2020, Vol. 41
2. 中国地质环境监测院 三峡地质灾害监测中心，湖北 宜昌 443000
2. Monitoring Center of the Three Gorges, China Geological Environment Monitoring Institute, Yichang 443000, China
三峡库区历来是滑坡十分发育的地区之一，在库区内的长江干、支流两岸分布着2 600余处古老滑坡[1].2008年175 m试验性蓄水时复活滑坡数量更是达到了历史最大值[2].随着长江经济带发展和库区地质环境保护越来越受到重视[3]，水库蓄水诱发滑坡的复活变形特征与机理，特别是水库运行多年后滑坡的长期变形演化趋势等还有待深入研究.其中浮托减重型滑坡主要受库水位上升影响，其变形往往是在汛期后的蓄水阶段，多属于大型滑坡，影响较大且机理复杂，但目前在水库诱发滑坡研究中对于浮托减重型滑坡的相关研究较少.
库岸滑坡变形特征和机理目前仍主要以模型试验研究为主，其中离心模型试验具有不可比拟的优势，是能用离心惯性力场来模拟重力场，再现滑坡所处的应力场，因此近年来运用较为广泛.如在降雨型滑坡中，更真实地揭示降雨强度及入渗规律对滑坡的影响[4-5].在水库诱发滑坡中，运用离心试验主要研究了水位下降条件下滑坡变形破坏机制和土体物理力学特性变化，如水位下降导致的牵引式滑坡变形模式[6]以及不同部位变形特征[7]等，总体上相关研究不是很多.综上所述，离心模拟试验在水库诱发滑坡变形特征和机理的相关研究仍较少，而对于水库水位上升诱发变形的浮托减重型滑坡则更为少见.本文以三峡库区中典型的浮托减重型滑坡木鱼包滑坡为参考原型, 大尺寸离心滑坡模型系统，模拟了在水位上升条件下该滑坡的变形演化过程，通过获取的高清影像、孔压和土压数据，分析其变形特征和机制，为同类库岸滑坡的防控提供了一定参考依据.
1 岸坡原型浮托减重型滑坡的复活变形多发生在库水位上升阶段，在水位下降阶段变形较弱甚至不变形，主要由其独特的工程地质结构特征所影响，如靠椅形滑动面形态，其中后部主要为下滑段，前部为抗滑段，典型滑坡如木鱼包滑坡，滑坡滑体纵长1 500 m，均宽约1 200 m，面积180万m2，体积约9 000万m3，岩层产状为25°∠27°，为中倾外层状斜坡，滑坡的典型剖面如图 1所示.
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图 1 木鱼包滑坡剖面图 Fig.1 Geo-section map of Muyubao landslide |
根据滑坡现场地表位移监测资料(图 2)分析，木鱼包滑坡变形与三峡库水位有着显著的相关性，且主要集中在每年的11月至次年的3月，即水库水位上升和高水位运行时期，月位移量可达20 mm，而在4~10月期间，月位移量均较小，汛期(即4~9月)位移一般在10 mm以下，因此累计位移呈典型的“阶跃”状特征[8].
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图 2 木鱼包滑坡累计位移-库水位-降雨关系曲线 Fig.2 Monitoring curves of accumulative displacement of Muyubao landslide |
土工离心模型试验是基于用离心惯性力场来模拟重力场的原理，通过施加在模型上的离心力将模型容重变大，从而使模型中各点的应力趋近于原型.对于模型几何尺寸相似比(原型/模型)为n的离心模型，可根据模型试验相似理论，导出得到主要的物理力学参数的相似比关系，如表 1所示.
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表 1 离心模型与原型的相似比(原型/模型为n) Table 1 Ratios of similitude between centrifugal model and prototype one(model scale is n) |
本次试验均在成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室内完成，采用该实验室内的TLJ-500型土工离心机，其最大重度500g t，有效旋转半径4.5 m，拥有80通道静态和32通道动态数据采集，8路摄像机视频监视系统，主要构件如图 3所示.
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图 3 试验模型及主要构件 Fig.3 Test model and main components (a)—模型正视图；(b)—TLJ-500型土工离心机设备；(c)—制作好的滑坡模型 |
模型尺寸确定主要依据滑坡原型与模型的相似比，并参考离心机容量及模型箱尺寸等因素.本文研究针对三峡库区中木鱼包滑坡这类浮托减重型滑坡[9]，箱体尺寸为长×宽×高=1.2 m×1.0 m×1.2 m，滑体及滑床尺寸等如图 4所示.
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图 4 模型概化设计三维图 Fig.4 3D illustration of centrifuge test model |
本次试验的滑床设计为不渗水或弱渗水的刚性体，采用水泥砂浆与砖块堆砌而成.滑体土取自三峡库区滑坡体现场土体，为侏罗系沙溪庙组的紫红色粉质黏土夹碎石，为消除尺寸效应需对其进行剔除，采用等量替代法置换超粒径颗粒，替代后的各粒径组含量计算公式为
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(1) |
其中：Pi为替代后粗粒土某粒径质量分数，%；P5为大于5 mm粒径土的质量分数，%；Pdmax为超粒径颗粒质量分数，%；Poi为原级配某粒径组质量分数，%.对现场取回的土体经过剔除超粒径颗粒后，得到模型填料的颗粒级配曲线如图 5所示.
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图 5 模型土体粒径级配 Fig.5 Particle size distributions of soils of the test model |
根据离心模拟试验的相似性原理，需配置与表 1中所列相似比参数相符合的试验土体材料，依据相似比原理选定符合试验要求的配置方案.通过上述配置试验，配置了符合要求的土体材料229 kg，其天然含水率为14 %，密度为2.1 g · cm-3，其他各项物理力学指标如表 2所示.
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表 2 模型土体物理力学参数 Table 2 Physical and mechanical properties of soils used in landslide model |
制作模型前先在模型箱透明玻璃一侧粘贴透明网格纸，在金属板一侧粘贴滑坡剖面设计图纸.堆砌滑体时，采用分层填筑法，每层滑体堆砌高度为4 cm，首先称量所需的土体和水，通过喷雾壶使水与土体均匀混合，然后将其均匀铺设并使用夯板按设计的夯击路线夯实至预定层高，当滑体填筑至传感器及标记点高程时，测量并埋设好相应的监测装置.
2.5 监测系统本次试验的监测项目主要包括滑坡体内的孔压、土压、滑坡位移和水位高程.滑坡体内孔压和土压监测主要依靠布设在滑体内的5支微型孔隙水压力传感器和6支微型土压力传感器，另在模型的河道中布设一支孔压传感器以监测水位高程变化.滑坡位移则通过布设在模型箱上方和侧面的两台高速摄像机获取高清影像.
2.6 试验工况试验加速度按每20 g逐级加载，每级运行一定时间后再加载至下一级.本次试验持续时间1 928 s，加速度分3次加载，最高加载至50g，蓄水高度为31.9 cm，试验加速度加载和水位变化如图 6所示.
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图 6 试验过程中水位与加速度变化 Fig.6 The variation of water level and acceleration during the test |
在试验中滑坡发生了两次明显的变形.经过对比分析模型箱侧面及坡面正上方的高清图像，在第一次变形过程中，滑坡变形演化及其裂缝分期配套形成过程可划分为3个阶段：
1) 初始变形阶段.第150 s时，水位上升至11 cm处，开始淹没滑坡坡脚，第400 s时，滑坡出现变形迹象，随后滑体中部坡表先后出现两条大致平行于坡体走向的拉张裂缝L1和L2(如图 7a所示).
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图 7 滑坡第一次明显变形的裂缝空间演化 Fig.7 Spatial evolution of fractures of the first deformation (a)—初始阶段；(b)—加速阶段. |
2) 加速变形阶段.随着库水位继续上升，中部两条裂缝L1, L2迅速扩展贯通，同时前部裂缝不断延伸产生次级裂缝L3，而在坡体后部也迅速新增产生横向张拉裂缝L4，形成拉张应力区(如图 7b所示).
3) 减速变形阶段.随着滑坡加速变形阶段的一次剧烈下蠕滑，第500 s后滑坡变形速率逐渐减缓，而没有进入到整体下滑失稳阶段，并在第560 s时滑坡变形逐渐停止，无明显变形迹象产生.
随后水位继续升高，滑坡未产生变形，直到水位上升淹没滑体前部，库水灌入平台上裂缝并渗入滑体内部，滑坡在第1 100 s产生第二次变形.滑坡后部L4拉裂缝迅速扩张，裂缝以下整体沿滑动带向前推移变形，前缘中部产生压应力集中现象，地表再次产生隆起，隆起裂缝不断扩展，变形一直持续到第1 200 s，随后变形逐渐减弱，并在第1 300 s时变形停止，滑坡最终破坏后剖面形态如图 8a所示.
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图 8 滑坡变形典型位移追踪布置点及滑坡累计位移曲线 Fig.8 Typical displacement tracking layout points of landslide deformation and cumulative displacement curves of landslide model (a)—位移追踪布置点; (b)—滑坡累计位移. |
通过获取的高清影像，基于Matlab中图形用户界面GUI开发的PIV分析工具[10]，对不同时段高清影像中的标志点和土颗粒运移轨迹及位移速率等信息进行提取分析，可得到滑坡位移矢量场，通过追踪位移标志点(如图 8a所示)，得到各监测点的累计位移随时间变化特征，如图 8b所示.
由图可知滑坡累计位移曲线呈明显的“阶跃状”特征，这也与现场原型滑坡的累计位移曲线变化特征十分吻合.滑坡模型分别在400~600 s和1 100~1 300 s之间发生了两次明显的阶跃，且第一次变形量较大，地表位移达20 mm，第二次位移约10 mm.变形“力源”主要来自滑体中后部的下滑段，其推挤滑体前部抗滑段的岩土体产生滑移变形，因此中后部受前部阻挡，产生的变形量小于前部平台.
得到滑坡剖面的整体位移矢量场如图 9所示，同样显示第一次滑体位移量较大，而第二次变形有所减弱，且在第一次滑动过程中，滑体前部除了有水平向前的位移外，还有竖向垂直的位移变形，即滑体存在垂直固结压密行为，滑体前部原始坡面线下降主要发生在第一次变形.
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图 9 滑坡变形位移矢量图 Fig.9 Landslide displacement vectors (a)—第一次变形；(b)—第二次变形. |
各传感器布设如图 10所示.滑坡体内各部位的孔隙水压力变形如图 11所示，第340 s时，水位上升至14 cm处，前部滑带处孔隙水压力响应上升，P1与P3首先开始响应逐渐增大，且P3上升速率较快，表明库水水平入渗条件较好.第430 s时，水位上升至15 cm处，滑坡已出现变形，500 s后滑坡变形逐渐停止，随水位持续升高，各孔压也继续上升，但增大幅度不大.分析认为与滑坡变形导致土体固结压密等因素有关，P1与P5增大幅度较其他孔压大，P1有一微小幅度上升，P5则保持缓慢上升趋势.随后在第1 100 s，滑坡再次产生变形并持续到1 200 s，随后孔压P3和P5仍持续增大，一直增加到1 490 s，P5增加幅度约13 kPa，P3增加幅度约11 kPa.
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图 10 离心机传感器布设点位坐标 Fig.10 Centrifuge set-up and sensor location (a)—x, y平面；(b)—x, z平面. |
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图 11 滑坡孔压监测曲线 Fig.11 Measured pore-water pressure varying with time |
5支土压力曲线变化见图 12，S4被滑坡变形扯断.在加速度逐渐增加的过程中，土压S1, S3, S5响应较快，随加速度增加而增大.第480 s后，土压S6迅速增大，分析认为是由于滑坡向下滑动导致S6处土体应力集中，致使土压力值上升，第560 s后，随着滑坡变形停止，S6逐渐稳定并呈缓慢上升趋势，同样在第1 150 s时，加速度与水位处于相对稳定状态，此时滑坡发生持续变形，S6持续增大，并随着变形减弱而逐渐趋于稳定，表明该区域是滑坡下滑时的压应力集中区.土压S3随着滑坡变形而出现了明显下降，分析认为由于滑坡滑动过程中，原上覆厚层土体被推动挤压向前滑动，产生裂缝并导致应力累积释放，且新的上覆土体厚度减小，因此土压力有所降低，在滑坡体前部的S1, S2和S3土压力中也有同样变化趋势.
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图 12 滑坡土压监测曲线 Fig.12 Measured earth pressure varying with time |
试验结束后的30 min内，在滑坡各部位取样共计18处，典型的含水率值及取样位置如图 13中数字标注处所示.总体上看，未涉水区的土体含水率有所下降，受模型转动过程中的风干影响，坡表含水率低于坡体深部，含水率等值线呈下凹状，表明坡体内部水分有向坡体深部和坡外渗流的特征；而最高水位线附近土体含水率逐渐变为斜直线，在前缘平台处则演变为上凸状，平台土体中部含水率最高，达到了20 %以上，由此可见库水淹没前缘平台后，不仅存在垂直入渗，在两侧也存在水平入渗模式，导致含水率云图呈隆起状.
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图 13 变形后滑体含水率等值线云图 Fig.13 Distribution of water contents of landslide model |
由上述试验结果可知，在水库蓄水后，由于库水渗入到滑动带部位，坡内水位抬升，对前部平台滑体产生了向上的浮托力，这从水位上升淹没滑坡不久后孔压逐渐增大可以得到验证.因此前部滑体的正应力降低，从而导致抗剪强度降低，而前部平台是滑坡的主要抗滑部分，从而导致滑坡整体稳定性下降.坡体中后部下滑推动前部滑移，并在前部出现压应力集中并产生隆起现象，呈典型的推移式滑动模式.
变形均持续一定时间后逐渐停止而达到稳定状态，因此滑坡地表累计位移呈典型的“阶跃状”特征，随深度增加位移量逐渐减小.其变形特性可用开尔文黏弹性体模型表示，在施加初始荷载后，变形过程会经历初始变形再到加速变形到减速变形的衰减蠕变特征.
在滑坡变形过程中，不仅仅存在滑坡整体沿滑带滑动，滑体本身也存在竖直向的固结压密，该过程在滑坡第一次变形中尤为明显.因此地表的位移往往大于滑带处的位移，从地表到滑带随深度增加变形逐渐减弱，如图 14所示.
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图 14 滑坡变形演化模型 Fig.14 Deformation mode of the landslide |
1) 在库水位上升淹没滑坡约4 cm时，发生了第一次明显变形，滑坡变形经历了从初始变形到加速变形最后减速变形的过程，地表位移约20 mm，变形呈典型阶跃状，随后继续上升淹没滑坡19 cm高度时发生第二次明显变形，地表位移约10 mm.
2) 滑坡变形为中后部滑体沿滑动带向前推移变形，前部出现压应力集中现象，地表不断产生隆起，呈典型推移式滑动.在两次明显变形后，滑坡均再次达到相对稳定状态，滑坡模型变形特征与实际原型变形特征较为吻合.
3) 滑坡发生复活变形的主要诱发机制为库水上升渗入坡体产生浮托力，从而降低滑体前部主要抗滑段的正应力，致使滑坡抗滑段的抗剪强度降低诱发变形.而滑坡变形逐渐停止的主要原因是滑坡体在变形过程中存在自身的固结压密过程，以及下滑后滑坡的势能损失.
4) 在库水入渗滑体时，由于滑体前部存在鼓胀隆起现象，因此前部坡体内水平状裂隙较为发育，导致库水的水平渗流通道较好，从而坡体中部的孔压增幅较大，滑后的坡体含水率云图也显示前部淹没区的土体含水率呈上凸的山包状分布.
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