通麥堆積體穩(wěn)定性分析及堵江預(yù)測

陳 理

(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 611756)

由于青藏高原第四紀(jì)期間的快速隆升以及河流的強烈下切，藏東南地區(qū)地勢陡峭，嶺谷高差大，新構(gòu)造運動活躍，地震活動頻繁，第四紀(jì)冰磧物等松散堆積物厚度大、儲量豐富，冰川發(fā)育，冰湖眾多，區(qū)域性降雨豐沛[1-2]。因為這些復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，西藏林芝地區(qū)崩塌滑坡等地質(zhì)災(zāi)害時常發(fā)生且規(guī)模巨大，并形成堰塞壩造成堵江斷流，嚴(yán)重威脅人民的生命財產(chǎn)安全。

本文以西藏自治區(qū)林芝市波密縣通麥鎮(zhèn)堆積體為例，分析了堆積體的穩(wěn)定性與堵江風(fēng)險。在此基礎(chǔ)上，對堵江機制進(jìn)行系統(tǒng)研究，并豐富人們對冰磧物堆積體和高山峽谷滑坡堵江的認(rèn)識，為滑坡堵江的研究提供一定的參考價值。

1 通麥堆積體發(fā)育特征

1.1 工程地質(zhì)條件

通麥堆積體位于林芝市波密縣通麥鎮(zhèn)對岸。研究區(qū)主要為高山深切峽谷地貌，山高谷深，坡面陡峻，冰川與冰磧發(fā)育，河谷寬窄相間，以峽谷為主，多懸崖絕壁，支流密布，冰川、冰湖、古冰磧地貌及寒凍風(fēng)化地貌發(fā)育，地層破碎、崩塌、滑坡與流砂十分活躍。通麥堆積體地形地貌如圖1所示，呈典型的雙溝同源地貌。堆積體位于帕隆藏布凸岸，受河流侵蝕大量堆積松散物質(zhì)。堆積體所處的地層主要為前寒武系念青唐古拉巖群，以各種片麻巖為主，主要為黑云母斜長片麻巖。研究區(qū)構(gòu)造活動強烈，區(qū)內(nèi)斷層錯綜復(fù)雜(圖2)。整個堆積體處于斷層的切割當(dāng)中，且有活動斷裂穿過，一旦發(fā)生地震，有可能發(fā)生失穩(wěn)滑動，從而造成堵江。

1.2 堆積體形態(tài)特征

通麥堆積體平面呈圈椅狀，前緣向兩側(cè)散開。堆積體縱向長約2 000 m，橫向平均寬約1 000 m，總面積約為147×104m2。由于冰磧層的厚度不知，滑坡體積還不能估計。堆積體后部與前緣較陡、中部較緩，整體呈陡-緩-陡發(fā)育。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，堆積體前緣節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石較破碎，存在發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能。

圖1 通麥堆積體地形地貌

圖2 通麥區(qū)域構(gòu)造

2 堆積體穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

2.1 建立模型

將堆積體的地形圖導(dǎo)入犀牛軟件，建立三維數(shù)值模型。模型底部橫向為1 691 m，縱向1 716 m，最大高度為1 492 m。根據(jù)實際的滑坡地質(zhì)模型，劃分覆蓋層和基巖，覆蓋層厚度設(shè)置為50 m,并建立斷層面。滑坡模型建立如圖3所示。利用Flac3D軟件計算出堆積體內(nèi)部應(yīng)力分布，從而劃分滑坡的的范圍。計算參數(shù)根據(jù)工程類比及經(jīng)驗值并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)確定，計算參數(shù)見表1。

圖3 滑坡模型

2.2 應(yīng)力場分析

分析過程分為自然和地震兩個工況。圖4為自然工況下YZ方向即臨空面的應(yīng)力云圖，可以看出滑坡剪應(yīng)力主要集中在滑坡前緣，且在滑體后緣拉應(yīng)力集中。根據(jù)剪應(yīng)力集中區(qū)域可以大致劃分滑坡范圍。滑坡穩(wěn)定系數(shù)計算為1.17。

表1 主要計算參數(shù)

圖4 YZ方向應(yīng)力云圖

為研究斜坡內(nèi)部的應(yīng)力分布，選擇斜坡的一個剖面進(jìn)行分析。根據(jù)剖面的最大剪應(yīng)力變化圖可以看出，在高程2 151 m到2 298 m，最大深度30 m范圍內(nèi)，最大剪應(yīng)力變化率區(qū)域集中，可以初步劃出滑面的位置(圖5)。

圖5 最大剪應(yīng)力變化率云圖

并計算地震工況下堆積體的穩(wěn)定性，在地震加速度0.3g條件下進(jìn)行模擬，穩(wěn)定系數(shù)為0.65，滑坡可能發(fā)生滑動。圖6為地震工況最大剪應(yīng)力變化圖，可以看出滑坡的最大剪應(yīng)力變化率區(qū)域范圍增大，變化率更大。

圖6 地震工況下最大剪應(yīng)力變化率云圖

2.3 堆積體滑動區(qū)域劃分

結(jié)合自然工況下的三維應(yīng)力云圖和最大應(yīng)力變化圖，可以大致劃分滑坡的區(qū)域并計算出滑坡可能滑動的體積。堆積體可能滑動區(qū)域如圖7所示，平面面積為75 706 m2，最大深度為30 m，體積為2 271 180 m3，屬于大型滑坡。

圖7 堆積體平面圖及推測滑動區(qū)域

3 堵江高度計算

3.1 計算模型

為計算通麥滑坡的堵江風(fēng)險，利用滑距推算法計算滑坡堵江的高度。奧地利學(xué)者A.E.scheidegger通過研究世界上33個大型滑坡的運動特征后提出了等價摩擦系數(shù)f的概念,并發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)隨滑坡體積的增大而減小[3]，如式(1)所示。f為摩擦系數(shù)，V為滑坡體積；a，b為系數(shù)，a=-0.15666，b=0.62419。

lgf=algV+b

(1)

滑動過程中滑體克服摩擦力做功，勢能轉(zhuǎn)化為熱能，最大滑距可以按式(2)計算。動摩擦角可按式(3)計算。φ為動摩擦角，H為滑坡后緣拉裂面頂點至滑程上計算點的垂直落差。

Lmax=Hf

(2)

φ=arctanf

(3)

因此可以通過滑坡的體積來估算出摩擦系數(shù)，進(jìn)而得到滑體的最大滑動距離。但是在一般情況下，假設(shè)滑體的最大滑動距離超過河道兩岸的水平距離，河流就有可能被滑體完全阻斷形成堵江事件[4]，則堵江高度可采用式(4)計算。

Hd=1-L1Lmax1+fh1+lmax/B

(4)

式中：Hd為堵江高度，L1為滑坡前緣到江對岸的水平距離，h1為滑體平均厚度，f為摩擦系數(shù)，Lmax為計算最大滑距，B為河流寬度。

3.2 堵江高度計算

數(shù)值模擬分析以及現(xiàn)場調(diào)查分析得出，堆積體可能滑動的體積為227.1×104m3。利用滑距推算法計算滑坡的堵江高度和滑坡最遠(yuǎn)運動距離，計算結(jié)果見表2，滑坡最遠(yuǎn)運動距離見圖8。滑坡堵江高度為26.4 m，會形成堰塞壩，造成堵江，但不會破壞對岸的居民建筑。

表2 堵江高度計算

4 結(jié)論

本文在地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，分析了通麥堆積體的工程地質(zhì)條件和地質(zhì)特征，并結(jié)合數(shù)值模擬軟件計算出堆積體的穩(wěn)定性和應(yīng)力分布。堆積體自然工況穩(wěn)定系數(shù)計算為1.17，地震工況穩(wěn)定系數(shù)為0.65，并劃分堆積體可能滑動的范圍，計算出可能滑動的體積。最后利用滑距推算法計算出堵江高度，結(jié)果表明通麥堆積體如果發(fā)生滑動會造成堵江，形成堰塞湖，堵江高度為26.4 m，但不會破壞對岸居民建筑。

圖8 滑坡最遠(yuǎn)運動距離及堵江高度