水位升降与水下冲刷作用下边坡破坏试验研究

齐永正 杨子明 刘玮民 滕文丽 张安琪 陈昊鹏 姜彦彤

摘 要：庫岸边坡失稳与破坏往往造成严重的人员伤亡与巨大的经济损失，导致边坡失稳与破坏的因素多种多样。通过开展4种不同含砂量的下蜀黏土均质边坡失稳滑塌破坏室内模型试验，分析了水位升降与水下冲刷侵蚀对边坡失稳滑塌破坏产生的影响，进行了4种不同含砂量的下蜀黏土试样水下崩解试验。结果表明：边坡自身土体成分构成对边坡的稳定性有重要影响。在水位升降与水下冲刷作用下，纯下蜀土均质边坡稳定性最好，边坡土体含砂量越大，边坡抵抗水位升降与水下冲刷的能力越弱，边坡失稳滑塌破坏的时间越短;水位升降与水下冲刷对边坡稳定性的影响随边坡土体含砂量的不同存在很大差异，随着边坡土体含砂量的增大，水下冲刷作用对边坡失稳滑塌破坏的影响越来越小，水位升降作用对边坡失稳滑塌破坏的影响越来越大。不同含砂量试样在水中的崩解情况区别很大，含砂量小的下蜀土试样在水中的崩解较慢，随着土体含砂量的增大，试样崩解速度越来越快。

关键词：边坡稳定性;水位升降;水下冲刷;模型试验;下蜀黏土

中图分类号：TV871;U213.1+3

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.011

引用格式：齐永正，杨子明，刘玮民，等.水位升降与水下冲刷作用边坡破坏试验研究[J].人民黄河，2022，44（2）：51-54，142.

Abstract： The slope instability and destruction of the banks of rivers and lakes often cause serious casualties and huge economic losses， and there are many factors that lead to the instability and destruction of slope. In this paper， four kinds of laboratory model tests for the instability and collapse failure of the homogeneous Xiashu clay slope with different sand rates were carried out， the erosion process of the slope on the instability and collapse failure under the influence of water level fluctuations and underwater scours were analyzed， and the underwater disintegration tests for the samples of Xiashu clay with different sand rates were carried out. The results show that the composition of soil mass has important influence to the stability of slope. Under the joint action of water level fluctuations and underwater scours， the Xiashu clay slope without sand is the most stable ， the higher the sand content of homogenous slope， the weaker the ability of the slope to resist underwater scours and water level fluctuations， and the shorter the time of the slopes unstable slide collapse. The influence of water level fluctuations and underwater scours to the stability of the slope varies greatly with the difference of sand content of the slope soil. With the increase of the sand content of the slope soil， the influence of underwater scours to the collapse of the slope is getting smaller and smaller， and the effect of the water level fluctuations on the slope unstable collapse is more and more important. The disintegration of soil samples with different sand contents in water is very different. The samples with low sand content of Xiashu clay disintegrate slowly in water. With the increase of sand content in soil， the disintegration rate of samples becomes faster and faster.

Key words： slope collapse;water level fluctuations;underwater scouring;model test;Xiashu clay

库岸边坡失稳与破坏问题引发的地质灾害事件不仅会对库区人民的生命财产造成巨大的损失，还会对社会、经济和环境造成严重影响[1]。边坡失稳与破坏目前存在数量多、规模大、分布广和治理难等诸多问题，有关库岸边坡的失稳和滑塌等问题越来越受到人们的重视。

影响边坡失稳与破坏的因素有很多种[2]，在所有因素中，库岸边坡自身的岩土性质和地质构造条件是首要因素，也是内在因素[3]。同时，边坡失稳90%以上与水有关系，水是边坡失稳和破坏的重要诱因。

迄今为止，国内外学者对边坡失稳问题进行了大量研究。马崇武等[4]研究表明退水比涨水时堤岸边坡更容易受到破坏，且不管是退水还是涨水都存在一个使堤岸边坡稳定系数最小的水位值。在边坡失稳与破坏机理方面，刘才华等[5]指出库水位上升对边坡失稳与破坏的影响主要表现在孔隙水压力作用和浸水滑动面强度参数的弱化上。王新刚等[6]建立三维模型并进行数值模拟，表明库水位骤降产生的动水压力相比于库水位骤升产生的静水压力对滑坡—抗滑桩作用体系的减弱作用更大。艾秀峰等[7]研究表明在库水位下降时，滑坡体稳定性系数随水位下降速度的增大而减小。崔洁[8]通过软件计算结果显示水位上升速率越大，边坡土体稳定系数越大。吴传余[9]通过对不同水位升降速率下边坡稳定的影响机理进行研究，结果表明水位下降时，坡体外水压力迅速减小，而坡体内水压减小相对滞后，形成由坡内指向坡外的压力差，增大的坡体下滑力导致河堤边坡不稳定。Pan等[10]研究表明边坡高度越高，孔隙水压力与基质吸力的滞后作用越明显。郑颖人等[11]证明了渗透力与土体中的水重和周边静水压力是一对平衡力。黄耀英等[12]给出了一种较简捷的基于代替法的稳定渗流对圆弧滑动土坡稳定影响的改进分析方法。刘博等[13]研究表明非饱和土相对渗透系数和基质吸力关系曲线与库岸边坡的浸润面位置和安全系数有极大的相关性。简文彬等[14]研究表明土体渗透系数越大，土体湿润蔓延距离越远，速度越快。李茜莎等[15]采用灰色关联度法对库岸边坡不同非饱和参数对边坡渗透稳定性的影响进行敏感性分析，直观准确地获取了主要因素和次要因素。梁边[16]基于强度折减理论，采用有限差分法FLAC 3D对库水位影响下的库岸边坡稳定性进行了数值分析计算，表明水位的循环变化对边坡稳定性影响较大。

水对边坡具有冲刷与侵蚀等不利作用。李燦等[17]通过室内模型试验研究了植被坡面在雨水冲刷作用下的泥沙侵蚀过程。赵炼恒等[18]研究了流水淘蚀作用下的路基边坡稳定性问题。但上述学者未考虑边坡在水位升降与水下冲刷作用下的失稳与破坏现象以及边坡自身土体成分构成的影响。因此，笔者通过开展水位升降与水下冲刷作用下边坡失稳与破坏试验，研究水库水位升降及水下冲刷对边坡失稳与破坏的影响，以期为水库边坡设计和治理提供参考依据。

1 试验概况

1.1 土样与砂样选取

土样选取镇江地区下蜀土，土样物理力学性质详见表1。

砂样选取普通石英砂，砂的颗粒级配见图1。

1.2 边坡模型制备

依据设计尺寸制定亚克力模型箱，在模型箱底部设置一个进出水口，在模型箱四周画出边坡模型边界线，如图2（a）所示。试验开始前在模型箱两侧贴上硫酸纸来记录土体在水位升降及冲刷过程中的滑塌破坏情况。

取来的土样烘干粉碎，过直径10 mm筛，取筛余土样进行试验，土和砂均用烘箱完全烘干。土样和砂样分别按含砂量为0%、30%、50%、70%的配比充分拌和，按同等的击实功，分5层，每层厚5 cm，击实至模型高度，沿边坡模型边界线铲去多余土样至模型箱底部。制作好的模型尺寸如图2（b）所示。

1.3 崩解试验试样制备

取与边坡含砂量相同的土砂混合料，按15%的含水量，制作崩解试验试样，每种含砂量试样制备两个（其中一个备用），按标准击实制成底面直径为10 cm、高为8 cm的圆柱体试样，放入烘箱完全烘干。

1.4 边坡模型试验

用水管连接模型箱底部进水口和自来水水龙头，用黑色记号笔在模型箱四周外壁面画出与边坡坡顶标高相同的水平线，完全开启水龙头，水由进水口按设定流速注入模型箱，水下冲刷边坡的同时水位上升，直至到达边坡顶面标高，关闭进水口，转换为出水口，打开开关放水，水位逐步下降至坡底，完成一次水位升降过程，测量该次水下冲刷产生的冲刷窝尺寸，观察边坡的稳定情况。然后，再次转换为进水口，重复以上试验过程，观察在水下冲刷和水位升降作用下边坡冲刷破坏与滑塌的情况，直到边坡出现失稳与滑塌破坏，结束试验，记录水位升降次数，初步分析试验数据。清理模型箱，准备下一组边坡试验，以此类推完成4组不同含砂量边坡模型试验。

1.5 试样崩解试验

将试样放在水平铁丝网上，铁丝网四角用绳索吊在测力计挂钩上，没入水中，记录测力计初始读数。此后，每隔10 s记录测力计读数，观察试样在水下的崩解情况，直至试样在水下完全崩解，测力计读数不发生改变时，记录最终读数和试样编号，结束该试样试验，取下固定杆、测力计和铁丝网。重复上述试验步骤，进行下一组崩解试验，直至完成全部崩解试验。图3为不同含砂量试样崩解试验进行到40 s时的崩解情况。

2 试验结果分析

2.1 边坡失稳滑塌破坏试验分析

室内边坡试验发现，含砂量为0%的下蜀土均质边坡在水位升降181次时呈现坡体失稳滑塌破坏现象;含砂量为30%、50%、70%的下蜀土均质边坡出现坡体失稳滑塌破坏的水位升降次数分别为48次、33次、13次。图4为不同含砂量下蜀土均质边坡坡体失稳滑塌破坏的水位升降次数变化。

由图4可以看出，边坡自身土体成分的构成对边坡的稳定性有重要影响，含砂量为0%的下蜀土均质边坡抵抗水位升降次数最多，说明稳定性最好;其次是含砂量为30%和50%的均质边坡;含砂量为70%的均质边坡失稳滑塌破坏最快，稳定性最差。以上试验现象表明，边坡土体含砂量越大，水位升降作用下的边坡稳定性越差。另外，从图4中还可以发现，边坡土体在含砂量小时，曲线斜率较大，在含砂量大时，曲线斜率较小，表明边坡土体含砂量较小时，含砂量变化对边坡抵抗水位升降的失稳滑塌破坏影响较敏感，而边坡土体含砂量较大时，这种影响趋缓。因此，考虑水位升降作用下均质边坡稳定性时，边坡含砂量应是重要的参考指标。

边坡模型试验中还观察了水下冲刷对均质边坡失穩滑塌破坏的影响。图5为下蜀土边坡在水位升降与水下冲刷作用下边坡失稳滑塌破坏情况。

由图5可以看出，与水位升降对均质边坡失稳滑塌破坏的影响相比，水下冲刷对均质边坡失稳滑塌破坏的影响也不容忽视。均质边坡失稳滑塌破坏不仅由水位升降引起，有时水下冲刷导致均质边坡失稳滑塌破坏的影响超过水位升降的影响。

图6为水下冲刷产生的边坡坡体冲刷窝体积随冲刷次数的变化曲线。

从图6中可以看出，边坡冲刷窝体积的增加速率随边坡土体含砂量的变化而变化。含砂量为0%的下蜀土均质边坡持续抵抗水下冲刷次数最多，冲刷窝体积的增加速率最小，边坡失稳滑塌破坏时的冲刷窝体积最大，且远大于其他几种含砂量均质边坡至失稳滑塌破坏时冲刷窝的体积;含砂量为70%的均质边坡持续抵抗水下冲刷次数最少，冲刷窝体积的增加速率最大，边坡失稳滑塌破坏时的冲刷窝体积最小;随着边坡土中含砂量的增大，均质边坡冲刷窝的体积增加速率越来越大，但达到边坡失稳滑塌破坏时的冲刷窝最大体积越来越小。该现象表明，随着边坡土中含砂量的增大，水下冲刷对边坡失稳滑塌破坏的影响越来越小，水位升降对边坡失稳滑塌破坏的影响越来越大。在水位升降和水下冲刷作用下，纯下蜀土均质边坡稳定性最好，随着均质边坡土中含砂量增大，边坡失稳滑塌破坏越来越快，含砂量为70%的均质边坡稳定性最差。

2.2 试样崩解试验分析

图7为不同含砂量试样崩解剩余质量随时间变化曲线。由于崩解试验土样是完全烘干状态，在这种极端条件下，水分迅速蒸发会在土样中形成裂隙通道，因此在崩解试验过程中受吸湿压力影响，水很快沿裂隙通道渗入，试样会先吸水增重。图7中曲线未进行吸水增重修正，因此试样崩解剩余质量—时间曲线先上升后下降，直至试样完全崩解。

由图7可以看出，含砂量为70%试样的崩解过程最快，崩解时间远远小于含砂量为0%的下蜀土试样崩解时间。随着土中含砂量减小，试样崩解速率越来越小。

含砂量为0%和30%的下蜀土试样外层最先崩解剥落，逐步向内层崩解，在每层剥落的过程中均有少量气泡上升，试样呈鳞片状或颗粒状崩解，崩解过程中未发生大体积崩解，崩解速率变化较小。含砂量为50%和70%的试样崩解过程与前两组差异较大，试样放入水中吸水后先崩解为几个大块，然后每个大块再崩解为更多小块体，呈指数级快速崩解，崩解时间远小于含砂量为0%和30%的下蜀土试样，气泡大量出现，水体浑浊较快。同时，由图7可以看出，含砂量为70%的试样入水后迅速大量吸水，质量明显增大，随后质量迅速减小，表明水的崩解作用对高含砂量下蜀土的破坏影响很大。该试验现象表明：水位升降时水对纯下蜀土边坡土体的崩解作用较小，其抵抗水位升降的效果最好，而水下冲刷破坏直接改变边坡稳定性，是引起边坡失稳滑塌破坏的主要原因;边坡土体含砂量增大时，水位升降时水对边坡土体的崩解作用增强，成为非黏性土边坡失稳滑塌破坏的主要原因。

2.3 机理分析

水位升降引起了边坡土体含水率的变化。水强化了边坡土体间结合水的作用，但随着含水率的增大，土体颗粒间结合水膜变厚，强结合水向弱结合水和自由水转变，土体抗剪强度降低。水的入渗会在斜坡坡体内部形成暂时的饱和区和孔隙水压力。同时，水对边坡土体还有溶蚀作用、水解作用、透析作用等。水下冲刷会导致边坡坡脚、坡体产生局部破坏，直接改变边坡稳定性，潜水面上孔隙水压力上升，坡体稳定性下降，边坡产生失稳滑塌破坏。

黏性土的黏粒小，比表面积大，水位上升时，土体受水浸润，土体中的水与土体所含的亲水矿物发生物理化学反应，使得土颗粒表层产生结合水膜，土颗粒间具有较强的胶结能力，土体黏聚力较大，水不易渗入边坡土体内部，水位升降引起的抗剪强度降低较慢，因而水下冲刷造成边坡坡脚土体流失产生的局部破坏成为引起边坡失稳滑塌破坏的主要原因。当边坡土体含砂量增大时，土粒粗颗粒增多，边坡土体性质逐渐由黏性土转变为砂性土。砂性土颗粒间无黏聚力，边坡主要依靠颗粒间内摩擦角提供的抗滑力来维持自身的稳定。砂性土渗透系数较大，水位上升时，水容易渗入边坡土体内部。水具有较强的润滑作用，造成砂性土颗粒间内摩擦角减小，砂性土颗粒间孔隙较易被水填充达到饱和状态，产生较大的孔隙水压力，同时对土体颗粒产生浮托力，边坡土体有效应力降低，土体抗剪强度快速降低，而且边坡土体内部含水率增大也增加了土体的重度，斜坡下滑力急剧增大。因而，随着边坡土体含砂量的增大，水位升降逐渐成为引起边坡失稳滑塌破坏的主要原因。

3 结 论

（1）边坡自身土体成分构成对边坡的稳定性有重要影响。在水位升降与水下冲刷作用下，含砂量为0%的下蜀土均质边坡稳定性最好，均质边坡含砂量越大，边坡抵抗水位升降与水下冲刷的能力越弱，边坡失稳滑塌破坏的时间越短;边坡土体含砂量较小时，边坡土体含砂量变化对边坡抵抗水位升降的失稳滑塌破坏影响较敏感，边坡土体含砂量较大时，影响程度趋缓。

（2）水位升降与水下冲刷对边坡稳定性的影响大小随边坡土体含砂量的不同存在很大差异，含砂量为0%的下蜀土均质边坡水下冲刷对边坡失稳滑塌破坏的影响远大于水位升降的影响;随着边坡土体含砂量的增大，水下冲刷对边坡失稳滑塌破坏的影响越来越小，水位升降对边坡失稳滑塌破坏的影响越来越大。

（3）不同含砂量下蜀土试样在水中的崩解情况存在较大差异，含砂量为0%和含砂量较小的下蜀土试样在水中崩解较慢，随着土体含砂量的增大，试样崩解越来越快。这反映了不同含砂量下蜀土均质边坡抵抗水位升降与水下冲刷失稳滑塌破坏影响的差异性。纯下蜀土边坡因为水位升降对边坡的崩解作用较小，所以水下冲刷是引起边坡失稳滑塌破坏的主要原因;随含砂量的增大，水位升降对边坡的崩解作用增强，成为边坡失稳滑塌破坏的主要原因。

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【责任编辑 许立新】