库水上升对含软弱夹层滑坡稳定性影响模型的试验研究

占清华,王世梅,赵代鹏

（1.湖北工业大学工程技术学院,武汉 430070；2.三峡大学土木与建筑学院,湖北宜昌 443002；3.中国长江三峡集团公司,成都 610000)



库水上升对含软弱夹层滑坡稳定性影响模型的试验研究

占清华1,王世梅2,赵代鹏3

（1.湖北工业大学工程技术学院,武汉 430070；2.三峡大学土木与建筑学院,湖北宜昌 443002；3.中国长江三峡集团公司,成都 610000)

摘 要：为研究库水作用对含软弱夹层滑坡稳定性影响,采用含软弱夹层的滑坡模型进行库水升降作用试验,测量了库水升降过程中滑坡体内土压力、孔隙水压力的变化情况,以及滑坡体内若干部位的位移情况。结果表明:库水位上升时,库水浸泡滑坡阻滑段导致阻滑力降低,滑坡稳定性随之降低,引起滑坡产生位移变形；库水上升过程对滑坡稳定的影响分为稳定、缓慢变形及整体滑移阶段3个阶段,3个阶段表现出不同的力学及变形特征,也反映了滑坡体稳定性随库水上升而下降的过程；滑坡体中软弱夹层为滑坡体内的薄弱部位,是决定滑坡稳定性的关键部位。

关键词：软弱夹层；库水升降；模型试验；稳定性；土压力；孔隙水压力

2016,33（02):86-90

1 研究背景

水库蓄水和水位的周期性调节使涉水边坡所处的地质环境发生很大变化,改变了边坡土体内的力学性质［1］,由此引发了众多的滑坡地质灾害,如:1999 年8月巫山老县城城墙内的登龙街滑坡［2］,1941—1953年Roosevelt湖附近地区发生的滑坡［3］,随着我国水电的大力开发,特别是西南地区大型乃至巨型的水电站相继开工建设,大幅度的水位回升及库水周期性调节已成为国内诱发滑坡灾害的关键因素［4］。三峡库区在175 m库水位影响的范围内共有大小滑坡2 000余个,各类变形体分布更广［5-6］。而在众多的涉水边坡中,含软弱夹层的边坡又常成为实际滑坡失稳的主要因素［7-8］。因此,研究库水作用对含软弱夹层滑坡稳定性的影响具有重要意义。

本文采用物理模型试验方法,以自主研制的滑坡模型试验系统为平台,对含软弱夹层的滑坡模型进行库水升降作用试验,通过对滑坡体内不同区域的土压力、孔隙水压力及表面位移的监测,了解库水升降作用对含软弱夹层类滑坡稳定性的影响。

2 含软弱夹层滑坡模型制作

2.1 试验设备

库水升降作用试验所采用的试验平台为本团队自主研发的滑坡模型试验系统［9］,该试验系统由模型试验框架、试验数据采集系统、非接触式位移测量系统及各物理量量测传感器构成。

非接触式位移测量系统由深圳爱派克公司提供,系统包括计算机和高分辨率图像采集系统,如图1。图像采集系统选用了多通道图像采集卡,具有8位灰度等级量化的功能,配合高分辨率逐行扫描摄像机,使图像达到高于1 000×1 000的分辨率,并能自动快速地得到全场的位移、应变信息。

图1 系统组成Fig.1 System components

土压力传感器及孔隙水压力传感器由昆山双桥传感器测控技术有限公司研制,该产品力敏元件利用硅压阻效应,通过微机械加工工艺制作而成,被封装在不锈钢外壳与膜片内,并通过灌充硅油实现压力传导。当敏感元件感受到压力作用时,将会输出一个与压力成正比变化的电压信号。土压力及孔隙水压力传感器如图2和图3。

图2 土压力传感器Fig.2 Sensor for measuring soil pressure

图3 孔隙水压力传感器Fig.3 Sensor for measuring pore water pressure

2.2 模型制作

模型在滑坡模型试验系统的试验架中进行制作,由于试验框架长2.15 m,宽0.54 m,高1.735 m,尺寸较小,无法针对具体滑坡采用相似比进行模拟,为此,本试验对含软弱夹层类滑坡的结构特征进行模拟,探索库水升降作用对滑坡稳定性的影响规律。

滑坡一般分为滑床、滑带及滑体。滑床一般为力学特性较好的基岩,试验中采用砖砌筑,其间隙用沙填充,并将其表面贴土工薄膜作为不透水层。软弱夹层通常是滑坡岩土体内存在的层状或带状的软弱薄层,具有其厚度比相邻岩层的小、力学强度及变形模量较低、孔隙极为发育、结构连结弱、对水作用敏感、遇水表现出强烈软化等特征。根据该特征,试验采用河沙及滑石粉按8∶2的比例拌合,制作而成渗透系数为8.74×10-2cm/ s,密度为1.771 g/ cm3的软弱夹层,黏聚力较小,仅为2.2 kPa,内摩擦角为21°,初始含水率为11.35%；滑体岩土体力学性质一般较滑带好,采用黏性土来制作,模型成形后测得其渗透系数为1.74×10-3cm/ s,密度为1.915 g/ cm3黏聚力为21 kPa,内摩擦角为24°,初始含水率为12.96%。制作而成的模型后缘高为0.77 m,长为1.87 m,软弱夹层平均厚为0.08 m,具体尺寸见图4。

在试验模型制作过程中,将孔隙水压力、土压力等仪器埋设在土体内,通过模型试验框架中进出水开关控制库水位升降,利用试验数据采集系统对库水升降过程中物理量值变化过程进行采集,试验采用非接触位移测量系统对其位移进行监测。

图4 滑坡物理模型尺寸Fig.4 Physical model size of the landslide

2.3 测点布置

为监测滑坡模型内孔隙水压力及土压力变化过程,在滑体及软弱夹层分别布置6支孔隙水压力传感器和5支土压力传感器,并在滑坡表面选择4点和在软弱夹层选择2点作为非接触位移测点,如图5所示。测点布置位置坐标见表1。

图5 测点布置Fig.5 Layout of measuring points

表1 测点坐标Table 1 Coordinates of measuring points

3 库水作用试验及分析

3.1 试验方案

试验过程库水升降采用分级调节,水位每上升一级,稳定一段时间,控制过程见表2。

表2 库水位调节过程Table 2 Regulation process of reservoir water level

3.2 试验结果

3.2.1 位移测量结果

按上述库水升降控制方式对滑坡模型进行试验,通过非接触位移测量系统对选择的6个测点进行位移监测,得到如下结果,如图6（图中x轴向位移以向右为正,y轴向位移以向上为正)。

从滑坡体表面4个点的位移变化情况可以看出:库水位由0 m上升至0.28 m的过程中,滑坡表面测点位移不发生变化；随着库水位的逐渐上升,滑坡前缘逐渐淹没于水下,滑坡表面1＃,2＃测点位移首先出现较小变化,当水位上升至0.4 m时,滑坡模型后缘滑体与软弱夹层部位开始出现明显的裂缝,滑坡表面1＃,2＃测点在正x方向位移增大较明显,3＃测点在正x方向及负y方向位移均有明显增加,4＃测点在负y方向位移产生明显增加；水位在0.4 m处稳定一段时间后继续上升,当上升至0.41 m时,滑坡体整体滑移,1＃,2＃测点在正x方向位移出现骤增,4＃测点在负y方向位移亦出现骤增。而在整个库水升降过程中,软弱夹层处2个测点位移均较小,位置基本不变。其滑移后实物图如图7。

上述位移测量结果表明:在库水升降过程中,滑坡后缘4＃测点在y方向上的变化较x方向明显,表现为沿软弱夹层面向下滑移的过程；滑坡表面中部3＃测点在x,y方向上均有明显移动；滑坡前缘1＃及2＃测点在x方向上变化较明显,表现为沿其下方软弱夹层面向右滑动的过程；5＃及6＃测点位于软弱夹层内,其位移并不明显。从图6中各测点的位移方向及变化特点,以及图7中滑坡模型滑移前后的形态比对可以看出,在库水位上升至0.41 m时,模型的滑体以软弱夹层为滑动面向下发生整体滑动。

图7 滑坡整体滑移实物图Fig.7 Photographs of integral sliding of landslide model

图6 位移变化过程线Fig.6 Variations of displacement with time at different non-contact measuring points

3.2.2 孔隙水压力及土压力测量结果

通过自动采集系统对此过程中的孔隙水压力及土压力测值进行采集,得到如下结果。各测点土-水总压力测值变化过程线如图8所示。

图8 土压力测值变化过程线Fig.8 Variations of soil pressure with time at different measuring points

从土压力变化过程线可以看出:在库水上升初期,即水位由0 m上升至0.28 m之间,土压力变化幅度较小；水位由0.28 m上升至0.4 m时,1＃测点土压力测值有一定幅度的增大,2＃,3＃,5＃测点土压力测值出现一定幅度的减小；当水位0.4 m继续升至0.41 m时, 2＃,3＃,4＃测点土压力测值出现骤降,此时滑坡体出现明显滑移；水位由0.41 m继续升至0.6 m,再由0.6 m下降至0 m的过程中,土压力测值变化幅度较小。

各测点孔隙水压力测值变化过程线如图9所示。从孔隙水压力变化过程线可以看出,随着库水位上升,孔隙水压力增大,随着库水位下降,孔隙水压力减小,其测值变化过程与水位升降过程一致。

图9 孔隙水压力测值变化过程线Fig. 9 Variations of pore water pressure with time at different measuring points

4 库水作用对滑坡稳定性影响分析

4.1 各观测量变化过程对照

根据上述试验结果可以看出,库水升降作用可以分为3个过程,即库水位由0 m上升至0.28 m,由0.28 m上升至0.4 m,由0.4 m上升至0.41 m。在库水位由0 m上升至0.28 m的过程中,此时库水仅淹没滑坡前缘部分,软弱夹层内较低测点孔隙水压力随库水上升而增加,各测点土压力变化值较小,6个非接触位移测点未发生变化；在库水位由0.28 m上升至0.4 m的过程中,库水淹没至滑坡中部,孔隙水压力继续随库水上升而增大,其中2＃,3＃,5＃测点土压力测值出现一定幅度的减小,此时滑坡表面测点出现位移变化,且其位移变化方向大致与软弱夹层面相切,滑体内部分土压力减小的原因可能是滑坡所产生缓慢变化造成了滑坡体内应力的重新分布；在库水位由0.4 m上升至0.41 m过程中,库水淹没至滑坡中上部,孔隙水压力继续随库水上升而增大,2＃,3＃,4＃测点土压力测值出现骤降,此时滑坡表面测点出现大的位移变化,滑坡沿软弱夹层面整体滑移,土压力出现骤降的时刻与滑坡出现较大位移的时刻相吻合,显然是由于滑坡整体滑移引起的。

4.2 滑坡稳定性分析

根据库水作用的3个过程,滑坡的稳定性也相应表现为以下3个阶段。

稳定阶段:库水上升初期,库水仅淹没滑坡体前缘部分,库水逐渐入渗到滑坡体内,引起软弱夹层中位置较低测点孔隙水压力的增加,滑坡上部大分部位于水位以上,土压力变化不明显,此时库水作用滑坡稳定性不产生较大影响,不会引起滑坡体表面出现变形。该阶段为试验中库水位由0 m上升至0.28 m的过程,滑坡稳定性受库水影响较小。

缓慢变形阶段:滑坡体前缘大部分被淹没,库水不断渗入到滑体及软弱夹层内,引起该处孔隙水压力增大,导致土的有效应力降低,滑坡前缘阻滑力降低。软弱夹层的黏聚力较低,为滑坡体内的薄弱部分,当软弱夹层处的阻滑力不足以抵抗由滑坡后缘所引起的下滑力时,滑坡体开始沿软弱夹层面出现滑移。试验中库水位由0.28 m上升至0.4 m,滑坡体内孔隙水压力、土压力及表面位移的变化反映了该阶段的变化特征,滑坡体的稳定性随库水的上升而降低。

整体滑移阶段:随库水的继续上升,滑坡前缘孔隙水压力继续随库水而增加,软弱夹层内阻滑力随之降低,直至滑坡沿软弱夹层面出现整体滑移。库水位由0.4 m上升至0.41 m为整体滑移阶段,滑坡稳定性随库水上升而降低,最终沿软弱夹层带产生整体滑移。

含软弱夹层类滑坡的稳定性在水的作用下明显降低,且在阻滑力不足以维持滑坡稳定的时候,表现为沿软弱夹层面滑动。

5 结 论

本文通过对滑坡模型进行库水升降作用试验得到以下结论:

（1)在库水上升过程中,滑坡体内孔隙水压力随之增加,土体的有效应力随之减小,引起滑坡阻滑力降低,库水上升至一定阶段时引起滑坡沿软弱夹层面产生位移变形。

（2)试验过程中土压力及表面位移变化,由库水上升所引起滑坡体变形可分为3个阶段:稳定阶段、缓慢变形阶段及整体滑移阶段,在此3个阶段滑坡体表现出不同力学及变形特征,同时也反映了该类滑坡体的稳定性随库水的上升而降低。

（3)滑坡在缓慢变形阶段产生沿软弱夹层面的变形,整体滑移阶段是沿软弱夹层面整体下滑。这说明软弱夹层为滑坡体中的薄弱部分,也是决定滑坡稳定性的关键部位。

参考文献：

［1］ 董金玉,杨继红,孙文怀,等.库水位升降作用下大型堆积体边坡变形破坏预测［J］.岩土力学,2011,32（6): 1774-1780.

［2］ 罗先启,刘德富,吴 剑,等.雨水及库水作用下滑坡模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报,2005,24（14): 2476-2483.

［3］ JONES F O, EMBODY D R, PETERSON W L. Landslides along the Columbia River Valley Northeastern Washington［R］. Washington: United States Government Printing Office,1961.

［4］ 赵代鹏,王世梅,谈云志,等.库水升降作用下浮托减重型滑坡稳定性研究［J］.岩土力学,2012,34（4):1017-1024.

［5］ 孙广忠.中国典型滑坡［M］.北京:科学出版社,1998.

［6］ 陈 飞.长江流域地质灾害及防治［M］.武汉:长江出版社,2007.

［7］ 郭洪江,张霖,赵文恺.成昆线林场滑坡病害治理工程［J］.西南交通大学学报,1996,31（6):685-690.

［8］ 刘小丽,周德培.有软弱夹层岩体边坡的稳定性评价［J］.西南交通大学学报,2002,37（4):382-386.

［9］ 占清华,王世梅,谈云志,等.降雨及库水作用对滑坡影响规律试验系统研究［J］.长江科学院院报,2013, 30（11): 32-38.

（编辑:刘运飞)

Model Test Study on Landslide with Weak Layers under Uprise of Reservoir Water

ZHAN Qing-hua1, WANG Shi-mei2, ZHAO Dai-peng3
（1.Hubei University of Technology Engineering and Technology College, Wuhan 430070,China；2.College of Civil Engineering＆Architecture,China Three Gorges University, Yichang 443002,China；3.China Three Gorges Corporation, Chengdu 610000,China)

Abstract:In order to study the impact of reservoir water level fluctuation on stability of landslide with weak layers, we carry out model test and measure the variations of soil pressure and pore water pressure as well as displacements of certain parts of the landslide body during reservoir water level fluctuation. Results show that as reservoir water level rises, slip resistance decreases due to immersion of reservoir water, stability of the landslide reduces, and displacement occurs in landslide. Impacts of reservoir water rising on landslide stability can be divided into three stages: stability phase, slow deformation phase and global glide phase. The three stages exhibits different characteristics, reflecting that the landslide stability decreases with reservoir water rising. Meanwhile, weak interlayer in the landslide is not only the weak part of the landslide, but also the crucial part for landslide stability.

Key words:weak interlayer；fluctuation of reservoir water level；model test；stability；soil pressure；pore water pressure

作者简介：占清华（1987- ),女,湖北孝感人,硕士研究生,主要从事非饱和土蠕变及高陡边坡稳定性研究,（电话) 18771753775（电子信箱) jingjing＿yc@126.com。

基金项目：国家自然科学基金重点项目（50839004)；三峡大学三峡库区三期地质灾害防治重大科学研究项目（SXKY3-2-1)；湖北工业大学工程技术学院教学研究项目（X2015009)

收稿日期：2014-10-16;修回日期：2015-01-01

doi:10.11988/ ckyyb.20140884

中图分类号：TV 543

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)02-0086-05