库岸滑坡变形规律研究

申永斌，王 冬，闫小龙

(山东省鲁南地质工程勘察院，山东 济宁 272100)

1 概 述

我国南方多山地区，因降雨导致山体滑坡、洪水等自然灾害以及库岸滑坡事故频繁发生。因此，针对库岸滑坡进行研究，分析不同水位下库岸滑坡变形特征，对在边坡地形修建水库工程，提前预测防范事故发生有着十分重要的意义和指导性作用。

苏昌等[1]基于控滑因素对滑坡进行剖析，对地质灾害防治问题提出合理方法。李飞[2]基于可靠性、可行性、合理性和协调性等因素，编制出坍岸变形治理方案。高明等[3]基于水库型滑坡，探究滑坡预防与预警工作的重要性。李原宝等[4]在室内外试验基础上，基于M-Р法和蒙特卡洛法对滑坡稳定性进行研究。吴龙生等[5]通过分析滑坡特征，研究引起滑坡蓄水浸泡和冲刷的原因。郭舟[6]对固岸边坡进行稳定性分析，并通过相关材料收集和计算，为后期工程施工建设提供参考。殷坤龙等[7]结合前人研究成果，从多角度出发，对国内外滑坡涌浪风险研究现状进行概述，并基于易损性评价体系对近期发生事故进行研究分析。赵桂兰[8]结合工程实际，通过数值模拟建模，建立库岸边坡数值模拟模型，并在此基础上研究分析不同水位下滑坡的稳定性变化规律。

由上述研究可知，目前我国对于不同水位下库岸滑坡变形特征情况研究较少，更多倾向于理论性研究。本文以西南长江上游山体库岸滑坡为研究对象，结合边坡所处环境及水库水位情况，研究自然状态和暴雨条件下模型土体渗流、压力及位移变化规律。通过建立试验平台，模拟库岸滑坡实际情况，探究滑坡前缘、中部以及后缘的位移和压力变化情况，为库岸滑坡变形特征研究提供参考。

2 工程概况

西南长江上游区域山体众多，导致该地区多滑坡。本研究滑坡为大滑坡，主滑方向250°，坡度11°。滑坡尺寸为541m×413m×14m(长×宽×厚)，体积约3.1×106m3。滑坡边界较为明显，左右侧边界分别为岩土接触面和冲沟，前后端分别伸入长江以及为岩土接触面。

通过对该区域探测，滑坡土体较为疏松，以粉质黏土和碎石为主。滑带土厚度约0.4m，颜色呈灰白色，其组成成分由砾石和粉质黏土组成。滑坡区地下水由孔隙水和裂隙水组成，且坡体后缘水质环境较差，难以获得降雨补给，降雨主要通过坡体右侧入江。在强降雨条件下，库水位上升，裂隙水动态流动情况明显，且具备一定承压性，导致滑带土体基本性能减弱，使滑坡等事故发生。

3 模型建立

3.1 模型参数及试验平台制作

库岸边坡稳定性常常受到地形、地层岩性和地貌等因素影响，也受水库水位变化以及降雨情况影响。该库岸边坡总长540m，高275m，北东与基岩山体交界，南西面向大江。本文基于水库变化以及降雨情况建立模型，模型模拟长度为275cm，前后缘高差56cm。根据相似原理，模型公式如下：

X*=Xp/Xm

(1)

式中：X*为相似常数；Xp/Xm为原型与模型之间的相似比。

本次试验条件原型与模型几何相似比为200，可通过该公式推导出物理参数之间的相似比：容重、渗透系数、内摩擦角、降雨强度和水库水位下降速度的相似比为1；黏聚力、压缩模量、水位高程和时间的相似比为200。将模型分为4个部分，分别为滑体、滑带、滑动面及滑床。滑体相似材料前中后缘碎石、黏土和砂质量比分别为1∶5∶1、1∶3∶2和2∶5∶3。滑带、滑动面和滑床则由0.5mm的聚乙烯膜、厚5mm的土工膜和砖沙构成。通过原位试验和室内试验得到相应材料基本物理参数，见表1。

表1 物理参数

本模型基于自制的地质环境进行试验。模型装置为亚克力材质，装置尺寸为4.6m×1.0m×3.3m(长×宽×高)，地质模型箱为4m×0.8m×0.9m(长×宽×高)。模型两侧设置供排水系统，地质模型箱上方设置降雨装置和液压控制升降系统。

3.2 数据监测系统布置

为监测库岸边坡因水库水位变化及降雨影响下边坡土体渗流、压力及位移变化规律，在滑坡模型不同位置安装数据采集系统。数据采集系统由3个位移变送器、3个土压力传感器和3个孔隙水压力计组成，分别放置在前中后缘。平面布置情况见图1。

图1 数据采集系统平面布置图

3.3 试验过程设计

本试验结合边坡所处环境及水库水位情况，研究自然状态和暴雨条件下模型土体渗流、压力及位移变化规律。天然状态下，库水位从155m蓄水至175m，之后水位下降至145m，库水位上升和下降速率分别为0.6和1m/d；暴雨条件下，库水位从175m下降至145m，库水位下降速率为0.45m/d，其中降雨强度为220mm/d。

4 结果分析

4.1 天然状态下边坡土体渗流、压力及位移变化规律

在天然状态下，对模型边坡进行640min的数据采集，探究边坡土体渗流、压力及位移变化规律。见图2。

图2 天然状态下监测曲线

由图2可知，对于库水位50min内保持稳定水位，之后便通过流量控制装置将库水位控制在175m，并持续80min，之后便降至145m并保持。水位变化过程中，滑坡位移保持不变，而土压力与孔隙水压力的变化情况呈先减小后增大再减小的循环变化趋势。其中，库水位从155m至175m的过程中，模型土压力和孔隙水压力在该时间段内保持不变，之后便呈减小趋势。减小趋势直至160min时，前缘两种压力趋于稳定；第200min时，中部和后缘的两种压力才趋于稳定。这主要是由于模型前缘距水库较近，导致其受到土压力和孔隙水压力强于后缘，而中部和后缘两种压力减小是由于土体地下水向前渗流导致。但中部两种压力变化情况最明显，这主要是由于地下水位上升导致坡体前缘土体饱和面积增大，失去坡体平衡性。库水位在175m时，两种压力都在减小，但减小速率变缓。当库水位回到162m时，模型土压力和孔隙水压力呈先增大后减小的变化趋势，之后便又增大。

综上所述，在自然状态下，模型土压力和孔隙水压力的变化趋势相似。

4.2 暴雨条件下边坡土体渗流、压力及位移变化规律

在暴雨条件下，对模型边坡进行640min的数据采集，探究边坡土体渗流、压力及位移变化规律。见图3。

由图3可知，当库水位降至165m时，经过21min的220mm/d降雨后，滑坡前缘出现变形趋势，之后中部和后缘部分位移也开始增加，前缘、中部和后缘位移最大变形量分别为7.8、5.2和3.8mm。而对于土压力和孔隙水压力，库水位在至175m到下降过程中，模型土压力和孔隙水压逐渐减小之后便趋于稳定。而在降雨过程中，滑坡土压力和孔隙水压力整体增大，但前缘部分土压力呈先增大后减小的变化趋势，中部及后缘土压力则在不停波动，但整体孔隙水压力则呈先增大后减小的变化趋势。这主要是因为降雨情况下，模型孔隙水压力增加导致土体重度增大，土压力随之变大。降雨停止后，地下水位降低导致坡体孔隙水压力减小。

图3 暴雨条件下监测曲线

综上所述，模型有应力集中和应变能积累现象。库水位与降雨的耦合作用导致土压力出现最大值，而在暴雨来临时，模型土压力出现波动则由于降雨存在时空不均匀性，而土压力后期减小则是由于坡体变形后，坡体内部释放应变能，导致滑坡应力重分布。通过本试验可知，只有将滑坡实际情况探测更清楚，才能更好掌握滑坡的变形特征，并进行预测，为科学防灾减灾做出指导。

5 结 论

1)在自然状态下库水位变化过程中，滑坡位移保持不变，而土压力与孔隙水压力的变化情况呈先减小后增大再减小的循环变化趋势。距离水库越近，所受土压力和孔隙水压力越强，但土体地下水渗流会导致两种压力减小。

2)地下水位上升会导致坡体前缘土体饱和面积增大，失去坡体平衡性。但在自然状态下，模型土压力和孔隙水压力的变化趋势总体相似。

3)在暴雨条件下，模型前缘、中部和后缘位移最大变形量分别为7.8、5.2和3.8mm。滑坡土压力和孔隙水压力整体增大，但前缘部分土压力呈先增大后减小的变化趋势，中部及后缘土压力则在不停波动，但孔隙水压力整体则呈先增大后减小的变化趋势。

4)模型有应力集中和应变能积累现象。库水位与降雨的耦合作用导致土压力出现最大值，降雨存在时空不均匀性，导致土压力发生波动，且坡体变形导致其内部释放应变能，使滑坡应力重分布。