淺談水庫工程高邊坡軟弱夾層檢測分析的重要性

張定華

（甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設(shè)計(jì)院，甘肅張掖734000）

某水庫工程溢洪道左側(cè)邊坡開挖施工后，沿邊坡出現(xiàn)一條傾向下游的橫向裂縫，最初縫寬約1～2 mm，歷經(jīng)3 個(gè)月的時(shí)間后，裂縫以SE145°方向滑移約5 cm，平均位移量約0.5 mm/d，裂縫的滑移變形引起水庫建設(shè)管理單位的重視。為此，開展了該邊坡滑動帶軟弱夾層的現(xiàn)場樣品選取及室內(nèi)檢測分析試驗(yàn)。

滑坡體特性：該邊坡開挖施工后，在開挖面坡腳形成一個(gè)高約40 m 的臨空面，臨空面邊坡出現(xiàn)橫向裂縫形成變形體，邊坡變形體縱長220 m，平均寬度115 m，面積約2.53 萬m2，體積約30 萬m3，按照邊坡分類屬永久、人工、水上、穩(wěn)定性稍差高邊坡（見圖1）。

1 檢測樣品采取

軟弱夾層的滑裂面或滑動層面是構(gòu)成剪切破壞的產(chǎn)物，之前剪切位移比較大，再加上地質(zhì)時(shí)期裂隙水的作用，造成滑裂面土顆粒組織、化學(xué)成分等與滑動面上、下層不一樣，因此在工程檢測過程中，土樣直接取滑裂面、滑坡層面上的即可開展殘余強(qiáng)度的試驗(yàn)，其強(qiáng)度值可能小于滑裂面或滑坡層面。

工程事件發(fā)生后，在現(xiàn)場邊坡變形體及其影響區(qū)沿大致平行主滑方向共布置探槽、探坑6 個(gè)，取35 cm×35 cm 樣品12 組，標(biāo)記清楚土層方向與滑裂面傾向，用鐵皮盒密封裝樣運(yùn)至室內(nèi)檢測。

對軟弱夾層的原狀土樣，根據(jù)現(xiàn)場標(biāo)記的軟弱面天然滑動方向室內(nèi)取樣。室內(nèi)取樣時(shí)整平土樣兩端，削切時(shí)細(xì)心觀察土樣情況，對層次、顏色及均勻性做簡易描述、記錄。特別注意的是往環(huán)刀壓取樣品時(shí)，要將壓取樣品的頂面削至平行于軟弱夾層面，然后在環(huán)刀試樣上標(biāo)記出軟弱面的天然滑動方向。對取樣過程中軟弱面壓入環(huán)刀不成型的試樣，用環(huán)刀按照一般原狀樣的制備方法切取（剪切前預(yù)開縫），切取后的剩余原狀土樣密封保存于保濕缸內(nèi)，以備補(bǔ)做試驗(yàn)。最終取樣形成12 組檢測樣品，每組8～10 個(gè)30 cm2環(huán)刀試樣待檢測，切削余土做物理性試驗(yàn)。

2 檢測設(shè)備及方法

當(dāng)前對室內(nèi)測定殘余強(qiáng)度檢測主要包括三軸壓縮試驗(yàn)、直剪儀做排水反復(fù)剪切試驗(yàn)、環(huán)剪儀做環(huán)形剪切試驗(yàn)三種。如反復(fù)直接剪切試驗(yàn)主要是利用應(yīng)變控制式直剪儀，在特別的慢速排水條件下對試樣進(jìn)行反復(fù)檢測，一直等其達(dá)到穩(wěn)定值后即可。

本文采用反復(fù)剪，反復(fù)剪簡單易行，對多數(shù)土及本文列舉試樣能測得較好的成果。設(shè)備采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的四聯(lián)無級變速直剪儀（見圖2）。

3 檢測過程

每組試驗(yàn)選擇4 個(gè)試樣，并在不同垂直壓力P進(jìn)行4 種不一樣的剪切工作。垂直壓力=現(xiàn)場預(yù)期最大壓力P、垂直壓力＞P，其他垂直壓＜P，但各級差值需要大概相等，壓力分別選擇為100 KPa、200 KPa、300 KPa、400 KPa。

測定土的殘余強(qiáng)度時(shí)，剪切速率對其影響極大。當(dāng)其強(qiáng)度達(dá)到殘余強(qiáng)度剪切面孔隙壓力幾乎消散，且土顆粒完成了定向排列。因此，此方法是最大剪切位移的慢剪試驗(yàn)。

對于殘余強(qiáng)度剪切速率的影響有關(guān)問題。根據(jù)對黏土、高塑性黏土、粉質(zhì)黏土及粉質(zhì)土的液限試樣和粉質(zhì)黏土原狀樣進(jìn)行不同剪切速率的對比試驗(yàn)。粉質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、黏土及高塑性黏土的剪切速率的臨界值分別為1.0 mm/min、0.06 mm/min 和0.02 mm/min。由樣品物理試驗(yàn)分析，該滑坡體軟弱夾層均為低液限黏土、粉質(zhì)黏土—黏土，試驗(yàn)采用0.06 mm/min 的剪切速率。

每組剪切試樣檢測過程按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237-022-1999）中條款操作執(zhí)行。

4 檢測數(shù)據(jù)整理分析

試樣在某個(gè)壓力下開展剪切試驗(yàn)，當(dāng)其應(yīng)力達(dá)最高值時(shí)如果保持著剪切，那么其剪應(yīng)力會伴隨著剪切位移的增加而明顯降低，最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，該穩(wěn)定值稱土的殘余抗剪強(qiáng)度或殘余強(qiáng)度。

本次排水反復(fù)直接剪切試驗(yàn)，環(huán)刀原狀樣在50 KPa 壓力下快速形成破裂面，以0.06 mm/min 剪切速度，單次正向位移9 mm，天然正向總剪切位移9～36 mm，飽和正向總剪切為36～63 mm，反復(fù)剪切至剪應(yīng)力穩(wěn)定，對剪切位移、剪應(yīng)力關(guān)系曲線制作，選擇每一次試驗(yàn)典雅線中，首次剪切最高值為破壞強(qiáng)度，在曲線中最穩(wěn)定的一個(gè)值為殘余強(qiáng)度，同時(shí)明確抗剪強(qiáng)度、垂直壓力間的關(guān)系曲線，以確定測求土的殘余抗剪強(qiáng)度參數(shù)Cr,和φr（,見圖3、圖4）。

根據(jù)室內(nèi)物理試驗(yàn)、排水反復(fù)直接剪切試驗(yàn)力學(xué)試驗(yàn)資料，整理分析后形成統(tǒng)計(jì)結(jié)果（12 組平均值） 為：天然干密度1.75～1.93 g/cm3，平均值1.84 g/cm3；天然濕密度2.02～2.19 g/cm3，平均值2.10 g/cm3；天然含水率13.2%～16.3%，平均值14.6%；天然孔隙率25.9%～32.9%，平均值29.5%；天然孔隙比0.350～0.490，平均值0.420；塑性指數(shù)19.5～29.0，平均值23.7，為低液限黏土、粉質(zhì)黏土—黏土；土體力學(xué)性質(zhì)測試指標(biāo)，其天然峰值強(qiáng)度平均值φp=19.3°，Cp=14 KPa，天然殘余強(qiáng)度平均值φr=12.4°，Cr=7 KPa；其飽和峰值強(qiáng)度平均值φp=13.3°，Cp=9 KPa，飽和殘余強(qiáng)度平均值φr=14.3，Cr=7 KPa。上述檢測試驗(yàn)分析成果提交設(shè)計(jì)對滑面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

5 結(jié)論

該水庫高邊坡滑坡體根據(jù)試驗(yàn)提供的滑動帶土體物理指標(biāo)、不同工況下峰值和殘余抗剪強(qiáng)度參數(shù)，通過邊坡變形穩(wěn)定性計(jì)算及變形觀測等其他輔助手段分析，最終判定為邊坡變形在天然狀態(tài)下，邊坡變形體處于穩(wěn)定狀態(tài)；在滑體處于飽和狀態(tài)下，邊坡變形體處于穩(wěn)定狀態(tài)。由此，高邊坡滑動面軟弱夾層樣品的代表性及檢測過程中天然、飽和工況的模擬控制、整個(gè)檢測過程及檢測后數(shù)據(jù)分析整理對邊坡變形穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)采用的滑動面土的殘余抗剪強(qiáng)度參數(shù)Cr,和φr,值至關(guān)重要。該高邊坡滑動體最終僅以采取頂部增設(shè)排水溝、臨空坡面設(shè)置二級馬道方式解決了后顧之憂。