巫山县龙头山滑坡物理模型实验研究

柯文俊 吴 剑 王能勇 徐梦蛟

(三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

巫山县龙头山滑坡物理模型实验研究

柯文俊 吴 剑 王能勇 徐梦蛟

(三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

龙头山滑坡是三峡地质灾害防治监测预警工程中重点监测滑坡，通过对其进行滑坡物理模型试验，对滑坡失稳过程的孔隙水压和土压力以及滑坡位移的变化特征进行了观察总结，并探求库水位变化和降雨条件对滑坡稳定性的影响，为滑坡的监测预警提供依据。

滑坡，滑坡物理模型试验，稳定性，库水位，降雨

1 龙头山滑坡地理地质条件

龙头山滑坡位于巫山县大溪乡官田村1，7组，长江支流大溪河右岸，为涉水滑坡。坡前缘直抵大溪河边，剪出口位于139 m，处于库区蓄水水位以下，滑坡体长460 m，宽360 m，后缘高程270 m。以下伏基岩为滑床，右侧以冲沟为界，左侧以冲沟为界，平面形态呈箕形，为近似三角形。滑坡前缘较缓，中部和后缘稍陡，平均坡度20°，坡向332°，滑坡体厚度20 m～30 m，平均厚27 m，滑坡体面积16.6×104m2，体积447×104m3。滑坡体有2个滑坡平台，主平台位于175 m高程，长、宽分别为100 m，150 m[1]。

2 试验模型设计

试验采用三峡大学自行研制的考虑雨水作用的大型滑坡物理模型试验系统(见图1)。所设计的模型试验以相似理论为基础,以三峡库区某具体滑坡为原型,对其进行库水位作用下的滑坡物理模型试验。目的是为了研究库水位变化对滑坡变形、破坏及稳定性的影响[2，3]。

2.1 试验检测器具及布置

模型试验选取常规的多物理量测系统,该量测系统主要包括土压力量测、水压力量测和位移量测,相应的仪器分别选取土压力传感器、孔隙水压力传感器和位移传感器。为了研究坡体的应力场及位移场的变化规律,在滑坡上布置2个剖面(见图2)，将相应仪器埋置在2个剖面上。剖面1土压力传感器位置为148 m，孔隙水压力传感器位置为145 m；剖面2土压力传感器位置为177 m，孔隙水压力传感器位置为175 m，位移传感器分别位于两个剖面的表面。

2.2 试验物理参数的确定

龙头山滑坡主要物理力学参数建议值如表1,表2所示。在所列滑坡物理力学参数的基础上，根据龙头山滑坡模型试验概化地质结构的特点，综合确定龙头山滑坡滑带原型材料与相似材料物理力学参数，各参数取值见表1，表2，采用LTS-T作为滑坡模型滑体结构的模型材料进行3次室内试验，见表3。本次试验滑体和滑带相似材料取值见表4，表5。

表1 滑带原型材料与相似材料物理力学参数

实验项目原型值相似比相似值强度参数C/kPa14.1～19.21000.141～0.192≈0φ/(°)16.9～21.6116.9～21.6

表2 滑体原型材料与相似材料物理力学参数

表3 滑体模型相似材料配比研究 %

表4 试验滑体模型相似材料取值

3 滑坡实验方案

试验工况实际上就是将复杂的滑坡的外部环境条件概化为人为控制的模型边坡的边界条件。模型试验考虑两个主要影响滑坡变形破坏的外界环境因素——水库蓄水和大气降雨，其中水库蓄水除了静止水位对滑坡稳定性有影响，水库调度中的水位骤降对滑坡稳定性也存在较大影响。水库蓄水可以以滑坡模型前缘水位边界条件变化来模拟；大气降雨则以滑坡模型上部降水来模拟。

3.1 补偿角度

由于边壁摩擦的不可避免，为了克服边壁摩擦对模型稳定性的影响，通过补偿的方式来消除边壁摩擦的影响无疑是很好的一种方式。在可倾斜模型试验中，通过不断抬升模型架角度，可以达到改变模型下滑力和阻滑力之间的比例关系，从而可以达到控制试验的目的。

表5 试验滑带模型相似材料取值

根据公式：

F(α)=0时对应的角度就是需要补偿的角度值。可以求得龙头山滑坡模型因模型边壁约束作用，模型补偿倾斜4.3°可以保持模型稳定性与原型滑坡一致，如图3所示。

3.2 实验工况组合

考虑到模型材料的相似性问题以及模型成型引起的边壁摩擦等问题，可以通过倾斜模型的方式调整模型的安全稳定状态，这个倾斜角度即为以上提出的补偿角度。在这个状态下，通过观测模型的变形情况来反映边坡稳定状态；试验工况组合见表6。

表6 试验工况组合

4 滑坡实验数据分析

4.1 库区水位对滑坡的影响分析

从图4和图5中可以看出，水位从175 m降至145 m，剖面1的孔隙水压力随库水位的下降呈线性递减，剖面2的孔隙水压力基本上保持不变，导致该过程中两个剖面的变化原因是剖面1断面的孔隙水压力传感器填埋在145 m处，库水位下降过程该剖面始终都受到水位的影响，库水位的下降使得滑体中渗入的水分流出，传感器上覆土的容重变小，孔隙水压逐渐变小。剖面2中孔隙水压力传感器填埋在175 m处，该剖面本不受库水位下降的影响，所受的孔隙水压力基本上为0 kPa。剖面1土压力随库水位的下降呈递减趋势，剖面1的变化是因为土压力传感器填埋在148 m处，水位下降传感器上覆土的容重变小，使土压力变小；剖面2土压力基本不受库水位变化的影响，其传感器位于断面177 m处，库水的渗入对该断面上覆土的影响很少。在该试验中，滑坡未有明显的滑动，剖面1和剖面2的位移变化并不明显(见图6)。

4.2 暴雨对滑坡的影响分析

从图4和图5中可以看出，水位从175 m降至145 m，剖面1的孔隙水压力应该随库水位的下降呈线性减少，但在降雨期间孔隙水压力随降雨的发生而增大，其原因是雨水渗入滑坡中，孔隙水压力传感器上的覆土容重增大，致使孔隙水压增加。当降雨结束后，孔隙水压仍随库水位的下降而减少。剖面2中的孔隙水压基本保持在0 kPa上，在降雨期间剖面2的孔隙水压力也出现增大情况，但降雨一结束孔隙水压力又下降，保持在0 kPa上。由于滑坡并未滑动，所以降雨对此次工况中滑坡的影响不明显。

4.3 滑坡稳定性分析

在滑坡蓄水到175 m的过程中，水的软化作用大大降低滑面的抗剪强度,水位的变化产生动、静水压力均使坡体的稳定性降低。水库蓄水引起土体结构的重新调整,使得滑坡涉水部分土体的有效应力发生变化,抗剪强度降低。而在水库水位从175 m降至145 m过程中,由于库水和雨水渗流作用,使滑坡涉水部分土体内部形成较大的水头差,该水头差引起的渗透力将使该部分滑体有向下运动的趋势,这就使得涉水区域已经破坏的松散的土体在动水压力的作用下,土体中细颗粒从孔隙中被带出,使得该部分土体继续出现渗透变形和破坏，从而使整个滑坡变得更加不稳定。

滑坡前缘175 mm～145 mm水位浸润段发生浅层滑动后，前缘阻滑段的阻滑作用减弱，可能诱发滑坡整体滑动，因此前缘175 mm～145 mm水位浸润段的变形可以作为滑坡整体滑动的预警前兆；滑坡前缘浅层滑动和整体深层滑动都在监测断面Ⅰ的位移曲线上有所表现，因此监测断面Ⅰ应作为龙头山滑坡监测的重点监测断面。

5 结语

通过对龙头山滑坡的试验研究可以得出以下结果：

1)龙头山降雨使地下水位抬高，使滑坡地下水力坡度增大。同时，大量降水沿滑体表面发育的裂隙的入渗排泄首先对滑体物质和滑带土产生了软化效应，直接降低了滑带土的抗剪强度，甚至可完全失去力学性能；其次是地下水静水压力效应，增加了滑坡体的重量；再者就是地下水的动水压力效应，增加了沿渗流方向的滑动力。滑体动、静水压力增加以及地下水饱和软化滑带土，使滑体易于变形失稳。2)三峡水库蓄水至175 m后，滑体前缘将更多地浸泡于水中，且库水位的涨落将对滑体稳定产生更为不利的影响。水库正式运行后采用“冬蓄夏泄”的水位调度方式，水位调幅变化可达30 m。水库水位抬升使得整个滑坡体地下水向坡体的渗透压力升高，一定程度上有利于滑坡稳定，但水位下降时势必会形成向临空方向的动水压力，牵引滑坡变形。

[1] 吴 剑，程圣国.三峡库区龙头山滑坡物理模型试验研究报告[R].2012.

[2] 张振华，罗先启，吴 剑,等.三峡库区滑坡监测模型建模研究[J].人民长江,2006,37(4):93-94.

[3] 刘 波,罗先启,张振华.三峡库区千将坪滑坡模型试验研究[J].三峡大学学报(自然科学版),2007,29(2):124-128.

Model test study on Longtoushan landslide of Wushan county

KE Wen-jun WU Jian WANG Neng-yong XU Meng-jiao

(CivilEngineeringandArchitectureCollege,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

Longtoushan landside is the major monitoring landside on the Three Gorges geological projects of preventing, monitoring and early warning. We can observe and summarize the variation of its pore water pressure, soil pressure and landside displacement in the landside instability process with landside physical model tests. And explore the influence of landside stability in the condition of the reservoir level changes and rainfall. It can provide the basis for landside monitoring and early warning.

landside， landside physical model test， stability， reservoir level， rainfall

1009-6825(2014)03-0079-03

2013-11-15

柯文俊(1987- )，男，在读硕士； 吴 剑(1973- )，男，副教授； 王能勇(1986- )，男，在读硕士； 徐梦蛟(1989- )，男，在读硕士

TU457

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