下覆基巖斷層對邊坡穩定性的影響分析

竇思軍， 徐興倩， 李繼國， 和春香， 焦 萱

1.云南農業大學 水利學院， 云南 昆明 650201； 2.云南水利水電職業學院， 云南 昆明 650201

0 引言

近年來， 由于斷層地質構造引發的滑坡地質災害給人類生產、 生活造成巨大損失。 如湖南省安化縣因斷層引發崩塌、 滑坡等地質災害點多達57 處， 造成89 人死亡， 多條交通主干線受損， 直接經濟損失近5 692萬元［1］。 斷層影響露天礦的生產安全， 內蒙平莊西露天煤礦、 遼寧弓長嶺露天鐵礦、 新疆黑山露天鐵礦等因斷層存在而誘發滑坡地質災害給礦區人民的生命財產安全造成嚴重威脅［2］。 由上述案例可見， 斷層對邊坡穩定性有重要影響。

當前， 國內不少學者對斷層引發的滑坡案例進行相應研究。 曹蘭柱等［3］運用3Dslop 軟件對存在斜交斷層的某露天礦滑坡進行三維數值模擬研究， 探討其滑坡失穩破壞模式及形成機理； 李萬逵等［4］對新疆某水利工程壩址右岸高邊坡穩定性進行現場勘查和綜合分析， 明確指出斷層對該邊坡的穩定性有顯著影響； 黃潤秋等［5-7］研究“汶川地震” 后形成的斷裂構造， 對斷裂構造與滑坡的相關性進行系統分析； 劉宏力等［8］通過研究某高速路邊坡斷層破碎帶的物理力學特征，分析其對邊坡穩定性的影響； 許益東等［9］運用有限元法建立邊坡三維模型， 討論了順層邊坡巖層傾角與邊坡穩定性的關系； 何大釗等［10］通過室內實驗探討斷層破碎帶土體的泊松比、 內聚力和內摩擦角等力學參數取值對邊坡穩定性的影響。 然而， 學者研究斷層控制的滑坡現象主要集中在斷層類型、 斷層破碎帶等要素之上， 分析下覆基巖斷層對邊坡穩定性影響的案例較少， 需進一步深入研究。

論文以云南省昌寧縣河西水庫滑坡為研究對象，采用ANSYS 有限元軟件建立下覆基巖斷層邊坡數值模型， 模擬不同位置傾角的下覆基巖平移斷層、 正斷層、 逆斷層， 改變平移斷層的位置， 計算不同條件下邊坡穩定安全系數， 分析下覆基巖斷層對邊坡穩定性的影響， 為研究下覆基巖斷層誘發滑坡提供理論參考依據。

1 工程概況

河西水庫滑坡位于云南省保山市昌寧縣田園鎮境內， 距昌寧縣城9 km。 該區地處橫斷山脈南段， 滇西縱谷西南部， 昌寧盆地北東緣， 屬侵蝕構造地形中山陡坡型地貌。 壩址以下河道向南流入昌寧盆地， 呈蛇曲狀， 縱坡相對較緩， 山谷較開闊， 兩岸斜坡為臺階型。 庫區地下有弱含水地層， 出露厚度較小。 受地形地貌、 下伏地層完整性、 地下水儲存條件的影響， 庫區地層為富水性弱或不含水地層。 庫區巖層總體產狀傾向于北東和北西， 傾角在6°～45°之間， 斷層兩側傾角變化較大， 在20°～70°之間。 巖層產狀變化較大， 局部褶曲發育， 兩組褶曲呈共軛“X” 型的壓扭性構造裂隙。 由于水庫處于斷裂擠壓破碎帶上， 左壩肩邊坡上已出現滑坡現象， 形狀為兩條近東西走向沖溝挾持的寬緩山脊地帶。 滑動面位于片巖內， 為順層滑動。 滑坡已產生明顯變形， 變形特征主要表現為：擋墻開裂變形、 地面沉陷、 滑坡后部小路內側出現邊溝、 溢洪道和溢洪閘變形等， 滑坡典型工程地質剖面如圖1 所示。

圖1 滑坡工程地質剖面圖Fig.1 Landslide engineering geological profile

2 研究方法

2.1 滑坡工程地質模型

表1 邊坡各層巖土體參數表Table 1 Parameters of rock and soil mass

2.2 滑坡數值計算模型

滑坡模型按平面應變問題考慮， 在ANSYS 中構建等面積的D-P 模型， 模型中的巖體按理想彈塑性材料處理。 計算單元選取適合彈塑性分析的PLANE82等參單元， 單元有8 個節點， 16 個自由度。 對模型邊界條件設置法向約束X， 底部施加豎向約束Y， 滑面邊界無約束可自由滑動。 邊坡模型整體自由劃分為9 548 個非結構型網格， 網格劃分如圖2 所示。

圖2 邊坡有限元網格劃分Fig.2 Finite element mesh generation of slope

2.3 強度折減法原理

采用強度折減法計算邊坡穩定安全系數［11，12］。 首先選取初始強度折減系數F， 然后將邊坡巖體材料內聚力c 和內摩擦角φ 同時除于初始強度折減系數F，折減后土體內聚力c′及內摩擦角φ′分別為：

不斷改變強度折減系數F， 將折減后的c′和φ′輸入到ANSYS 等面積D-P 本構方程中進行重復迭代，根據迭代程序的收斂性判斷邊坡是否趨于穩定。 若程序收斂， 則邊坡不穩定， 繼續增大強度折減系數F，直到程序恰好不收斂， 此時的強度折減系數即為邊坡穩定安全系數FS。

廣義判定邊坡是否發生失穩破壞的依據有： （1）塑性區貫通判據， 根據某一幅值的廣義塑性應變或等效塑性應變自坡腳下方向坡頂上方是否貫通作為邊坡失穩破壞的標志。 （2） 位移突變判據， 邊坡的破壞常常伴隨著位移較大的變化， 因此可以根據計算區域內某一部位或某點的位移是否發生突變作為邊坡是否發生失穩破壞的判斷依據。 （3） 計算程序收斂性判據，將折減后的c′和φ′輸入到ANSYS 有限元軟件中進行計算， 若計算程序一直趨于收斂， 則邊坡處于穩定狀態， 當程序發生恰好發生不收斂時， 邊坡將發生失穩。

3 邊坡穩定性分析

以下覆基巖平移斷層為例， 建立不同傾角和不同位置條件下的邊坡模型， 通過強度折減法計算邊坡穩定安全系數FS。 相同條件下， 對比平移斷層、 正斷層、 逆斷層的塑性應變云圖和沿x 方向的位移云圖，總結歸納不同下覆基巖斷層類型及位置對邊坡穩定性的影響規律。

3.1 不同傾角平移斷層對邊坡穩定性的影響分析

將平移斷層傾角設計為15°、 30°、 50°、 72° （真實斷層傾角）、 100°、 120°六個方案， 通過迭代程序的收斂性， 將各個方案下邊坡的穩定安全系數FS計算結果列入表2 中， 結合不同角度下邊坡塑性應變云圖和沿X 方向位移云圖（圖3） 分析斷層傾角對邊坡穩定性的影響。

表2 不同斷層傾角對應的邊坡安全系數Table 2 Slope safety factor corresponding to different fault dip angles

圖3 不同角度下邊坡塑性應變云圖和沿X 方向位移云圖Fig.3 Plastic strain nephogram and X-direction displacement nephogram of slope at different angles

斷層傾角為15°和30°時， 邊坡模型中未發生塑性應變。 當斷層傾角從30°增大到50°時， 從圖3 中（a）圖可以清晰地看出在邊坡坡腳處和水庫底層出現了小范圍的塑性應變區域， 并且有逐步發展的趨勢， 若繼續增大斷層傾角至72°， 此時邊坡下部和水庫底層出現更大范圍的塑性應變區域， 兩者內部出現了一條塑性帶， 該塑性帶從水庫底層開始， 逐步向坡頂有完全貫通的趨勢， 如圖3 中（b） 圖所示。 對比邊坡沿X 方向的位移云圖可知， 斷層傾角從50°增大到72°的過程中，邊坡出現的塑性應變區域從無到有， 從小面積到大面積有逐步貫通的趨勢。 當斷層傾角達到72°時， 在坡肩處出現了明顯的滑移現象， 如圖3 中（d） 圖所示。 以上綜合跡象表明邊坡的整體穩定性發生了改變， 根據計算步驟和邊坡失穩判據， 當強度折減系數F ＝1.03時， 計算程序在此時恰好發生不收斂， 因此可認為本實例邊坡的穩定安全系數Fs 為1.03。

圖4 邊坡安全系數隨平移斷層傾角變化曲線圖Fig.4 Curve of slope safety factor with dip angle of translational fault

圖4 所示為下覆基巖平移斷層邊坡穩定安全系數隨斷層傾角的變化關系圖， 由圖可知斷層傾角從15°增大到120°的過程中， 邊坡穩定安全系數Fs 呈現先增加后減小的趨勢。 當斷層傾角為72°時， 此時邊坡穩定安全系數達到最大值1.03。 根據邊坡的塑性應變云圖可知， 在坡腳和坡肩之間出現一條幾乎完全貫通的塑性帶， 此時邊坡已進入塑流狀態。 基于強度折減法原理， 可判定此時邊坡達到極限平衡狀態， 即將發生失穩破壞。 繼續增大斷層傾角， 坡體內部區域產生不同程度的塑性應變區域， 但塑性應變區域始終未發生貫通， 邊坡穩定安全系數隨之不斷減小， 但邊坡始終處于穩定狀態。

3.2 不同位置平移斷層對邊坡穩定性的影響分析

根據平移斷層在邊坡中所處位置， 設計斷層距離原點x ＝125 m、 175 m、 225 m、 275 m、 325 m、375 m、∞處（無斷層處） 六個模擬方案， 基于強度折減法原理， 計算對應條件下的邊坡穩定安全系數如表3。

通過對比分析各模型方案下的塑性應變云圖可知， 當平移斷層距離邊坡原點小于225 m 時， 無論增大或減小強度折減系數， 邊坡均未出現塑性應變區域， 且計算程序一直未發生收斂。 繼續改變其強度折減系數， 當強度折減系數F 為1.03， 斷層距離原點為225 m 時， 程序恰好出現不收斂的現象， 結合判定原理可認為邊坡的穩定安全系數為1.03。 繼續改變斷層距離原點的位置時， 邊坡的穩定安全系數不再發生變化， 所以判定此種工況條件下， 邊坡趨于穩定狀態。

表3 平移斷層不同位置距離原點的邊坡安全系數表Table 3 Safety factor table for different locations of translation faults on slope

3.3 下覆正斷層和逆斷層對邊坡穩定性的影響分析

根據平移斷層不同傾角、 不同位置條件下邊坡穩定安全系數的分析結果， 按照相同的建模方法， 構建正斷層、 逆斷層邊坡模型。 結合不同類型邊坡的塑性應變云圖、 邊坡沿x 方向位移云圖， 總結不同類型斷層對邊坡穩定性的影響規律。

根據下覆正斷層邊坡模型塑性應變云圖可知無論是增大或減小強度折減系數， 邊坡模型的塑性應變區域始終未發生貫通， 且沿X 方向的位移變化始終很小， 可忽略不計。 相比之下， 逆斷層邊坡模型在水庫底層和坡肩處各自出現了小范圍的塑性貫通區域， 說明該位置處邊坡的穩定性發生了變化。 圖5 和圖6 分別示意正斷層、 逆斷層邊坡沿X 方向的位移云圖， 通過對比可知逆斷層坡體變形加劇， 且在坡肩圍巖處出現的位移比正斷層大， 說明正斷層對滑坡的發生起到一定的阻擋作用， 而逆斷層有加劇滑坡發生的趨勢。

圖5 正斷層α=72°， 邊坡x 方向位移云圖Fig.5 Normal fault of α= 72 °， x direction of slope displacement nephogram

圖6 逆斷層α=72°， 邊坡x 方向位移云圖Fig.6 Thrust of α= 72 °， x direction of slope displacement nephogram

4 結語

論文以河西水庫邊坡下覆基巖斷層為例， 以不同斷層要素為研究變量， 采用ANSYS 數值模擬軟件分析不同條件下邊坡的穩定性， 通過對比分析得出以下幾個結論：

（1） 當下覆基巖斷層為平移斷層時， 斷層傾角小于72°， 邊坡穩定安全系數隨斷層傾角的增大而增大，當斷層傾角大于72°， 邊坡穩定性安全系數逐漸降低。

（2） 當下覆基巖為平移斷層時， 在斷層位置距離原點一定范圍內， 邊坡安全穩定系數隨斷層離原點的增大而增大， 當斷層位置達到一定的距離后， 邊坡的穩定性系數不在發生變化， 斷層位置對邊坡穩定性的影響作用不是特別明顯。

（3） 在相同條件下， 相比平移斷層， 下覆正斷層對滑坡的孕育有抑制作用， 而逆斷層對滑坡的發生有促進作用。