段和多依-托巴库段。水库正常蓄水位为1 619 m,死水位为1 586 m,正常蓄水位库容为15.49亿m3,水库运行调节水位变幅为33 m。库区雨季一般为5～10月,多年平均降水量为973.5 mm,如图1所示。

图1 黄登库区降雨量与库水位变化曲线

黄登库区于2017年11月开始蓄水,运行过程中,受库水位变动和降雨影响,库区两岸一系列古滑坡复活,主要分布在大格拉-多依库段,如图2所示。滑坡变形导致库段多处开裂,同时沿江公路外侧坡面出现大量拉张裂缝,严重威胁当地村民的生命财产安全。

图2 黄登库区滑坡分布示意

1.2 车邑坪滑坡特点

车邑坪村分为小村和大村,小村所在库段为一个古滑坡体(H1),大村下游侧冲沟的左岸发育一古滑坡体(H2)。古滑坡体H1总体上呈一长“舌”形,上、下游边界发育有冲沟,总体积为1 000万m3,属于大型滑坡堆积体。滑坡体表现为纵向中部厚、前缘后缘相对较薄、横向上下游侧薄的空间分布特征,其中南北向宽450～800 m,东西向长约1 300 m,分布高程为1 540～2 265 m,厚度23.80～63.98 m。古滑坡体H2估算体积为12万m3,属于中型土质滑坡堆积体,滑坡体前缘高程为1 760 m,远高于黄登库区正常蓄水位,滑坡变形破坏与水库蓄水没有关系,属自然地质灾害。

古滑坡体H1曾出现了3次明显的滑动或变形开裂现象,具体表现为在原滑坡后缘及堆积体内形成3个规模相对较小的次级滑坡,如图3所示。其中,H1-1、H1-2滑坡体分别于1956年和1992年形成,H1-3滑坡于2019年6月形成。H1-1滑坡和H1-2滑坡前缘远高于黄登库区正常蓄水位,无明显滑动迹象,处于稳定状态。而H1-3滑坡前缘剪出口部位已被水库淹没,后缘拉张裂缝、错台现象发育,H1-3滑坡的蠕滑变形在不利工况作用下进一步变形破坏的可能性大。

1.3 车邑坪滑坡物质组成

根据勘探钻孔揭露情况,H1古滑坡堆积体组成物质主要为碎石、块石、粉砂土、砂质黏土,如图4所示。块石粒径一般为50～250 mm,最大可达300～500 mm。块石、碎石含量60%～70%,岩性以板岩为主,其次为砂岩。碎石一般呈棱角状,土体均匀性差,结构松散,钻孔揭露厚度为23.8～63.98 m,变化较大。堆积体下部为既有滑带,组成物质为含砾石黏土,夹个别碎石,砾石、碎石呈次圆状。下部基岩为侏罗系深灰色千枚状板岩,局部夹变质砂岩,风化程度深,岩体倾倒变形迹象明显,物理力学性质较差。此外,H1-3滑坡部分滑动带土体有明显的镜面剪切现象,呈可塑-硬塑状,厚度为10～30 cm。

1.4 车邑坪滑坡裂缝特征

车邑坪滑坡体沿江公路下部为主变形区,发育有多条拉张裂缝,其中大多分布在滑坡体前缘附近,主要为2019年6月库水位下降过程中产生(见图5)。裂缝常伴随地面沉降、浅表层岩土体滑动等地质灾害,其纵剖面形态大多近乎直立,或呈圈椅状、弧形等。

图5 车邑坪滑坡裂缝分布

2 库水位变动联合降雨离心模型试验

2.1 试验装置研制

为开展离心模型试验,自主研制了一套试验系统,包括库水位升降系统和降雨系统。库水位升降系统主要由3级水箱和水阀组成,如图6(a)所示。在离心机运转过程中,打开出水阀,水从供水箱流出,从而实现库水位上升;打开进水阀,高水位库水流入进水箱1,然后拔起尖嘴塞,剩余的库水流入进水箱2,进而完成库水位下降。降雨系统主要由蓄水箱、电磁阀和降雨器组成,其中蓄水箱固定在离心机中轴处,如图6(b),(c)所示。试验中,打开电磁阀,在离心力作用下,水沿着输水管流入降雨器中,形成降雨。

2.2 试验模型

离心模型试验采用中国水利水电科学研究院LXJ-4-450土工离心试验机。滑床需具备足够的强度和刚度,以避免在试验过程中发生变形。因此,将滑床设计为进水箱。滑体土取自车邑坪滑坡(见图3),为消除粒径效应,采用等量替代法剔除部分超粒径颗粒,最终的模型土体粒径级配曲线如图7所示。

通过室内筛分试验、颗粒级配试验、击实试验、密度测试、含水率测试和直剪试验确定土体材料配比,以使模型接近原型土体的物理力学参数(见表1)。

表1 模型土体物理力学参数

考虑到离心模型试验尺寸要求,选取滑坡前缘部位作为研究范围(见图4),通过对模型进行简化处理,制备了离心试验模型(见图8)。

图8 离心试验模型

车邑坪滑坡体滑动方向长80～120 m,滑体厚度10～35 m,水库蓄水后经历了多次库水位骤降,其中最大变幅为33 m。考虑试验模型箱的尺寸(1.35 m×0.4 m×0.9 m,长×宽×高),以及高离心加速度下由于库水位变动和降雨引起模型箱质心变化大的风险,本次试验选定离心加速度为70g。试验中库水位变化幅度对应的原型约为23 m,与库区首次水位降幅相一致。

2.3 试验方案

根据黄登库区气象和水文资料,选择3种条件下可能出现的最不利工况,搭建3个相同的滑坡离心模型开展试验。试验监测仪器布设如图8(a)所示,试验工况如表2所列。

表2 试验工况

第1组模拟黄登库区水位变动对滑坡的影响。模型水位先从120 mm涨至450 mm,停留一段时间,待孔压传感器读数至基本稳定后,再降至120 mm(模型底部)。

第2组模拟黄登库区稳定运行期间降雨对滑坡的影响。在模型水位稳定于450 mm时降雨,降雨强度参考库区历史上出现的大暴雨,对应的原型雨强为216 mm/d。

第3组模拟黄登库区库水位下降期间降雨对滑坡的影响。在模型水位从450 mm降至315 mm时降雨,降雨强度与第2组保持一致。待降雨结束后,模型水位继续下降至120 mm(模型底部)。

2.4 试验结果分析

2.4.1宏观变形

图9(a),(b),(c)分别为离心模型试验第1组、第2组和第3组试验过程变形破坏典型照片。

由图9(a)可以看出,库水位上升阶段滑坡无明显裂缝产生,这是由于此过程中,水不断渗入坡体内部,形成指向坡体内的动水压力,滑坡稳定性增大。然而,随着库水位首次下降,滑坡前缘向前滑移,中部迅速拉裂,裂缝逐级发展。在此期间,地下水位滞后于库水位,坡体内产生指向库区的动水压力,致使滑坡变形。之后库水位二次下降,滑坡前缘进一步滑移,中部裂缝不断扩宽并贯通,大量土体堆积到前部。同时,后缘出现一些拉裂缝。

从图9(b)可以看出,当库水位上升至450 mm时,边坡无明显变形。在孔压趋于稳定时,开始进行降雨。雨水持续冲刷坡表,部分细颗粒流入库区,仍未出现裂隙,原因可能是雨水的入渗只停留在坡体浅表层。降雨结束后,开始库水位下降,中部迅速产生拉裂隙,并逐渐扩展贯通,出现局部崩滑。

由图9(c)可以看出,在库水位下降至315 mm时,坡体出现两条宽5～10 mm的贯通性裂缝和一些微裂缝。然后降雨,已有的裂缝迅速扩大,同时新的裂缝产生,后缘中部垮塌。这是由于大量雨水沿着已有的裂缝快速渗入坡体,抬高地下水位,产生指向坡外的动水压力。此外,雨水裹挟大量细颗粒流入库区,破坏了坡体的骨架结构。降雨结束后,库水位继续下降至120 mm,因前缘的水箱限制了滑坡的进一步变形,此过程中基本无破坏。

以上变形特征表明:库水位下降是车邑坪滑坡变形的主要原因,当滑坡有贯通性裂缝(渗流通道)时,降雨将加剧坡体变形,甚至导致失稳。

2.4.2孔隙水压力

对第3组孔隙水压力监测曲线进行重点分析(下文土压力分析部分相同),结果见图10。分析表明:库水位上升阶段,随着滑坡前缘逐渐被水淹没,孔压传感器依次响应,表现出一定的滞后性,距坡表越远则越明显。其中,坡表的P3和中部的P2分别滞后49 s和366 s,靠近底滑面的P7滞后658 s。这是由于模型土体属于黏性土,渗透系数较小,库水不易入渗。当库水位不再上升后,各孔压传感器值经历一段时间才逐渐趋于稳定。

图10 孔隙水压力监测曲线

库水位首次下降阶段,前缘水位迅速下降,孔压传感器值与库水位几乎同时开始减小,表明坡体内渗流通道较好。P3、P5、P7在1 330 s时上升,可能是局部水体回流所致。库水位趋于稳定后,P3、P5、P7出现下降,这是由于坡体此时已出现许多裂缝,因而局部残余的水流向库区。降雨阶段,大量雨水沿着已有的裂缝快速渗入坡体,所有孔压传感器值几乎同时出现增长。之后,P4、P7、P5减小,这是因为此时坡体发生大的变形,渗入的雨水更容易流入库区。

库水位二次下降阶段,前缘水位快速下降,所有孔压传感器值均减小。其中,P5表现出一定的滞后性,可能是局部水流在此汇聚所致。之后,除P5、P7外,各孔压传感器值基本趋于稳定。P5、P7一直下降,这是由于其距坡表最远,水体流入库区较困难。

以上孔压分析表明,库水位上升阶段,地下水位滞后于库水位,滑坡内形成指向坡体内的动水压力。而库水位下降和降雨阶段,地下水位均高于库水位,滑坡内产生指向坡体外的动水压力。

2.4.3土压力

因离心力加载过程中,滑坡土压不断变化,故将离心机启动时刻设置为0。土压传感器S4在试验过程中损坏。试验过程土压力监测曲线如图11所示(试验土压力监测值为土体总应力)。分析表明,加载阶段,土压力随加速度的增大而增大,出现“台阶”状,这是由于土压力与加速度线性相关。

图11 土压力监测曲线

库水位上升阶段,坡体前缘的S1和中部的S2数值出现陡增,这是由于库水向坡体内入渗使临近库区的土体重度增大。后缘的S3数值发生陡降,是因为库水的浮力使坡脚抗滑力下降,坡体前缘向前滑动微小距离,进而坡体后缘出现裂缝。之后,各土压传感器值慢慢趋于稳定。

库水位首次下降阶段,除S3外,其余土压传感器值均减小,这是由于裂缝的产生造成坡体的应力降低。S3数值出现增长,是因为其上方土体发生了一定的堆积。降雨阶段,所有土压传感器值同时增大,这是雨水的入渗使土体的重度增加所致。

库水位二次下降阶段,S5数值增加,原因是后方的土体堆积到此处。坡体下部的S2、S3数值基本保持不变,这是因为其上部土体的增加和减少近似相等。之后,土压渐渐趋于稳定。最后,离心力卸载,所有土压传感器值减小到零。

以上土压力分析表明,库水位变动和降雨对滑坡应力影响较大。

3 滑坡失稳机制及处理建议

3.1 滑坡失稳机制

对比3组模型试验过程中滑坡的变形破坏特征可以发现,水库蓄水、库水位下降和降雨这3个因素对车邑坪滑坡变形的影响程度为库水位下降>降雨>水库蓄水。结合地质条件分析,主要原因是库水位变幅较大(33 m),且坡体含有黏性土,渗透系数较小,在库水位下降过程中,土体内水来不及排出,产生了动水压力,促使滑坡发生失稳,见图12(a),(b)。通过试验对比发现,在无裂缝状态下进行降雨,滑坡基本无明显变形,仅表层存在一定冲刷现象;而在有裂缝条件下进行降雨,滑坡裂缝扩展,表层出现了塌陷变形,见图12(c)。上述分析表明,库水位下降是车邑坪滑坡变形的主要因素,降雨为其激发因素。

3.2 处理建议

(1) 目前车邑坪滑坡从近水边库段到滑坡体后缘均出现了裂缝,在不利工况作用下进一步滑动、扩大的可能性较大,将会对滑坡体上车邑坪小村内居民及建筑物、沿江公路带来较大的安全影响,其危险性和社会影响极大。车邑坪滑坡变形范围大、变形深度深,治理相对困难且投资造价较高,建议对整个车邑坪小村进行搬迁处理,确保当地居民生命和财产安全。

(2) 加强整个车邑坪库段的巡视和巡查工作,同时对前期已经开展的滑坡体表部和深部变形工作继续进行监测,密切关注滑坡体的变形情况。建立健全切实可行的预警机制、应对机制,编制应急预案,对可能发生的库岸变形失稳快速应对。在应急响应的过程中,尽可能减少、消除库岸变形失稳的危害,最大限度降低灾害的损失或危害。