水位骤降对边坡稳定性影响的模型试验研究

第28卷第9期 岩石力学与学报 V01．28No．9 2009，f9月 ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering Sept．，2009 水位骤降对边坡稳定性影响的模型试验研究 贾官伟，詹良通，陈云敏 (浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江杭州31005S) 麓耍：自然界中存在着大量的临水边坡，比如河岸、海堤、土石坝、水库库岸以及湖岸等，边坡外水位的骤降极 易诱发此类临水边坡的滑坡。通过大型模型试验研究水位骤降引致临水边坡滑坡的原因及失稳模式。模型边坡的 尺寸为15mx5mx6m(长×宽×高)，边坡部分的高度为4m。在试验中，通过水位控制系统实现坡外水位的骤降， 利用数码摄像、高精度传感器、侧面示踪点等仪器设备详细记录水位骤降过程中边坡内的孔隙水压力、土水总压 力，滑动面形态及坡面裂缝的形成和发展过程，揭示水位骤降引致边坡失稳的原因及失稳模式。试验结果明， 坡外水位骤降时，坡内水位的下降速度显著滞后于坡外，产生指向坡外的渗流，是滑坡产生的重要原因；松散填 土边坡的失稳模式为有多重滑面的牵引破坏模式。该研究结果有助于深入认识水位骤降引致滑坡的机制，可为治 理此类滑坡提供科学依据。 关键词。边坡工程；模型试验：临水边坡；水位骤降；稳定性；失稳模式 中圈分类号lP642 文献标识码lA 文章编号：1000—6915(2009)09—1798—06 MoDELTESTSTUDYoFSLoPEINSTABILITYINDUCEDBY RAPIDDRAWDOWNOF、7I旷ATERLEVEL JIAGuanwei，ZHANLiangtong，CHENYunmin (MOEKeyLaboratoryofSoft勋出andGeoenvironmentalEngineering，ZhejiangUniversity，Hangzhou，Zheflang310058，China) Abstract．Therearemanyslopesadjacenttowaterinnature,suchasriverbanks，coastaldykes,earthdams， andreservoirandlakebanks．Rapiddrawdownofwaterlevelsofteninduceslandslidesofthiskindsofslopes．A large—scalemodeltestWasperformedtoinvestigatethefailuremodeandcausesoflandsidesoftheslopeadjacent towaterduringrapiddrawdownofwaterlevel．Themodelslopeis15mlong，6mhighand5mwide，andthe heightofslopingpartis4m．Awater-levelcontrolsystemwasdevelopedtoimplementthesimulationoftherapid drawdownofwaterlevel．Porewaterpressures，totalearthpressures，theslipsurfacesandformationand developmentprocessofcracksontheslopewererecordedduringthesimulationprocessbydigitalcan'lera，high precisionsensors，sidetracers，etc．．Themodeltestresultsindicatethattheporewaterpressureinsidetheslopeshowed asignificantdelayrelatedtothedrawdownofwaterleveloutsidetheslope．ItindicatesthatmeasuresthatCan lowerthewaterlevelsinsidetheslopeshouldbehelpfultostabilizetheslope．Thefailuremodethatdevelopedduring rapiddrawdownofwaterlevelwasofthemultipleretrogressivetype．TheexperimentalresultsCanprovidean improvedunderstandingofthephysicalbehaviorandfailuremodeofsoilslopessubjectedtorapiddrawdownof waterlevel． Keywords：slopeengineering；modeltest；slopeadjacenttowater；rapiddrawdownofwaterlevel；stability； failuremode 收藕日期l 2009一01一05：修目日期l2009—05—25 基金项目l国家“十一五”科技支撑“村镇建筑-rE灾害防治技术研究与示范”项FI(2006BAJ06802)：国家自然科学基金资助项N(50878194) 作者誓介t贾官伟(1982—1，男，2004年毕业丁．浙江大学土木工程专业。现为博士研究生．主要从事边坡稳定与非饱和渗流方面的研究工作。E-mail： jiaguanwei@zju．edu．∞ 万方数据 第28卷第9期 贾官伟，等．水位骤降对边坡稳定性影响的模型试验研究 ·1799· 1引言 自然界中存在着大量的临水边坡，比如河岸、 海堤、土石坝、水库库岸以及湖岸等。洪水过后河 道水位的快速下降、海水潮汐产生的水位回落、水 库的开闸放水等等通常会引起临水边坡坡外水位的 骤降。坡外水位骤降诱发的滑坡事故已经被大量报 道l卜41。N．Morgenstern[1】报道了16起土坝迎水面 由于水位骤降引发的滑坡。F．O．Jones等121研究了 Roosevelt湖周边1941～1953年发生的滑坡，结果 发现有30％发生在水位骤降10"-20m的情况下。 在日本，大约60％的水库滑坡发生在库水位骤降期 间ljJ。在我国，河北省岳城水库在1968和1974年 因库水位下降，而在坝中段和南段各发生259和 210m长的大滑坡[41。随着三峡水库开始蓄水并进 入正常运行状态，其库水位将在135～175m高程 之间周期涨落，如此大的水位波动必将对库区周边 岸坡稳定性产生极大影响。因而研究水位骤降对边 坡稳定性的影响具有重要意义，国内外的学者也已 经开展了大量卓有成效的工作。 针对水位骤降对临水岸坡影响的问题，国内外 学者采用的研究手段包括了数值模拟、模型试验和 现场监测等15～191。在数值模拟方面，李晓等【5~9】以 三峡水库水位周期性波动为背景，用数值模拟的方 法研究了水位下降对三峡库岸边坡稳定性可能产生 的不利影响，得到了岸坡内的渗流场，并对岸坡的 稳定性进行了；刘海宁掣10】针对黄河下游堤防 典型的非饱和土边坡，分析了降雨与洪水共同作用 对堤防边坡渗流场的影响；张文杰等111’12J着重考察 了水位波动条件下，各水力参数对岸坡稳定的影响 程度；汪斌等【l3】对库水位下降导致的某滑坡进行 了考虑流固耦合作用的数值模拟，得到了边坡内应 力场、变形场和孔压场的变化规律，该研究结果表 明库水位下降引起的滑带附近的超孔隙水压力是诱 使滑坡变形和失稳的重要原因。在模型试验方面， 张均锋等【14J通过小型模型试验模拟了分层边坡在 水位变化时滑坡现象，考察了分层坡体的滑坡模式、 坡体变形大小和变化速率，对比了水位下落速度对 坡体稳定的影响，认为水位下降快，孔隙水压力梯 度大时，张拉裂缝发展快，易形成滑面从而引起滑 坡；胡修文等【l5】采用小比尺模型试验，针对三峡库 区赵树岭滑坡在库区蓄水、水位波动下的整体稳定 性及其可能的变形、破坏机制进行了研究；罗先启 等【16"J建立了水位控制系统、多物理量测试系统、 非接触位移量测试系统等组成的滑坡模型试验控制 系统，以三峡库区石榴树包滑坡为例，研究了水库 型滑坡变形破坏规律：李绍军掣博J通过离心模型试 验模拟了三峡库区典型边坡在水位升降作用下的失 稳过程，认为若仅考虑水位升降作用影响，库区土 质边坡的变形呈现典型的牵引破坏模式，变形由前 缘向后缘逐渐发展。 综上所述，数值模拟手段主要用来模拟水位骤 降时边坡内的孔隙水压力场分布，较少关注实际的 滑坡失稳模式，而前人的试验研究大多是基于小型 模型试验或者是离心机模型试验，所以本文将通过 大型的模型试验再现临水边坡在水位骤降条件下的 失稳过程，通过数码摄像、高精度传感器、侧面示 踪点来记录水位骤降过程中边坡表面裂缝的形成发 展过程、滑动面的形态、典型位置处土水总压力和 孔隙水压力的变化，揭示临水边坡在水位骤降条件 下的失稳原因及失稳模式，有助于进一步认识水位骤 降引致滑坡的机制，为治理此类滑坡提供科学依据。 2试验装置及模型边坡 2．1试验装置 本试验平台主体部分为15mx5m×6m(长×宽× 高)的模型槽(见图1)，与之相配套的有水位控制系 统(见图2)、多物理量测试系统(包括孔隙水压力、 土压力、位移、倾角等物理量)、数据采集系统、动 态图像采集系统。为便于观察边坡体的变形过程， 在模型槽的侧面设置高透明度有机玻璃可视窗口， 可以实时观测试验过程中内部土体的侧向变形、位 移情况。为便于插入式仪器(如张力计等)的埋设与 传感器数据线的引出，在模型槽侧壁上设置大量直 径lcm的仪器埋设孔。模型槽侧壁用聚四氟乙烯 图l 模型槽及模型边坡几何尺寸图 Fig．1Groovemodelandgeometryofslopemodel 万方数据 ·1800· 岩石力学与工程学报 2009笠 带出水点的管网 图2水位控制系统三维示意图 Fig．2Three-dimensionalviewofwaterlevelcontrolsystem (Telflon)进行了特殊光滑处理，以减小与土体之间 的摩擦达到产生平面应变的目的。 为模拟坡外水位骤降的水力边界，试验系统配 有水位升降控制系统。该系统主要由可升降水箱、 主供水管、带出水点的底部管网和侧壁的排水阀门 组成。可升降水箱用来控制边坡内部的地下水位， 它可以在一定高度处进行水头控制。本试验中，利 用底部管网系统通过反滤层将地下水直接渗入土 体，反滤层可使水头均匀分布，防止出现沿模型槽 侧面的集中渗流。通过开启位于模型槽前端的排水 阀门实现坡外水位的骤降。 2．2试验用土性质 边坡模型制作的用土为取自钱塘江边的砂质粉 土，该粉土的颗粒粒径分布情况如图3所示，砂、 粉土、黏土的含量分别约为12％，80％和5％。在边 坡填筑完成后，钻孔取得边坡体内原状粉土试样， 由变水头法测得的粉土饱和渗透系数为5．3x10_6 m／s。该粉土的有效黏聚力和内摩擦角分别为1kPa 和30。。 鋈 删 加 栅 州 窖 慰 黧 蝶 n ÷ 颗粒粒径，如衄 图3试验用土颗粒粒径分布情况 Fig．3Particlesizedistributionforexperimentalsoils 本次试验填筑的边坡部分的高度为4m，坡度 为1：l，坡顶和坡底部分的长度分别为5和6m(见 图11。因本边坡的用土量大(大约300m3)，采用“砂 雨法”填筑边坡，使抓斗内初始含水量约为18％的 粉土从填筑面以上2m高度处落下，保持边坡制样 的均匀性。机械填筑完成后，由人工修理得到所需 要模型边坡的几何尺寸。 在边坡模型内埋设了21个传感器和40个示踪 点，用于监测各物理量的变化过程，其中包括4个 土压力盒(EP)，6个孔隙水压力计(P)、5个张力计 (D，4个LVDT(位移传感器)(L)，2个倾斜仪(TI)。 测试仪器布置如图4所示(图中H，V分别指水平和 竖直方向)。4个土压力盒埋设于与边坡坡脚在同一 高程的2m高处，分为2组，每组均可量测水平土 压力和竖向土压力。土压力盒选用薄饼状的振弦式 土压力盒(宽厚比为38)，可以有效降低土和土压力 盒之间的拱效应，减小测试误差。孔隙水压力计(包 括张力计)被用来监测水位骤降过程中，边坡内部的 孔隙水压力变化，以掌握内部的渗流状况。LVDT 布置于坡顶，用来监测坡顶的位移。边坡内部的测 试仪器均是在边坡填筑过程中埋设，使之与土体良 好接触。除张力计和侧面示踪点之外，其余测试仪 器均连接到数据采集仪上，动态监测试验过程。 r T L一2 L一4l ’卜、 P一1OP一3一一3l， ．o rI，、 o ● (b) 图4测试仪器布置图(单位：m) Fig．4Layoutofinsmanents(unit：Ⅱn 3试验过程及测试结果分析 2．3模型边坡制作及测试仪器布I 3．1试验中的水位变化过程 万方数据 第28卷第9期 贾官伟，等．水位骤降对边坡稳定性影响的模型试验研究 ·1801· 模型边坡填筑完成后，通过提升水箱使边坡内 外的水位同时缓慢上升至5．6m。在水位上升过程 中，填土边坡坡面逐渐发生了局部崩塌，随着水位 的上升坍塌的范围逐渐扩大，最终边坡坡肩退到原 位置后方1m左右，这种破坏是由于坡表面含水量 升高导致非饱和土基质吸力的降低引起的。当水位 上升至5．6m高程时，填筑边坡的坡度由初始状态 的1：1(45。)逐步变为约1：1．5(约33。)。当模型边 坡达到饱和并且处于稳定状态后，开启模型槽前端 排水阀门进行坡外水位骤降试验。排水孔的流量为 35"-70m3／h，随排水孔上方水头减小，流量也逐渐 减小。骤降过程中实时记录的坡外水位如图5所示， 可见下降的速度均匀，约为1m／h，经过156min， 坡外水位从5．6m降至3．0m。 是 R 出 * 殛 晶 蓦 * 0 30 60 90 120 150 时间／min 图5坡外水位和典型位置处孔隙水压力随时间变化过程 Fig．5Measuredwaterlevelsoutsidetheslopeandpore-water pressuresvaryingwithtime 3．2滑坡过程及失稳模式 坡外水位开始迅速下降后15min，在坡肩以内 O．4m处即出现第l条平行于坡肩的张拉裂缝，随 着水位的下降，张拉裂缝的深度和宽度越来越大。 当试验开始40min，水位下降约0．7m时，滑块l 开始启动，滑坡现象产生。该滑块的滑面深度在坡 面以下0．5～1．0111，类似于平动，其最快滑动速度 为0．015m／min左右。此时，滑块1背后的坡体仍 处于较为稳定的状态，但已有多条张拉裂缝处于萌 芽状态。随着水位的下降，裂缝继续扩大。 当坡外水位下降lm时，滑块1的顶面位移了 大约O．5m，原边坡顶部未滑动区域的横向张拉裂 缝的最大宽度达到2cm左右。同时，靠近第1滑块 的区域产生从后缘向前缘逐渐增大的沉降，随着水 位的下降，沉降越来越大。当试验进行至100rain， 水位下降1．7m时，滑块2形成。滑块2是典型的 旋转滑坡。滑面的深度在坡面以下0．7～1．5i11，相 比滑面l要深，滑块2项面位移的距离约为1．5m。 滑块3稍后于第2滑块产生，由于模型槽长度的限 制，滑坡体在坡脚处堆积，对于滑坡起到了反压的 作用，限制了滑坡的继续发展，滑块3并未得到充 分发展，但滑面的位置可通过可视窗口清楚地观察 到。滑坡稳定后的坡脚约为11。(1：5)，远低于初始 坡角。3个滑块均具有较好的二维形状，证明模型 槽内壁较为光滑，试验很好地模拟了滑坡的平面应 变问题。 从可视窗口观测到的滑面表明，滑块3共享底 部的圆弧滑面；试验过程中坡顶出现大量与滑动方 向垂直的张拉裂缝(见图6，7)，这些都表明滑坡的 形式为多重滑面的牵引式滑坡。牵引式滑坡的本质 是部分滑体的失稳引致整个边坡一系列的滑块失 稳，在本次试验中，滑块l的滑动速度明显大于滑 块2和3，使得滑块1对它们的约束作用大大减小， 滑块2和3在自重和指向坡外的渗流的双重作用下 图6水位骤降引致滑坡的过程 Fig．6Landslideprocessinducedbyrapiddrawdownofwater level 薏 幢 水平距离／m 图7观察得到的滑块的滑面 Fig．7Observedslipsurfaceofslideblocks 万方数据 ·1802· 岩石力学与工程学报 2009危 失稳。本文得到的边坡失稳破坏模式与李邵军等【18】 的离心机模型试验结果一致。 3．3孔隙水压力变化特征 图5给出了标高2．0，2．5，3．0m处P一4，P一 5，P一6的实测孔隙水压力以及水位骤降过程中实 测的坡外水位。 当边坡外水位下降0．7m，即坡外水位为4．9m 时，模型边坡开始滑坡，此时P一4，P一5，P一6 测得的孔隙水压力分别为35．9，25．0，19．7kPa(见 图5)。P一4，P一5，P一6相对应的孔隙水压力下降 值分别为0．8，4．3，4．9kPa，均小于O．7m水位下 降所对应的7．0kPa，表明边坡内部的孔隙水压力下 降滞后于边坡外水位，且以P一4位置滞后较多。 对于深埋于边坡内部的P一4(具体位置见图4)， 当坡外水位下降2．6m时，P一4的实测孔隙水压力 仅下降约10．0kPa(相当于水位下降1．0m)，内外的 水位差达到1．6m，可见，坡外水位的下降速率明 显大于坡内，会产生由坡内指向坡外的渗流。 对于靠近边坡表面的P一5和P一6，两者均位 于滑坡体上，在滑坡开始后随滑体一起运动。在边 坡外水位下降2．6m时，P一5，P一6的孔隙水压力 下降分别为15．6，15．2kPa，而P一5和P一6位置 随滑坡体的竖向位移为0．5m左右，两位置处的总 水头下降在2．0m左右，均小于2．6m，也证明靠近 坡面处滑体内的孔隙水压力消散也是滞后于坡外水 位下降的。 试验过程中，在边坡表面发现了明显的渗流出 逸点，当水位下降2．5m时，出逸点位于坡外水面 以上1．0m左右。以上的孔隙水压力实测结果和观 察到的表面出逸点均表明有明显的坡内指向坡外的 渗流，这是引致滑坡产生的最重要原因，另外一个 原因是坡外水位下降，使它对滑坡体的推力作用迅 速减小。 3．4土水总压力变化特征 如图8所示，在水位骤降过程中，在竖向土水 总压力方面，靠近坡内的EP—l(Ⅵ由69kPa下降 至54kPa(下降15kPa)，靠近坡外的EP一2(Ⅵ由56 ld'a下降至38kPa(下降18婶幻；在水平土水总压力 方面，靠近坡内的EP—l(H)由38kPa下降至25 kPa(下降13kPa)；靠近坡外的EP一2(H)由38kPa 下降至22kPa(下降16kPa)。P一4的孔隙水压力则 由38kl'a下降至28kPa(下降10kPa)。由以上的测 量 R 幽 0 30 60 90 120 150 时间／min 图8孔隙水压力和土压力随时间变化过程 Fig．8Measuredpore—waterpressureandearthpressure varyingwimtime 试结果可见，竖向土压力下降15～18kPa，水平土 压力下降13～16kPa，而孔隙水压力的下降10kPa， 因此孔隙水压力的下降在土水总压力的下降中占据 主导地位。滑坡过程中，土水总压力的下降主要有 2个原因：(1)坡内水位下降使孔隙水压力减小；(2) 滑坡使土压力盒上覆土层厚度减小，第2组较第l 组覆土厚度减小更多，因而土水总压力值下降较大。 4结论 本文通过大型模型试验模拟了水位骤降对临水 边坡稳定性的影响，得到的结论如下： (1)本文介绍了一个在15m×5m×6m(长X宽× 高)的模型槽内进行的水位骤降对松散粉土填土边 坡影响的大型模型试验。通过埋设的高精度传感器 掌握了水位骤降过程中坡体内的渗流情况，测得了 孔隙水压力、土水总压力等对水位骤降的响应，利 用图像动态采集系统记录了水位骤降引致滑坡的发 生、发展过程和滑坡模式，为探讨边坡失稳原因和 失稳模式提供了依据。 (2)试验结果表明，边坡外水位骤降时坡内水 位下降速度显著滞后于坡外，因而产生指向坡外的 渗流，是滑坡产生的重要原因。 (3)通过试验实测得到，填土边坡在水位骤降 时的失稳模式为有多重滑面的牵引式滑坡。 本试验结果为进一步认识此类滑坡机制和采取 合理的工程措施，提供了科学依据。合理设置边坡 的排水系统(如横向排水孔等)，将边坡内部的超孔 隙水压力释放，可有效地减少水致边坡的失稳概率。 进一步的研究可以本文的试验成果为基准，开展相 万方数据 第28卷第9期 贾官伟，等．水位骤降对边坡稳定性影响的模型试验研究 ·1803· 应的数值模拟分析和验证工作。 参考文献(References)． fl】MORGENSTERNN．Stabilitychartsforearthslopesduringrapid 击哪do帅【J1．Geotechnique，1963，13(2)：121—131． 【2】IONESFO，EMBODYDR，PETERSONWL．Landslidesalongthe ColumbiaRiverValley．【S．1．】：【8．n．】，1961． 【3】 中村浩之．论水库滑坡明．水土保持通报，1990，10(1)：53—64． 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