雅礱江中游某滑坡形成機制及穩(wěn)定分析

毛 碩，王運生

(成都理工大學 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

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雅礱江中游某滑坡形成機制及穩(wěn)定分析

毛 碩，王運生

(成都理工大學 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

摘要：雅礱江右岸某滑坡位于擬建壩址區(qū)上游，木里縣卡拉鄉(xiāng)，該滑坡一旦失穩(wěn)，威脅坡腳居民以及擬建水電站的安全運行。本文在野外工程地質(zhì)測繪、鉆探、室內(nèi)試驗基礎上，采用三維有限差分軟件FLAC3D對滑坡進行數(shù)值模擬分析，對滑坡基本特征、形成機制以及穩(wěn)定性進行分析評價。結(jié)果表明：該滑坡為特大型巖質(zhì)滑坡，形成演化經(jīng)歷了剪切蠕動-滑移彎曲-貫通破壞三個階段，天然狀態(tài)下滑坡整體上穩(wěn)定性較好，暴雨狀態(tài)下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，局部表層存在二次滑動可能。

關鍵詞：滑坡；形成機制；穩(wěn)定性；三維數(shù)值模擬；FLAC3D

雅礱江位于四川盆地與青藏高原過渡帶，河谷深切，地質(zhì)環(huán)境脆弱，近年來由于水電設施的開發(fā)，人類工程活動增強，地質(zhì)災害威脅也隨之增大。該滑坡位于雅礱江中游右岸，木里縣卡拉鄉(xiāng)，坡腳有村民居住，前緣有縣道通過，如果該滑坡一旦復活，很可能堵塞雅礱江，威脅當?shù)鼐用裆敭a(chǎn)安全和即將規(guī)劃修建的水電設施。本文通過詳細的野外調(diào)查以及工程地質(zhì)測繪和室內(nèi)試驗，對滑坡的形態(tài)、變形特征進行了剖析，研究了滑坡的形成機制，并運用FLAC-3D軟件對滑坡進行了數(shù)值模擬，分析了滑坡的穩(wěn)定性，并采用FLAC-3D強度折減法和極限平衡理論對滑坡穩(wěn)定性進行了評價。

1 滑坡概況

1.1地質(zhì)環(huán)境條件

1.2滑坡基本特征

滑坡整體形狀呈開闊“U”字形(如圖1)，前陡后緩，大致以高程2 500 m為界，2 500 m以上地形坡度20～30°，2 500 m以下地形坡度35～50°。滑坡體后緣以緩坡基巖為界，坡度約26°左右，高程2 650 m，邊界線以外巖層產(chǎn)狀正常；滑坡前緣至雅礱江邊，高程1 950 m；滑坡側(cè)緣以深切沖溝為界。前后緣高差約700 m，沿江寬(近南北向)約950 m，縱向上(近東西向)長約1 150 m，面積109×104m2。從剖面圖來看(如圖2)，平均厚度80 m，其中最大垂直揭露厚度102 m，總方量約8 700×104m2，為特大型巖質(zhì)滑坡。滑坡體內(nèi)發(fā)育有多條沖刷形成的深切沖溝，一般下切深度50～70 m，延伸至高程2 400 m后規(guī)模變小，沖溝為季節(jié)性沖溝。

滑坡體組成物質(zhì)較復雜，據(jù)鉆孔、平洞揭露，滑坡堆積體物質(zhì)組成主要為碎塊石土，其中滑坡堆積層根據(jù)破碎程度可細分為二個亞層：碎石土層、塊石層。碎石土分布在表層，灰黑色、灰黃色，碎石成分主要為砂質(zhì)板巖、含炭質(zhì)板巖，呈強風化狀，碎石約占60～70 %，間隙充填角礫、粉質(zhì)粘土，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)較好，結(jié)構(gòu)不均，稍密～中密，厚度分布不均勻，一般為10～40 m；塊石層分布在碎石土以下，因滑坡形成過程中巖層未完全解題而形成，巖層層理多可辨，巖層緩傾山內(nèi)，與原始基巖傾向相反，巖層多呈擠壓狀，產(chǎn)狀變化大，巖塊風化較強烈，呈全～強風化狀。滑帶土成分主要為粉質(zhì)粘土夾礫石，礫石呈次磨圓狀，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)一般。

1.3滑坡變形特征

據(jù)地表調(diào)查，滑坡前緣未見鼓脹隆起現(xiàn)象，滑坡體沒有出現(xiàn)大規(guī)模拉張裂縫，變形破壞跡象主要表現(xiàn)為局部表層蠕滑，具有明顯的季節(jié)性。表層蠕滑變形區(qū)主要分布于沖溝兩側(cè)岸坡和滑坡體中下部的較陡部位，變形區(qū)物質(zhì)成分主要為淺表層碎石土，滑坡體上灌木林向坡外傾斜，而高大喬木則未受滑坡體表層蠕滑變形影響，仍直立生長。

2 滑坡形成機制

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和勘探成果，斜坡坡體結(jié)構(gòu)為中傾順向坡，傾角大于坡腳，巖性為砂質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖軟硬相間，綜合分析滑坡的形成機制為滑移-彎曲[1-2]。形成演化過程主要分為三個階段：剪切蠕動-滑移彎曲-貫通破壞。

剪切蠕動階段：中更新世晚期以來，雅礱江快速下切，斜坡前緣浸泡在江水之中，板理面長期浸水而軟化，強度降低，巖體在自重作用下沿層間軟弱帶發(fā)生順層剪切蠕動。

滑移彎曲階段：隨著蠕動的加劇，在斜坡上部產(chǎn)生拉應力集中，形成拉裂縫，在層間軟弱帶由于剪應力增大，產(chǎn)生較大的滑移變形，由于傾倒大于坡腳，巖層滑移變形受阻，發(fā)生彎曲，坡腳隆起；隨著變形的發(fā)展，上部巖體不斷擠壓，彎曲增強，出現(xiàn)共軛X節(jié)理，差異性變形導致巖體擴容，隆起加劇，巖體松動，局部剝落。

貫通破壞階段：隨著彎曲加劇，傾向破內(nèi)的X節(jié)理逐漸變緩，一旦緩傾坡內(nèi)的X節(jié)理與和剪切滑移面、不斷向深部下部擴展的后緣拉裂面貫通，產(chǎn)生滑移-彎曲型滑坡。

該區(qū)主要由軟弱的砂板巖、含炭質(zhì)板巖構(gòu)成，可以積累較大的變形。受前波斷層影響，巖層撓曲現(xiàn)象比較嚴重，在此基礎上的滑移-彎曲變形可以持續(xù)較長時間，進而產(chǎn)生大范圍的彎曲變形，滑坡下游側(cè)至豬白溝沿線大面積分布強烈彎曲巖體就是最好的例證。

3 滑坡穩(wěn)定性分析

3.1滑坡穩(wěn)定性定性分析

根據(jù)對滑坡的變形分析，前緣未發(fā)生隆脹、后緣未見長大拉張裂縫等現(xiàn)象，滑坡體中沒有泉水出露，鉆孔也沒有發(fā)現(xiàn)次級滑帶，滑坡整體上穩(wěn)定，局部表層蠕滑，在暴雨地震等條件下局部可能發(fā)生破壞。

3.2數(shù)值模擬分析

為了詳細了解堆積體應力變形特征，分析滑坡的穩(wěn)定性，采用ISTA公司開發(fā)的FLAC-3D軟件對滑坡進行模擬[3-4]，為穩(wěn)定性評價提供參考。

(1)模型的建立

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、工程地質(zhì)測繪以及鉆探資料建立模型，只分析滑坡堆積體的應力、變形特征，對模型進行了優(yōu)化，堆積體和基巖采用實體單元，采用接觸面單元模擬滑帶。模型垂直河谷方向(Y軸，順坡向為正)長1 640 m，豎直方向(Z軸，垂直向上為證)右側(cè)高170 m,左側(cè)高845 m(底面高程1 830 m)。模型共計26 376個單元，6 349個節(jié)點。對模型底面及四周采用法向約束，坡面為自由表面。滑坡堆積體、基巖均采用彈塑性模型，采用摩爾-庫倫屈服準則，不考慮構(gòu)造應力的作用，只考慮自身重力的作用。

(2)參數(shù)的選取

通過現(xiàn)場采樣、試驗及類比該地區(qū)同類工程，綜合確定巖土體物理力學參數(shù)見表1。

表1 計算模型巖土介質(zhì)參數(shù)

(3)模擬結(jié)果分析

考慮數(shù)值模擬分析邊坡變形破壞判斷標準[5-7]，主要從系統(tǒng)不平衡力、剪應變增量、位移、監(jiān)測點位移變化曲線等方面進行分析。

系統(tǒng)不平衡力：圖3為系統(tǒng)不平衡力演化曲線。由圖可知，不平衡力在開始1 000步之內(nèi)波動較大，但是系統(tǒng)不平衡力隨著迭代的進行而衰減，最終收斂，達到平衡。從系統(tǒng)不平衡力的演變過程可以得出：不考慮構(gòu)造應力，堆積體在自重作用下，應力不斷調(diào)整達到自穩(wěn)。因此，在自然狀態(tài)下，滑坡變形也會慢慢穩(wěn)定，滑坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

剪應變增量：一些學者把剪應變貫通作為邊坡失穩(wěn)的判斷依據(jù)[8-10]。從剪應變增量云圖看出(圖4)，剪應變集中的地方主要是主滑帶中部，局部坡體表面，其他部位增量均較小。主滑帶剪應變增量集中帶并未貫通，大部分為鎖骨段，為抗滑段。剪應變增量集中的地方是最可能發(fā)生破壞的區(qū)域[11]。由此表明：主滑帶并未貫通，滑坡堆積體整體穩(wěn)定，發(fā)生整體滑動可能性較小，但是局部坡表可能發(fā)生局部破壞。

位移分析：從滑坡總位移云圖(圖5)可以看出，在自重作用下，堆積體變形趨于穩(wěn)定，總體表現(xiàn)向臨空方向運動，滑坡前后緣變形較小，中部較陡部位位移最大，集中在坡表，約39.8 cm，由坡表向破內(nèi)減小，因此滑坡體變形主要是在自重作用下表層滑動為主。位移分析表明：滑坡目前主要是中部陡坡表層變形明顯，與目前調(diào)查的變形破壞跡象吻合。

監(jiān)測曲線：為了更好掌握堆積體變形狀況，在前緣(H1，模型高度166 m)、中部陡坡(H2，模型高度308 m)、后緣(H3，模型高度707 m)設立監(jiān)測點，各個監(jiān)測點位移曲線如圖6。從監(jiān)測點位移曲線可以看出，H1、H2、H3監(jiān)測點的最大位移約為4.15、32.98、9.05 cm，中部陡坡處位移最大。在滑坡形成初期，位移迅速增大；但是隨著時間的推移，經(jīng)過一陣波動，增長速率逐漸降低，位移緩慢增加，最終總位移值趨于穩(wěn)定。因此，該滑坡整體上處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3滑坡穩(wěn)定性評價

目前滑坡穩(wěn)定性評價方法主要有極限平衡分析法和數(shù)值模擬法[12]。數(shù)值模擬法，基于強度折減理論，優(yōu)點在于不用假定滑面，考慮巖土體彈塑性本質(zhì)，通過折減物理力學參數(shù)，計算得到最危險滑面，并且能夠分析極限狀態(tài)下的應力變形特征[13]。

本文采用FLAC-3D內(nèi)置強度折減法[14]和傳統(tǒng)極限平衡理論Morgenstern-Price、Biop法進行了穩(wěn)定性計算。考慮天然和暴雨條件，計算結(jié)果如表2。圖7為天然狀態(tài)下折減系數(shù)Fos=1.2時的剪應變增量云圖，從圖7可以看出，滑坡強度折減后，剪應變增量貫通，堆積體處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)。

表2 穩(wěn)定性計算成果

計算結(jié)果表明：FLAC3D強度折減法計算的穩(wěn)定性系數(shù)和傳統(tǒng)極限平衡法所得較為一致，在天然狀態(tài)下，堆積體處于穩(wěn)定狀態(tài),暴雨狀態(tài)下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。但是強度折減法還能觀察堆積體內(nèi)部應力、變形狀態(tài)，分析出潛在滑動面。

4 結(jié)論

1)根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和勘探成果，斜坡坡體結(jié)構(gòu)為中傾順向坡，傾角大于坡腳，巖性為砂質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖軟硬相間，綜合分析滑坡的形成機制為滑移-彎曲。其形成演化過程主要分為剪切蠕動-滑移彎曲-貫通破壞三個階段。

2)通過FLAC-3D強度折減法與傳統(tǒng)極限平衡分析方法對滑坡進行穩(wěn)定性評價，評價結(jié)果相近、合理，并且FLAC-3D強度折減法還能分析判斷出潛在滑面。

3)根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查以及數(shù)值模擬分析，天然狀態(tài)下滑坡整體穩(wěn)定性較好，暴雨狀態(tài)下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，但是中部陡坡處穩(wěn)定性較差，局部表層存在二次滑動可能。

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(責任編輯李軍)

Formation mechanism and stability evaluation of a landslide in Yalong River

MAO Shuo，WANG Yun-sheng

(State Key Laboratory of Geo-hazards Prevention and Geo-environment Protection, Chengdu University of Technology, Sichuan Chengdu 610059,China)

Abstract：A landslide lies in?the upstream of dam site at the right bank of Yalong River. Once the landslide is damaged. It will have an import an impact on the local residents and safe operation of the preparing hydropower station.This paper based on the field engineering geological mapping, drilling and laboratory test, the stability is analyzed by the numerical simulation using three-dimensional finite difference software(FLAC3D).It analyzes the basic characteristics, formation mechanism and stability of the landslide. The result shows that the landslide is a oversize rock?landslide. Its formation and evolution has passed three stages: shear peristalsis, flexural slumping?and transfixion failure. The landslide is stable under natural state and lacked of stability in ,but secondary sliding may occur on local surface.

Key words：landslide; formation mechanism;stability;three-dimensional numerical simulati-on;FLAC3D

中圖分類號：P642.2

文獻標識碼：A

文章編號：1673-9469(2016)01-0091-05

doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.01.020

作者簡介：毛碩(1990-)，男，滿族，河北遵化人，碩士，主要從事地質(zhì)工程及地質(zhì)災害評價與預測等研究工作。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(41072231)；中國地質(zhì)調(diào)查局項目資助項目(12120113010100)

收稿日期：2015-09-18