水位上升條件下陡坡破壞離心模型試驗(yàn)研究

趙 杰，馬卓娜，黃會寶，張 嘎

(1.國能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041；2.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

滑坡作為一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，每年對我國造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)上百億元。隨著水利工程的興建，水庫區(qū)陡坡數(shù)量也隨之增加，庫區(qū)蓄水過程引起了很多邊坡破壞。為了滿足防洪、發(fā)電等需要，大多數(shù)庫區(qū)邊坡(尤其是陡坡)一定時期內(nèi)的水位上升及穩(wěn)定蓄水過程所引發(fā)滑坡的風(fēng)險隨之增加。在實(shí)際工程中，目前通常采用極限平衡法和數(shù)值模擬分析法等對邊坡破壞進(jìn)行分析[1-8]。然而，水位上升條件下邊坡發(fā)生漸進(jìn)破壞的機(jī)理復(fù)雜，極限平衡法等傳統(tǒng)方法不足以達(dá)到分析需要的精度。近年來，各類數(shù)值模擬技術(shù)快速發(fā)展，但由于受到模型、算法等的限制，很難直接應(yīng)用于實(shí)際邊坡工程的安全分析與設(shè)計。有效的邊坡穩(wěn)定分析方法的基礎(chǔ)之一是闡明水位變動條件下陡坡的破壞機(jī)理。因此，對于水位上升條件下陡坡發(fā)生破壞的機(jī)理研究與揭示，是發(fā)展合理的邊坡穩(wěn)定性分析方法的依據(jù)和基礎(chǔ)。

土工離心模型試驗(yàn)可以保證原型與模型在幾何相似的前提下，保持應(yīng)力相等、變形相似，因而其在不同條件下的邊坡變形破壞研究中應(yīng)用廣泛[9-12]。苗發(fā)盛等[13]以三峽庫區(qū)邊坡為背景，開展了水位升降條件下邊坡離心模型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明滑坡總體呈牽引式破壞，發(fā)生滑坡失穩(wěn)為動水壓力所致。Zhang等[14]研究發(fā)現(xiàn)水位變動引起孔隙水壓力增加，進(jìn)而導(dǎo)致類似邊坡破壞的邊坡失穩(wěn)模式。綜上可知，目前開展的水位變動條件下滑坡離心模型試驗(yàn)主要集中在邊坡失穩(wěn)模式的研究上，針對邊坡漸進(jìn)破壞特性的試驗(yàn)還比較少。在考慮土性、坡度、水位等因素影響的邊坡變形破壞的相關(guān)試驗(yàn)研究還有待加強(qiáng)。

針對以往研究不足，本文開展了水位上升條件下黏性土陡坡變形破壞的離心模型試驗(yàn)，測定了水位上升過程中邊坡的全場位移時程及其分布。根據(jù)位移測量結(jié)果定量確定了邊坡的破壞過程，采用變形與破壞過程耦合分析的研究思路進(jìn)行破壞分析，揭示了陡坡的拉裂與剪切耦合破壞特征、變形規(guī)律和漸進(jìn)破壞機(jī)理，可為改進(jìn)陡坡穩(wěn)定性及變形分析方法提供依據(jù)。

1 離心模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

離心模型試驗(yàn)在某土工離心機(jī)上開展，該離心機(jī)有效半徑為2 m，最大離心加速度為250g。離心機(jī)配有高剛度鋁合金模型箱，可忽略模型箱自身變形，其內(nèi)部長、寬、高分別為50 cm、10 cm和35 cm。為滿足在試驗(yàn)過程觀測邊坡的要求，專門在模型箱長度方向一側(cè)配置厚度為4 cm的透明有機(jī)玻璃板。

水位升降采用超重力場水位變動模擬設(shè)備[15]進(jìn)行模擬，該設(shè)備可以在試驗(yàn)采用的離心加速度條件下進(jìn)行蓄水使得水位上升，并通過置于底部的孔壓傳感器實(shí)現(xiàn)對水位的全程記錄。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

采用某種粉土(相對密度2.7，塑限18.5%，液限25%)制備邊坡模型，如圖1所示。在制樣過程中控制含水率為18%，按5 cm厚度進(jìn)行分層夯實(shí)，土樣干密度為1.55 g/cm3，黏聚力為33 kPa，摩擦角為27°。模型填筑完成后，削坡至設(shè)定坡度。邊坡模型的高度和坡度分別為20 cm和1.5∶1，其底部與模型箱直接接觸以模擬基巖。為減小試驗(yàn)過程中模型箱邊界對邊坡變形破壞的約束影響，預(yù)先在邊坡與模型箱邊坡的接觸面上涂抹硅油。

圖1 邊坡及滑裂面示意圖

1.3 試驗(yàn)過程

a.對邊坡從g到50g逐步增加離心加速度，每隔10g待邊坡變形穩(wěn)定后繼續(xù)加載。

b.當(dāng)離心加速度達(dá)到50g后，等待30 min以達(dá)到邊坡變形基本穩(wěn)定。此后從坡腳開始蓄水。每次蓄水50 mm，待變形穩(wěn)定再繼續(xù)蓄水，共蓄水100 mm。

c.在每級水位穩(wěn)定過程中，邊坡發(fā)生入滲并產(chǎn)生滲透變形，試驗(yàn)全程監(jiān)測邊坡變形破壞情況。

d.待邊坡發(fā)生破壞后停止試驗(yàn)。

1.4 測量方法

試驗(yàn)采用專為離心場圖像采集和土體位移測量開發(fā)的系統(tǒng)[16]來觀測邊坡變形破壞情況。通過該系統(tǒng)采集圖像系列，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，進(jìn)而確定邊坡側(cè)面任一點(diǎn)的位移。為提高圖像位移分析精度，坡側(cè)面的灰度需要有較大差別。為此，在制備邊坡模型過程中于坡側(cè)面隨機(jī)性地嵌入白色標(biāo)記點(diǎn)。水位和位移等測量結(jié)果均基于試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒o出，根據(jù)模型相似律，乘以50可得到原型結(jié)果。

2 破壞現(xiàn)象

離心模型試驗(yàn)過程中，水位上升與坡頂沉降隨時間的發(fā)展過程如圖2所示。可以看出，第一階段水位h從0上升至50 mm，并維持了547 s；第二階段水位從50 mm上升至100 mm，并維持了697 s。除此之外，還可以看出在第一階段坡頂沉降s很小且穩(wěn)定在3.5 mm左右；在第二階段水位由50 mm上升至100 mm的過程中，變形迅速增大，當(dāng)水位穩(wěn)定在100 mm時，沉降也逐漸趨于穩(wěn)定。根據(jù)觀察與分析，水位上升過程產(chǎn)生較大變形，可判斷滑裂面在水位上升過程中已經(jīng)形成(圖1)，還可以看出陡坡未發(fā)生淺層剝落、坍塌等破壞，而是發(fā)生了深層滑動。為滿足定量分析需求，在坡側(cè)平面建立直角坐標(biāo)系，以坡腳為原點(diǎn)，以水平向右和豎直向上為坐標(biāo)軸的正方向，x和y分別為水平方向、豎直方向某位置距坡腳的距離。

圖2 水位上升與坡頂沉降時程

3 變形特性分析

3.1 位移場變化過程

在試驗(yàn)過程中，觀察邊坡形態(tài)照片可以發(fā)現(xiàn)，以水位開始上升為起始時刻(此時邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài))，在水位上升到50 mm及其后的穩(wěn)定過程中，坡體發(fā)生沉降較小，以豎向的位移為主；水位繼續(xù)上升至100 mm及其后的穩(wěn)定過程中，坡體產(chǎn)生明顯的豎向和水平位移。圖3給出了兩次水位上升穩(wěn)定后的位移矢量分布。從圖中可以看出，在100 mm水位穩(wěn)定過程中，邊坡內(nèi)部的位移較小，并向坡面逐漸增大。邊坡最大位移出現(xiàn)在100 mm水位附近，并向上下兩側(cè)遞減。在邊坡臨空面內(nèi)側(cè)已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的位移集中區(qū)域。可以推斷，該區(qū)域?yàn)榛衙娈a(chǎn)生后形成的滑動體。

圖3 水位穩(wěn)定后邊坡位移矢量分布

3.2 位移分布特征

由圖1可以看出，邊坡滑裂面分為基體和滑動體兩個組成部分。在滑裂面兩側(cè)的基體和滑動體上分別選取不同高程上的典型點(diǎn)A～D，測量其位移時程曲線與水位變化，見圖4。從圖4可以看出，邊坡位移在滑動體和基體表現(xiàn)出很大的差別，在相同高程上，滑動體上的位移顯著大于基體。位于基體上的A、C點(diǎn)在水位上升過程中，產(chǎn)生的水平位移u和豎向位移v都很??；而位于滑動體上的B、D點(diǎn)在水位上升至100 mm的過程中產(chǎn)生了明顯的位移增量。由此可以判斷，水位上升造成坡體滑動進(jìn)而引起邊坡的明顯變形。在水位上升至50 mm及后續(xù)的穩(wěn)定過程中，滑動體各點(diǎn)的位移較小且增速緩慢；在水位上升至100 mm的過程中，滑動體各點(diǎn)的位移迅速增大?？傮w來看，水位上升條件下邊坡變形主要發(fā)生在滑動體內(nèi)部，基體可視為剛體。

圖4 典型點(diǎn)位移時程曲線

對比滑動體上各典型點(diǎn)隨水位上升的位移時程曲線可得，不同點(diǎn)的位移隨時間的變化規(guī)律并不是一致的。例如，在920 s左右(對應(yīng)水位92.5 mm)時，位于100 mm高程附近處的B點(diǎn)水平位移和豎向位移同步迅速增大然后逐漸趨于穩(wěn)定，豎向位移略大于水平位移。對于坡腳處D點(diǎn)，在910 s左右(對應(yīng)水位92 mm)，水平方向和豎直方向的位移均增大，水平向位移顯著大于豎向位移，坡腳鼓起。這意味著在水位上升條件下，滑動體內(nèi)部各點(diǎn)的變形特征并不一致，與所在位置相關(guān)。推測與滑裂面的形狀或發(fā)展過程相關(guān)，或者與水位上升導(dǎo)致應(yīng)力場及滲流場的變化相關(guān)。

4 破壞特性及機(jī)理分析

4.1 裂縫分析

在水位上升至100 mm的過程中，首先在坡頂位置處出現(xiàn)了一條明顯的裂縫(圖1所示裂縫1)，該裂縫發(fā)展到一定深度后基本穩(wěn)定。隨后，在坡頂原裂縫外側(cè)產(chǎn)生第二條裂縫(圖1所示裂縫2)，并向下發(fā)展與已形成的滑裂面貫通形成整體的滑裂面，邊坡發(fā)生滑動破壞。

圖5給出了裂縫兩側(cè)點(diǎn)對(兩點(diǎn)處于同一高程，距離14.5 mm)的相對位移隨水位變化曲線?？苫邳c(diǎn)對相對位移確定裂縫的類型：當(dāng)法向相對位移dn大于切向相對位移ds時屬于拉裂縫，反之則屬于剪裂縫。由圖5可知，在水位上升的過程中，位于裂縫兩側(cè)的點(diǎn)對的相對位移時程曲線在某個水位發(fā)生突變，即表明在此水位裂縫開始出現(xiàn)。可以判斷出，在水位達(dá)到92.5 mm左右(920 s)時，裂縫1出現(xiàn)；隨后在水位100 mm穩(wěn)定過程中(953 s)，裂縫2出現(xiàn)。裂縫出現(xiàn)時，兩點(diǎn)對的法向相對位移逐漸大于切向相對位移，表明兩點(diǎn)對之間的裂縫均為張拉破壞。水位上升導(dǎo)致坡頂沉降速率突然增大，坡腳隆起并發(fā)生較大的側(cè)向位移，引起坡頂產(chǎn)生拉裂縫，這與高長勝等[17]試驗(yàn)結(jié)果是一致的。隨著滑裂面的產(chǎn)生和發(fā)展，裂縫在受拉過程中受到剪切帶的綜合作用，切向位移不斷增大，但始終小于法向位移，裂縫的擴(kuò)張受到了拉伸和剪切的綜合作用。

圖5 裂縫點(diǎn)對的相對位移時程曲線

4.2 滑動破壞過程

為進(jìn)一步分析滑裂面產(chǎn)生與發(fā)展的特性，選取邊坡潛在滑裂面不同高程的典型點(diǎn)對進(jìn)行相對位移分析。點(diǎn)對的位置和高程如圖6所示。1組點(diǎn)對由2個點(diǎn)組成，分別位于滑裂面兩側(cè)且處于同一高程，2點(diǎn)的距離為29 mm。

由坡頂沉降位移時程曲線和裂縫分析可知，較大的邊坡變形主要發(fā)生在50 mm水位以后的上升及穩(wěn)定過程，因此選取730 s后的點(diǎn)對位移時程曲線進(jìn)行重點(diǎn)分析，如圖7所示?？梢钥闯?，在水位上升初期，各點(diǎn)對相對位移增長緩慢且增長量較小。當(dāng)水位繼續(xù)上升至100 mm的過程中，在某一時刻相對位移增長速率迅速上升，位移時程曲線存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)。轉(zhuǎn)折點(diǎn)產(chǎn)生的原因是邊坡在此位置出現(xiàn)了局部破壞，從而引起該處點(diǎn)對的相對位移迅速增大?？蓪⑥D(zhuǎn)折點(diǎn)所對應(yīng)的時刻確定為滑裂面發(fā)展到點(diǎn)對所處位置的時刻。在圖7中用虛線標(biāo)示出各點(diǎn)對位置發(fā)生局部破壞時的時刻，并將對應(yīng)的水位標(biāo)注于圖6?？梢钥闯觯簧仙疬吰掳l(fā)生破壞，滑裂面首先在邊坡下部出現(xiàn)，并逐漸向上發(fā)展。也就是說，邊坡呈現(xiàn)出由底部向上發(fā)展的漸進(jìn)破壞過程。在滑裂面發(fā)展過程中，坡頂產(chǎn)生裂縫1?；衙嫘纬珊笤谄马敭a(chǎn)生裂縫2。裂縫2與滑裂面相連從而形成了整體的滑裂面。

圖6 點(diǎn)對位置及滑裂面發(fā)展過程

圖7 滑裂面上各點(diǎn)對的相對位移隨時間變化過程

進(jìn)一步分析可知，無論是切向還是法向，各點(diǎn)對相對位移時程曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)的水位大致相同?？紤]到坡頂點(diǎn)對受到張拉裂縫的影響，其余點(diǎn)對的切向位移量總體上明顯大于法向位移量，這說明邊坡總體上發(fā)生了剪切破壞。

4.3 滑動破壞機(jī)理

圖8給出了滑裂面形成前邊坡水平位移的水平分布?？梢钥闯觯簧仙龑?dǎo)致邊坡在不同高程均出現(xiàn)位移。位移隨水位上升而增大，總體表現(xiàn)為邊坡深部位移很小，并隨距坡表距離減小而增大。這意味著邊坡發(fā)生滑動破壞之前的水位上升過程已經(jīng)導(dǎo)致坡體出現(xiàn)顯著的變形。

圖8 滑裂面形成前邊坡水平位移分布

為了進(jìn)一步分析邊坡變形與破壞之間的關(guān)系，圖9給出了滑裂面形成前邊坡水平應(yīng)變εx的水平分布?？梢钥闯?，水平應(yīng)變分布曲線存在峰值，在峰值附近的區(qū)域水平應(yīng)變明顯增大，說明在此區(qū)域內(nèi)變形程度較大且集中，即產(chǎn)生了變形局部化；同時，該變形局部化主要位于最終滑裂面位置左右各20 mm的范圍內(nèi)，當(dāng)水位上升至80 mm時已經(jīng)出現(xiàn)，隨著水位的上升，同一高程的峰值應(yīng)變不斷增加，變形局部化的程度逐步增強(qiáng)。需要注意的是，滑裂面的位置處于變形局部化區(qū)域內(nèi)，且在水平應(yīng)變的峰值位置附近。這表明滑裂面是變形局部化發(fā)展到一定程度后出現(xiàn)的?？梢酝茢?，水位上升過程導(dǎo)致陡坡出現(xiàn)顯著的變形過程，該變形并不是均勻分布的，而是在一定區(qū)域內(nèi)集中，出現(xiàn)了明顯的變形局部化。變形局部化發(fā)展導(dǎo)致在該處出現(xiàn)局部破壞，局部破壞隨變形局部化增強(qiáng)發(fā)展形成滑裂面，這是水位上升引起陡坡整體滑動破壞的機(jī)理。

圖9 滑裂面形成前邊坡水平應(yīng)變分布

5 結(jié) 論

a.水位上升導(dǎo)致陡坡發(fā)生剪切破壞，破壞過程從坡腳開始逐步向上發(fā)展。同時，在坡頂產(chǎn)生張拉裂縫，與剪切破壞面貫通后形成整體滑裂面。

b.邊坡滑動破壞的機(jī)理為：水位上升過程導(dǎo)致陡坡出現(xiàn)顯著的變形，并在一定區(qū)域內(nèi)集中，出現(xiàn)了明顯的變形局部化進(jìn)而導(dǎo)致在該處出現(xiàn)局部破壞并逐漸發(fā)展成滑裂面。

c.在滑裂面形成后的邊坡變形主要出現(xiàn)在滑動體內(nèi)部，可將基體視作剛體，滑動體上不同點(diǎn)的位移特征受到所在位置的影響。