模拟库水位变化的抗滑桩加固边坡离心模型试验研究

 抗滑桩是边坡深层抗滑最为有效的措施之一,以三峡库区边坡抗滑桩加固工程为背景,利用离心模型试验手段,模拟库区蓄水和水位循环变化条件下失稳边坡的抗滑桩加固机制。详细介绍相应的离心模型试验方法,通过对一系列自然边坡和不同桩间距条件下的模型试验,获得库水位变化影响下的边坡变形、破坏模式和抗滑桩受力,探讨滑坡推力的分布以及不同桩间距条件下的抗滑桩–边坡相互作用机制。测试结果表明,受抗滑桩加固的边坡在水位升降作用下仍发生一定程度的变形并产生裂缝,随着抗滑桩的直接支挡和桩后土体由于不均匀位移产生土拱效应后,边坡变形逐渐得到较好的控制。在本试验条件下,随着桩间距的增大,边坡变形总体上表现为增大趋势,但抗滑桩的受力呈现出先增大后减小的抛物线型变化形态,在某一最适桩间距情况下抗滑桩的抗滑性能得到了最充分的发挥,而滑坡推力表现出复合三角形分布特征。该研究结果为桩土相互作用和库区边坡抗滑桩加固机制分析提供了直接的试验依据,对丰富抗滑桩设计理论和库区边坡的防灾减灾研究具有较为重要的意义。     

复杂水库调度及降雨条件下堆积体滑坡离心试验研究

复杂水库调度是指库水位经历多次上升或下降且速率前后不一致的工况,是工程中常见情况。为研究水库调度和降雨条件下库岸堆积体边坡滑动触发因素、演化规律及失稳机制,以HD库区典型堆积体边坡为原型,自制库水位变动与降雨耦合作用离心试验系统,设计水位上升→水位下降(慢速)→降雨→水位下降(快速)工况,开展离心机模型试验。分析试验全过程中边坡宏观变形、孔隙水压力及土压力变化特征,以探究复杂水库调度及降雨条件下堆积体边坡变形破坏机制。结果表明：水库蓄水阶段边坡变形不易察觉,主要发生边坡底滑面前缘局部坍塌;库水位骤降会诱发边坡产生中下部的分级滑动并带动后缘产生拉裂缝;降雨引起坡表侵蚀及边坡整体下沉,表现出推移式破坏特征;尽管第2次水位骤降速率是第1次的2倍,但边坡变形表现为以前缘局部牵引式下沉为主。     

牵引式滑坡演化模式研究

该研究以甘肃黑方台为区域背景,通过离心模型试验与应力路径试验相结合的手段,研究地下水位抬升引发牵引式黄土滑坡的演化模式和力学机理。离心模型试验中,模型边坡的尺寸为0.8 m×0.4 m×0.45 m(长×宽×高),离心加速度为100g。在试验中,通过水位控制系统实现地下水位的不断抬升,利用数码摄像、孔隙水压力及激光位移传感器、侧面示踪点等仪器设备详细记录地下水位抬升过程中边坡内的孔隙水压力、边坡变形、滑动面形态及坡面裂缝的形成和发展过程。应力路径试验中,通过恒载增孔压试验和偏压固结不排水试验,模拟了滑坡酝酿启动过程和局部破坏向整体滑移的发展过程。基于以上成果,提出饱水黄土在上覆荷载下因孔隙水压力增大而失稳,在卸荷条件下使应力重分布,导致局部剪切带发展并逐渐形成贯通的破坏面,边坡表现为牵引式的破坏模式。该研究结果有助于深入认识水位抬升引发牵引式滑坡的演化模式和力学机理,为治理此类滑坡提供科学依据。     

水位下降作用下边坡渗流场及稳定性分析

结合库区的特点,分析了水位下降过程中各种土质边坡的渗流场、变形场与边坡的安全系数随水位变动的规律.得出了变形场受渗流场影响的规律,以及土体塑性变形对边坡的安全储备有贡献,可为库区地质灾害防治工程提供依据.     

水位骤降对边坡稳定性影响的模型试验及数值模拟研究

自然或人工边坡的稳定性研究是当前岩土工程研究领域的热点问题之一。随着三峡等大型水利设施的兴建和投入使用,水位骤降对边坡稳定性影响也引起人们的广泛关注。通过室内模型试验研究水位骤降引发临水边坡滑坡的原因及失稳模式是经济、便捷的常用方法。本试验模型箱的尺寸为2.5m×1.5m×1.5m(长×宽×高),边坡高度为1.05m。边坡体内埋设了10只土压力盒和7只渗压计,用于测量水位骤降过程中土压力和孔隙水压力的变化情况,记录边坡失稳破坏过程中土体内部的变化过程。同时,利用geo-slope软件模拟边坡失稳破坏的整个过程,并且利用数值模拟的结果与试验结果进行对比分析,解释边坡破坏的机理。试验结果表明:水位骤降对边坡稳定性产生很大影响,水位下降速度越快,边坡沉降也就越大,最后形成明显的位移集中区域;边坡的安全系数分别随着水位高程的减小、水位下降时间的增加出现增加最后趋于稳定;在此土质、坡形条件下的边坡破坏的形态与数值模拟所得8min时滑动面的形态相吻合,据此也用试验验证了数值模拟的可靠性。     

三峡库区靠椅状土质滑坡变形特征及机制分析

自三峡库区蓄水以来,库区不少滑坡监测位移–时间曲线呈台阶状阶跃变化,靠椅状土质滑坡尤为明显,此现象加大了滑坡稳定状态的识别度,严重影响滑坡的预警预报。以白家包滑坡为例,通过多次野外地质调查、长期现场巡查、十多年的GPS位移监测数据、1a多全自动监测数据及滑坡学相关理论等,较深入研究了在库水升降及降雨条件下该滑坡的变形演化规律。结果表明,在汛期及库水位升降时滑坡发生变形,库水位下降为诱发变形的主要因素,年位移量在35～250 mm,历年位移曲线呈"W"型波动,一次跃阶30～180 mm位移量集中在20～30 d完成。库水位下降25m水位高程为150m左右时,位移跃阶启动。库水位下降至145m后1周,跃阶日位移达最大值5～8mm/d。降雨只在库水位下降期间对滑坡的变形有一定的助推效果,在库水位上升期间,几乎没有影响。受靠椅状等坡体结构特征制约,在库水位升降作用下坡体会反复变形,但难以发生整体性大破坏。     

降雨条件下折线型滑面的大型滑坡稳定性离心模型试验

以大型土工离心机为技术依托,采用离心模型试验,研究开挖和降雨对滑面为折线型的大型滑坡变形破坏和稳定性的影响。试验中采用变形标志点、颗粒图像测速技术(PIV)和可承受高离心力的传感器,在获取坡体土压力、孔隙水压力和位移矢量场的基础上,综合分析开挖和降雨诱发大型滑坡变形破坏的特征及失稳模式。试验结果表明,在滑面形态变化大的部位开挖卸荷容易引起折线型滑面大型滑坡的局部复活;受开挖卸荷和降雨影响,滑坡后缘的开挖斜坡位移最大且最先失稳;受降雨的影响,滑坡前部位移较大,坡体表面变形破坏严重,开挖斜坡下部发育一条次级滑裂面,滑坡后缘和开挖平台前沿滑面坡度突变处各形成一条潜在主滑裂面。离心模型试验显示折线型滑面的滑坡受开挖和降雨的影响可表现出分级分块滑动的变形破坏特征。稳定性分析表明,降雨使折线型滑面的大型滑坡不同滑段稳定性系数不同程度降低,滑坡后缘、开挖斜坡和滑坡前缘处于不稳定状态。     

水位骤降对边坡稳定性影响的模型试验研究

 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15 m×5 m×6 m(长×宽×高),边坡部分的高度为4 m。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。试验结果表明,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。     

高频次微小地震下顺倾软硬互层边坡动力稳定性研究

三峡库区(TGR)自蓄水以来微震活动加剧、强度增大,频发微震会对库区边坡产生一定影响。采用振动台模型试验和UDEC数值模拟方法,对库区顺倾软硬互层边坡在不断微、小地震作用下的破坏失稳演化过程及动力稳定性进行了研究。研究成果如下:在不断地震作用后,边坡自振频率下降、阻尼比上升,自振频率下降的速度随加载次数和加载幅值的增加而增大;在不同加载阶段,边坡坡面PGA放大系数不断降低,动力响应呈现减弱趋势;弱层成为顺倾软硬互层边坡变形破坏的优势区域;边坡的破坏失稳演化过程为分段式的滑移破坏过程,上部软、硬层滑落后,剩余滑体沿着由上部弱层剪切裂缝、中部硬层次级节理拉裂缝和下部弱层剪切裂缝贯通形成的滑移面滑移破坏;UDEC数值模拟表明顺倾软硬互层边坡的累积永久位移随微震作用次数的增加而增加,稳定性系数则呈现递减趋势。研究成果对库区滑坡形成机制的认识和减灾、防灾有一定的价值。     

滑坡不同变形阶段演化规律与变形速率预警判据研究

 预测预警是国际滑坡灾害研究的热点与难点,目前滑坡不同变形阶段历时与变形速率临界值方面的研究存在不足。为深入探索滑坡不同变形阶段演化规律与变形速率预警判据,将滑坡变形演化过程划分为初始变形、匀速变形、加速变形和急剧变形4个阶段,基于滑坡数据库信息,采用统计分析方法研究滑坡不同变形阶段历时特征及其与不同影响因素的相关性、总结不同变形阶段裂缝发展及宏观特征、分析不同变形阶段滑坡位移速率预警判据。通过研究发现：(1) 滑坡加速变形阶段历时18 ～1 080 d,接近一半的滑坡加速阶段历时位于区间30～90 d;绝大部分滑坡急剧变形阶段历时小于30 d。(2) 滑坡破坏模式、滑体方量、滑面类型与滑坡变形阶段历时相关,其中滑面类型与变形阶段历时的关系最为密切,滑面为硬性结构时滑坡加速与急剧变形阶段历时较短,滑面为软弱层面时加速与急剧变形阶段历时较长。(3) 滑坡进入加速变形阶段时裂缝最大宽度为1～50 cm,进入急剧变形阶段时最大裂缝宽度为4～126 cm,其中土质滑坡与堆积体滑坡临界裂缝宽度较大,岩质滑坡临界裂缝宽度相对较小。(4) 滑坡进入急剧变形阶段位移临界速率一般不超过50 mm/d,倾倒型滑坡速率临界值相对较大,软弱滑动面滑坡该位移速率临界值较硬性滑动面滑坡大。(5) 各种滑坡进入加速变形阶段的位移速率均不大,此速率值与破坏模式关系密切。破坏模式为滑动破坏的滑坡该位移速率阈值基本都不超过4 mm/d,倾倒破坏或崩塌破坏的滑坡该阈值稍大,一般大于4 mm/d。     

水位变化诱发粉土边坡失稳离心模型试验

粉土具有明显的非饱和土力学特性,坡内外水位变化诱发粉土边坡失稳是常见工程灾害之一。分别针对坡内和坡外水位变化诱发的粉土边坡失稳情况,开展了相应的离心模型试验研究,结合非饱和土力学相关理论分析和数值模拟,揭示了粉土边坡在两种情况下的变形及失稳模式和发生机制。结果表明：当坡内水位超过1/3坡高后,在坡内渗流作用下,粉土边坡呈现逐级侵蚀剥落、从坡脚向坡顶、由浅层向深层的多级滑坡失稳;坡外水位上升将导致松散粉土边坡发生显著湿陷变形,而坡外水位骤降将造成粉土边坡的多重浅层牵引式滑坡。粉土边坡的失稳模式和发展与粉土的非饱和土力学特性密切相关。最后根据模型试验结果提出了相应的粉土边坡渗流失稳工程控制措施。     

水位下降条件下土坡破坏的离心模型试验研究

水位下降引起土坡破坏的规律机理对于发展稳定性分析方法具有重要意义。研制了离心模型试验中超重力场水位升降模拟设备,进行水位下降条件下黏性土坡变形破坏的离心模型试验。根据试验位移测量结果,基于变形与破坏过程集成分析的思路探讨了土坡破坏机理。水位下降导致土坡发生由坡顶向坡脚的渐进性的错动破坏。水位下降条件下土坡的变形和破坏过程是耦合的。变形局部化发展是导致滑裂面出现的根本原因。滑裂面出现后滑动体内部仍发生显著的变形,并与滑裂面上的错动变形相耦合。     

水位变化引起分层边坡滑坡的实验研究

通过对分层的边坡在水位变化时滑坡的模拟实验，起的滑坡，重点考察了水位涨落速度对坡体稳定的影响，考察了分层坡体的滑坡模式、坡体变形、破坏和渗流引以及坡面从产生张拉裂缝直到形成滑面的整个过程，并对这类滑坡中的现象给出了定性解释。最后用有限元对实验坡体进行了应力和位移的静力场分析，计算结果与实验结果基本一致。     

库水位升降作用下大型土石混合体边坡流–固耦合特性及其稳定性分析

 以金沙江中游梨园电站坝前大型土石混合体边坡为例,基于精细地质结构模型,研究其在蓄水及库水位骤降过程中的流–固耦合及相应的稳定性变化特征。结果表明：蓄水初期边坡地表变形较为缓慢,当库水位达到某一高程时,其地表变形呈现陡增趋势;在蓄水初期边坡的稳定性有所下降,当上升至某一临界水位后边坡稳定系数达到最低值,而后随着库水位的上升有所回弹;库水位骤降对边坡稳定性影响较大,且其稳定系数下降随着骤降幅度的增大而增大。这些对于指导实际工程及深化库区土石混合体边坡的研究具有一定的理论意义。     

Stability analysis of bank slope under conditions of reservoir impounding and rapid drawdown

Stability of an ancient landslide in a reservoir area is analyzed by using centrifugal model tests, soil laboratory tests and numerical analysis. Special attention is paid to variation in water level, simulation of large-scale heterogeneous prototype slope, and strength reduction of sliding zone soils after slope sliding. The results of centrifugal model test show that reservoir impounding can reduce sliding resistance at the slope toe, followed by toe collapsing and front cracking of slope. Rapid drawdown can produce hydrodynamic pressure towards reservoir at the front of slope. Deformation is observed in the middle and upper slope, which reduces the slope stability further and forms the pull-typed landslide trend. Reinforcement of slope toe is effective for preventing the progressive failure. The results of laboratory test show that slope toe sliding will lead to the redistribution of soil density and moisture content, which will reduce the shear strength of soil in sliding zone, and the cohesion of immersed soil is reduced gradually and finally vanishes with time. The numerical results show that the strength reduction method used in finite element method (FEM) is very effective in capturing the progressive failure induced by reservoir water level fluctuations, and the evolution of failure surface derived from numerical simulation is very similar to that observed in centrifugal model test.     

边坡非线性位移预测的动力系统自记忆模型

边坡位移的准确预测对于边坡稳定性评价、边坡安全状态的预警以及滑坡灾害的控制具有重要意义。将"动力系统自记忆原理"引入到边坡位移时间序列预测研究。首先将量测得到的边坡位移时序数据视为描写边坡位移非线性动力学模型的一个特解,采用双向差分原理反导出边坡位移非线性常微分方程。以此作为微分动力核,运用自记忆原理建立了边坡位移预测的自记忆模型。将该方法用于三峡永久船闸边坡和卧龙寺边坡变形预测,研究结果表明:自记忆模型对于边坡位移预测具有较高的预测精度和较强的预测多个时序步位移的能力,从而为边坡位移预测提供了一条新途径。     

Centrifuge modeling of the geotextile reinforced slope subject to drawdown

Geotextile is an effective reinforcement approach of slopes that experiences various loads such as drawdown. The geotextile reinforcement mechanism is essential to effectively evaluate the safety of geotextile-reinforced slopes under drawdown conditions. A series of drawdown centrifuge model tests were performed to investigate the deformation and failure behaviors of slopes reinforced with different geotextile layouts. The deformation and failure of unreinforced and reinforced slopes were compared and the geotextile reinforcement was indicated to significantly increase the safety limit and the ductility, reduce the displacement, and change the failure feature of slopes under drawdown conditions. The slopes exhibited remarkable progressive failure, downward from the slope top, under drawdown conditions. The progressive failure was induced by coupling of deformation localization and local failure based on full-field measurements of displacement of slopes subjected to drawdown. The geotextile reinforced the slope by decreasing and uniformizing the slope deformation by the soil-geotextile interaction. Through geotextile displacement analysis, the geotextile-reinforced slope was divided into the anchoring zone and the restricting zone by a boundary that was independent of the decrease of water level. The geotextile restrained the soil in the anchoring zone and the soil restrained the geotextile in the restricting zone. The reinforcement effect was distinct only when the geotextile was long enough to cross the slip surface of the unreinforced slope under drawdown conditions.     

Deformation and failure of the Xiaochatou Landslide under rapid drawdown of the reservoir water level based on centrifuge tests

The deformation and failure mechanism of landslides caused by reservoir water operations is a significant problem that is being addressed by researchers. The Xiaochatou Landslide in the Wudongde Reservoir area is taken as an example for the performance of centrifugal model tests under gravel conditions with the rapid drawdown of the reservoir water level. The data concerning the displacement and pore water pressure during this process show that the Xiaochatou Landslide, which is a complex landslide containing a shallow slide mass, middle slide mass and deep slide mass, is extremely sensitive to the rapid drawdown of the water level. The centrifuge tests show that the shallow slide mass will fail and that the middle slide mass will suffer a large displacement after a rapid decrease in the reservoir water level. Furthermore, the Xiaochatou Landslide exhibits the characteristics of retrogressive failure.