库水位升降作用下土质岸坡变形特征实验研究

梁学战，赵先涛，向 杰，陈 鑫，唐红梅

（1.湖北文理学院 建筑工程学院，湖北 襄阳 441053；2.重庆交通大学 岩土工程研究所，重庆 400074）

三峡水库蓄水以来，库区失稳岸坡在数量和方量都有增多的趋势，如不能对岸坡的变形做出准确的判断并采取相应的防治措施，将会造不可估量的损失。库区岸坡在库水位周期性升降作用下，要经历一个较长的变形发展演化过程，且变形在时间和空间变化有一定的规律［1］。目前，对边坡变形的研究，很多学者在现场监测数据分析和模型试验方面做了大量的工作［2－17］，胡显明等［3］通过三峡库区一复活型库岸边坡监测数据的理论分析，表明其运动轨迹具有分形特征；Greif等［5］把ERS和ENVISAT传感器获取的合成雷达数据用于斯洛伐克中部山体滑坡变形的量测，此过程精确识别滑坡滑动后坡体位移量和边界。陈洪凯等［12］以重庆库区江津艾坪山滑坡为原型，采取几何相似、物理近似相似的半定量试验模型，分析了松散土体滑坡吸水、蠕变过程、强度衰减及滑移启动的宏观趋势。罗先启等［16］针对自动网格法用于大型滑坡模型试验位移测量时所存在的问题提出了解决措施，并以三峡库区石榴树包滑坡模型试验为例，分析了库岸边坡在不同水位运行工况下的位移规律。李邵军等［18］通过离心模型试验，模拟了库岸边坡在水位升降作用下的失稳过程，得到了库岸边坡的破坏模式和裂缝的变形演化过程。现有对岸坡变形的研究大多是对观测点位移量变化的理论和试验分析，但在坡体不同部位，不同变形阶段会产生拉应力、压应力、剪应力等局部应力集中，并在相应部位产生与其力学性质对应的裂缝。同时，这些裂缝还会在时间和空间上表现出不同的分布变形特性，而岸坡变形中坡面裂缝随时间和空间的变化无法精确量测，研究较少。

本文通过模型试验的方法，对试验模型坡面新生裂缝进行现场量测，分析库区土质岸坡在库水位周期性升降作用下坡体裂缝的时间、空间演化分期配套规律，为三峡库区土质岸坡的分期分区治理提供依据。

1 模型试验

1.1 试验目的

建立三维地质试验模型，通过观测土质岸坡在水位升降过程中新生拉张裂缝随时间变化出现的频率与规模大小，以及在库水位升降作用下坡面新生裂缝纵向和横向的空间发展过程，揭示土质岸坡在库水位周期性升降作用下表面拉张裂缝的时间、空间演化分期配套规律。

1.2 模型相似比

试验模型根据相似原理，结合土质岸坡的工程地质条件和地质作用因素，模型采用的主要参数相似条件有模型几何尺寸相似、物理力学性质相似、渗透性相似以及蓄水时间相似。

1）根据岸坡原型尺寸和实验条件取几何相似系数λl＝25。

2）物理力学性质相似系数：为得到与岸坡原型较一致的结果，在进行2次小型模型试验的基础上，坡体容重相似系数、坡体内摩擦角和粘聚力相似系数分别为λγ＝1、λφ＝1和λc＝1；为缩短试验时间，渗透系数相似系数λk＝0.1。

3）蓄水时间相似，根据几何相似和渗透系数相似：

式中，λvs为渗透流速相似系数；λg为水力梯度相似系数；λh为水头相似系数；λt为时间相似系数。

1.3 模型设计

以库区某土质岸坡为原型，根据其原始尺寸，模型槽尺寸确定为4.39m（长）×2.86m（宽）×2.22m（高）。设计模型几何相似比为λl＝1：25，则模型尺寸为3.03m（长）×2.86m（宽）×2.22m（后缘高）。基岩平均坡角为31°，为增大土与基岩间的摩擦作用，采用块石堆砌，粗骨料砂浆抹面，防渗漏水。模型坡体铺筑土层平均厚41cm，其中坡体前缘厚度45cm，后缘厚度20cm，坡体平均坡角为49°，（见图1）。在土层铺筑过程中，分层压密，在不同压力下经过反复配比重塑，在满足容重、渗透系数、抗剪强度等主要参数相似要求情况下，现场取土进行土工实验，得到物理力学参数（表1）。

表1 坡体材料物理力学参数

试验以三峡水库实际蓄水状况，水位从145m蓄水至175m，按模型的几何相似比以及坡体材料的物理力学参数，模型正常水位变幅为30／λl＝30／25＝1.2m＝120cm，基本对应实际145～175m库水位变化（图1）。在模型槽前部左右两侧对应位置用彩色绘图笔标注试验水位及相应的水库实际水位。

图1 土质岸坡实验模型（图中几何尺寸单位：cm）

1.4 观测方法

为探讨三峡水库正常水位变幅前蓄水对岸坡变形的影响，实验从岸坡坡脚实验水位0开始蓄水。

蓄水前，在模型上部顺岸坡纵向搭设水平扶梯，用一卷尺与扶梯处于同一水平位置，在卷尺上每隔5cm用铅垂量测岸坡纵向中部纵断面坡面点的垂直高度，用于绘制蓄水前岸坡中部的纵剖面图。

试验中，用卷尺、直尺和铅锤现场组合量测水位升降过程中不同阶段新生裂缝的宽度、长度、深度以及裂缝出现的位置，用秒表记录新生裂缝出现的时间，并对新生裂缝出现时模型槽前部标注的试验水位和实际水位进行读数。同时，在新生裂缝产生及坡体局部坍塌时用数码相机进行实时拍照，并用数码摄像机进行全程拍摄，以供在室内分析时校核现场的量测结果。

降水到试验水位50cm时，再量测岸坡纵向中部纵断面坡面点的垂直高度，用于绘制一个水位变幅后岸坡的纵剖面图。

1.5 观测时间

根据三峡水库的蓄水降水周期为1a和时间相似系数λt＝250，本模型的一个蓄水、降水变化周期确定为29.5h，从2012年7月30日早上6：30至2012年7月31日中午12：00。试验过程划分为0～50cm 前期蓄水、50～120cm 正常蓄水、120～170cm正常蓄水和175～50cm降水4个阶段。

为反映三峡水库的实际蓄水、降水过程中岸坡变形特征以及在蓄水、降水过程中不同时长的暂停蓄水和放水对裂缝产生、扩展变化产生的影响，在试验蓄水、降水过程中，多次暂停蓄水和暂停降水；其中，蓄水过程中，在试验水位50、120、148、170cm 分别暂停蓄水，暂停时长分别为2.5、1.5、2、8.5h；降水过程中，因变形以整体蠕滑为主，在试验水位120cm暂停放水，暂停时长为1h。模型试验时间过程如表2。

表2 模型试验时间过程

2 模型岸坡表面拉张裂缝的时空变化特性

2.1 水位升降作用下模型岸坡表面新生裂缝时空分布

为分析岸坡表面新生拉张裂缝的时空变化特性，把水位升降过程中不同时间点出现的新生裂缝在实验模型平面图中进行标注，主要标注水位上升过程中新生裂缝出现的时间顺序和裂缝长度，如图2所示。

图2 水位上升过程中新生裂缝平面简图

2.2 岸坡表面拉张裂缝时间分布特征

以时间为横坐标，蓄水、降水过程中坡体新生裂缝长度与水位变化为纵坐标，根据不同时间的水位变化与裂缝规模（裂缝长度、宽度、深度）的关系（表3～6，图2～6），分析水位升降过程中不同阶段新生裂缝随时间出现的频率与规模大小的变化规律。

1）前期蓄水（0～50cm）坡面裂缝随蓄水时间变化特征

为说明岸坡低水位时受蓄水浸泡影响的程度，实验从实验水位0cm起开始蓄水。从图3及表3看出，7月30日6：00－10：30在0～50cm的蓄水阶段及50cm暂停蓄水阶段均有裂缝产生，且裂缝的时间分配在两个阶段都比较均匀，裂缝的规模（长度、宽度及深度）随库水位升高逐渐变大，暂停蓄水后规模逐渐减小。

图3 7月30日0～50cm水位上升阶段裂缝变化规律

图4 7月30日50～120cm水位上升阶段裂缝变化规律

表3 模型实验7月30日0～50cm蓄水阶段坡面裂缝发展演化记录

2）50～120cm正常蓄水坡面裂缝随蓄水时间变化特征

7月30日10：30从实验水位50cm再次蓄水，开始模拟三峡水库实际库水位145～175m正常运营时对岸坡的影响。由图4和表4看出，实验水位50cm再次蓄水后，随着水位升高，岸坡新生裂缝出现的频率变快，裂缝规模（长度、深度、宽度）较前期蓄水变大，扩展变形及裂缝前缘坍塌速度加快。蓄水至120cm暂停蓄水后，岸坡无新裂缝产生，只是蓄水阶段产生的新裂缝贯通，且贯通裂缝无明显位移。

表4 模型试验7月30日50～120cm蓄水阶段坡面裂缝发展演化记录

续表4

3）120～170cm正常蓄水坡面裂缝随蓄水时间变化特征

7月30日16：30从试验水位120cm再次蓄水后，由图5和表5看出，岸坡新生裂缝出现频率开始降低，裂缝规模逐渐减小，裂缝的扩展变形速率变慢，7月30日16：30－20：40在148cm暂停蓄水、7月30日23：00－7月31日7：30在170cm水位到达最高水位停止蓄水时，基本无新裂缝出现。说明在水位上升到试验水位120cm以后，坡体的变形逐渐减小，暂停蓄水后，变形基本消失。

表5 模型试验7月30－31日120～170cm蓄水阶段坡面裂缝发展演化记录

图5 7月30－31日120～170cm水位上升阶段裂缝变化规律

图6 7月31日170～50cm水位下降阶段裂缝变化规律

续表 5

4）170～50cm降水阶段坡面裂缝随蓄水时间变化特征

7月31日7：30开始降水，在试验水位170～50cm下降阶段，由图6和表6，岸坡新生裂缝以后缘裂缝为主，初期降水（170～120cm）土质岸坡裂缝的出现频率较低，后期降水（120～50cm）裂缝出现频率增大。降水过程中模型两侧坡体与墙面有明显整体摩擦痕迹（图7），说明土质岸坡在库水位下降过程中，坡体沿着滑面以整体蠕滑为主，且初期降水蠕滑速度较慢，后期降水整体蠕滑速度较快。

表6 模型试验7月31日170～50cm降水阶段坡面裂缝发展演化记录

图7 试验水位下降至50cm岸坡模型

2.3 岸坡坡体表面裂缝的空间分布特征

1）裂缝横向分布变化特征

图8 局部横向裂缝

试验中，随着水位从土质岸坡坡脚开始蓄水上升，岸坡土体受到库水浸泡，部分水体入渗到坡体内，遇水坡体软化，造成土质岸坡坡脚处局部应力集中，局部应力集中区首先发生局部变形，局部新生横向裂缝孕育产生（图8），在水位不断升高过程中，位于同一水平带局部新生横向裂缝继续产生。随着局部横向裂缝的扩展变化，形成与局部横向裂缝同一水平带内的较长的新生弧形裂缝（图9）。随着水位继续升高，在靠近水位线附近，以先形成局部横向裂缝、后形成同一水平带内的弧形裂缝的变形方式重复出现（弧形裂缝或者是先形成的局部横向裂缝扩展贯通形成，或者是同一水平带内局部横向裂缝错落形成）。

图9 弧形裂缝

2）裂缝纵向分布变化特征

蓄水阶段，模型设计时，坡体前缘设计坡度较陡，临空面条件较好。水位从坡脚试验水位0cm附近开始蓄水上升，在坡体前缘水位线附近坡体浸水软化，拉应力集中，并产生向临空方向的拉裂错落变形，出现横向拉张裂缝（图8）。随着水位不断升高，前缘横向裂缝变长、加宽、加深，逐渐形成控制性弧形拉张裂缝，水位继续升高，控制性弧形裂缝前缘局部发生坍塌（图10），坍塌部分向水下滑移，其后缘土体形成新的临空条件，形成第二次土体变形→横向裂缝→控制性弧形裂缝→坍塌变形过程，此后随着水位的上升，在岸坡水位线附近坡体变形发展依此过程继续进行。但从水位上升到试验水位接近120cm开始，在坡体后缘出现拉张裂缝（图11），此时，坡体前缘水位线附近产生变形、坍塌运动形式减弱。在水位到达148cm以后，水位线附近坡前裂缝基本停止发育，后缘裂缝张开位移加大，同一水平带的后缘横向裂缝逐渐贯通（图12），此时岸坡以整体向下蠕滑为主。

图10 弧形裂缝前缘土体坍塌

图11 后缘裂缝

图12 试验水位上升至170cm岸坡模型

放水阶段，后缘裂缝继续发展。随着水位的逐渐下降，坡体后缘裂缝扩展，产生分支裂缝，坡体边缘形成羽状裂缝，并有新裂缝产生，但裂缝发展缓慢。在后缘拉张变形发展的同时，下座变形也同步进行，当变形达到一定程度后，在水位下降到96cm时在滑坡体后缘形成弧形拉张裂缝和20cm宽的下错台坎。在水位下降过程中，岸坡两侧与试验边槽墙体出现明显的滑动擦痕，在水位降到50cm时，从岸坡坡面可以看到岸坡形成的多级下错台阶（图1、图7）。

3 库水位升降作用下坡面裂缝时空演化分期配套规律

3.1 库水位上升阶段坡面裂缝的时空分期配套规律

蓄水过程中，试验水位上升到120cm以前，空间分布岸坡前缘水位线附近控制性弧形裂缝出现，时间分布产生较大频率的横向裂缝及弧形裂缝，往往预示着岸坡水位线附近局部变形速率较快，控制性弧形裂缝前缘土体滑动坍塌频率较大。在水位120～148cm时，空间分布表现出岸坡前后缘均有裂缝出现，时间分布前缘新生裂缝出现的频率逐渐减小，水位线附近发生变形坍塌的时间间隔变长，后缘裂缝出现的频率逐渐增大。水位148～170cm时，空间分布岸坡前缘水位线附近新生裂缝发育基本消失，后缘裂缝继续发育扩展；时间分布后缘裂缝贯通规模扩大且有新裂缝产生，此时岸坡变形以沿滑动面整体缓慢蠕滑为主。在整个水位上升阶段暂停蓄水时岸坡裂缝的时空变形均较小，不易发生局部坍塌。

3.2 库水位下降阶段坡面裂缝的时空分期配套规律

试验水位170～50cm下降过程中，初期降水，空间分布新生拉张裂缝主要出现在岸坡坡体后缘，时间分布后缘拉张裂缝出现频率较低，发展缓慢；后期降水，空间分布拉张裂缝贯通规模扩大，产生下座变形，中后部出现下错台坎，时间分布后缘新生裂缝出现频率增大；暂停降水时后缘新生裂缝产生频率较低，裂缝扩展变形量较小。水位下降阶段岸坡沿滑动面发生整体缓慢蠕滑。

4 结论

1）在水位上升过程中，土质岸坡新生裂缝横向分布变化以先形成局部横向裂缝、后形成同一水平带内的控制性弧形裂缝的变形方式在水位线附近重复出现，新生裂缝纵向分布变化以土体变形→横向裂缝→控制性弧形裂缝→坍塌的变形过程随着水位上升在水位线附近重复出现。水位下降阶段，岸坡的空间变形表现为后缘出现拉张裂缝以及沿滑动面发生整体缓慢蠕滑。

2）在前期蓄水（0～50cm）及正常蓄水阶段的蓄水初期（50～120cm），裂缝主要出现在岸坡前缘水位线附近，且出现频率、规模逐渐增大，岸坡以前部坍塌为主；正常蓄水阶段的蓄水中期（120～148cm）岸坡前后缘均有裂缝出现，但前缘裂缝频率、规模逐渐减小，后缘裂缝频率规模逐渐增大；正常蓄水阶段的蓄水后期（148～170cm）前缘裂缝发育基本消失，后缘裂缝继续发育，岸坡变形以沿滑动面整体蠕滑为主；水位上升过程中暂停蓄水时裂缝发展缓慢。降水阶段拉张裂缝主要出现在岸坡坡体后缘，初期降水（170～120cm）裂缝出现频率较低，发展缓慢；后期降水（120～50cm）裂缝出现频率规模变大，产生下座变形及下错台坎；水位下降阶段岸坡沿滑动面发生整体缓慢蠕滑。

3）在库水位升降过程中，岸坡不同时段和不同空间部位的新生裂缝体系不同，判别岸坡局部失稳或整体滑动，应根据新生裂缝的空间和时间变化特性，以及库水位周期性变化阶段综合分析确定，并以此采取相应的岸坡分期分区治理措施。

4）进一步的研究将以试验成果为基础，对坡体的变形进行相应的数值分析和验证；一次性的模型试验结果与试验模拟的岸坡原型变形特征基本一致，也可以为其他工程岸坡提供借鉴，要将模型试验的结果推广应用到其他工程岸坡，应进行多组不同参数不同相似系数岸坡变形的模型试验，找出其对应规律。

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