糯扎渡水電站滑坡體非飽和土的土水特征曲線研究

肖若愚，符必昌，王 飛，桑艷飛　(昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650051)

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糯扎渡水電站滑坡體非飽和土的土水特征曲線研究

肖若愚，符必昌，王 飛，桑艷飛(昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650051)

摘要[目的]研究糯扎渡水電站滑坡體非飽和土的基質吸力，為運用非飽和土力學理論研究滑坡判據提供參考。[方法]運用快拔式張力計選取在巖性上具有代表性的5處滑坡(典型強風化砂巖、頁巖，典型全強風化花崗片麻巖，典型全風化粉砂巖，典型全風化花崗巖，典型全風化花崗巖)進行現場觀測試驗，對比不同巖性巖石在天然狀態和模擬飽和狀態下的基質吸力變化曲線。[結果]不同巖性對于基質吸力的降低呈現不同的變化曲線，基質吸力的降低以全強風化花崗片麻巖最明顯，全風化花崗巖次之，全強風化粉砂巖變化相對最小。[結論]滑坡體含水率對其強度的影響顯著。

關鍵詞滑坡；非飽和土；基質吸力；土水特征曲線

近年來，各地山體滑坡事件頻發，越來越受到社會各界的關注。誘發滑坡的原因較多，其中降雨是主要因素之一[1-5]。降雨宏觀上會在滑坡體內產生一定的水力作用，微觀上則會改變坡體內物質的物理化學性質。但降雨期間，滑坡體內的物質都會經歷由干到濕，再由濕到干的從非飽和到飽和，再由飽和到非飽和的過程[6]。因此，通過非飽和土力學的相關理論，研究和分析滑坡中非飽和土基質吸力在不同環境下的變化規律具有重要意義。正確量測和掌握邊坡的非飽和帶中基質吸力隨外界條件的變化特征是非飽和土力學理論在工程應用中的關鍵。土水特征曲線的研究起源于土壤學和土壤物理學，偏重于天然狀態下表層土壤吸力的變化、土壤的持水特性及水分運動特征的研究。近年來，由于非飽和土力學理論在邊坡穩定性評價及降雨型滑坡預測等方面的廣泛應用，學者對非飽和土的土水特征曲線進行了更加深入的研究，越來越多的數學模型被用來估算非飽和土的水分特征曲線。正確量測和掌握邊坡的非飽和帶中基質吸力隨外界條件的變化特征，是非飽和土力學理論在工程應用中的關鍵。為了研究非飽和土基質吸力隨時間、空間和環境的變化規律，筆者選取了糯扎渡水電站不同巖性的5處滑坡體進行現場試驗，并對觀測試驗的成果進行了研究，以期為現代非飽和土的土水特征曲線研究提供理論依據。

1非飽和土力學理論基礎

進行非飽和土邊坡穩定性分析，首先須建立非飽和土的抗剪強度理論。目前非飽和土抗剪強度理論主要有2種：

(1)Bishop提出的以有效應力為基礎的庫倫破壞準則[7]，即：

τf=c′+[(σ-ua)+X(ua-uw)]·tgφ′

(1)

(2)Fredlund提出的以有效應力分量σ-ua和ua-uw為應力變量的破壞準則[8]。

τf=c′+(σ-ua)tgφ′+(ua-uw)tgφb

(2)

Fredlund的抗剪強度理論代表了非飽和土壤研究領域的一個學派，他們強調負孔隙水壓力對土體抗剪強度的影響，目前已得到巖土界的廣泛認可。該研究的非飽和土邊坡穩定性分析模型以Fredlund的抗剪強度理論作為基礎，因此根據滑坡體的土水特征曲線擬合曲線，可以列出非飽和土抗剪強度的實用化公式：

τf=c′+(σn-ua)tgφ′+(ua-uw)·[p-q·lg(ua-uw)]·tgφ′

(3)

式中，c′、φ′由土樣的剪切試驗確定；p、q分別是土-水特征曲線的斜率和截距，根據試驗中實測的土-水特征曲線進行數據點的線性擬合求得。

式(3)應用方便，只需要進行滑坡體的剪切試驗和土水特征曲線試驗，分別測定飽和土的抗剪強度參數和土水特征曲線，則可計算一定應力狀態下非飽和土抗剪強度值。確定非飽和土抗剪強度的步驟：①進行滑坡體三軸剪切試驗，則可計算一定應力狀態下的非飽和土抗剪強度值；②試驗測定土水特征曲線；③根據實測的土水特征曲線數據點進行線性擬合，以求得參數a和b；④利用式(3)計算滑坡體的抗剪強度值。

根據已經推出的土-水特征曲線擬合公式得到滑坡體的抗剪強度公式如下：

τf=c′+(σn-ua)tgφ′+PF[-7.778-48.487×PF]·tgφ′

(4)

式中，PF為基質吸力。

2現場試驗流程

采用日本引進的快拔式張力計現場測定土的吸力(PF值)，在實驗室進行含水量的基質吸力配比試驗，進一步研究水含量對滑坡體強度的影響。該現場基質吸力試驗均在地表以下50 cm處開展，因此，在強度確定中，假設50 cm以下的土體基質吸力不變，以此確定滑坡體強度參數在蓄水過程中的變化。

在距地表一定深度范圍內(一般不大于4 m)不同深度處埋設張力計、吸力探頭等，將探頭與數據采集儀連接，定時采集數據，同時，取相應深度的土樣，進行含水量測定。通過張力計和吸力探頭，對土體在不同深度的吸力進行連續監測。通過監測現場人工降雨入滲及蒸發過程中各深度土體的體積含水量和吸力值，繪制包括浸水和脫濕過程的土水特征曲線。

當孔隙氣壓力等于大氣壓力時，負孔隙水壓力在數值上等于基質吸力。張力計主要由高進氣值陶瓷探頭與壓力測量系統組成，兩者間通過硬塑料管連接。具體試驗步驟：①試驗前將陶瓷探頭完全飽和，一般飽和24 h；②將張力計的陶瓷探頭插入待試驗的位置，并使探頭與土體緊密接觸，陶瓷探頭中的水將土中的孔隙與量測系統中的水相連，空氣被高進氣值陶瓷探頭阻隔難以進入量測系統；③待張力計中的水與孔隙水具有相同壓力時，由張力計的量測系統讀取壓力值；④與張力計相應深度土體進行室內含水率測試對比；⑤繪制土水特征曲線。

試驗要求：①使用前，須確保陶瓷頭無堵塞、無裂縫，盡可能地除去張力計中的空氣，并將張力計的陶瓷頭和塑料管用取出空氣的水飽和；②在地面記錄到的壓力表讀數須根據張力計管中的水柱高度進行位頭修正。

該現場試驗在巖性具有代表性的滑坡H4(典型強風化砂巖、頁巖)、H45(典型全強風化花崗片麻巖)、H10(典型全風化粉砂巖)、H24(典型全風化花崗巖)、H26(典型全風化花崗巖)進行。

3滑坡體概況及其基質吸力現場觀測

3.1H4滑坡H4滑坡位于瀾滄江左岸的支流燕子窩河左岸，距離干流瀾滄江約150 m，滑坡沿燕子窩河約200 m，燕子窩河流走向252°，岸坡為陽坡，對岸幾何形態為凹岸。滑坡形態不明顯，下伏基巖為侏羅系中統和平鄉組砂巖。滑坡的主滑方向為330°，主滑方向長度為175 m，前緣高程650 m，后緣高程740 m，高差約90 m。滑坡邊界不清晰，上、下游以沖溝為界，表面積約3.5×104m2，滑坡體物質主要為碎石土，前緣由基巖面出露，基巖面的產狀為走向NW86°，NE∠18°，前緣延伸至燕子窩河河床。

坡上植被較發育，表面沖溝不發育。滑坡體最大厚度約20 m，方量約70.0×104m3。該滑坡整體結構松散，滑坡前緣被切割成燕子窩河，揭露了滑動面，降低了邊坡坡腳的阻滑力，且為滑坡提供了臨空面和滑動空間，在降雨產生的地表水入滲等誘發因素的作用下，破壞了邊坡平衡狀態，產生滑動，滑坡從下部開始滑動從而牽引上部坡體滑動，形成臺階狀地表形態。因此，改滑坡為牽引式滑坡，滑坡體為碎石土組成的土質滑坡。

從圖1可以看出，全強風化砂巖在初始狀態下基質吸力為5.9 kPa，由于砂巖巖性特征，隨著時間的推移基質吸力降低程度不大，在35 min 時僅下降了0.3 kPa。

3.2H45滑坡H45滑坡位于瀾滄江支流黑河右岸，為典型的變質巖區域風化殼滑坡類型，坡腳受黑河凹岸侵蝕引起的牽引式滑動。沿河長度200 m，所臨黑河走向115°，岸坡為陰坡，黑河在該處發生彎曲，滑坡上游靠近習引河，對岸幾何形態為凹岸。滑坡形態明顯，下伏基巖為弱風化的千枚巖，滑坡體物質成分為千枚巖的碎石夾黏土。滑坡的主滑方向為33°，主滑方向長度為55 m。滑坡前緣高程655 m，后緣高程731 m，高差約76 m，滑坡表面約為1.1×104m2。滑坡前緣有1.5～2.0 m厚的基巖出露，出露的基巖風化嚴重。滑坡體下游邊界中，可清楚地看到，在重力作用下陡傾的近于直立的千枚巖受擠壓而發生的表層蠕滑現象。

坡上植被不發育，只有零星野草，表面發育較多的小沖溝，降雨入滲補給良好。滑坡后緣可見延伸較長寬度約20 m的拉裂縫，中部開挖公路，坡中局部可見裂縫。滑坡所處部位為河流轉彎處的凹岸部位，該滑坡由于河流的凹岸侵蝕，將坡體坡腳部位侵蝕，揭露滑動面，同時由于坡體破碎，上部滑坡體向前緣臨空方向滑動。坡體下部滑動牽引上部巖土體滑動，為牽引式滑坡，滑坡平均深度約25 m，方量約27.5×104m3。滑坡體為母巖為千枚巖的碎石和黏土組成的土巖混合滑坡。

從圖2、3可以看出，全強風化花崗片麻巖的初始基質吸力為5.8 kPa，模擬飽和狀態時基質吸力下降至4.5 kPa，其中模擬飽和狀態下基質吸力變化較為明顯，而天然狀態下基質吸力變化不明顯。造成這一現象的主要原因之一是毛細阻力的存在使得水分難以到達巖體深處，因此對于巖體基質吸力的影響不大。

3.3H10滑坡H10滑坡位于瀾滄江左岸，滑坡沿瀾滄江河流長度約460 m，滑坡所臨瀾滄江河段河流走向206°，岸坡為陽坡，對岸幾何形態為凸岸。滑坡形態明顯，滑坡體下伏基巖為三疊系中統忙懷組粉砂巖和礫巖。走向平行于瀾滄江方向的結構面組成滑坡體的后緣拉裂面。滑坡體物質主要為塊石夾碎石土，滑坡的主滑方向為284°，主滑方向長度為220 m。滑坡前緣高程610 m，后緣高程720 m，高程差約110 m。滑坡界面較清晰，滑坡表面積為1.01×105m2，前緣有基巖出露，約2.0 m厚，基巖產狀為NE15°，NW∠39°，基巖節理發育，結構面間距20 cm，坡底堆積有大量滾石。

坡上植被發育，坡上沖溝不發育。滑坡平均深度約15 m左右，方量約300×104m3。滑坡體后緣較陡，上部坡體沿滑動面推移下部坡體向臨空方向發生滑動，該滑坡屬于沿基巖面形成的推移式滑坡，邊坡結構為順向坡。河流對滑坡底部河岸的沖刷嚴重，致使地形變陡，將滑坡體的滑動面揭露并提供了前緣的臨空面和滑動空間。此外，該區域內降雨較多，滑坡體的地形和地貌有利于地表水的匯流和下滲，從而大大降低了滑動面的摩擦強度和凝聚力。綜上所述，該滑坡具備產生滑坡的地形、地貌及工程地質條件。

從圖4、5可以看出，由于該滑坡臨近河流，河流對坡底沖刷嚴重，因此在天然狀態和模擬飽和狀態下基質吸力的差別很大，天然狀態下全強風化粉砂巖基質吸力甚至下降了約7.0 kPa，模擬飽和狀態下基質吸力趨近于0。

3.4H24滑坡H24滑坡位于瀾滄江右岸，瀾滄縣大山鄉小亭壩村，滑坡沿河長度為800 m，滑坡所臨瀾滄江走向為150°。對岸幾何形態為凸岸，岸坡為陽坡。滑坡形態明顯，滑坡體下伏基巖為三疊系至二疊系花崗巖，滑面為滑坡堆積體和下伏弱風化基巖接觸面，滑坡體物質為母巖，是花崗巖的砂石土。滑坡的主滑方向為90°，主滑方向長度為200 m。滑坡前緣高程680 m，后緣高程800 m，高程差約120 m，后緣1 200 m高程處平行于后緣延伸方向的平直拉裂縫明顯，但由于耕地開挖形成，與滑坡體本身聯系不大。滑坡邊界清楚，上游側為大黑箐河，下游側以沖溝為界，與滑坡H23相鄰。滑坡表面積為2.3×105m2，前緣無基巖出露，前緣延伸至瀾滄江河床，滑坡為古滑坡。

坡上植被發育，主要有種植的梯田，發育有一條大沖溝和若干條小沖溝，降雨入滲補給良好。滑坡平均深度約30 m，方量約330×104m3。該滑坡上部滑坡體基本沿滑動面向前緣臨空方向滑動，坡體前緣由于河流下切作用揭露了基巖且使地形變陡，為滑坡提供了臨空面和滑動空間。坡體結構松散破碎，坡體下部發生滑動牽引上部巖土體向河流方向滑動，為牽引式滑坡。

從圖6可以看出，由于該滑坡坡上植被發育，因此初始基質吸力較大，為7.0 kPa。但由于坡體結構松散，雨水較容易滲入坡體，巖體的基質吸力下降明顯，載30 min時下降至1.0以下。

3.5H26滑坡H26滑坡位于瀾滄江右岸，瀾滄縣大山鄉南美村下南美組村委會向下100 m處，滑坡沿河長度為200 m，滑坡所臨瀾滄江走向為180°。對岸幾何形態為凸岸，岸坡為陽坡，滑坡形態明顯，下伏基巖為三疊系至二疊系花崗巖，基巖中發育三組結構面，產狀分別為NW282°，SW∠64°；NE95°，NW∠32°；NW358°，SW∠45°。滑坡體物質為花崗巖的砂石土，滑坡的主滑方向為100°，主滑方向長度為700 m。滑坡前緣高程960 m，后緣壁陡，高程1 220 m，高程差約260 m。滑坡邊界清楚，滑坡夾在2個較高的山梁中，滑坡上部大，下部小，底部逐步開闊呈魚口狀，上游邊界沖溝為魚口田箐。坡體被大量剝蝕，現代沖溝發育，在沖溝兩側及前緣有多次坍塌現象，滑坡表面積約1.4×105m2。滑坡平臺以下地形較陡，總體滑動方向為朝向對岸拿魚箐河，前緣無基巖出露，坡底有河流泥沙堆積物堆積。

坡上主要有種植的梯田，滑坡體上有9條小山梁夾若干條沖溝，降雨入滲補給良好，滑坡上部表面為崩塌體堆積物，可見大塊石。滑坡上部坡度約為20°，下部變陡約為40°，滑坡體平均深度約30 m，方量約180×104m3。該滑坡上部滑坡體基本沿滑動面向前緣臨空方向滑動，坡體前緣由于河流下切作用揭露了基巖且使地形變陡，為滑坡提供了臨空面和滑動空間。坡體下部發生滑動牽引上部巖土體向河流方向滑動，為牽引式滑坡，滑坡體物質為球狀風化花崗巖和花崗巖的砂土堆積物，松散破碎，坡體內局部有花崗巖塊。

從圖7可以看出，全風化花崗巖的初始基質吸力為4.5 kPa，滑坡體上部表面可見大石塊，因此影響基質吸力的主要因素是內部的花崗巖砂土堆積物。又因為巖體松散破碎降雨入滲條件良好，故基質吸力下降較為明顯，在30 min時降至1.7 kPa。

4基質吸力與含水率的關系

現場基質吸力試驗表明，全強風化花崗片麻巖滑坡體由天然狀態到飽和狀態時，基質吸力降低到53.0%；全風化花崗巖基質吸力由天然狀態到飽和狀態時，降低到35.3%；全強風化粉砂巖基質吸力由天然狀態到飽和狀態時降低到20.0%。

室內對比試驗表明，隨著土體含水率的增加，基質吸力呈降低趨勢，其中當全風化砂巖含水率接近飽和狀態時，基質吸力降低到僅0.2 kPa(圖8)，當全強風化花崗片麻巖含水率接近飽和狀態時，基質吸力降低到3.6 kPa(圖9)，而全風化花崗巖當含水率接近飽和狀態時，基質吸力降低到0.6 kPa，這說明滑坡體含水率對巖體強度有明顯的影響。

5結論與討論

(1)該研究表明，影響滑坡體土水特征曲線的因素有很多，不僅與土體含水率有關，還與滑體的結構和上覆植被發育情況有關。剝蝕程度深的滑坡體基質吸力小于剝蝕程度淺的滑坡體，上覆植被發育情況良好的滑坡體基質吸力初始值較高。

(2)目前決定土水特征曲線最常用的方法是在實驗室進行壓力板儀試驗，但是該試驗費時且受制于實驗室條件，阻礙了其在實際工程中的應用。通過張力計來量測土壤的基質吸力變化情況，并配合重塑土制樣、現場取樣等方式求得土體的體積含水量，可快速經濟地求得土水特征曲線，有助于推廣非飽和土力學在實際工程中的應用。

(3)該研究中土體的含水量是由人為控制得到的，而實際工程中土體的含水量受自然條件限制，因此需要進一步建立含水量變化場(如降雨條件下邊坡)，得出不同自然條件下邊坡的含水量變化規律，為工程實際提供可靠的數據和思路。

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Study on Unsaturated Soil Water Characteristic Curve of Nuozhadu Hydropower Station Landslide

XIAO Ruo-yu, FU Bi-chang, WANG Fei et al

(College of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan 650051)

Key wordsLandslide; Unsaturated soil; Matrix suction; Soil water characteristic curve

Abstract[Objective] The aim was to study matrix suction of unsaturated soil of Nuozhadu Hydropower Station and provide reference for using unsaturated soil mechanics to study landslide. [Method] Quick pull type tensiometer was used to select 5 representative landslides(typical strong weathered sandstone, shale; typical strong weathered granite gneiss; typical weathered siltstone; typical weathered granite; typical weathered granite) to conduct field observation test, the change curve of matrix suction of different lithology rock in the natural state and saturated condition was compared. [Result] The order of reduction of matrix suction was typical strong weathered granite gneiss>typical weathered granite>typical strong weathered siltstone. [Conclusion] The effect of water content on the strength of landslide is remarkable.

基金項目云南高原巖溶區紅土成因及環境演化信息研究項目(2013FA033)。

作者簡介肖若愚(1990- )，男，陜西咸陽人，碩士研究生，研究方向：水文地質與工程地質。

收稿日期2016-02-14

中圖分類號S 181

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)07-118-04