Generalizability Method of Physical Model Shape for Majiagou Landslide in Three Gorges Reservoir Area
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摘要: 以三峡库区秭归县马家沟滑坡I号滑体为例, 为研究其在库水位升降和降雨条件下的变形破坏及稳定性, 对其采用框架式模型试验, 参照1∶40相似比进行了缩放.以模型概化前后滑坡稳定性系数相一致为目的, 在2.0m×1.0m×1.5m的试验框架内, 通过改变抗滑桩前的滑体、滑带的几何形态, 建立了与研究对象应力边界条件一致的地质力学模型.概化后对滑坡桩前边界推力和研究区后边界推力进行拟合, 得出相应于实际滑坡在不同水位时边界推力的折减系数.通过调节水位的升降速率来保证在水位变化时滑坡概化前后稳定性系数等效, 数值模拟结果显示滑坡模型的水位变化速率为0.7m/d、水位在183~204m范围内升降满足模拟实际滑坡水位在145~175m间变动的情况, 从而也验证了滑坡概化后模型的合理性.Abstract: To study the deformation and stability in the condition of water level fluctuation and rainfall, the frame type model test was taken on the sliding body I of Majiagou landslide with a ratio of 1∶40.The shapes of sliding body and sliding zone in the front of the anti-slide pile were changed in the 2.0m×1.0m×1.5m frame to make sure that the stability coefficients were the same before and after being generalized. The reduction factors of the boundary thrust in the different water levels corresponding natural conditions were put forward. The rate of water level rise and fall was changed in order to guarantee equal stability coefficients, and the numerical simulation results show that the rate of 0.7m/d ranging from 183 to 204m is in accordance with the actual landslide, and the rationality of the model is verified.
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Key words:
- landslide /
- shape of model /
- generalizability method /
- stability coefficients /
- geologic hazard
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滑坡的物理模型试验与理论研究对于研究滑坡的形成机制与机理具有重要的价值与意义(肖先煊等, 2013).国内外的众多学者对于滑坡模型试验展开了大量的研究.胡修文等(2005)采用3个小比例尺二维物理模型试验研究赵树岭滑坡的整体稳定性及其可能变形、破坏机理;罗先启等(2005, 2009)、刘波等(2007)以石榴树滑坡与千将坪滑坡为依托,开展了一系列模型试验研究并取得一定的成果;肖诗荣等(2010)通过地质力学模型试验,对千将坪滑坡进行滑坡机制研究;刘洪佳等(2011)利用滑坡模型试验研究了不同材料模拟滑带土对模型稳定性的影响;吴剑等(2012)通过倾斜模型获得滑坡的变形破坏过程;殷坤龙等(2012)采用室内大型物理模拟实验手段对三峡库区滑坡涌浪开展了深入研究,并提出了三峡库区滑坡涌浪计算公式;Bhardwaj and Mandal (2008)为得知边坡中加筋土的作用对土质边坡进行了室内模型试验; Sawwaf(2010)对于垂直加压直至破坏的稳定沙坡进行了模型试验研究;Keskin and Laman(2013)在一定尺寸的试验箱里对砂质边坡条形基础的极限承载力进行了研究;Mikuni et al.(2013)利用物理模型试验研究了由地震和余震导致的滑坡的破坏特征.此外Qin et al.(2001)、Zhang et al.(2010)、Zhao and Wang(2013)等学者也都通过一定的试验手段获得了滑坡在一定条件下的性质.
容易看出,目前进行的滑坡模型试验研究,大都基于滑坡整体模型已建好的情况下开展的,对于模型的建立过程并没有进行详细介绍.而对于大型滑坡,仅通过简单的比例缩放后的模型是否合理,能否真正代表实际的滑坡并没有给出论证.本研究基于三峡库区马家沟滑坡Ⅰ号滑体拟采用框架式模型试验(石崇喜等, 2011)进行研究,对滑坡进行比例缩放后,模型不能满足实际情况.基于此,文章从滑坡形态的概化方法出发,对于其物理模型形态的建立过程进行了详细的论述,并验证了模型的合理性.
1. 滑坡框架式模型研究范围
为研究滑坡-防治结构体系相互作用机理模型必须将滑坡中已有抗滑桩纳入研究区内.综合各方面因素考虑最终确定模型的相似比为1∶40,由于试验条件、制作工艺等的限制,拟定模型框架的尺寸:长×宽×高=2.0m×1.0m×1.5m.马家沟滑坡Ⅰ号滑体基准剖面进行缩放得到模型尺寸:长度为13.24m,后缘高度为3.61m.参照框架尺寸,模型试验所能研究的实际滑坡区域长为80m,宽为40m,考虑抗滑桩必须处在研究区域内,可在Ⅰ号滑体的纵剖面上确定出研究区(图 1).
以上所述滑坡缩放概化后,由于受模型框架尺寸限制,参照相似比仅研究了抗滑桩位附近70 m的区域,对于滑坡前缘的阻滑段未进行严格概化.滑坡前缘滑体堆积层厚度较平均滑体厚度大,且阻滑段较长,提供了滑坡主要的抗滑力.库水位在145~175 m间波动时,水位升降对滑坡前缘的作用明显.故研究区内此坡形仅按缩放比进行缩放不能满足概化要求.
2. 滑坡物理模型形态概化
2.1 模型概化目的与技术路线
在保证相似比的情况下为了使模型坡形于已有的框架中完成降雨和库水位升降对滑坡稳定性影响的研究,必须对试验坡形进行新的概化,以将抗滑桩前的阻滑段纳入研究区.为了达到以上目的,抗滑桩后的滑体、滑带不纳入改变的范围,主要是针对模型研究区抗滑桩前的滑体、滑带形态进行改变.在概化的过程中,以滑坡稳定性系数作为模型概化是否成功的判据.具体概化思路见图 2.
2.2 模型概化具体步骤
滑坡稳定性系数作为模型概化成功与否的判据,采用刚体极限平衡法进行计算得到.在计算过程中,需要将滑坡进行条分,根据概化的最终要求,抗滑桩后的滑体条分状态在概化前后不需要改变,仅改变桩前滑体的条分.
(1) 桩前条分改变方式.滑坡稳定性计算过程中,桩前条块数的增加与减少,会直接影响稳定性计算的难易.假设条块数为n,则计算过程的变量为:2+3(n-1).
考虑减少变量,利于计算,针对桩前滑体部分仅划分成2个条块(图 3).
鉴于1、2、3号点位置,则可以确定1、2、3号点的横坐标;在模型概化过程中,仅需改变1、2、3号点的纵坐标.
概化过程中,必须保证以下几点要求:①2号点纵坐标不得高于4号点,保证桩前滑面形态不出现上凸状态;②3号点纵坐标不得高于5号点,保证桩前滑体形态不出现大角度的变化;③1号点纵坐标不得高于5号点,保证剪出口位置低于桩顶,水位变动能影响模型桩前土体;④1号点纵坐标,控制剪出口高程,但不宜高于185m.
(2) 桩前条分概化步骤:①固定剪出口位置,即确定1号点的坐标;②根据1号点的横坐标和抗滑桩的位置确定出2、3号点的横坐标;③根据条分法稳定性的计算方法,不断改变桩前滑体形态(即改变2、3号点纵坐标)试算出天然工况下实际滑坡稳定性系数1.2137,以此确定得到2、3号点的纵坐标;④库水位在145~175m之间变动时,滑坡体中的浸润线按照3°起伏以水位与滑坡体交点为基准直线向滑坡体内延伸,按照5m一个节点进行静水位条件下稳定性计算,得到不同水位下的稳定性系数(表 1).
表 1 静水位条件下实际滑坡稳定性系数Table Supplementary Table Stability coefficients of the landslide under static water level水位高程(m) 稳定性系数 无水 1.213 7 145 1.190 9 150 1.195 9 155 1.221 3 160 1.250 7 165 1.304 0 170 1.383 4 175 1.503 7 ⑤ 参考天然状况稳定性计算过程,同时考虑滑坡体前缘库水的压脚作用,不断改变1、2、3号点的纵坐标,以稳定性系数保持相同为依据,试算出模型试验对应145~175m的水位变动范围.
2.3 滑坡模型概化最终结果
通过以上的模型概化步骤计算,最终得到表 2结果.
表 2 静水位条件下概化模型的稳定性系数Table Supplementary Table Stability coefficients of the generalized model under static water level剪出口高程(m) 不同水位高程(m)下稳定性系数 无水 185 190 195 200 180 1.213 7 1.179 1.187 1.219 1.279 181 1.213 7 1.201 1.238 1.133 1.120 182 1.213 7 1.196 1.198 1.224 1.286 183 1.213 7 1.197 1.267 1.374 1.511 184 1.213 7 1.192 1.236 1.324 1.445 185 1.213 7 0.920 0.817 0.737 0.676 将表 2与表 1进行对比,经过试算最终确定出,概化后滑坡模型的前缘剪出口高程为183m,实际库水位145~175m变动区间对应的滑坡模型水位变动区间是183~200m(图 4).
3. 模型合理性验证
3.1 概化前后滑坡推力比较
通过对比滑坡概化前后桩前剩余推力和研究区后边界推力(表 3),来进一步说明概化的合理性.
表 3 概化前后滑坡剩余推力对比Table Supplementary Table Correlation table of residual thrust of the landslide and the generalized model状态 水位高程(m) 桩前剩余推力(kN/m) 研究区后边界推力(kN/m) 概化前滑坡 无水 1 586.40 1 915.34 145.0 1 586.40 1 915.34 150.0 1 586.40 1 915.34 155.0 1 586.40 1 915.34 160.0 1 586.40 1 915.34 165.0 1 586.40 1 915.34 170.0 1 586.40 1 915.34 175.0 1 586.40 1 915.34 概化后滑坡 无水 1 586.40 1 915.34 183.0 1 586.40 1 915.34 185.0 1 586.40 1 915.34 187.0 1 586.40 1 915.34 190.0 1 626.36 1 915.34 193.4 1 750.81 1 915.34 195.0 1 877.87 2 173.29 200.0 2 197.57 2 439.16 抗滑桩出露基岩的高程为187m,试验过程中,伴随水位的上升,模型的前缘不断浸没于水中,各项物理力学参数随之发生改变,模型抗滑桩桩前剩余推力随浸润线是否超过187m而改变.
当浸润线低于或等于187m时,模型抗滑桩及其后部的土体基本不受影响,桩前边界推力不改变,等同于天然状况下的桩前边界推力;当浸润线超过187m时,模型抗滑桩淹没于水中,其后部土体将随着水位上升逐渐浸没在水中,桩前边界推力随之改变,相应于天然状况下的桩前边界推力,需采用修正系数k1进行修正.通过图 5曲线拟合可以得到k1的取值如公式(1).实际桩前剩余推力可按1586.40+概化后滑坡桩前剩余推力×k1来计算.
$$ {k_1} = \frac{1}{{2.803{x^2} - 1037x + 97462}}, $$ (1) x表示水位高程, 且x>187 m.
概化后,模型后边界施加推力位置的高程为193.4m,模型施加的后边界推力随浸润线水位是否超过193.4m而改变.
当浸润线水位低于或等于193.4m时,模型施加的后边界推力基本不受影响,等同于天然状况下施加的后边界推力;当浸润线水位超过193.4m时,模型施加的后边界推力随之改变,相应于天然状况下施加的后边界推力,需采用修正系数k2进行修正.通过图 6曲线拟合可以得到k2的取值如下公式(2).实际研究区后边界推力可按1915.34+概化后研究区后边界推力×k2来计算.
$$ {k_2} = \frac{1}{{ - 16.37{x^2} + 6519x - 64664}}, $$ (2) x表示水位高程, 且x>193.4 m.
由以上可得,当应用此概化后的模型时,通过一定的修正后桩前剩余推力和后边界推力与实际滑坡是相吻合的,证明了此概化方案是合理的.
3.2 水位动态变化条件下概化滑坡物理模型稳定性系数变化规律
为了研究不同水位下滑坡体的稳定性,通过软件Geo-slope计算水位动态变化条件下,滑坡稳定性系数的变化规律,计算剖面见图 7和8.
进行数值模拟时滑体的渗透系数0.09821m/d,体积含水率0.34,图 7中实际滑坡水位变化速率为1m/d,在库水位升降的一个周期内(即145m升到175m再降落回145m),稳定性系数变化如图 9中原始水位变化所示,其水位上升时间与下降时间均为30d,为了使得图 8剖面中水位变化时稳定性系数与图 7所示剖面中水位变化时稳定性系数等效,并综合考虑静态水位的计算结果,选择调节水位升降速率来达到上述目的.文章计算了图 8剖面在水位变化速率分别为0.4m/d、0.5m/d、0.6m/d和0.7m/d时的稳定性系数.计算结果如图 9.
由结果可以看出,尽管对水位变化速率进行调节,但是不同剖面对应的稳定性系数还是很难相符合,所以对于剖面8得出的稳定性系数经过试算后乘以折减系数1.025后,得出图 10稳定性系数折减后不同水位变化速率下的滑坡稳定性系数变化图.由图 10可以看出经过折减后水位变化速率为0.7m/d比较符合实际滑坡.
经过分析比对可以看出,经过折减后,概化后的模型能够应用于水位动态变化的条件下,且是合理的、可行的.
4. 结论
(1) 在已有模型试验框架中对马家沟滑坡I号滑体抗滑桩前的滑体、滑带形态进行改变,得出概化后的模型试验滑坡剖面,确定滑坡模型前缘剪出口高程为183m,实际库水位145~175m变动区间对应于室内模型试验的水位波动范围在183~200m之间.
(2) 构建了修正系数,使概化前后滑坡在不同水位的桩前边界推力和研究区后边界推力相拟合.
(3) 通过调节水位升降速率来达到概化后滑坡与实际滑坡在水位变化时稳定性系数等效,得到模型在水位变动速率为0.7m/d时的稳定性系数乘以1.025的折减系数后比较符合实际滑坡情况的结果.
(4) 文中概化方法可对大型堆积层土质滑坡的物理模型概化提供参考.
(5) 本文仍存在一些不足,模型形态概化基于滑坡整体稳定性及剩余推力,将滑体视为刚体进行概化,对于滑坡的概化局限于纵深方向,对于横向的概化尚未考虑.
(6) 由于理论分析存在适当的条件假设和简化,故而应收集滑坡野外监测资料,且需根据模型试验的结果进一步修正滑坡模型.此后笔者将针对这些不足进行深入的研究.
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表 1 静水位条件下实际滑坡稳定性系数
Table 1. Stability coefficients of the landslide under static water level
水位高程(m) 稳定性系数 无水 1.213 7 145 1.190 9 150 1.195 9 155 1.221 3 160 1.250 7 165 1.304 0 170 1.383 4 175 1.503 7 表 2 静水位条件下概化模型的稳定性系数
Table 2. Stability coefficients of the generalized model under static water level
剪出口高程(m) 不同水位高程(m)下稳定性系数 无水 185 190 195 200 180 1.213 7 1.179 1.187 1.219 1.279 181 1.213 7 1.201 1.238 1.133 1.120 182 1.213 7 1.196 1.198 1.224 1.286 183 1.213 7 1.197 1.267 1.374 1.511 184 1.213 7 1.192 1.236 1.324 1.445 185 1.213 7 0.920 0.817 0.737 0.676 表 3 概化前后滑坡剩余推力对比
Table 3. Correlation table of residual thrust of the landslide and the generalized model
状态 水位高程(m) 桩前剩余推力(kN/m) 研究区后边界推力(kN/m) 概化前滑坡 无水 1 586.40 1 915.34 145.0 1 586.40 1 915.34 150.0 1 586.40 1 915.34 155.0 1 586.40 1 915.34 160.0 1 586.40 1 915.34 165.0 1 586.40 1 915.34 170.0 1 586.40 1 915.34 175.0 1 586.40 1 915.34 概化后滑坡 无水 1 586.40 1 915.34 183.0 1 586.40 1 915.34 185.0 1 586.40 1 915.34 187.0 1 586.40 1 915.34 190.0 1 626.36 1 915.34 193.4 1 750.81 1 915.34 195.0 1 877.87 2 173.29 200.0 2 197.57 2 439.16 -
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