三峡库区秭归县千将坪滑坡软化模型实验研究

侯珍珠 胡志强 肖诗荣 杨 鹏 李春霞 王梓帆

(1.三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002； 2.山西冶金岩土工程勘察有限公司，太原 030000)

三峡库区秭归县沙镇溪镇2003年7月13日发生的千将坪滑坡是三峡水库初期135 m蓄水一个月后发生的特大顺层岩质滑坡，滑坡体积1 525×104m3，造成24人死亡．

千将坪滑坡发生后，国内外的科研机构和专家学者对其滑坡成因和机理进行了大量的理论和试验研究，取得了大量的研究成果[1-7]，但该滑坡机理至今在学术和工程界存在较大争议．已有文献阐明的千将坪滑坡机理大致可归纳为2类：一是库水浮托减重机理，二是降雨与库水耦合产生的孔隙水压力作用机理．本文通信作者团队最早进行千将坪滑坡综合研究，通过多年的勘察、试验及理论分析，逐步认识到库水浸泡软化滑带导致滑带强度降低是滑坡发生的重要诱因之一．本文通过取千将坪滑坡滑带土样进行浸泡试验，将试样按浸泡天数0、7、15、30、45、60、90及120 d分为8组进行，测定不同浸泡天数下试样的抗剪强度，获得千将坪滑坡滑带的浸泡软化规律，建立滑带软化模型，揭示滑带软化规律，并分析了滑带软化对千将坪滑坡的影响及其作用机理．本文研究成果对于受软弱夹层控制的岩质边(滑)坡的预测预警及工程治理具有重要的借鉴和指导意义．

1 千将坪滑坡概况及滑带特征

千将坪滑坡位于长江南岸支流青干河左岸(如图1所示)，秭归县沙镇溪镇千将坪村向南东倾斜的斜

坡上，斜坡坡度自上而下为30～15°，接近河边地带又变陡．滑坡发育在侏罗系中-下统聂家山组碎屑岩中，岩性为中-厚层粉砂岩夹粉沙质泥岩、页岩，岩层倾向与斜坡坡向基本一致，上陡下缓，倾角30～15°，构成顺向坡．

图1 三峡库区秭归县沙镇溪镇千将坪滑坡远眺图

滑坡后缘高程约400 m，前缘剪出口高程100 m；宽度一般410～480 m，最宽521 m，最大长度为1 205 m，滑坡平面面积0.52 km2；滑坡厚度中后部20～30 m，中前部40～50 m，最大厚度59 m，滑坡体积为1 542万m3．

滑坡边界：以中后部顺层层间剪切错动带及前缘近水平裂隙型断层带(含岩桥)联合构成底滑面(如图2所示)，以走向SE的陡倾角裂隙型断层形成侧向切割边界，以青干河岸坡为临空面构成千将坪滑坡的边界．

图2 滑坡滑动后典型地质剖面图

滑坡物质组成：滑坡主要由块裂岩体组成，在滑坡表部局部见有松散堆积块体及原地表崩坡积物．

顺层滑带未滑动前的原型为厚10～30 cm的碳质页岩夹层夹方解石及生屑灰岩条带，后期经构造运动改造形成层间剪切错动泥化带，在坡体范围内普遍存在．在滑坡影响区1号平硐见厚为20～50 cm的层间错动带(如图3所示)，为黄褐色粉质黏土夹黑色条带或透镜状、团块状、稍湿，呈可塑状，为本次实验取样处．滑坡滑动后在后缘滑壁沿滑带多处见有3～10 cm的灰白色泥化黏土透镜体(如图4所示)．滑坡滑动前经历库水位抬高40 m及连续10 d的久雨(累计162.7 mm)，地下水位大幅升高，淹没高程105～135 m的滑带，长度约130 m，占顺层滑带长约14%．

图3 1号平硐内黄褐色粉质黏土(滑带实验取样处)

图4 滑坡后壁的灰白色透镜状滑带土

理论研究表明，顺层滑带是千将坪滑坡滑坡主要组成部分，是滑坡稳定性控制因素．对顺层岩质滑坡的滑带土进行系统而深人的研究，分析其强度变化特征，研究其遇水软化规律，揭示滑坡机理从而为滑坡灾害预测预警及工程治理提供科学依据．

2 实验方案

2.1 实验方案

实验原样选取三峡库区千将坪滑坡1号平硐内顺层滑带湿装土样，测定天然密度、含水量、颗粒级配分析情况，制备重塑土试样，静止24 h充分饱和；制备60 cm3环刀试样放入保湿缸中进行养护30 d(图5)．根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123-1999)，先后对浸泡0、7、15、30、45、60、90和120 d试样进行浸泡软化试验(图6)，测定不同浸泡天数下的试样的固结快剪抗剪强度．对浸泡0、60、120 d的滑带土试样进行矿物组成试验，定量测定滑带土中的矿物组成，重点确定粘土矿物及伴生矿物的类型和数量．

图5 环刀试样的保湿养护 图6 试样分组浸泡

2.2 滑带土天然物理性质参数

进行3组天然含水率测定，每组2次平行测定，经过试验计算，千将坪滑坡滑带土平均天然含水率为25.806%．

进行1组天然密度测定，3次平行测定，经试验计算，千将坪滑坡滑带土的天然密度为2.152 g/cm3，平均干密度为1.711 g/cm3．

颗粒分析结果，滑带土土颗粒级配良好，土壤分类为粉质粘土．滑带土矿物分析结果见表1，滑带土中粘土矿物所占比重达70%，其中绿泥石含量高达35%，占粘土矿物含量的50%，其次为伊利石(20%)和高岭石(20%)．原生矿物所占比例较小，其中主要的原生矿物为石英(25%)，其次为长石(5%)．

表1 千将坪滑带土矿物组成定量分析数据表

3 实验成果及滑带软化模型建立

3.1 实验成果

1)强度衰减

历时5个月，制备60 cm3环刀试样24组，每组5个，共计120个环刀试样．分别按照0、7、15、30、45、60、90、120 d的浸泡龄期进行浸泡．每组选取3个试样进行固结快剪．试验结果汇总见表2及图7、图8．

表2 千将坪滑带土固结快剪试验结果汇总表

图7 粘聚力与浸泡龄期关系曲线

图8 摩擦角与浸泡龄期关系曲线

3.2 软化模型及软化规律

利用MATLAB 2011b cftool工具箱分别对粘聚力和摩擦角进行数据拟合(如图9～10所示)，得到滑带软化模型式(1)～(2)．

图9 粘聚力与浸泡龄期曲线拟合图

图10 摩擦角与浸泡龄期曲线拟合图

粘聚力拟合公式为二次多项式分式，见式(1)：

(1)

式中，C为粘聚力(kPa)；d为浸泡龄期(d)．

摩擦角拟合公式为二次多项式分式，见式(2)：

(2)

式中，φ为摩擦角(°)；d为浸泡龄期(d)．

式(1)、式(2)是浸泡条件下滑带土的软化模型．

该模型表述了滑带土的粘聚力和内摩擦角与浸泡天数的变化规律．千将坪滑坡滑带土在长时间浸泡后，粘聚力和内摩擦角均有不同程度的衰减．其中在120 d的浸泡龄期中，试样的粘聚力减少达38.6%，内摩擦角减少22.1%．

在浸泡的120 d内，试样的粘聚力和内摩擦角的衰减总体上都是保持先快后慢最终趋于稳定的规律．不同的是粘聚力在浸泡的初30 d衰减速率一直保持比较高的数值，在初30 d内衰减幅度达到33.6%，占整个衰减幅度的87%，而后90 d内衰减速率急剧减少，后90 d的衰减幅度仅占整个衰减幅度的13%，平均到每天，几乎可以忽略不计．

相比于粘聚力的衰减规律，内摩擦角的衰减则呈现不同的特点．在初15 d内摩擦角的衰减速率较为稳定，在这15 d内衰减幅度占整个衰减幅度的51%．在15～30 d内，衰减速率略有减小，0～30 d内衰减幅度占整个衰减幅度的76%．在30～60 d内，衰减速率进一步减小，这一阶段的衰减幅度占整个衰减幅度的24%．在60～120 d内衰减速率逐渐趋于零，试样的内摩擦角趋于稳定．

4 浸泡软化对千将坪滑坡的作用和影响

试验表明，水-土作用和粘土矿物的转化影响着试样抗剪强度的变化．本节分别尝试通过磨圆作用、介离作用、润滑作用和粘土矿物转化4个方面分析浸泡软化对千将坪滑坡的作用和影响．

1)磨圆作用

当土体长时间在纯水中浸泡，矿物的溶解和水解在改造土颗粒表面的粗糙度的同时，进一步改造土颗粒的外形，增加土颗粒的磨圆度，并且使原本相互接触咬合的土颗粒产生了间隙，如图11所示．这种对土颗粒形态的改造作用表现在宏观上主要是试样内摩擦角的减小．

图11 浸泡导致土颗粒磨圆度的变化

2)介离作用

水对粘土原始粘聚力和固化粘聚力的破坏实质上都是通过改变原始粘土颗粒的距离而实现．这种水分子通过改变粘土颗粒表面双电层厚度和胶体膜厚度的作用可以形象的称为介离作用．这种介离作用是造成试样在浸泡120 d内粘聚力下降的主要原因．

3)润滑作用

千将坪滑带土中主要的粘土矿物有绿泥石、伊利石和高岭石．这3种层状粘土矿物层间多以氢键或其它离子键相连接．在长时间的浸泡中，会与水中的极性水分子发生少量的离子交换，由于H+活动性大于K+，仍会有少量的H+与K+发生交换，降低晶格层间的作用力．这种由于晶体层间离子交换造成的粘土强度下降的现象可以称为润滑作用．

4)基于浸泡软化的滑坡机理概述

虽然室内试验条件与滑坡实际浸泡情况有一定的差别和出入，但滑坡滑带软化试验结果与滑坡受库水影响失稳在时间上的高度一致性说明了浸泡软化对滑坡的较大影响和作用，基于浸泡软化观点，将千将坪滑坡的失稳机理概述如下：在库水与降雨耦合作用下，至2003年7月13日，千将坪滑坡滑带累计浸泡已达33 d，处于滑带软化的快速衰减阶段，滑带土的抗剪强度接近残余值，滑带的粘聚力和内摩擦角分别降低33.4%和17.1%，顺层滑带塑性区完全贯通，滑坡稳定性系数由1.377(蓄水前)降至0.944[6]，并在峰残强降效应下[7]，巨大的滑体势能转换为滑坡动能，滑体沿切层滑带(近水平切层结构面)以较大的初始速度(2.2m/s)剪出，并加速形成高速滑坡(16 m/s)，冲向青干河对岸，1 min完成滑动过程，滑距达220 m．

5 结 论

1)千将坪滑坡滑带浸泡软化规律：在浸泡的120 d内，试样的粘聚力和内摩擦角的衰减总体上保持先快后慢最终趋于稳定的规律，前30 d为快速衰减阶段，强度衰减占总衰减幅度的80%左右．粘聚力在浸泡的初30 d衰减速率一直保持较高数值，在初30 d内衰减幅度达到33.6%，占整个衰减幅度的87%；内摩擦角30 d内衰减幅度为16.8%，占整个衰减幅度的76%．

2)浸泡产生的水-土作用通过磨圆作用、介离作用、润滑作用及粘土矿物转化等作用方式对滑带土浸泡后的强度衰减起着重要影响[8，9]，从而影响滑坡的稳定性．

3)基于浸泡软化的千将坪滑坡机理：千将坪滑坡滑动时，滑带累计浸泡已达33 d，处于滑带软化的快速衰减阶段，滑带的粘聚力和内摩擦角分别降低33.4%和17.1%，顺层滑带塑性区完全贯通，在峰残强降效应下，巨大的滑体势能转换为滑坡动能，滑体沿切层滑带以较大的初始速度(2.2 m/s)剪出，并加速形成高速滑坡(16 m/s)．据此可推断滑带的浸泡软化是千将坪滑坡在水库蓄水1月后发生失稳滑动的重要诱因之一．