動力作用下水利邊坡失穩形態研究

王建東,張月明,朱 超

(淮安市水利勘測設計研究院有限公司,江蘇 淮安 223002)

0 引 言

已有文獻研究認為,降雨是造成滑坡的主要因素[1-2]。為此,許多學者針對降雨入滲對邊坡穩定性開展了相關研究。胡明鑒等[3]基于某滑坡作為研究對象,進行降雨對滑坡穩定性的研究,得出了降雨是激發滑坡復雜變化的主要因素等結論。朱文彬等[4]將Duncan-Chang模型與飽和-非飽和本構模型相結合,通過建立新模型的方式,開展了降雨型滑坡穩定性的研究。孫書勤等[5]基于三維有限元仿真軟件FLAC3d,對某滑坡的穩定性進行了模擬分析,結果表明,在仿真模擬過程中,天然狀態下的滑坡體是穩定的,僅有坡腳處的局部受到侵蝕,而在暴雨條件下坡體的失穩破壞可能性同樣不大,但會發生局部的牽引式崩塌。張桂榮等[6]對某處滑坡進行了不同降雨強度及庫水位升降后穩定性的模擬分析,并針對不同降雨強度、時長下的滑坡穩定性變化進行了探討,結果表明,導致滑坡發生失穩破壞變形臨界雨量為200m/d。付文韜[7]以西北地區的黃土-泥巖滑坡和堆積巖滑坡為研究對象,運用Geo-Studio的不同模塊以及三維有限元分析軟件 FLAC3D,分析了滑坡在不同降雨工況下的穩定趨勢和變形破壞機制。

本文通過自主設計模型試驗的方式,針對雨水沖刷作用下水利邊坡失穩形態進行研究,對邊坡模型不同點位處的土壓力、孔隙水壓力、基質吸力以及含水率進行監測與分析,研究結果可為邊坡在雨水沖刷作用下的失穩形態及特性研究提供理論支持。

1 研究概況

強降雨天氣下,造成水利邊坡失穩而發生下滑的現象常有發生。為了探究雨水動力作用下水利邊坡失穩下滑的形態及滑坡過程,本文通過自主設計模型試驗的方式開展研究。整個試驗在模型箱里進行,模型箱的尺寸為7m×2m×2m(長×寬×高),模型箱主要包括箱體、供水系統、數據采集系統(土壓力、孔隙水壓力以及張力)以及攝像記錄系統等。邊坡側視圖及俯視圖的具體尺寸見圖1。

圖1 邊坡的具體尺寸圖示

該模型主要使用滲壓計、張力計和土壓力計,對試驗數據進行采集。其中,土壓力計T1、T2、T3、T4、T5分別布置在模型箱體底部四邊形的4個頂點位置以及正中心處,布置具體情況見圖2。布置深度1.7m,收集數據的步長10min。

圖2 土壓力計的布置示意圖

張力計采用編號Z1、Z2、Z3、Z4、Z5表示,分別埋設于邊坡頂部和邊坡表面,埋深分別為1.5、1.2、0.3、0.2和0.6m(邊坡頂端為埋深的零點),張力計的布置示意圖見圖3。

圖3 張力計的布置示意圖

滲壓計采用編號S1-S11表示,其中9只埋設于試驗箱底部,埋深0.17m,其余兩只埋深0.12m,具體見圖4。

圖4 滲壓計的布置示意圖

2 試驗方案及方法介紹

根據某水電站的實測邊坡坡腳角度(50°)以及降雨強度(70mm/h),對模型試驗進行設計。根據相似比例原理,設計邊坡滑坡模型,試驗黏土取自該水電站所在位置的邊坡滑坡土樣,滑坡體的具體物理參數見表1。

表1 滑坡體物理參數

將黏土按照密度1.7 g/cm3分層裝入模型箱,層厚0.4m。分兩次開展模擬降雨:第一次降雨的時間為開始試驗后的第47h,持續時間為0.25h;第二次降雨的時間為第71h,降雨持續時間1.5h。兩次降雨強度均為70mm/h。

3 試驗結果分析

3.1 邊坡土壓力變化分析

邊坡在雨水動力沖刷作用下的土壓力變化情況見圖5。由圖5可以發現,在前50h土壓力計測得T1、T4、T5的土壓力無明顯變化,壓力值分別為29.47、12.32和20.90kPa;T4所在位置測得的土壓力在第58h開始有明顯的升高,土壓力計T1、T5測得的壓力均呈減小趨勢。由于該試驗在第47h和第71h進行降雨,第71h的降雨引起了邊坡滑坡,T1和T4處的土壓力有明顯下降;而在第105h左右開始對滑坡后的土樣進行了清理,由此導致土壓力計測得T1、T4和T5處的土壓力均有明顯減小。其中,土壓力計T4測得的土壓力呈現斷層式下降,而T1處土壓力的下降速率明顯高于T5。

圖5 邊坡受雨水沖刷動力作用下的土壓力變化情況

3.2 邊坡孔隙水壓力變化分析

根據滲壓計測量的邊坡各處空隙水壓力數據發現,S1-S6處的數據均無明顯變化,而S7-S9有明顯變化,因此選擇S8做進一步分析。在整個試驗過程,S8的孔隙水壓力變化情況見圖6。在前60h內,S8處的孔隙水壓力均無明顯變化,其值均保持為0;而在第60h以后,S8的孔隙水壓力逐漸增大。由于降雨發生在開始試驗的第47h,降雨強度為70mm/h,隨著雨水的不斷滲入,導致孔隙水的壓力逐漸增大。根據圖6可以發現,第二次降雨導致孔隙水壓力的增長遠小于第一次降雨,最終兩次降雨導致的孔隙水壓力最大約為0.15kPa。

圖6 邊坡受雨水沖刷動力作用下的孔隙水壓力變化情況

3.3 邊坡基質吸力變化分析

邊坡的基質吸力代表邊坡土質對水的吸引能力,是研究非飽和土力學性能的一個重要指標。此外,降雨入滲導致邊坡失穩甚至破壞,也需要對基質吸力進行研究,因此基質吸力參數對研究雨水沖刷動力下的邊坡失穩形態具有重要意義。

圖7為邊坡受雨水沖刷動力作用下的基質吸力變化情況。由圖7可以發現,在前40h以內,張力計Z1、Z2、Z3、Z4、Z5測得的張力均隨著時間的增加而增大。這是由于所使用的黏土均處在非飽和狀態,基質吸力均呈現增大的狀態,且隨著時間的增加,試驗中的黏土逐漸趨向于飽和,基質吸力也逐漸趨向于穩定;在開始試驗的第47h和第71h實施降雨,降雨強度為70mm/h,兩次降雨的持續時間分別為0.25和1.5h。當第一次降雨出現,由于Z1、Z2處在雨水的沖刷下開始出現裂縫,因此該兩處的基質吸力均呈現減小狀態;當第二次降雨在第71h開始出現,邊坡出現滑坡現象,Z3、Z4處的基質吸力開始降低。根據圖7可以明顯發現,Z5處的基質吸力在第40h以后并無明顯變化,也即Z5所在位置并不受兩次降雨的影響。這主要是由于Z5處的埋深為0.6m,兩次降雨均未滲入到邊坡坡頂的0.6m處,因此Z5處的基質吸力在達到最大值約42kPa后,不會再受降雨的影響而隨著時間發生變化。

圖7 邊坡受雨水沖刷動力作用下的基質吸力變化情況

3.4 邊坡含水率變化分析

當邊坡受到雨水沖刷作用時,雨水會不斷入滲至邊坡土壤中,導致邊坡含水率發生變化。為了探究邊坡發生滑坡后的邊坡含水率隨深度的變化情況,試驗中,在坡頂沿豎向方向挖取剖面,用以測量邊坡含水率隨邊坡深度的變化情況,結果見圖8。圖8中,0cm即為模型邊坡的頂部位置,而1.7m為邊坡的最底部(等于模型邊坡的高度)。由圖8可知,在試驗前未經歷雨水沖刷作用力的情況下,邊坡深度0～1.7m處的含水率均保持在19.5%;而當試驗后,在經歷了兩次降雨之后,邊坡0～0.4m處的含水率發生不同程度的變化。其中,邊坡頂部含水率的增量最大,增量約為4.8%,含水率為24.3%;深度0.2和0.4m處的含水率分別增加至22.3%和21.2%。而當深度為0.5m時,試驗前與試驗后的含水量保持一致,并且隨著深度的進一步增加,含水率均不再發生變化。這主要是由于降雨入滲邊坡的深度范圍有限,只會對邊坡0～0.5m范圍的含水率造成影響,并不會影響更深的土壤含水率。

圖8 邊坡含水率隨深度的變化情況

4 結 論

為了探究雨水動力作用下水利邊坡失穩下滑的形態及滑坡過程,本文通過自主設計模型試驗的方式進行了研究。結論如下:

1)邊坡在雨水動力沖刷作用下的土壓力會發生變化,在未進行降雨前,監測點位處的土壓力均保持不變。當開展降雨后,邊坡前腳位置、邊坡底端正中心和邊坡底后腳處的土壓力呈現出不同的變化狀態。其中,邊坡前腳頂點處的土壓力與底端正中心處在施行降雨后均呈下降趨勢,而邊坡后腳的土壓力在經過兩次降雨后,均有增長的趨勢。

2)在開始實施降雨前,邊坡的孔隙水壓力均無明顯變化,其值均保持為0;而在開展降雨之后,隨著雨水的不斷滲入,導致孔隙水的壓力逐漸增大,兩次降雨最終導致的孔隙水壓力最大約為0.15kPa;根據試驗測得的基質吸力在前40h內均隨著時間的增加而增大,之后隨著試驗中的黏土逐漸趨向于飽和,基質吸力也逐漸趨向于穩定;降雨的出現會影響邊坡的基質吸力,導致基質吸力逐漸變小,但由于邊坡發生滑坡時雨水并不會入滲至邊坡0.6m深度處,因而該深度處的基質吸力并不會降低。

3)當邊坡未受到雨水沖刷作用時,邊坡不同深度處的含水率均保持在19.5%左右;而當經歷降雨作用后,邊坡不同深度處的含水率發生不同程度的變化。其中,邊坡頂部含水率的增量最大,深度為0.2～0.4m處的含水率也有不同程度的增加;當深度為0.5m時,試驗前與試驗后的含水量保持一致,并且隨著深度的進一步增加,含水率均不再發生變化。