库水位升降作用下土质岸坡水与土体相互作用机理

库水位升降作用下土质岸坡水与土体相互作用机理发表时间：2014-11-25T09:52:03.890Z 来源：《价值工程》2014年第5月中旬供稿作者：梁学战[导读] 库水对岩土体的侵蚀作用水库蓄水以后，水库中巨大水体使库面水域变得更加开阔。

梁学战 LIANG Xue-zhan；王涛 WANG Tao；肖耀廷 XIAO Yao-ting（湖北文理学院建筑工程学院，襄阳 441053）（College of Architecture and Engineering，Hubei University of Arts and Science，Xiangyang 441053，China）摘要：本文从库水位周期性升降过程中水与土体物理作用、水与土体化学作用及水与土体力学作用三个方面，系统分析库水位升降作用下土质岸坡水与土体相互作用机理。

结果表明：水与土体的物理化学作用，在水位周期性升降初期作用显著，随着周期性升降次数的增加，土体力学参数变化基本趋于稳定；水与土体力学作用，在库水位升降过程中，静水压力和动水渗透压力作用与土体的渗透性及水位升降速率有关，浮托力与岸坡的形状及淹没程度有关，岸坡土体基质吸力值随含水量的增加减小较快。

Abstract: This paper, from three aspects of the physical action of water and soil in process of reservoir water level fluctuation, the chemical action of water and soil and mechanics action of water and soil, systematically analyses the mechanism of interaction between water and soil of soil bank under fluctuation of reservoir water level. As a result, the physical action of water and soil is affected obviously in the fluctuation of water level, the variation of soil mechanics parameter tends to be stable with the increase of the number of fluctuation cycles. In the process of reservoir water level fluctuation, hydrostatic and hydrodynamic seepage pressure relates to the soil permeability and water level fluctuation rate, uplift force, shape of slope, flooding degree; bank soil matric suction decreases rapidly with the increase of moisture content.关键词：岩土力学；水位升降；土质边坡；水土作用；机理Key words: rock and soil mechanics；fluctuation of water level；soil slope；action of water and soil；mechanism 中图分类号：P642 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）14-0122-02 引言三峡库区土质岸坡多分布在库区山前的河谷两岸，库水位周期性的循环涨落必将引起岸坡地下水位长期周期性波动，岸坡水土作用加剧，导致土体饱水软化，土体成分发生变化，改变土体的物理力学参数，引起坡体渗流场、应力场的变化，影响岸坡的稳定性[1]。

因此，本文从库水位周期性升降过程中水与土体物理作用、水与土体化学作用及水与土体力学作用三个方面，系统分析库水位升降作用下土质岸坡水与土体相互作用机理，为三峡库区土质岸坡失稳机制的研究提供科学依据。

1 库水位升降过程中水与土体的物理作用水与土体物理作用主要是指水对土体侵蚀、润滑、软化、泥化作用及溶滤作用。

1.1 库水对岩土体的侵蚀作用水库蓄水以后，水库中巨大水体使库面水域变得更加开阔，水库具有河流和水库的双重性质，流动断面的增大使平均水流速度大为下降，由于山谷风的作用形成水浪[2]，以水流侵蚀为主的河流水力作用改变为以水浪冲刷作用为主的浪蚀，对库岸形成冲刷，使库岸后移，并使岸坡变高变陡，库水冲刷坡脚，形成浪蚀龛[3,4]，失去底部支撑，产生塌岸。

1.2 库水对土体的软化作用库水位升降作用下，岸坡前缘常处在库水位变化的消落带上，坡体前缘土体常在饱和状态和非饱和状态间转化，影响着前缘土体的性质。

对奉节白马港、万州青草背、巫山龙门港不同含水量下粉质粘土的物理力学参数变化进行了试验分析，实验表明，水位上升过程中，随着含水量的增加，土样的内摩擦角逐渐减小，而土体的粘聚力是随着含水量的增加，呈现先增加后减小的非线性关系。

随着土体含水量增加至饱和，土体内摩擦角逐渐减小，c值下降极为明显，最大可达到80%，与水作用的敏感性较强；φ值也会降低10%左右，变化变幅相对较小，与水作用的敏感性较弱。

因此，库水位上升过程中，水与土体相互作用，降低土体抗剪强度参数，土体发生软化，岸坡稳定性降低。

1.3 库水位周期性升降水对土体物理力学性质的影响三峡水库正常运营后，库岸将面临周期性浸泡，这种循环水体荷载将使土体物理力学性质发生变化。

本文对三峡库区万州青草背港粘性土进行周期性浸泡试验，统计了浸泡次数与土体物理力学参数变化之间的关系，万州青草背港粘性土在饱和、过渡、天然状态下其粘结力均随浸泡次数的增多而降低，而内摩擦角在三种状态下基本是稍有提高，随着浸泡次数继续增多，变化曲线趋于平缓，粘结力降低和内摩擦角提高达到基本稳定，出现以上情况的主要原因是在周期性浸泡条件下，粘性土在水的溶滤作用下，细微颗粒随着浸泡次数的增加逐渐减少，颗粒间吸力减小，粘结力变小，细微颗粒的减小润滑作用减弱，摩擦力增强，内摩擦角变大，而随着浸泡次数继续增加，土体力学参数变化基本趋于稳定。

2 库水位升降过程中水与土体的化学作用库水位周期性升降过程中，地表水、地下水与土体的水化学作用是导致众多土质岸坡土体破坏的关键因素[1,5]。

三峡库区岸坡粘性土分布广泛，库区粘性土在水位上升及库水位周期性作用下因水体浸泡其结构容易改变，水溶液深入土体并与土体发生化学作用。

在水与土体化学作用中，粘性土矿物中高岭石含量会逐渐增多，其过程容易造成土体的强度降低，其它矿物成分在水解作用及水的溶滤作用下被水体冲刷迁移，岸坡土体强度会继续降低。

但是，随着水体的周期性升降次数增多，浸泡过程中土体表层粘土矿物成分增多，结合水厚度增大，土体的渗透性降低，因而土体强度参数的劣化随着水库周期性升降次数的增多逐渐变得平缓，最后土体强度会基本稳定。

3 库水位升降过程中水与土体的力学作用3.1 静水压力和动水渗透压力作用水库水位升降过程中，岸坡地表水的变化引起地下水位的变化，库水水位上升时，地表水向坡体内渗透流动形成地下水，坡体内就会形成静水压力和指向坡内的动水渗透压力；库水水位下降时，坡体内地下水必向坡外渗透流动，形成指向坡外的动水渗透压力。

无论是动水压力还是静水压力，其作用大小与土体的渗透性及水位的升降速率有关。

根据三峡水库水位的调度方案，库水位从175m下降至145m过程中，下降速率为0.186m/d，若岸坡岩土体的渗透系数K?叟0.186m/d，地下水位与库水位同步下降；否则，坡体地下水滞后于库水，形成指向坡外的动水渗透压力，不利于滑坡的稳定，易造成岸坡的失稳破坏[6]。

3.2 超孔隙水压力效应在岸坡孔隙比较大，渗透性较好情况下，坡体地下水含量较多，当库水位下降速度较快，坡体内地下水因渗透性较好排出速度较快，地下水对坡体的浮托作用也迅速变小，地下水的排出和浮托力的减小使土体陷落压密，此时将会产生很大的超空隙水压力，使陷落压密区抗剪强度突然急剧减小，岸坡可能发生失稳破坏[1]。

3.3 库水位上升的悬浮减重作用由库水位上升引起的浮托力对稳定性减小的影响，可以通过浸水滑面微体的应力分析来进行解释，由图1可见，孔隙水压力的增加使得整个莫尔圆向左侧移动，总应力不变，作用在滑动面上的孔隙水压力垂直于滑动面，因此对剪应力不发生影响，即：τs=τ；（1）有效应力：σ′=σ-u （2）滑动面上的抗剪强度：τf=c+σtanφ （3）孔隙水压力存在使滑面抗剪强度变为：τf=c+（σ-u）tanφ （4）由上式可以看出，滑坡体的抗剪强度因孔隙水压力的作用降低了，岸坡的稳定性减小。

因此，浮托力对岸坡稳定性的影响应综合考虑水位周期性升降过程中岸坡的形状及岸坡的淹没程度。

3.4 考虑饱和-非饱和土体的基质吸力作用非饱和土力学理论认为，非饱和土的抗剪强度可以看成是由外荷载作用形成的有效法向应力所产生的摩擦力与广义吸力作用于颗粒所产生的摩擦力之和[7]。

因此，在考虑库岸边坡基质吸力时岸坡滑面的摩擦力增大，有利于库岸边坡的稳定。

本文用滤纸法对三峡库区典型岸坡白马港、青草背及龙门港粘性土土体不同含水量下基质吸力的变化进行了测试，如图2，岸坡土体随含水量的增加基质吸力值减小较快，基质吸力减小，土体的抗剪强度亦减小，岸坡的稳定性就降低。

4 结论①把三峡库区库水位升降过程中水与土体相互作用系统分为水与土体力学、水与土体物理和水与土体化学作用三种。

②在蓄水过程及周期性升降初期作用显著，使库区岸坡变陡、软化、物理力学参数变小，随着周期性升降次数的增加，土体力学参数变化逐渐减小；在库水位升降过程中，静水压力和动水渗透压力对岸坡稳定性作用大小与土体的渗透性及水位升降速率有关，浮托力对岸坡的影响与岸坡的形状及淹没程度有关；岸坡土体随含水量的增加基质吸力值减小较快。

③岸坡稳定性变化是一个多因素耦合过程，在分析库水位升降过程中土质岸坡稳定性变化时，应综合考虑水与土体的物理化学作用及水与土体的力学作用。

参考文献：[1]张明,胡瑞林,崔芳鹏,等.考虑水岩物理化学作用的库岸堆积体边坡稳定性研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27（增2）：3699-3704.[2]汤连生,王思敬,张鹏程,等.水-岩土化学作用与地质灾害防治[J].中国地质灾害与防治学报,1999,10(3):61-69.[3]刘厚成,唐红梅,谷秀芝.水位降落期间土质岸坡稳定性劣化机理及趋势 [J].2009,28(3):565-568.[4]石豫川,冯文凯,王学武,等.库水作用下公路土质岸坡稳定性影响因素综合评判[J].灾害学,2005,20(4):33-38.[5]Atkinson B K, Meredith P G. Stress co rrosion cracking of quartz: a note on the influence of chemical environment[J].Tectonophysics,1981,77:T1-11.[6]梁学战,陈洪凯.库水位升降作用下不同渗透系数的滑坡体稳定性变化规律[J].中国地质灾害与防治学报,2012,23(4):20-26.[7]沈珠江.应度软化材料的广义孔隙压力模型[J].岩土工程学报,1997,l9(3):14-21.。