毛 碩，王運(yùn)生

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

?

雅礱江中游某滑坡形成機(jī)制及穩(wěn)定分析

毛 碩，王運(yùn)生

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yùn)行。本文在野外工程地質(zhì)測(cè)繪、鉆探、室內(nèi)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用三維有限差分軟件FLAC3D對(duì)滑坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)滑坡基本特征、形成機(jī)制以及穩(wěn)定性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。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(dòng)-滑移彎曲-貫通破壞三個(gè)階段，天然狀態(tài)下滑坡整體上穩(wěn)定性較好，暴雨?duì)顟B(tài)下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，局部表層存在二次滑動(dòng)可能。

關(guān)鍵詞：滑坡；形成機(jī)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(guò)渡帶，河谷深切，地質(zhì)環(huán)境脆弱，近年來(lái)由于水電設(shè)施的開(kāi)發(fā)，人類工程活動(dòng)增強(qiáng)，地質(zhì)災(zāi)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(guò)，如果該滑坡一旦復(fù)活，很可能堵塞雅礱江，威脅當(dāng)?shù)鼐用裆?cái)產(chǎn)安全和即將規(guī)劃修建的水電設(shè)施。本文通過(guò)詳細(xì)的野外調(diào)查以及工程地質(zhì)測(cè)繪和室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)滑坡的形態(tài)、變形特征進(jìn)行了剖析，研究了滑坡的形成機(jī)制，并運(yùn)用FLAC-3D軟件對(duì)滑坡進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了滑坡的穩(wěn)定性，并采用FLAC-3D強(qiáng)度折減法和極限平衡理論對(duì)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

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(kāi)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°?；麦w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(zhǎng)約1 150 m，面積109×104m2。從剖面圖來(lái)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(fù)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(xì)分為二個(gè)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(qiáng)風(fēng)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(guò)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(fēng)化較強(qiáng)烈，呈全～強(qiáng)風(fēng)化狀?；瑤脸煞种饕獮榉圪|(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(jiàn)鼓脹隆起現(xiàn)象，滑坡體沒(méi)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(zhǎng)。

2 滑坡形成機(jī)制

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(jī)制為滑移-彎曲[1-2]。形成演化過(guò)程主要分為三個(gè)階段：剪切蠕動(dòng)-滑移彎曲-貫通破壞。

剪切蠕動(dòng)階段：中更新世晚期以來(lái)，雅礱江快速下切，斜坡前緣浸泡在江水之中，板理面長(zhǎng)期浸水而軟化，強(qiáng)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(dòng)。

滑移彎曲階段：隨著蠕動(dòng)的加劇，在斜坡上部產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，形成拉裂縫，在層間軟弱帶由于剪應(yīng)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(qiáng)，出現(xiàn)共軛X節(jié)理，差異性變形導(dǎo)致巖體擴(kuò)容，隆起加劇，巖體松動(dòng)，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(kuò)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(yán)重，在此基礎(chǔ)上的滑移-彎曲變形可以持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，進(jìn)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(qiáng)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(duì)滑坡的變形分析，前緣未發(fā)生隆脹、后緣未見(jiàn)長(zhǎng)大拉張裂縫等現(xiàn)象，滑坡體中沒(méi)有泉水出露，鉆孔也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)次級(jí)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(xì)了解堆積體應(yīng)力變形特征，分析滑坡的穩(wěn)定性，采用ISTA公司開(kāi)發(fā)的FLAC-3D軟件對(duì)滑坡進(jìn)行模擬[3-4]，為穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考。

(1)模型的建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、工程地質(zhì)測(cè)繪以及鉆探資料建立模型，只分析滑坡堆積體的應(yīng)力、變形特征，對(duì)模型進(jìn)行了優(yōu)化，堆積體和基巖采用實(shí)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?yàn)檎?長(zhǎng)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(jì)26 376個(gè)單元，6 349個(gè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)模型底面及四周采用法向約束，坡面為自由表面?；露逊e體、基巖均采用彈塑性模型，采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，不考慮構(gòu)造應(yīng)力的作用，只考慮自身重力的作用。

(2)參數(shù)的選取

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采樣、試驗(yàn)及類比該地區(qū)同類工程，綜合確定巖土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)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(biāo)準(zhǔn)[5-7]，主要從系統(tǒng)不平衡力、剪應(yīng)變?cè)隽?、位移、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化曲線等方面進(jìn)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(kāi)始1 000步之內(nèi)波動(dòng)較大，但是系統(tǒng)不平衡力隨著迭代的進(jìn)行而衰減，最終收斂，達(dá)到平衡。從系統(tǒng)不平衡力的演變過(guò)程可以得出：不考慮構(gòu)造應(yīng)力，堆積體在自重作用下，應(yīng)力不斷調(diào)整達(dá)到自穩(wěn)。因此，在自然狀態(tài)下，滑坡變形也會(huì)慢慢穩(wěn)定，滑坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

剪應(yīng)變?cè)隽浚阂恍W(xué)者把剪應(yīng)變貫通作為邊坡失穩(wěn)的判斷依據(jù)[8-10]。從剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D看出(圖4)，剪應(yīng)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(yīng)變?cè)隽考袔Р⑽簇炌ǎ蟛糠譃殒i骨段，為抗滑段。剪應(yīng)變?cè)隽考械牡胤绞亲羁赡馨l(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(dòng)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(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(cè)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(shè)立監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線如圖6。從監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線可以看出，H1、H2、H3監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(shí)間的推移，經(jīng)過(guò)一陣波動(dòng)，增長(zhǎng)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(píng)價(jià)

目前滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)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(qiáng)度折減理論，優(yōu)點(diǎn)在于不用假定滑面，考慮巖土體彈塑性本質(zhì)，通過(guò)折減物理力學(xué)參數(shù)，計(jì)算得到最危險(xiǎn)滑面，并且能夠分析極限狀態(tài)下的應(yīng)力變形特征[13]。

本文采用FLAC-3D內(nèi)置強(qiáng)度折減法[14]和傳統(tǒng)極限平衡理論Morgenstern-Price、Biop法進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算?？紤]天然和暴雨條件，計(jì)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(shí)的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D，從圖7可以看出，滑坡強(qiáng)度折減后，剪應(yīng)變?cè)隽控炌?，堆積體處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)。

表2 穩(wěn)定性計(jì)算成果

計(jì)算結(jié)果表明：FLAC3D強(qiáng)度折減法計(jì)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?duì)顟B(tài)下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。但是強(qiáng)度折減法還能觀察堆積體內(nèi)部應(yīng)力、變形狀態(tài)，分析出潛在滑動(dòng)面。

4 結(jié)論

1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(jī)制為滑移-彎曲。其形成演化過(guò)程主要分為剪切蠕動(dòng)-滑移彎曲-貫通破壞三個(gè)階段。

2)通過(guò)FLAC-3D強(qiáng)度折減法與傳統(tǒng)極限平衡分析方法對(duì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果相近、合理，并且FLAC-3D強(qiáng)度折減法還能分析判斷出潛在滑面。

3)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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?duì)顟B(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(dòng)可能。

參考文獻(xiàn)：

[1]張倬元,王士天,王蘭生.工程地質(zhì)分析原理(第三版)[M].北京：地質(zhì)出版社,2008.

[2]吉 鋒，唐興君，石豫川.雅礱江中游某滑坡群形成條件及工程影響分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2011,28(5):9-13.

[3]張利潔,黃正加,雷 菁.FLAC-3D在邊坡巖體穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2005 (S2)61-64.

[4]張雪東,陳劍平,黃潤(rùn)秋,等.呷爬滑坡穩(wěn)定性的FLAC-3D數(shù)值模擬分析[J].巖土力學(xué)，2003(S1):113-116.

[5]GRIFFITHS D V, LANE P A.Slope stability analysis by finite elements[J].Geotechnique,1999, 49(3):387 -403.

[6]宋二祥.土工結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的有限元計(jì)算[J].巖土工程學(xué)報(bào),1997,19(2):1-7.

[7]趙尚毅,鄭穎人,張玉芳.極限分析有限元法講座—Ⅱ有限元強(qiáng)度折減法中邊坡失穩(wěn)的判據(jù)探討[J].巖土力學(xué),2005,26(2):332-336.

[8]連鎮(zhèn)營(yíng), 韓國(guó)城, 孔憲京.強(qiáng)度折減有限元法研究開(kāi)挖邊坡的穩(wěn)定性[J].巖土工程學(xué)報(bào), 2001,23(4):407- 411.

[9]MANZARI M T,NOUR M A.Significance of soil dilatancy in slope stability analysis [J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,ASCE,2000,126(1):75-80.

[10]欒茂田,武亞軍,年廷凱.強(qiáng)度折減有限元法中邊坡失穩(wěn)的塑性區(qū)判據(jù)及其應(yīng)用[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2003,23(3):1-8.

[11]丁秀美,劉光士,黃潤(rùn)秋,等.剪應(yīng)變?cè)隽吭诙逊e體邊坡穩(wěn)定性研究中的應(yīng)用[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2004,19(Z):318-323.

[12]李宏杰,戴福初,楊 軍,等.某滑坡蓄水后的三維穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007,34(6):59-62.

[13]季 聰,佴 磊,馬 宏,等.FLAC3D強(qiáng)度折減理論在邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J].世界地質(zhì),2013,32(1):158-164.

[14]薛 雷,孫 強(qiáng),秦四清,等.非均質(zhì)邊坡強(qiáng)度折減法折減范圍研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2011.33(2):275-280.

(責(zé)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(hào)：P642.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-9469(2016)01-0091-05

doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.01.020

作者簡(jiǎn)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(zāi)害評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)等研究工作。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41072231)；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目資助項(xiàng)目(12120113010100)

收稿日期：2015-09-18