基于滑带土强度劣化的库水复活型滑坡渐进失稳机理研究

孙立娟，沈方铭，张互助

吉林建筑大学 交通科学与工程学院 130118

库岸滑坡受水位升降影响,其边坡稳定性常处于动态变化过程中.库岸滑坡体前缘因受冲刷侵蚀以及浸水软化等影响,易发生自坡脚率先失稳,而后其他坡体失稳下滑的渐进破坏过程[1].据调查,库岸滑坡多属于老滑坡,国际大坝委员会(LCOLD)统计了50座水库的105个滑坡事故,老滑坡复活占比高达75 %[2-3],如1963年10月的意大利Vaiont滑坡、湖南拓溪水库塘岩光滑坡、塘角村1号滑坡以及三峡库区千将坪滑坡均为水库蓄水后发生的古、老滑坡复活所致.对于老滑坡而言,其复活失稳的主要原因是历史上曾发生过多级多次滑动,已然形成了既有滑动面,随着滑带土逐渐浸水弱化,抗剪强度不断降低,从而发生老滑坡复滑[4-5].在库岸滑坡的研究中,主要的分析方法有原位测试、模型试验、理论解析以及数值模拟等[6],其中数值模拟方法更多地被用于滑坡体的变形失稳研究.颗粒流PFC2D程序因其能够模拟土质边坡在变形失稳过程中的位移、速度以及应力状态等方面的优势,得到广泛的推广和应用.李龙起等[7]人以竹林沟滑坡为例,采用离散元颗粒流的方法研究滑坡的运动过程,取得了较好的数值结果.结果表明,滑坡初期主要发生蠕滑变形,而后向坡前方向发生剪切蠕变,同时后缘产生张拉裂缝,最后发展至滑面贯通,坡体失稳破坏.张家勇等[8]人以开阳县鱼鳅坡滑坡为例,采用颗粒流离散元PFC3D对其破坏运动过程进行数值模拟.结果表明,降雨为鱼鳅坡滑坡的直接诱发因素,滑坡体主要发生蠕滑-拉裂的牵引式破坏模式.常文斌等[9]人以阻尼参数标定、动力分析方式以及动荷载输入为切入点,对颗粒离散元模拟边坡动力响应的研究现状进行了归纳总结.宋浩燃等[10]人利用三维离散元软件PFC3D对弃渣边坡变形失稳过程进行数值模拟.结果表明,弃渣体由几乎无黏结的碎石块组成,滑动规模主要受弃渣坡体角度影响.Wei等[11]人基于支持向量机对马边滑坡的微观参数进行了反演,通过DEM数据进行PFC3D建模,并对滑坡的速度、位移以及能量进行分析,数值模拟结果与实际特征较为一致.

上述研究表明,离散元颗粒流的方法能较为准确地反映滑坡体的渐进失稳过程. 因此,本文采用颗粒流PFC2D进行数值分析手段，主要探讨滑带土强度衰减与滑坡体变形演化机制之间的内在联系,分析滑带土失稳对库岸滑坡破坏模式的影响,揭示老滑坡的渐进失稳机理，并与现有模型试验结果对比, 从滑坡体分级失稳特征、后缘面裂缝形态以及破坏机制等方面进行分析,验证数值分析结果的正确性和可靠性.该分析结果可为防灾减灾以及预测滑坡变形发展趋势提供重要参考.

1 模型试验概况

1.1 “分段式滑面底渗法”试验装置

本文的研究对象是具有既有滑带的库岸老滑坡.据统计, 库岸老滑坡中大型滑坡的占比较高，通过调查并结合现有研究成果, 本文选用的模型箱尺寸为120 cm×30 cm×80 cm (长×宽×高),装置主体是由10个渗透盒组装成的分段式滑面, 如图1所示.渗透盒尺寸为30 cm×12 cm×2 cm,壁厚1 mm,主要材料为钢板.渗透盒内部放置厚为1 cm的透水石, 其渗透系数1×10-3cm/s, 渗透能力为0.18 m3/h.即每个渗透盒每小时渗透水0.18 m3.因透水石渗水方向主要是由下至上,均匀渗入到滑带土中,且渗透盒壁厚较薄,故不考虑渗透盒壁厚的影响. 试验装置主要由模型箱、渗透系统、注水系统、测试系统和高速摄影采集等组成.

目前,模型试验物理量相似比主要受几何比尺的影响.调查发现,土质类边坡高度通常在10 m～60 m取值,试验模型高度处于12 cm～20 cm之间,故选用几何相似比为Cl=1∶100,不同物理力学参数的相似系数见表1.

表1 模型试验相似关系Table 1 Similarity relationship of model test

据调查,库水复活型老滑坡的滑体土通常由砂土和黏土组成,故试验所用原材料主要为50目石英砂和600目超细陶土,滑带土黏聚力较大，采用纯陶土模拟,能够反映库岸滑坡土体的主要特征.滑初始含水量为10 %左右.滑体土按照砂土比2∶1配置主要考虑不同失稳滑带长度对滑坡体破坏模式的影响, 工况主要按照水位1、水位2、水位3和水位4所对应的滑带范围设计,通过向不同水位所对应的渗透盒注水，模拟水位上升过程中的滑坡失稳过程，如图2所示.土体的物理力学参数见表2.其中,γ为天然重度,Es为压缩模量,c为粘聚力,φ为内摩擦角.

表2 模型土物理力学参数表Table 2 Physical and mechanical parameters of model soil

1.2 数值试样试验

采用PFC2D进行数值计算需要确立宏观参数和细观参数之间的相关关系,从而实现参数的标定,目前通常采用双轴压缩数值试验来实现.本文以库岸老滑坡作为研究对象，库水位变化是此类滑坡复活的重要诱因.因水位变化导致地下水位上升,既有滑带浸水弱化,抗剪强度降低,从而导致滑坡体发生逐级失稳下滑.因此,滑带土的抗剪强度指标是数值模拟的关键工作.为此,建立双轴压缩试验模型,模型尺寸为40 mm×20 mm,如图3所示.受计算精度的影响,需将计算颗粒就进行适当的放大.试验选用不同粒径的颗粒,且其半径服从Gauss分布,通过对颗粒参数的反复调试,确保与模型土体参数相吻合,故可用于后续的渐进破坏过程分析中,细观参数取值如表3所示.由于本文的数值模型以试验尺寸为参照，模型尺寸较小，因此数值模型的颗粒半径就非常小，计算所需时步也成倍增加.

表3 模型土物理力学参数Table 3 Physical and mechanical parameters of model soil

2 渐进破坏机理数值模拟分析

2.1 计算模型的建立

基于数值试验所获得的细观参数建立分析模型,采用程序中的平行粘结模型,能够模拟抗弯、抗拉和抗剪性能.边界墙体法向刚度为kn=1.0×10-8N/m,ks=1.0×10-8N/m,摩擦系数为0.5, 滑体土和滑带土重度分别为γ滑体=16.14 kN·m-3,γ滑带=12.15 kN·m-3,颗粒在自重作用下达到平衡状态,将初始位移和速度归零并去除边界约束,对应模型试验设计工况进行分析.

2.2 滑坡破坏模式分析

2.2.1 PFC2D表观破坏模式分析

本文采用二维颗粒流程序(Particle Follow Code PFC2D)数值模拟技术,该程序可用于颗粒团粒体的稳定、变形及本构关系等力学性质分析,能够模拟固体力学大变形问题以及描述滑坡体从裂缝产生、首滑块失稳以及后续滑块逐级下滑等失稳全过程.图4所示为不同部位滑带失稳所引发的滑坡体渐进破坏累进过程,通过模拟库水上升过程的水位1、水位2、水位3和水位4所对应的滑带失稳范围来实现.

(a) 初始状态 (b) 第一级滑带失稳 (c) 第二级滑带失稳

(d) 第三级滑带失稳 (e) 第四级滑带失稳 (f) 滑坡整体失稳图4 滑坡体变形失稳全过程Fig.4 The whole process of landslide deformation and instability

图4展示了滑坡体渐进破坏过程中的表观破坏过程,图4(a)为滑体的初始状态,此时处于稳定状态.在模拟过程中,首先对滑带1强度进行折减,当计算至30 000时步时,在第一级滑带末端出现垂直于坡面的拉裂缝, 且裂缝逐渐向坡体内部延伸,表明坡体出现微小变形.计算至80 000时步时,坡脚位移增加,滑移速率增大,颗粒间的接触趋于不规则,底滑面出现剪切滑移,颗粒间粘结效应逐渐被破坏,后缘拉裂缝发展成弧形，第一级滑动面贯通,发生整体滑移,如图4(b)所示.而后对滑带2进行强度折减,计算至180 000时步时,形成第二级滑块,该滑块失稳下滑继续推动第一级滑块失稳下滑,照此过程,依次形成第三、四级滑块.随着计算时步增加,滑块位移不断增大,后一级滑块失稳将加剧前一级滑块的破坏程度,位移也在不断累积.随着滑带失稳范围的扩大,滑坡体逐级失稳,直至滑裂面全部贯通,滑坡体整体滑移.综上可知,滑坡体失稳主要经历了坡面微裂缝产生、后缘破裂面贯通、底滑面蠕滑失稳、累积位移增加直至整体滑移等渐进破坏过程.库岸滑坡失稳表现为牵引式滑坡破坏模式.

2.2.2 后缘破裂面形成机理探讨

通过对库水复活型滑坡失稳机理研究发现,滑带土强度衰减是诱发滑坡失稳的重要因素. 在滑坡渐进失稳过程中,各级滑块的后缘破裂面形成机理表现为：地下水上升,滑带土浸水软化范围扩大,底部滑面逐渐失稳下滑.同时,在失稳滑带末端的坡面位置产生了垂直坡面方向的拉裂缝,形成拉破坏区,各级滑块失稳依次形成后缘拉裂缝.

由图4可知,后缘裂缝形态并不一致,主要表现为折线型和弧形两种.不同分段滑带失稳,其末端通常均对应一条主裂缝,随着滑块破坏程度的增加,滑块内部伴生有次生裂缝.级序越低的滑块,稳定性越差.后一级滑块失稳滑移,会导致前一级滑块间裂缝假性闭合,而后整体滑移.

2.3 与模型试验结果对比分析

本文的模型试验主要是探讨滑带土强度衰减过程对滑坡体变形失稳的影响,采用分段滑面底渗法的模型试验方法,重现库岸滑坡水位上升过程中的渐进破坏过程.因库岸老滑坡通常具有既有滑动面,不同分段滑带失稳将对滑坡体稳定性产生重要影响.滑体的表观变形特征是滑带土强度演化的直接表现,决定着坡体位移的发展历程.

图5(a)所示为滑坡体的初始状态,滑带1至滑带4分别对应水位1至水位4引发的滑带失稳范围.由于地下水上升导致滑带土饱水弱化,抗剪强度降低,从而使得失稳滑带范围的滑体土开始滑移.当上升至水位1时,滑带土强度开始降低,滑带1末端对应的坡面浅层范围首先出现拉裂缝,裂缝方向与坡面垂直.随着滑带土饱水范围进一步扩大,底滑带逐渐整体滑移,此时拉裂缝不断向坡体内部延伸,直至与底滑面贯通,滑块整体滑移,第一级滑块失稳.水位继续上升至滑带2, 由于其前侧滑块已与后部滑坡体分离,失去支撑作用,随着底滑面与后缘破裂面逐渐贯通,滑带2所对应的坡体继续失稳,形成第二级滑块,该变形过程适用于滑带3和滑带4所形成的第三、四级滑块.结果表明,滑带土对滑坡体稳定性具有控制作用,库水上升导致的滑带土强度衰减是滑坡体分级失稳的重要诱因.

(a) 初始状态 (b) 第一级滑带失稳(水位1) (c) 第二级滑带失稳(水位2)

(d) 第三级滑带失稳(水位3) (e) 第四级滑带失稳(水位4) (f) 整个滑坡体失稳图5 不同滑带失稳下的滑坡变形全过程Fig.5 The whole process of landslide deformation and instability

通过将模型试验和PFC2D数值分析结果对比可知,数值模拟结果与模型试验结果吻合较好,表明数值模拟结果的正确性, 二者均很好地揭示了滑坡体的渐进失稳过程,其表观破坏模式和后缘破裂面形态较为一致. 另外,各级滑块仅对应一条主裂缝,均在滑带末端坡面位置产生拉裂缝,底滑面主要发生剪破坏,随着滑裂面逐渐贯通，滑坡体完全失稳.库水复活型滑坡总体上表现为蠕滑-拉裂的牵引式滑坡破坏模式.

3 结论

本文采用颗粒流理论的PFC2D数值分析手段,对库水复活型滑坡的渐进失稳机理进行分析,重现了该类型滑坡从微裂缝产生、后缘破裂面形成、底滑面失稳、过程性位移累进直至滑坡整体滑移的全过程,并采用模型试验方法进行验证,得出以下结论：

(1) 采用颗粒流理论的PFC2D数值分析方法,能够很好地模拟库水复活型滑坡的渐进破坏过程,对于滑带土强度劣化引发的滑坡失稳机理及成因机制有了更加深入的认识,为滑坡防治提供重要参考.

(2) 库水复活型滑坡的直接诱因是地下水上升导致的滑带土强度衰减,滑坡破坏首先是坡面浅层范围出现拉裂缝,并不断向坡体内部发展,直至与底滑面贯通,滑块完全失稳.坡体表层通常发生拉破坏,底滑面主要发生剪破坏,中间部分为拉剪综合的动平衡状态.库水复活型滑坡总体上表现为蠕滑-拉裂的牵引式滑坡破坏模式.

(3) 各级滑块仅出现一条主裂缝,在失稳滑带末端的坡面位置产生垂直坡面的拉裂缝, 形成拉破坏区, 各级滑块失稳依次形成后缘拉裂缝.裂缝形态主要表现为折线型和弧形两种,滑块内部伴生有次生裂缝.

(4) 库水复活型滑坡应加强坡脚防护,并在各级滑块累进变形破坏之前采取支护措施,防止变形持续增加,引发牵引式破坏.同时,要重点监测滑带土的强度衰减过程,避免复滑.