兩家人水電站滑石板順層巖質邊坡滑坡機理數值模擬

王秀菊

摘要：滑坡地質災害影響因素眾多、機理復雜，單純采用地質分析缺少依據。基于云南省金沙江兩家人水電站左岸滑石板順層巖質邊坡在1996年10月28日發生滑坡的事實，在大量地質勘查基礎上，采用簡易滑塊對滑坡機理進行了探討，并利用顆粒離散元數值模擬方法，建立了滿足滑體與滑面特性的滑坡模型，通過一系列的滑坡數值模擬試驗，探討了滑面摩擦系數、滑體強度等因素對滑坡堆積、塊度、滑坡速度的影響規律，對比后期的勘查成果對當時滑坡情況進行了反饋分析。該方法可為后續滑石板邊坡的穩定性研究及災害預測提供理論依據。

關鍵詞：滑坡災害；滑石板；順層巖質邊坡；巖土力學參數；顆粒離散元

中圖分類號：TV7文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2016）06014107

Numerical analysis on landslide mechanism of a talc sheet rock slope at Liangjiaren hydropower station

WANG Xiuju

（Nanjing Communication Institute of Technology，Nanjing 211188，China）

Abstract：Landslide disaster is one of the most frequently happening geological disasters，the process of which is governed by terrain geometry，characteristic of landslide rock mass，characteristic of slip surface and external environment loads such as earthquake，rainstorm and human activity.Based on the fact of landslide disaster at bedding rock slope of left bank of TigerleapGorger at Liangjiaren hydropower station，on October 28，1996，a landslide model was built up to fit the slide rock mass，slip face，as well as the effect of earthquake and rainstorm according to a large number of geological surveys.Then a series of numerical simulation of landslide was proposed to study the influencing rules of slip friction coefficient and strength of slide rock mass on the landslide geometry，debris size and velocity of landslide，so the process of landslide of bedding rock slope was feedback analyzed and the slope stability was discussed.This method could be used in following stability research of similar slopes and corresponding assessment of geological hazards.

Key words：landslide disaster；talc sheet rock mass；bedding rock slope；geotechnical parameters；particle flow code

在巖土工程中，滑坡是一類存在巨大風險的地質災害。由于大量裂隙、節理面的存在，導致滑坡過程是巖體破碎、宏觀強度不斷降低的過程，受滑體性質、滑面性質以及地震、降雨、工程活動等外界因素的控制[12]，很難采用確定性參數和連續介質研究方法來分析[3]。顆粒離散元法是針對節理破碎巖體提出的一種能考慮大變形、大位移的離散元法，具有潛在的高效率、不限制實際發生的位移量等優點[45]，在模擬滑坡變化過程中有重要的應用前景，為研究邊坡穩定、地質災害評價提供了可靠的理論依據，特別是具有滑坡特征可佐證的邊坡穩定問題[6]，其研究結果更有借鑒意義。

1兩家人滑石板順層巖質邊坡

金沙江兩家人水電站位于云南省玉龍雪山與哈巴雪山之間，是我國地質災害最嚴重的地區之一，滑坡、崩塌、泥石流具有類型多、分布廣、成災快、災害重、頻率高、治理難的特點[78]。1996年10月28日上午9時，位于云南金沙江下虎跳峽左岸的大具鄉兩家人村，發生了高速巖體滑坡，滑體將其下的公路和擋墻沖毀，進入金沙江后形成滑坡堰塞湖，水位上漲60余m，2 h后潰壩形成洪水。

金沙江在滑石板邊坡附近流向N40°-45°E，河水面高程1 600 m左右，地形坡度約40°～45°，坡頂高程2 600～3 000 m，坡體巖性為石炭系中厚層狀大理巖化石灰巖、結晶灰巖夾少量石英片巖及絹云母綠泥片巖，巖層產狀N0°～10°W，NE∠35°～45°，以2 200 m高程為界，呈上緩下陡的趨勢。受邊坡巖體重力作用的影響，公路（1 875 m）高程以下巖面波狀起伏且不平整，其產狀略陡于公路高程以上的巖層，巖層內部層間錯動面發育，沿層間錯動面絹云母、綠泥石等片狀礦物富集。

如圖1（a）所示滑坡后出露層面及圖5滑石板典型地質剖面表明：滑石板大理巖化厚層石灰巖呈灰色、淺灰色，厚層狀，單層厚一般為1～2 m，地層總體厚度500余米，巖體完整，穩定構成了滑坡及其附近高峻的峽谷邊坡。一般厚層灰巖因強度高，巖體結構性好，發生邊坡失穩概率較小。但滑石板滑坡巖體在地質作用期，由于后期的熱液順層侵入，在層面上形成了多層厚度不超過1cm的絹云母層，成為巖體內的軟弱夾層，該絹云母層大大弱化了巖體強度，使得巖層間黏結力降低，在風化，降雨、卸荷作用下，該層性質極易進一步劣化，容易發展為潛在的滑移控制面。野外調查[9]表明，滑石板正是沿著這一軟弱的絹云母層發生的。

見圖1（b），滑石板所在邊坡為順向坡，坡度受巖層層面控制，約為42°。坡面走向（NE15°）與巖層走向夾角約0～10°。由于斜向切割，層狀巖體表現為沿邊坡走向梯級重疊，逐次出露，越向外層，受風化作用越明顯。巖體中主要結構面為三組，一組產狀為N0°～10°W，NE∠35°～45°，為層間錯動帶，是滑坡的底滑面；一組產狀為N80°E，SE∠80°組陡傾角裂隙，是滑坡的側滑面，另外一組以巖體拉斷面或N10°W組陡傾短小裂隙為后緣脫開面，三組結構面切割構成了1996年滑坡的邊界條件。

該滑坡的產生主要原因如下：（1）1 875 m公路施工時，由于挖腳條件形成臨空面，層狀巖體成為孤立的只靠層面摩擦維持穩定的懸掛體，原來總體受力均勻穩定的邊界條件由于邊界條件的改變，內力調整，向軟弱的絹云母集中，疊加沿著節理和層面的風化卸荷作用，邊坡表層順層巖體逐漸開裂，在重力作用下，逐漸達到臨界狀態；（2）1996年2月3日，云南麗江發生70級地震，發震斷層為玉龍-哈巴斷裂帶，距離滑石板滑坡直線距離僅25 km。在麗江附近誘發了420處中小型崩塌及20處大中型滑坡。但滑石板在地震后未立即發生崩滑現象，僅在高程2 300～2 400 m附近產生了大量的拉裂隙，為后期雨水的滲入提供了條件；（3）1996年10月，在滑石板經歷了一個汛期后，由于雨水逐步經裂隙滲入，絹云母強度大大降低，使得滑面承載能力逐步喪失，形成滑坡。見圖2，現場在1 875 m高程以上殘留的滑體表面有明顯的擦痕現象（圖2），[JP2]底滑面絹云母層光滑，表明滑石板滑坡為遽發式的快速滑坡，最終在河谷部位形成約65～70 m厚的堆積物（圖3）。

2滑坡啟動簡易滑塊分析

由于N0°～10°W組結構面傾角很小，滑動主要沿著NE∠35°～45°組結構面。為方便分析將滑坡簡化為沿著絹云母層的平面滑動，傾角平均為42°。

如圖3，對寬L、厚度H的滑塊（圖3）進行受力分析，在自重狀態下滑塊安全系數可寫為

Fs=（μsmgcosδ+cL）/（mgsinδ）=μ′[KG-*4]scosδ/sinδ[JY]（1）

式中：μs為滑面摩擦系數；cL為滑面黏結力；m為滑[HJ1.95mm]塊質量；L，H為滑塊寬度、厚度；δ為邊坡傾角；g為重力加速度。

令μ′[KG-*4]s=μs+cL/mgcos δ則上式可化為

4滑坡過程分析

4.1滑坡速度分析

[JP2]在滑坡過程中，滑坡體的速度與滑面摩擦系數密切相關，同時也受滑坡體摩擦系數、黏結強度的影響。當底滑面能夠保持滑體穩定時（滑面摩擦系數06），滑坡不會發生，顆粒的速度時程隨地面運動而變化，地面運動停止后，顆粒運動很快收斂為零（圖7）。

當滑面摩擦力在地震后不能維持塊體平衡時（滑面摩擦系數05），滑坡產生，滑坡體以某一加速[CM（22]度開始運動，速度越來越大。與滑面接觸的顆粒由[CM）]

于在剛性運動中亦與滑面脫開，導致運動加速度亦增大。當前緣的滑坡體進入河谷后，由于巨大的沖擊作用后續的巖體被阻礙，運動加速度快速降低，前方堆積體被壓實，速度逐步衰減為零（圖8）。

因此滑坡并非為等加速度運動，而是一個加速度逐步增大，再逐步減少的過程（圖8）。在滑坡體上任選8個顆粒（各點位置見圖5），統計不同滑面摩擦系數下其滑動速度峰值變化規律。結果如圖9所示，不同的滑面摩擦系數下顆粒峰值運動速度近似呈指數變化（圖9），呈現出摩擦系數越小，則滑坡速度越快規律。

現場勘察時滑石板邊坡1 875 m高程以上有明顯的滑坡擦痕，而公路以下則未見擦痕，表明在公路附近滑坡體快速飛出，而公路以下由于存在坡積層，可導致滑坡速度降低。尤其當前緣到達河谷后，后續滑體受阻減速，與數值模擬規律相吻合。

4.2滑坡堆積

滑石板邊坡在滑動時以整體下滑開始，由于運動過程中的碰撞作用，巖體中的大量結構面快速破壞，形成散體，在河谷部位形成堆積。定義松散堆積體形成的坡面與水平面的夾角，稱為靜態休止角，它反映顆粒摩擦力或者顆粒群流動性的大小程度，主要受巖體的殘余摩擦系數影響。如圖10，不同殘余摩擦系數影響的平衡時的堆積形態。不同殘余摩擦系數下形成的堆積體坡面距離河谷最小垂直距離擬合得指數關系式（圖11）表示：

H=12424e-2.0091f[JY]（11）

式中：f為巖體殘余摩擦角；H為河谷最小堆積厚度。滑石板邊坡在1996年10月滑坡后，形成了60～70 m的堰塞湖，據此反推，巖體殘余摩擦系數在0286～0362之間。

4.3巖體黏結強度的影響

在不同黏結強度下，滑坡過程形成的塊度不同，從而形成了不同的外輪廓。定義巖體顆粒間法向黏結破壞數目與總法向黏結百分數為黏結破壞率。不同黏結強度下滑坡堆積如圖12所示，對比發現：在低黏結強度下，滑坡啟動初期巖體顆粒之間的法向黏聚力快速消失，及黏結破碎率快速達到10，而中等強度下滑坡結束黏結破碎率為056，強黏結下滑坡結束時黏結破碎率為036。

但從滑石板邊坡殘余的堆積物看，滑體在堆積后塊度較小，其塊度小于30 m，大部在金沙江的沖擊作用下順流而下。因此可推測滑石板滑坡屬于低黏結類型的滑坡。

5滑坡穩定性討論

5.1阻尼的影響

巖體介質滑坡除了需要考慮黏性阻尼外，還應該考慮塊體的滾動阻力和地面變形[19]的影響，由于塊體的滾動可以導致更大的沖擊，因此滑坡體可以運動更遠[20]，這需要設置較小的時間步來考慮滾動阻尼。但滑石板邊坡屬于遽發式滑坡，沿著滑面滑動占優勢。如果當滑坡體強度足夠，在滑坡過程中不同位置的點基本保持相同速度，而當巖體強度較低時，巖體破碎率高，不同塊體之間相互碰撞，可致不同位置速度存在差別。在相同滑動系數下各點速度變化值為均值的20%～30 %，這表明質點的滑坡速度約有10%～15 %是受滾動阻尼控制的。因此在低黏結情況下，滑坡體的巖體破碎率可達100 %，滾動阻尼的作用不容忽視，而強黏結強度下，巖體破碎率低，則滾動阻尼的影響可忽略不計。

5.2滑坡過程中摩擦系數的變化

根據試驗結果，絹云母干燥時及濕潤時的內摩擦角分別為196°、140°，可以斷定，滑石板邊坡是在滑面摩擦系數降低自036降低至025過程中引發的。因此，在滑坡初期是側滑力與降強后的底滑面摩擦力共同作用，綜合抗滑摩擦系數在055左右，當運動一段距離后，側滑力消失，摩擦系數可降至025，甚至更低。

在諸多滑坡案例中，滑坡體的殘余摩擦角可由滑坡后的堆積體幾何形狀來判斷，滑石板滑坡后在河谷部位的堆積厚度在60～70 m，堆積后緣在高程1 875 m左右，其形成的自然休止角約19°，這表明滑坡體的殘余摩擦系數在035左右，與數值計算反推出的0286～0362接近。

6結論

基于1996年云南麗江地震后兩家人水電站滑石板順層巖質邊坡滑塌地質調查，采用簡易滑塊分析了其受力特性，探討了其滑坡機制。通過PFC二維顆粒流方法建立了滑坡災害反饋分析模型，通過一系列不同變量控制下的滑坡模擬分析，探索了不同因素與滑坡堆積、塊度的關系，得到結論如下。

（1）兩家人滑石板是由地震、降雨聯合作用下引起的滑坡，其滑坡的規模受滑面摩擦系數、滑坡體的力學性能以及滑坡體地表影響。滑動面的摩擦系數經歷了地震下降、降雨下降、滑動摩擦下降的過程。在巖體完全破碎并綜合考慮側滑力基礎上，滑石板以摩擦系數055啟滑，降雨后約下降01～015，滑動一定距離后側滑阻力消失，滑面摩擦系數降至025左右，因此其加速度經歷從均勻增加到加速增長的過程。

（2）當滑坡體前緣接觸到河谷后，滑坡體再次加速下降，導致約100萬m3巖石碎塊傾覆而下，滑動距離約650 m，最終以近20～30 m/s的平均速度沖向河谷，在河谷至1 875 m公路之間形成19°左右自然休止角的散體邊坡，造成60～70 m的水位上升。

（3）根據滑石板的滑坡機理，在對上部殘留坡體進行治理時，應以封閉表層裂隙，預防雨水滲入為主，同時可在滑面附近設置一定的阻滑鍵，以提高絹云母層的抗滑力。

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