不合库水消落办法下动水压力型滑坡变形与稳定性响应研究

水库滑坡磨难是大型水库运行调度事情中备受关注的问题。
为了科学辅导汛期水库运行调度中的滑坡磨难风险防控,基于库水动力浸染效应及类型剖析,通过大型离心模型试验和数值仿照研究了库水低落诱发滑坡变形毁坏机理,重点剖析了库水持续性低落、不同间歇期低落、相同间歇期多阶段低落三种消落办法下的滑坡稳定性相应规律。
研究表明:在库水低落末期,随着坡面静水压力的快速消落,滑体内地下水位严重滞后于库水位变动,易产生高的动水压力、导致滑坡变形毁坏。
在库水位持续低落过程中,库水低落速率越大,地下水头差和水力梯度越大,则稳定性会持续低落。
不同间歇期低落比较持续性低落,地下水力梯度比降落,可缓解库水位持续快速低落导致的地下水滞后及动水压力影响,稳定性低落速率会减缓。
而相同间歇期多阶段低落则可进一步减小影响,稳定性降幅明显减小。

关键词：

水库滑坡; 稳定性; 变形; 动水压力; 库水消落; 数值仿照; 离心模型试验;

作者简介：

付小林(1970—),男,正高等工程师,硕士,紧张从事水库地质磨难监测预警研究。
E-mail:fxlevan@qq.com;

汤明高(1978—),男,教授,博士研究生导师,博士,紧张从事工程地质与岩土工程传授教化科研。
E-mail:tomyr2008@163.com;

基金：

国家自然科学基金项目(41977255);

地质调查项目子题(武地科合[2019]037);

四川省科技操持项目(2019YJ0403);

引用：

付小林，汤明高，叶润青，等． 不同库水消落办法下动水压力型滑坡变形与稳定性相应研究［J］. 水利水电技能(中英文) ，2021，52(1) : 201-211.

FU Xiaolin，TANG Minggao，YE Ｒunqing，et al． Study on deformation and stability of hydrodynamic landslide under different reservoir water fluctuation modes［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2021，52(1) : 201-211.

水库滑坡是大型水电工程运行调度事情中备受关注的问题,其对公民生命财产具有重大威胁、有的乃至会造成不可估量的丢失。
三峡工程水库自2003年蓄水以来,已有数百处水库滑坡涌现变形迹象,有的乃至失落稳入江。
个中库水升降是影响滑坡稳定性的紧张成分,而库水低落诱发滑坡占比达60%以上。
开展水库滑坡变形机理及稳定性研究具有十分主要的理论和现实意义。

目前,国内外紧张从库水升降速率、渗透系数、降雨等方面对滑坡稳定性的影响进行剖析研究,采取的研究方法紧张是数值仿照和地质力学模型试验。
而对付库水低落诱发滑坡变形的离心模型试验及库水低落调度办法对滑坡稳定性的影响规律研究甚少。
向玲等以动水压力型滑坡树坪为例,剖析了低落速率和渗透系数对该滑坡稳定性的影响。
甘恩来等以上安坪滑坡为例,剖析了该滑坡稳定性随着库水位变动的变革规律。
杨背背等以白家包滑坡为例,剖析认为库水位升降和降雨二者对该滑坡稳定性有显著影响。
YI等通过某滑坡数值仿照剖析认为,在蓄水或降雨同步的情形下,滑坡稳定性随水库蓄水而低落,随库水位低落而上升。
MAIHEMUTI等通过剖析库岸裂隙岩体边坡变形毁坏过程得出,水位快速降落对边坡稳定性影响明显。
张国栋等通过水库型滑坡稳定性动态变革过程有限元剖析,认为滑坡稳定性受水库水位升降影响显著。
廖彬等以雅砻江某水电站虎沙滩滑坡为例研究,创造该滑坡的稳定性受库水位变革的影响较为明显。
倪卫达等基于水致弱化效应的库岸边坡动态稳定研究创造在水库运行中后期,边坡稳定性随之涌现周期性颠簸。
张夏冉等考虑渗透系数与库水位升降对下坪滑坡稳定性剖析,认为滑坡稳定性最差涌如今库水位低落到最低水位时,且水位降速越快,滑坡稳定性越差。
李鹏岳等对雅安双家坪堆积体滑坡稳定性影响仿照剖析创造,库水位低落滑坡稳定性先降落再升高,低落速率越大,稳定性回升得越少。
综上可见,已有成果对付库水低落消落办法对滑坡稳定性的影响研究甚少,特殊是对付动水压力型滑坡,由于具有对动水(渗透)压力效应较为敏感的地形和地质构造特色,在汛期库水快速低落过程中随意马虎诱发变形失落稳。
每年汛期来临,特殊是上游来水量较大时,大多数水库须要快速调降库水位用以防洪。
在这种情形下,须要重点关注库水调度消落办法对水库区滑坡稳定性的影响,以掌握滑坡磨难风险。
因此,本文在剖析库水动力浸染及变形机制的离心模型试验的根本上,针对性地开展了水库水位持续性低落、不同间歇期低落、相同间歇期多阶段低落三种消落办法对动水压力型滑坡稳定性的影响规律研究,以期辅导汛期水库调度和滑坡磨难预防事情。

1.1 库水动力浸染

1.1.1 动水(渗透)压力效应

库水低落过程中,滑坡内地下水向水库渗流,渗透水流的拖曳力转化为均匀分布的内力或体积力,产生浸染于土体颗粒且指向坡外的渗透压力(见图1)。

图1 库水快速低落诱发滑坡示意

1.1.2 浮托减重效应

库水上升过程中,滑坡内地下水位上升,前缘滑体被库水浸没、完备处于地下潜水位以下,土体饱水会导致有效应力降落而产生浮托减重效应(见图2)。

图2 库水上升诱发滑坡示意

1.2 库水动力型滑坡分类

上述两者可以采取土力学的渗透与有效应力事理进行剖析,且不难明得。
但这两种效应对滑坡稳定性的影响浸染却是相对的。
为此可将涉水滑坡分为如下三种类型。

1.2.1 动水压力型滑坡

紧张由于动水(渗透)压力效应而导致滑坡产生变形毁坏,或者具有对动水(渗透)压力效应较为敏感的地形和地质构造特色的滑坡,比如弧形和直线形滑面滑坡。

1.2.2 浮托减重型滑坡

紧张由于浮托减重效应而导致滑坡产生变形毁坏,或者具有对浮托减重效应较为敏感的地形和地质构造特色的滑坡,比如靠椅形滑坡。

1.2.3 复合型滑坡

浮托减重效应和动水(渗透)压力效应对其稳定性影响浸染相称的滑坡。
严格地讲,这种类型的滑坡是较少的,或者仅仅存在于某一特定的库水升降阶段。

为了揭示库水低落诱发动水压力型滑坡变形机制,辅导库水低落办法对滑坡稳定性影响的数值剖析,开展了库水低落诱发滑坡变形的离心模型试验。

2.1 试验事理

离心机模型试验是采取小比尺的模型在高速旋转的离心机平台中形成高加速度场和离心力,从而使得模型与原型的应力水平相称,变形毁坏过程相同或相似,比较一样平常物理模型试验可以更真实地揭示原型的变形毁坏机理。
对付模型比尺为n的离心模型试验,模型与原型之间紧张物理量的相似关系如表1所列。

2.2 试验设备

本次试验采取地质磨难防治与地质环境保护国家重点实验室的TLJ-500型土工离心机,也是目前海内运行容量最大的土工离心机,其最大重度500 gt,有效旋转半径4.5 m,拥有80通道静态和32通道动态数采,8路摄像机视频监视系统,紧张由吊斗、转臂、主传动系统、配重系统、仪器舱、集流环等组成,如图3所示。

图3 试验设备和模型

2.3 试验方案

2.3.1 滑坡原型

魏家湾滑坡位于三峡库区长江右岸,主滑方向约320°,长约300 m,宽约160 m,滑体厚度15～20 m,滑坡面积4.8万m2、体积96万m3(见图4和图5)。

图4 工程地质平面

图5 工程地质剖面

滑体紧张由坡积物构成,物质身分为碎(块)石夹土。
碎石块径5～10 cm,局部见1～4 m的弧石,土石比30%。
滑带为疏松堆积物与下伏基岩打仗带,物质组成以黏土为主,含粉质黏土和角砾,滑面呈弧形。
滑床为泥灰岩,为斜顺向坡,岩层产状11°∠36°(见图5)。
滑坡稳定性紧张受库水低落影响,属于动水压力型滑坡。

2.3.2 试验模型

考虑滑坡原型规模、离心机载荷容量、模型箱尺寸和试验目的等,通过大魏家湾滑坡原型设计概化试验模型,为减小缩尺效应,选择了实验室内最大模型箱,箱体尺寸为长×宽×高=1.2 m×1.0 m×1.2 m,试验模型尺寸如图6所示,试验最大重力比尺(模型/原型)n=80。

图6 试验模型概化(单位:m)

2.3.3 模型制作及监测方案

为了制作最靠近于滑坡原型的离心模型,从现场取回原状土,通过筛分确定其粒径曲线如图7所示,由于原状土某些粒径过大的颗粒在小比尺模型中会影响土颗粒的相互打仗关系,须利用等效替代法更换粒径较大的颗粒。
更换后的粒径曲线如图8所示。
通过试验测试调度土体含水率使模型物理参数符合原型滑坡的天然状态。

图7 滑坡原状土颗粒粒径曲线

图8 等效替代的模型颗粒粒径曲线

采取分层填筑法,每层填筑土体高度为4 cm。
为避免土层之间打仗面光滑,填筑下一层时先将表层土用钢刷进行刷毛处理后再填,堆积至设计传感器与标记点位置时,丈量并埋设好相应监测装置。
模型制作完成后,喷洒少量水雾并盖上塑料薄膜以防止水分蒸发并养护24 h。

丈量系统包括孔隙水压力和土压力传感器,以及透明玻璃侧面与正上方的高速像机,通过粒子图像测速法(PIV)进行数字图像处理可得到滑坡变形全过程位移。
坡体内共埋设7支微型土压力传感器(直径8 mm,量程分别为0.5 MPa、1 MPa、和2 MPa,精度1% FS)和7支孔隙水压力传感器(直径8 mm,量程为0.3 MPa和0.5 MPa,精度1% FS)。
另一支孔压传感器布设在河道中,可定量获取库水位高程变革,通过调节油气泵掌握室的进出水量掌握水位升降。
如图9所示。

图9 滑坡试验模型及传感器布设

2.3.4 试验过程

本次试验采取6级加载,每级加载10 g,稳定运行一段韶光后再连续加载。
同时打开进水口使水位持续上升,通过掌握进水口流量,担保其在加载过程中保持高水位,在加载到50 g并稳定运行后关闭进水口,然后使水通过阀门排出,仿照水位骤降过程,间歇一段韶光。
之后加载到60 g并再进行水位升降。
前缘水压力等代的库水位变革过程如图10所示。

图10 试验加载过程及库水位变革

2.4 变形毁坏特色及机理剖析

2.4.1 变形毁坏特色

从开始加载到30 g时开始在后缘涌现一条表面裂痕。
在保持水位连续加载到50 g运行稳定后,从2 068 s开始到2 715 s仿照了一次汛期的小幅水位升降。
从2 038 s到2 715 s加载过程中连续掌握水位低落时,中后部开始涌现一条贯通裂痕,前缘局部涌现大量小裂痕。
变形集中在中部,未产生整体毁坏,如图11(a)和(b)所示。

图11 各阶段滑坡变形毁坏图像

连续加载至60 g并稳定运行,再次仿照水位升降过程,在2 906 s至3 352 s的水位上升阶段,滑坡未产生明显沉降,而在库水位低落阶段运行至3 554 s时前缘产生大范围变形,后缘裂痕加宽坡体产生整体滑动,从变形加剧到整体失落稳的韶光为80 s,如图11(c)和(d)所示。

2.4.2 土压及孔压变革特色

通过孔隙水压力变革可以看出(见图12):库水升降过程中滑坡地下水孔隙水压力会随之发生变革、呈正干系。
库水位上升过程中坡体前缘往内部的地下水孔隙水压力逐级升高,库水低落过程中坡体前缘往内部的地下水孔隙水压力逐级低落。
不管是库水上升还是库水低落时坡体地下水都滞后于库水位,特殊是上升初期和低落末期。
剖析认为坡体地下水位滞后于库水位变动是产生动水压力的紧张缘故原由。

图12 孔隙水压力变革曲线

通过土压力变革可以看出(见图13):随着加载过程中加速度的增大,土压力也逐渐增加、具有很强的正干系性。
比拟位于滑坡下部的2号、5号、7号、10号传感器,滑床顶部和坡体前缘土压力小于中部和后缘,个中监测显示5号传感器土压力大于其他传感器,剖析认为是由于弧线形滑坡的中部较厚压力大且涌现应力集中征象;而当坡体产生变形时、特殊是坡体中部涌现拉裂时,监测显示5号传感器土压力急剧低落,而2号、7号和10号传感器土压力涌现上升,剖析认为是由于坡体中部涌现拉裂后,中部应力开释、应力转移导致其它部位涌现应力增加征象。
比拟剖析(见图10—图13),在加载的过程中滑坡并没有发生毁坏,而是在加载至最大加速度且稳定运行后的库水低落过程中发生毁坏,可以认为库水低落产生的动水压力是导致坡体变形毁坏的紧张缘故原由。

图13 土压力变革曲线

2.4.3 变形毁坏机理

库水位上升时,水位上升速率大于坡体渗透速率,库水向坡体入渗为地下水,坡体前缘静水压力增加和渗流力向内,坡体稳定性不会低落反而有所增加。
而随着库水的不断入渗,坡体含水量和地下水孔隙水压力增大,虽然有效应力减小但是坡体变形不明显;一旦库水位快速低落,高的地下水孔隙水压力来不及消散,产生向坡体外部的动水压力,且坡体前缘静水压力随库水低落而降落,终极导致了坡体产生变形毁坏。

3.1 剖析方法及方案

3.1.1 剖析理论

在库水位升降过程中坡体内的渗流场会随之变革,而涌现饱和土和非饱和土两种不同的土体状态。
随着浸润线的变革,土体不断地在饱和和非饱和之间转换。
为此根据质量守恒及达西定律可得到二维的饱和与非饱和渗流掌握方程

式中,hw为水头;kx为x方向的渗透系数;ky为y方向的渗透系数;Q为施加的边界流量;mw为比水容重;rw为土体的饱和重度;t为韶光。

mw定义为体积含水量θ对基质吸力(ua-uw)偏导数的负值,即

水头边界为

流量边界为

3.1.2 剖析方法和软件

根据上述理论方法,采取有限元方法仿照剖析库水升降条件下的渗流场,基于仿照剖析得到的渗流场水头,再采取极限平衡方法剖析滑坡的稳定性。
本文选用Geo-studio打算软件来实现这一过程,首先利用个中的SEEP模块剖析得到瞬时状态下滑坡体内部的渗流场,即孔隙水压力分布、地下水位线分布等,再利用个中的SLOPE模块,并选择Morgenstern-price极限平衡方法打算稳定性系数。
Morgenstern-price极限平衡方法可以知足力和力矩的平衡条件,不必对滑裂面的形状、静力平衡以及多余未知数的迭代方面做任何限定,能较准确的剖析滑坡稳定性,且能够反响出各土体条块间的力的平衡情形。

3.1.3 库水低落消落办法

设计如下三种库水低落消落办法:

(1)不同速率持续性低落。
以0.6 m/d、0.8 m/d、1.0 m/d、1.2 m/d的低落速率持续性低落,剖析低落过程中滑坡地下水力梯度和稳定性系数变革。

(2)同一速率不同间歇期低落。
以1.2 m/d的速率低落,中间间歇5 d、10 d、15 d、20 d不变,剖析低落过程中滑坡地下水力梯度和稳定性系数变革,并与持续性低落办法进行比拟剖析。

(3)同一速率多阶段间歇性低落。
以1.2 m/d的速率多阶段间歇性低落,间歇期均为5 d,剖析低落过程中滑坡地下水力梯度和稳定性系数变革,并与前面两种低落办法进行比拟剖析。

3.1.4 剖析模型及参数

剖析建立的滑坡渗流打算模型,单元数2 880个,网格节点2 992个。
依据试验和反演选取岩土物理力学参数(见表2)。
边界条件设置中,由于基岩渗透性弱,设为弱透水边界;库水边界在175～145 m之间设为可变水头(见图14)。

图14 滑坡打算模型(以0.6 m/d低落为例)

3.2 不同库水消落办法下的滑坡稳定性变革规律

3.2.1 库水以不同速率持续低落时

库水位按0.6 m/d、0.8 m/d、1.0 m/d、1.2 m/d持续性低落,滑体地下水变革情形如图15所示。
库水位低落速率越快,水力梯度曲线越陡,水力梯度峰值越大。
解释库水位持续性快速降落会产生较大水头差,缘故原由是滑体内部孔隙水不能及时排出,地下水位降落滞后造成。
这里水力梯度是指库水位低落过程中滑体前缘所在水位与滑体后缘地下水水位之间的水力梯度,下同。

图15 不同速率持续低落时滑体水力梯度变革

滑坡稳定性变革情形(见图16和表3)如下:

(1)库水位低落速率越快,滑坡的稳定性低落越快。

(2)库水低落速率越大,则库水降至最低水位145 m时的稳定性系数越低。

图16 不同速率持续低落时滑坡稳定性变革

3.2.2 库水以相同速率不同间歇期低落时

库水位以1.2 m/d的速率低落,期间水位分别坚持5 d、10 d、15 d、20 d的间歇期,滑体地下水变革情形(见图17)如下:

(1)库水位间歇性低落后,水力梯度曲线发生了迁移转变,并且在间歇期内逐渐降落,之后又逐渐增大。

(2)库水位间歇期韶光越长,水力梯度值降落越多。
表明在水库水位低落的间歇韶光内,滑体内地下水水位降落,水头差变小。

(3)随着间歇韶光的增加,水力梯度的最大值逐渐减小。

图17 相同速率不同间歇期低落时滑体水力梯度变革

滑坡稳定性变革情形(见图18和表4)如下:

(1)随着间歇韶光的增加,稳定性系数不断变大,但是曲线逐渐变缓,解释稳定性系数的提高并不是随着间歇期韶光的增加而一贯增加,间歇15 d后,对增加稳定性无明显效果。

(2)库水位实施间歇性低落到159 m、145 m时,比较较持续性低落办法,间歇低落对滑坡稳定性的影响减小。

(3)随着间歇韶光的增加,库水位低落到145 m时的稳定性系数逐渐增大,并且间歇韶光越长稳定系数越大,稳定系数变革的程度和速率也逐渐增大。

图18 相同速率不同间歇期低落时滑坡稳定性变革

3.2.3 库水以相同速率多阶段间歇性低落时

采纳多阶段间歇性消落的办法,即库水位按1.2 m/d的速率低落,各阶段间歇韶光均为5 d,滑体地下水变革情形(见图19)如下:

(1)在多阶段间歇消落办法下,水力梯度曲线展现的形态为阶梯形,在每一个韶光间隔内会发生一次转变,将会涌现一次降落。

(2)随着间歇次数的增多,水力梯度曲线迁移转变的次数也变多,水力梯度峰值逐渐减小。
表明,水库水位采纳多阶段韶光间隔降落后,水位差明显变小,孔隙水得以较好的消散,地下水水位低落的滞后效应得到较大改进。

图19 相同速率多阶段间歇低落时滑体水力梯度变革

滑坡稳定性变革情形(见图20和表5)如下:

(1)间歇性低落时,滑坡稳定性也随之间歇低落。
但是终极稳定性随着间歇次数的增加而不断提高;且间歇阶段次数越多比较较其他几种情形时,库水位降落到145 m时稳定性系数越大。

(2)多阶段间歇性降落对滑坡稳定性系数影响程度明显减小,可以大幅降落库水低落对滑坡稳定性的影响。
紧张是滑体孔隙水得以有效排出,水力梯度低落、对滑坡稳定性影响降落。

图20 相同速率多阶段间歇低落时滑坡稳定性变革

3.2.4 影响规律剖析谈论

三种库水消落低落办法浸染下的结果比拟剖析如表6所列。

(1)库水位以0.6 m/d、0.8 m/d、1.0 m/d、1.2 m/d的速率持续降落过程中,滑体内部的孔隙水不能及时排出,地下水水位滞后降落,进而导致水头差和水力梯度增加,匆匆使滑坡的稳定性降落。
低落速率越大,影响越明显。

(2)库水位以1.2 m/d的速率呈不同间歇期低落,间歇韶光越长,水力梯度峰值越小,对滑坡稳定性系数影响越小,缘故原由是间歇期内滑体内部的孔隙水得以消散、水头差和水力梯度变小。

(3)库水位在多阶段间歇性低落过程中,随着间歇阶段次数的增加,水力梯度曲线越来越缓,稳定性系数比持续性低落的情形大大增加,缘故原由是滑体内部孔隙水得到了有效的消散,动水压力降落,且最大水力梯度值也越来越小,有利于滑坡的稳定。

4 结 论

(1)库水低落对动水压力型滑坡稳定性影响显著,特殊是在库水快速消落的末期,滑体地下水位严重滞后于库水位变动,这是产生动水压力的紧张缘故原由。
快速消落时滑体表面静水压力随库水消落降落,而地下水孔隙水压力来不及消散,产生指向滑体外部的动水压力,进而会导致滑坡变形毁坏。

(2)库水低落办法对滑坡稳定性的影响程度,库水持续快速低落 > 库水位间歇性低落 > 库水多阶段间歇性低落。

(3)库水持续快速低落过程中,低落速率越大,对滑坡稳定性影响越明显。
库水位间歇性低落过程中,间歇韶光越长,水力梯度峰值越小,对滑坡稳定性影响越小。
库水多阶段间歇性低落过程中,水力梯度曲线越来越缓,可以大幅降落库水低落对滑坡稳定性的影响。

(4)在库水调度过程中,建议考虑多阶段间歇性消落,并掌握库水位低落速率与韶光间歇,即按某一速率降落一段韶光后,间歇一段韶光,再降落。
考虑影响幅度和可操作性,建议间歇次数3～5次。
这种调度办法可降落在汛期快速调低库水位时对滑坡稳定性的影响,从而降落水库滑坡灾变风险。

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