库岸滑坡稳定性物理模拟研究

段永祥，许模，肖先煊

（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059）

库岸滑坡稳定性物理模拟研究

段永祥，许模，肖先煊

（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059）

库水位升降与降雨是库岸滑坡发生的主要诱因。以三峡库区塘角村2号滑坡为例，在室内建立了滑坡地质力学模型。试验结果表明：水库水位升降对滑坡前缘涉水部分影响较大，对中部和后缘影响较小；降雨对滑坡前缘、中部、后缘影响相对显著，主要表现在土压力及孔隙水压力与降雨过程呈现同步并略滞后于降雨的特征；降雨及库水位变化联合作用下，前缘变形破坏最大，前缘部分的变形破坏牵引中部发生变形。

库岸型滑坡；物理模型试验；稳定性；变形破坏

库岸滑坡是水电工程的一个关键问题［1-3］。三峡工程蓄水后，水位每年将在145～175m间波动，在一定程度上打破了岸坡原有地质环境的平衡状态，使原本复杂的地质环境条件变得更加复杂化。据不完全统计，库区在175m库水位影响的范围内共有大小滑坡1190个，各类变形体更是广泛分布［4］。因此，研究三峡库区库岸边坡的稳定性是一个重大的工程问题［5］。

近年来，国内不少学者针对库岸滑坡做了大量研究。刘新喜等［6］以红石包滑坡为例，利用有限元模拟了滑坡的暂态渗流场，表明库水位下降对滑坡稳定性的影响受控于滑坡土的入渗能力和滑坡结构形态。姜晨光［7］通过计算机建模，获得了地下水位变化与库岸滑坡体稳定性间关系的经验型数学模型。殷跃平等［8］通过滑坡刚体极限平衡因素敏感性分析论证了降雨及水库蓄水对滑坡的影响。李晓等［9］应用有限差分法对降雨及库水位升降各种不同工况下滑坡中的地下水位进行了计算。唐辉明等［10］运用水岩耦合三维有限元数值方法模拟了赵树岭滑坡的稳定性，提出水库蓄水及水位波动是影响滑坡稳定性的主要因素。刚体极限平衡法相对过于简化，无法给出滑坡具体的变形特征；有限元及有限差分等数值模拟虽能模拟滑坡的应力-应变状态，但模拟结果的可靠性要依赖于输入参数和本构关系的准确性，使得有些重要的物理现象仍无法模拟。物理模型试验可同时考虑多种因素及复杂的边界条件，能够观测和记录斜坡的变形破坏发展的各个历程，直观地模拟滑坡的变形及破坏机理。因而物理模拟研究方法被人们广泛采用。

以三峡库区塘角村2号滑坡为研究对象，基于相似理论，采用实验室自主研制的“地质环境模拟实验装置”，开展了降雨及库水位联合作用下的物理模型试验，分析降雨及库水位升降下滑坡体内应力场、渗流场及位移场的变化规律，预测其可能的破坏机理及变形特征，为其稳定性评价和加固治理提供可靠的依据，以避免盲目治理，减少投资。

1 滑坡地质概况

1.1 滑坡空间形态及规模

塘角村2号滑坡位于重庆市万州区，长江右岸岸坡。坐标：X=3411700，Y=36544400。所处地貌类型属侵蚀堆积河谷低山丘陵地貌，滑坡边界特征明显，左右两侧均以季节性冲沟为界后缘以陡崖为界。滑体物质由第四系崩积、坡积成因的粉质黏土组成，含碎石，褐色，湿，可塑。滑坡体长1100m，宽约780m，厚7.8～30m，平均厚18.9m。滑带土为厚度0.6～1.0m的粉质黏土，含砂岩碎砾15%～25%。滑床为侏罗系中统上沙溪庙组（J2s）砂岩、泥岩不等厚互层，岩层产状170°∠5°。

1.2 滑坡水文地质条件

滑坡区地下水类型以松散层孔隙水为主，大气降水补给，沿斜坡向下经短途径流，向长江排泄或以湿地形式在前缘或低洼处排泄。地下水动态主要受大气降雨的影响，变化较大。实测3个钻孔地下水位埋深分别为：2.5m（后缘）、2.2m（中部）、3.7m（中前缘）。

2 模型设计

影响塘角村2号滑坡稳定性的因素有滑坡区的地质构造、地形地貌、地层岩性及水库水位和降雨等。选取滑坡Ⅱ—Ⅱ′剖面进行模拟（图1），剖面总长1100m，后缘高程320m，剪出口没入长江，剪出高程为132m。

图1 滑坡Ⅱ—Ⅱ′剖面图

2.1 试验平台

本模型试验在地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室自行研制的“地质环境模拟实验装置”上进行。该装置地质体模拟箱长4m，高0.95m，净宽0.8m，透明材料制作。两侧设有定水头供排水系统，后置的定水头供水系统可用于模拟滑坡后缘的静水压力对滑坡的作用，前置的定水头排水系统可模拟水库水位。地质体模拟箱正上方设计了降雨装置，可提供50，125mm/d两档雨强的降雨模拟。地质体模拟箱的下方安装有液压控制升降系统，抬升高度0～1.3m，幅度0°～20°。

2.2 相似条件及物理力学参数

模拟剖面确定后，结合模拟实验平台的尺寸，取几何相似比为300，设计滑坡模型长3.5m，宽0.76m，滑体均厚0.065m。根据相似理论得到各参数相似条件：式中Cγ为容重相似系数；Cφ为摩擦角相似系数；Cμ为泊松比相似系数；Cθ为容积含水率相似系数；Ct为时间相似系数；Cv为降速相似系数；Cq为降雨强度相似系数。

2.3 模型材料

模型由3个主体组成，分别是滑体、滑床、滑带。采用厚5mm的土工膜与厚0.5mm塑料薄膜对滑带进行模拟。土工膜和塑料薄膜之间形成的湿润界面，其摩擦作用相似于滑动带。对滑体相似材料进行物理力学参数试验，最终确定：滑体前缘黏土∶砂∶碎石=4∶5∶1，滑体中部黏土∶砂∶碎石=4.5∶4.5∶1，滑体后缘黏土∶砂∶碎石=3∶3∶2。由于滑床基岩比较稳定，对滑坡稳定性影响较小，因此没有对滑床的模型材料进行配比优选，以砖石砌体构筑。

表1 原型及模型的基本物理力学性质参数取值

图2 模型剖面设计图

2.4 模型制作

按配合比配制模型材料后，在物理模拟试验平台上进行模型的制作。由于室内试验本身的局限性，刚性试验槽墙体会对滑坡体产生侧限，在试验槽两侧铺设塑料薄膜以减小侧限。按照图2剖面设计图，依次砌筑滑床，铺设滑带和滑体，使其与原型一致。

2.5 监测点布置

为监测塘角村2号滑坡在降雨及库水位变动条件下坡体内部的渗流场、压力场及位移场的变化规律。在滑坡后缘、中部、前缘共布置3个观测剖面，每个剖面安装一个土压计、位移计、孔压计。滑坡模型制作过程中，在滑坡不同位置安装了数据量测系统。

3 不同工况下模拟试验及其成果

3.1 实验步骤

实验设计完成后，接通电源和水源，通过液压升降系统将地质体模拟箱抬升5°，使模型地面坡度与野外滑坡原型一致。后槽控制一定水头高度，用于模拟裂隙水头，前槽通过稳定溢流箱控制水库水位高程。根据滑坡所处的地质环境条件和库水位调度情况，模拟观测了两种不同工况下滑坡体内部土压力、孔隙水压力及位移的变化规律。

3.2 实验成果分析

3.2.1 工况1

（1）保持初始库水位155m约10h，通过控制系统将后槽的水位稳定在290m，此水位低于滑坡模型后缘滑面，可渗透进入砖砂模拟层，模拟基岩裂隙水。用流量控制装置控制进入水库中的流量，控制蓄水速率为1m/d。一直蓄水至175m，并保持175m水位32.2h，再以0.6m/d的水位降速一直降至145m，并保持145m水位12h，整个过程历时150h。

（2）随着库水位由155m升至175m，前缘土压力逐渐增大，水位稳定于175m后，土压力也相对稳定，随着库水位的降低，土压力缓慢减小。中部和后缘离水库较远，受水库水位升降影响较小，土压力变化不明显，如图3（a）。导致前缘土压力随库水位上升逐渐增大的原因是由于前缘离水库较近，库水位上升浸润前缘滑体，滑坡体前缘土压力测点附近土体由非饱和逐渐变为饱和，土压力传感器上覆土体容重增大，土压力随之增大。库水位保持在175m后，土压力大小保持不变，随着水位降低，土体中自由水渗流排出，容重减小，土压力降低。由于库水渗入滑坡体前缘，致使孔隙水压力传感器上覆水体自由面升高，引起孔隙水压力增大。随着库水位的降低，土体中自由水渗流排入水库，孔隙水压力降低。中部、后缘离库水面较远，孔隙水压力变化较小，如图3（b）。工况1下，库水位升降过程中，滑坡模型整体处于稳定状态，整体未发生明显的变形破坏，如图3（c）。

图3 各参数随时间变化关系

3.2.2工况2

（1）汛期在暴雨和库水位下降联合作用下，滑坡变形破坏特征。模拟工况2时，后缘水位高程由290m升至300m。用流量控制装置控制进入水库中的流量，水位升至175m稳定32.2h后，水库水位以0.6m/d持续降至145m。水位降至173m（第82h）时，启动降雨装置，历时4.5h，雨强50mm/d，间隔19h水位降至162m后，再次启动降雨装置，以125mm/d的强度降雨，降雨历时2.25h。水位降至145m后保持12h，整个过程历时150h。

（2）土压力和孔隙水压力变化曲线如图4（a）、（b）所示，两者变化趋势基本相一致。蓄水过程中，三部位土压力及孔隙水压力与工况1相近。水位下降过程中，遭受降雨后，前缘、中部、后缘土压力及孔隙水压力与降雨过程呈现同步并略滞后于降雨的特征。各部位土压力增大并滞后于降雨的原因是降雨入渗后，坡体由非饱和变为饱和，土压力传感器上覆土体容重增大，土压力随之增大，但降雨入渗需要一定时间，因此变化略滞后于降雨。降雨结束后，自由水体沿渗流通道排出，容重减小，土压力缓慢降低。各部位孔隙水压力增大并滞后于降雨的原因是降雨入渗后，孔隙水压力传感器上覆水体自由面升高，孔隙水压力增大，因降雨入渗需要一定时间，增长变化略滞后于降雨。降雨结束后，坡体中自由水体沿渗流通道排出，水体自由面降低，孔隙水压力也随之降低。

图4 各参数随时间变化关系

（3）暴雨和库水位下降联合作用下，地表位移变化曲线如图4（c）。水位下降并伴随雨强为50mm/d的降雨，滞后降雨后前缘开始出现变形破坏，最大变形量为2.1mm。随着遭受雨强为125mm/d的二次降雨，前缘滞后降雨后再次滑动，变形破坏加剧，最大变形量为6.8mm。库水位下降及雨强为50mm/d的联合作用对中部和后缘影响较小，随着雨强为125mm/d的降雨及前缘的进一步变形破坏，中部滞后于降雨也出现变形破坏，最大变形量达2.9mm，后缘相对稳定。前缘开始变形破坏的原因是受降雨的影响，雨水渗入坡体，孔隙水压力增大，土体抗剪强度减弱，且伴随着库水位的下降，前缘形成较大的水力坡度，动水压力增大，坡体前缘稳定性急剧减弱，产生变形破坏。随着125mm/d的降雨，前缘稳定性进一步减弱，变形破坏加剧。在库水位下降的过程中，由于降雨的影响及前缘滑移，坡体中部也出现一定变形。

4 结语

（1）采用实验室自主研制的“地质环境模拟实验装置”，在室内建立了地质力学模型，通过室内岩土力学试验，提供了符合塘角村2号滑坡的试验模型相似材料。在滑带土选取方面，采用土工薄膜及塑料薄膜直接接触模拟滑带土，模拟效果较好。在试验槽两侧铺设塑料薄膜以消除试验槽墙体对滑坡体产生的侧限。

（2）遭受降雨后，前缘、中部、后缘土压力及孔隙水压力与降雨过程呈现同步并略滞后于降雨的特征。各部位土压力及孔隙水压力增大并滞后于降雨的原因是降雨入渗后坡体由非饱和变为饱和，土压力传感器上覆土体容重增大的同时，孔隙水压力传感器上覆水体自由面升高，土压力及孔隙水压力随之增大，但降雨入渗需要一定时间，因此两者的变化略滞后于降雨。降雨结束后，自由水体沿渗流通道排出，容重及自由面降低，两者呈现缓慢减小的趋势。

（3）通过物理模型试验可知，水库水位升降对该滑坡前缘涉水部分影响较大，中部和后缘影响较小，但滑坡整体处于稳定状态。极端情况当库水位下降联合降雨时，滑坡稳定性较差，且前缘变形破坏最大，在第二次降雨情况下，前缘变形破坏进一步加大，前缘部分的变形破坏牵引中部发生变形。

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［3］邓建辉，马水山，张保军，等.清江隔河岩水库茅坪滑坡复活机理初探［J］.岩石力学与工程学报，2003，22（10）：1730-1737.

［4］水利部长江水利委员会综合勘测局.长江三峡工程库区库岸稳态及崩、滑体专论［R］.1996.

［5］廖红建，盛谦，高石夯，等.库水位下降对滑坡体稳定性的影响［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（19）：3454-3458.

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［7］姜晨光，李少红，贺勇，等.地下水位变化与库岸滑坡体稳定性关系的研究［J］.岩土力学，2008.28（S0）:403-406.

［8］殷跃平，彭轩明.三峡库区千将坪滑坡失稳探讨［J］.水文地质工程地质，2007，34（3）：51-54.

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Physicalmodel studies on stability of bank landslide

DUAN Yong-xiang，XUMo，XIAO Xian-xuan
（State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Reservoir water level fluctuation and rainfall are themajor reason that induces the reservoir bank landslide occurrence，physicalmodel can simulate the whole process of deformation and failure of landslide.Taked No.2 of Tangjiaocun landslide in Three Gorges Reservoir Region for an example，developed geomechanicsmodeling for the landslide，and carryed out landslide physicalmodel test with two engineering conditions.Experimental results show that reservoir water level fluctuation will obviously influence leading edge，it is less significant effect for central and trailing edge.Three parts significantly affected by rainfall，themain properties of three parts are soil press and pore water pressure present synchronization and slightly lagged behind the rainfall.Under the combined effects of the reservoirwater and rainfall，leading edge occurred severely deformation，the deformation of central is dragged by leading edge.

reservoir bank landslide；physicalmodel test；stability；deformation and destruction

P64

B

1672-9900（2015）01-0005-05

2014-11-27

段永祥（1990-），男（汉族），内蒙古巴彦淖尔人，硕士，主要从事水文地质及工程地质研究，（Tel）18328502334。