水库滑坡体不同工况下的抗剪强度参数取值探讨

2011-12-24葛明明卢羽平

水电站设计 2011年4期

关键词：滑坡体抗剪剪切

葛明明，卢羽平

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 前言

滑坡是一种严重的自然灾害，水库滑坡可致库容淤堵，水工建筑物受损，严重时可能导致人民生命财产的重大损失。

按滑坡产生的力学机理，滑坡是斜坡岩土体沿着贯通的剪切破坏面所发生的滑移现象，是某一滑移面上剪应力超过了该面的抗剪强度所致。

有松散土层、碎石土、风化壳和半成岩土层的斜坡抗剪强度低，容易产生变形面下滑；坚硬岩石中由于岩石的抗剪强度较大，能够经受较大的剪切力而不变形滑动。但是如果岩体中存在着滑动面，特别是在暴雨或浸水(蓄水)之后，由于滑动面受水浸泡，抗剪强度大幅度下降而易滑动。

滑体一般归结为粘性粗粒土的范围，故其实验过程中要充分考虑样品的饱和程度和固结过程对试验成果的影响。应当指出，凝聚力c值包含细料的粘聚强度和粗料的咬合强度两项。

本文就木里河卡基娃水电站库区滑坡体和革士扎吉牛水电站库区滑坡体在不同工况下的抗剪强度作一简单探究。

2 试验材料与研究工况

卡基娃水电站位于雅砻江支流木里河上游，库区滑坡体基本上属于土石混合体，P5含量介于52.7%～68.5%之间。吉牛水电站位于大渡河支流革士扎上游，库区滑坡体P5含量介于32.0%～63.4%之间。两者均处于川西高原西南部，存在较为相似的地质环境，便于进行对比研究。试验均采用自行研制的φ50cm大型直剪仪，在室内进行。垂直压力分别施加为100、200、300、400kPa。

在试验中发现，细料(按传统的粗细料以5mm为界限)含量在40%～65%的，粗料的体积含量可能仅为20%～40%，因此制样的均匀性可能影响实验结果。究其原因，若剪切面粗料分布多,则强度可能比实际结果偏高。因此为提高试验成果的可信度和剔除异常，有必要进行平行试验。

对卡基娃滑坡体的9组样品均进行了饱和固结快剪和天然快剪两种工况的对比，其中2组进行了饱、天然固结快剪、天然快剪三种工况的对比试验研究。吉牛滑坡体的9组样品中4组进行了饱和固结快剪和天然快剪的对比研究。

3 试验成果及分析

3.1 卡基娃滑体试验成果分析

卡基娃滑坡体的9组样品在饱和固结工况下，粘聚强度20.0～65.0kPa，平均值为43.6；摩擦角φ为22.3°～27.9°，平均值为25.4°。试验采用真空负压饱和法进行饱和。

卡基娃水电站库区滑坡体所有样品的剪应力—水平位移关系没有明显峰值。天然快剪试验过程中由于垂直压力的压密作用以及剪切过程中剪切面上颗粒重排，小颗粒填充进入由大粗粒部分形成的孔隙中，从而剪切应力随剪切位移增大而增加，没有明显峰值。在垂直压力300kPa和400kPa下有明显的颗粒破碎的响声，表明部分粗颗粒已被剪断。试验结果详见表1。

表1 卡基娃水电站库区滑坡体室内力学性试验成果

图1、2、3分别为P5=58%(平均值)时，三种工况下的剪应力—剪切位移关系曲线图。图4为不同工况下的抗剪强度拟合图。

同一样品的两种工况的对比发现，饱和固结快剪的抗剪强度φ值均高于天然快剪强度，提高幅度3%～19%。其粘聚强度c下降幅度较大，下降幅度13%～50%,平均为30%。

对比滑体1平和滑体2平发现，其干密度相同，P5含量也十分接近，仅含水率不同，抗剪强度指标φ十分接近；但在同种工况下，含水率高的粘聚强度均高。根据饱和后所有样品的粘聚强度均下降，按一般P5含量为8%的最优含水率取经验值8%，推测粘聚强度在最优含水率附近存在一峰值点。

两种样品进行的三种工况的对比发现，有无固结过程对样品抗剪强度φ的影响较大，固结后φ的提高幅度为34%和43%。

3.2 吉牛滑体试验成果分析

图1 饱固快剪工况下典型剪应力-剪切位移关系曲线

图2 天然快剪工况下典型剪应力-剪切位移关系曲线

图3 天然固结快剪工况下典型剪应力-剪切位移关系曲线

吉牛水电站库区滑坡体P5含量32.0%～63.4%,在饱和固结快剪工况下，摩擦角φ为21.8°～29.2°，平均值为26.3°。实验采用真空负压饱和。φ随干密度、P5含量变化情况分别见图5、6。其中图6的离散性较高，规律性不强。试验结果见表2。

同一样品两种工况的对比发现，饱和固结快

图4 不同工况下的抗剪强度拟合图

剪的抗剪强度φ值均高于天然快剪强度，提高幅度7%～31%，表明固结过程对于粘性粗粒土抗剪强度的影响较大。试验中发现在100～400 kPa中，饱和固结工况下固结沉降量为6～13mm，而天然固结工况下其固结沉降量为5～11mm。固结前后的干密度变化较大，固结后抗剪强度φ值提高与干密度变化密切相关。同时，由于饱和固结过程中样品充分吸水，其粘聚强度c下降幅度较大，下降幅度为25%～57%。粘聚强度的大幅下降意味着在暴雨或水库蓄水等环境下，发生滑坡或泥石流的风险将加剧。

表2 吉牛水电站库区滑坡体室内力学性试验成果

图5 抗剪强度随干密度变化情况

图6 抗剪强度随P5含量变化情况

3.3 对比分析

对比卡基娃滑体和吉牛滑体发现，按照一般碎石土P5含量在40%～60%的最优含水率的经验取值8%～11%，若样品的含水率接近或大于最优含水率，其饱和与不饱和对粘聚强度的影响不大。卡基娃样品由于初始含水量接近于最优含水量，是否饱和对其粘聚强度的影响相对较小。而吉牛水电站样品含水率普遍偏低，饱和后粘聚强度的下降幅度较大。

吉牛滑坡体和卡基娃滑坡体，固结工况下摩擦角φ均高于天然状态。由于二者粗粒料母岩性质的差异，相同P5含量下的干密度差别较大。但试验中发现，其摩擦角φ在同种工况下的差别不大。