唐古棟滑坡變形破壞機(jī)制及岸坡穩(wěn)定性研究

肖華波，王 剛，鄭漢淮，夏萬洪

（中國電建集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072）

1 研究背景

唐古棟滑坡位于雅礱江中游雅江縣孜河鄉(xiāng)雨日村，處于楞古水電站預(yù)可行性研究階段上、下2個(gè)比選壩段之間，上距上壩段約1.5 k m，下距下壩段約10.2 k m，處于下壩段庫區(qū)內(nèi)。

唐古棟滑坡坡體結(jié)構(gòu)特殊，邊坡中、后部以陡裂為主，易發(fā)生剪出破壞的緩傾坡外結(jié)構(gòu)面僅在前緣發(fā)育。已有順坡向結(jié)構(gòu)面發(fā)育邊坡變形破壞機(jī)制研究中，對(duì)遍布順坡向結(jié)構(gòu)面（如順層邊坡的層面）發(fā)育類邊坡研究較多［1］，對(duì)前緣緩傾坡外結(jié)構(gòu)面發(fā)育這類特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)的邊坡研究尚少。本文以唐古棟滑坡為研究對(duì)象，結(jié)合邊坡巖體結(jié)構(gòu)分析及三維有限差分計(jì)算，對(duì)該類邊坡變形破壞機(jī)制進(jìn)行了探討。在此基礎(chǔ)上，分析了唐古棟滑坡上游側(cè)變形體的變形發(fā)展趨勢(shì)及穩(wěn)定性，對(duì)待建的楞古水電站壩段選擇具有十分重要的工程意義。

2 唐古棟滑坡坡體結(jié)構(gòu)特征

唐古棟滑坡發(fā)生于1967年，失穩(wěn)方量約6 800萬m3，失穩(wěn)后滑面形態(tài)呈鏟狀，上游側(cè)尚殘存規(guī)模達(dá)2 800萬m3的松動(dòng)變形體，見圖1?；聟^(qū)地層巖性為三疊系上統(tǒng)侏倭組（T3zh）變質(zhì)砂巖與印支—燕山期侵入的花崗偉晶巖脈（γρ），巖層產(chǎn)狀為N50°～75°W／NE∠40°～60°，傾向坡內(nèi)?；聟^(qū)內(nèi)無大規(guī)模斷裂通過，受地質(zhì)構(gòu)造作用影響不同，邊坡不同高程巖體結(jié)構(gòu)特征差異明顯，中、上部邊坡主要發(fā)育4組陡傾裂隙，其中產(chǎn)狀 N25°～40°E／SE～NW∠75°～90°組裂隙在卸荷帶內(nèi)多被改造成為卸荷裂縫，局部發(fā)育2組中傾角傾坡外的擠壓破碎帶，但規(guī)模不大。前緣邊坡內(nèi)破碎帶不發(fā)育，共發(fā)育3組優(yōu)勢(shì)裂隙，其中產(chǎn)狀 N75°～85°W／SW∠5°～20°組緩傾坡外裂隙十分發(fā)育，延伸長度一般10～20 m，可構(gòu)成潛在底滑面，對(duì)坡體穩(wěn)定影響較大。

圖1 唐古棟滑坡全貌Fig.1 Panorama of Tanggudong landslide

3 唐古棟滑坡變形破壞機(jī)制分析

3.1 唐古棟滑坡概況

1967年6月8日，唐古棟滑坡發(fā)生堰塞堵江潰缺事件，滑體橫河長約1.4 k m，順河寬約1 k m，展布面積約1.1 k m2，前緣高程2 475～2 500 m，后緣高程3 500 m，高差約1 000 m，總方量約0.68億m3，堵塞雅礱江后形成一高175 m（右岸）至335 m（左岸）的堰塞壩，壅高水位高程達(dá)2 575 m，堰塞湖回水53 k m，庫容6.8億m3。堵塞河道9 d后潰壩，潰缺后洪峰流量達(dá)53 000 m3／s，壩下游洪水位陡漲到50.4 m，潰壩洪水沿雅礱江而下，沖毀房屋、田地、公路、橋梁等，對(duì)下游造成巨大損失。

據(jù)調(diào)查訪問，中下部坡體首先發(fā)生明顯的變形破壞，早在1960年坡表就出現(xiàn)了橫向拉裂縫，隨后裂縫數(shù)目逐年增多，規(guī)模也逐漸擴(kuò)大，至1966年，沿裂縫形成的下錯(cuò)臺(tái)階最大錯(cuò)距竟達(dá)30多m［2］。在滑坡發(fā)生前幾天，斜坡中下部出現(xiàn)了多處縱向鼓脹變形裂縫，后緣相應(yīng)出現(xiàn)了橫向拉裂縫，后緣3 525～3 530 m高程至今仍保留了滑坡發(fā)生前產(chǎn)生的延伸長約50 m的橫向拉裂縫，拉裂縫外側(cè)樹木傾斜，有馬刀樹生長。

3.2 變形破壞機(jī)制定性分析

中、上部邊坡內(nèi)發(fā)育的結(jié)構(gòu)面主要為傾向坡內(nèi)層面及4組陡傾角裂隙，傾坡外破碎帶僅局部發(fā)育，且延伸長度不大，不能形成大規(guī)模的控制性底滑面，因此，在河谷下切過程中，邊坡變形主要受卸荷回彈影響，沿陡傾裂隙追蹤發(fā)展成為卸荷裂縫，目前滑床巖體內(nèi)仍見發(fā)育，張開1～10 c m。隨著河谷下切，在重力場(chǎng)作用下卸荷裂縫不斷延伸發(fā)展，加之傾坡外擠壓破碎帶及巖脈破碎帶的串聯(lián)貫通，逐漸形成一個(gè)連續(xù)的變形界面。邊坡累計(jì)形成的變形能不能有效釋放，不斷向邊坡前緣推進(jìn)，導(dǎo)致前緣應(yīng)力高度集中。

前緣邊坡普遍發(fā)育一組產(chǎn)狀為N75°～85°W／SW∠5°～20°的緩傾坡外裂隙，河流揭穿前緣邊坡后，產(chǎn)生滑移—壓致拉裂變形，巖體沿緩傾坡外裂隙滑移錯(cuò)位，底部形成壓剪裂縫，后緣形成倒“V”字形拉裂縫（見圖2），多條緩傾坡外裂隙、壓剪裂縫、拉裂縫便構(gòu)成階梯狀組合滑面。變形逐漸向坡體后緣發(fā)展，貫穿到地表后形成地表裂縫，這正是1960年邊坡中下部橫向拉裂縫形成的原因。

圖2 前緣邊坡滑移—壓致拉裂變形Fig.2 Sliding-tension pressed defor mation in slope foreside

中、后部卸荷拉裂變形向邊坡下部發(fā)展，前緣滑移—壓致拉裂變形向上部發(fā)展，不斷吞噬、破壞它們之間的相對(duì)完整巖體，使其范圍逐漸變小，并最終被完全剪斷，從而整個(gè)邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。

3.3 變形破壞機(jī)制數(shù)值模擬分析

為進(jìn)一步分析驗(yàn)證邊坡變形破壞機(jī)制，利用FLAC3D程序，模擬了雅礱江下切過程中邊坡應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)展規(guī)律。對(duì)雅礱江下切的模擬，以三級(jí)夷平面作為初始狀態(tài)，分為Ⅶ～Ⅰ級(jí)階地、現(xiàn)代河床共8個(gè)下切過程［3］。模型中模擬了邊坡前緣普遍存在的緩傾坡外裂隙和中、上部發(fā)育的陡傾卸荷裂隙。模型中主要包括松動(dòng)巖體、強(qiáng)卸荷巖體、弱卸荷巖體、微新巖體及卸荷裂隙、前緣緩傾坡外裂隙，各巖體及結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 唐古棟滑坡巖體及結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)取值Table 1 Physico-mechanical parameters for the si mulation of Tanggudong landslide’s rock mass and str uctur al planes

模擬結(jié)果顯示，邊坡內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)展總體可以分為3個(gè)階段：

（1）卸荷拉裂變形階段。該階段歷時(shí)最長，前緣緩傾坡外結(jié)構(gòu)面未被揭露出來，邊坡變形主要表現(xiàn)為卸荷回彈變形及卸荷裂隙的追蹤發(fā)展，邊坡位移值較小，一般為幾個(gè)c m。卸荷裂隙相互貫通形成卸荷帶，帶內(nèi)巖體應(yīng)力松弛，而卸荷帶下端則出現(xiàn)應(yīng)力集中（見圖3），卸荷帶不斷向前緣推進(jìn)，其松弛應(yīng)力也不斷向前緣轉(zhuǎn)移。

圖3 卸荷拉裂變形階段最大主應(yīng)力分布特征Fig.3 Distribution of maxi mum principal stress during unloading defor mation

（2）滑移—壓致拉裂變形階段。河谷下切至現(xiàn)代河床，邊坡前緣大量緩傾坡外結(jié)構(gòu)面被揭露出來，受控于該組結(jié)構(gòu)面的滑移—壓致拉裂變形使得前緣坡體位移大增，迭代計(jì)算1 000步時(shí)，總位移達(dá)12～15 c m，并與中、上部坡體卸荷拉裂變形相互促進(jìn)，導(dǎo)致前緣2 650 m高程以下及中、上部2 800 m高程以上巖體內(nèi)均形成連續(xù)的剪應(yīng)變?cè)隽考袟l帶，但在2 650～2 800 m高程段未貫通，形成支撐邊穩(wěn)定的鎖固段（見圖4）。

圖4 滑移—壓致拉裂變形階段剪應(yīng)變?cè)隽糠植继卣鱂ig.4 Distribution of shear strain increment during sliding-tension pressed defor mation

（3）鎖固段累進(jìn)性破壞階段。迭代計(jì)算繼續(xù)進(jìn)行，邊坡變形不斷增大，最終坡內(nèi)形成完全貫通的剪應(yīng)變?cè)隽考袟l帶（見圖5），計(jì)算不能收斂，邊坡整體進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)。

圖5 鎖固段累進(jìn)性破壞階段剪應(yīng)變?cè)隽糠植继卣鱂ig.5 Distribution of shear strain increment during progressive failure of locked rock mass section

值得注意的是，邊坡變形演化過程中，鎖固段巖體變形發(fā)展具有一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（見圖6），位于邊坡變形由滑移—壓致拉裂變形向鎖固段累進(jìn)性破壞轉(zhuǎn)變階段，之前鎖固段巖體累計(jì)變形僅幾個(gè)厘米，之后則向坡外、向下的位移迅猛增加，同時(shí)整個(gè)邊坡變形不能收斂。模擬結(jié)果與調(diào)查訪問獲知的“斜坡中下部（即鎖固段巖體）出現(xiàn)鼓脹變形后幾天內(nèi)唐古棟滑坡便發(fā)生整體失穩(wěn)”這一現(xiàn)象具有較好的一致性，共同反映出鎖固段巖體鼓脹變形、位移陡增，預(yù)示著邊坡將整體進(jìn)入臨滑狀態(tài)。

圖6 河谷演化全過程中鎖固段巖體變形發(fā)展過程Fig.6 Develop ment of the defor mation of locked rock mass section with the erosion of the Yalong River in geological history

3.4 變形破壞機(jī)制綜合分析

圖7 前緣緩傾坡外結(jié)構(gòu)面發(fā)育高邊坡變形演變過程Fig.7 Develop ment of def or mation in slope with structural planes dipping outside in slope f oreside

通過對(duì)唐古棟滑坡變形破壞機(jī)制的定性分析及數(shù)值模擬研究，得出該類前緣緩傾坡外結(jié)構(gòu)面發(fā)育高邊坡變形破壞機(jī)制可歸納為卸荷拉裂—滑移（壓致）拉裂—剪斷3段式［4］機(jī)制，邊坡變形破壞具有分3段發(fā)育的特征，即中、上部沿陡傾角裂隙卸荷拉裂并相互發(fā)展貫通、前緣沿緩傾角裂隙滑移（壓致）拉裂、中部鎖固段剪斷。

可能產(chǎn)生這類變形模式的邊坡具有如下特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)：①邊坡中、上部順坡向結(jié)構(gòu)面以陡傾角為主，不具備形成剪出破壞的條件；②前緣緩傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)育，一般情況下結(jié)構(gòu)面傾角小于20°時(shí)，前緣邊坡易發(fā)生滑移—壓致拉裂變形，結(jié)構(gòu)面傾角大于或等于20°時(shí)，易發(fā)生滑移—拉裂變形；③邊坡巖塊強(qiáng)度高，一般為較硬巖或堅(jiān)硬巖石。

該類邊坡的變形破壞機(jī)制主要表現(xiàn)為以下的階段性過程（見圖7）：

（1）河谷未大量揭露前緣緩傾坡外結(jié)構(gòu)面的卸荷變形階段（圖7（b））。河谷下切過程中，邊坡發(fā)生卸荷回彈變形，改造已有陡傾角裂隙并沿兩端追蹤發(fā)展形成卸荷裂縫［5］，隨后坡體在自重應(yīng)力的長期作用下，卸荷裂縫相互貫通。該階段由于卸荷裂縫的發(fā)展貫通，使得應(yīng)力和應(yīng)變能不斷向邊坡中下部累積，河流切割越深，能量累積越大。

（2）河谷大量揭露前緣緩傾坡外結(jié)構(gòu)面的滑移（壓致）拉裂變形階段（圖7（c））。前緣沿緩傾坡外結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移（壓致）拉裂變形并不斷向邊坡上部發(fā)展，同時(shí)，中、后部卸荷變形向邊坡下部發(fā)展，它們之間的相對(duì)完整巖體，構(gòu)成邊坡變形的鎖固段，坡體的穩(wěn)定性將主要由鎖固段來維系，鎖固段的應(yīng)力也隨著卸荷拉裂段和滑移（壓致）拉裂段的發(fā)展而逐漸積累。

（3）鎖固段累進(jìn)性破壞階段（圖7（d））。當(dāng)前緣滑移（壓致）拉裂變形范圍進(jìn)一步擴(kuò)大、后緣卸荷拉裂加深到一定深度時(shí)，鎖固段的應(yīng)力積累使這部分巖體進(jìn)入累進(jìn)性破壞階段，變形陡然增加、巖體擴(kuò)容，并最終剪斷鎖固段，發(fā)生突發(fā)的脆性破壞［4］。

該類邊坡的變形、破壞的特點(diǎn)：①邊坡變形孕育時(shí)間長，變形規(guī)模大，蓄積能量高，鎖固段突發(fā)剪斷伴隨有很大的峰、殘強(qiáng)度差［4］，邊坡巖體的應(yīng)變能得以突發(fā)釋放，所發(fā)生的滑坡規(guī)模大、滑速高；②鎖固段巖體鼓脹變形、位移陡增是邊坡進(jìn)入臨滑狀態(tài)的預(yù)示點(diǎn)。

4 唐古棟滑坡上游側(cè)變形體穩(wěn)定性及工程影響分析

4.1 變形特征

唐古棟滑坡上游側(cè)邊坡坡體結(jié)構(gòu)與唐古棟滑坡失穩(wěn)前基本一致，目前，邊坡前緣及上部各發(fā)育一松動(dòng)變形體（見圖8）。

圖8 唐古棟滑坡上游側(cè)變形體工程地質(zhì)剖面Fig.8 Engineering geological profile of the def or mation body in the upstream side of Tanggudong landslide

（1）前緣2 395～2 750 m高程發(fā)育拉裂松動(dòng)體，水平變形深度90～140 m，方量約1 000萬m3，與唐古棟滑坡前緣變形特征相同，沿產(chǎn)狀為N75°～85°W／SW∠5°～20°組緩傾坡外結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移—壓致拉裂變形，結(jié)構(gòu)面上、下盤巖體滑移錯(cuò)位達(dá)1～10 c m，變形導(dǎo)致2 660～2 720 m高程平臺(tái)內(nèi)出現(xiàn)多條延伸數(shù)十米的拉裂縫、拉陷槽。

（2）邊坡上部2 840～3 500 m高程發(fā)育蠕滑體，水平變形深度100～130 m，方量約1 800萬m3，受卸荷—拉裂變形及蠕滑變形組合控制。蠕滑體后緣3 219.5 m高程HTPD05平硐硐深106 m處上覆巖土體沿傾坡外斷層f5-1發(fā)生蠕滑變形，該斷層產(chǎn)狀為EW／S∠60°，寬80 c m，沿?cái)鄬訋媳P可見巖塊轉(zhuǎn)動(dòng)變形現(xiàn)象；位于3 009.17 m高程的HTPD03平硐洞深103 m處揭露由花崗偉晶巖脈接觸破碎帶改造形成的卸荷裂縫L3-6，產(chǎn)狀為N60°E／SE∠65°，張開2～3 m，僅充填少量巖塊，架空明顯。蠕滑體變形強(qiáng)烈，但控制其變形的結(jié)構(gòu)面傾角均較大（≥60°），大于邊坡坡度（平均35°），不具備形成剪出破壞條件，在坡表也未發(fā)現(xiàn)剪出變形現(xiàn)象。2處變形體巖體均呈碎裂結(jié)構(gòu)，弱偏強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，勘探平硐成型不規(guī)則，開挖后塌頂、掉塊嚴(yán)重，平硐多需密集支撐方可成硐，鉆孔巖芯呈碎塊狀—短柱狀，2處變形體之間2 583～2 970 m高程發(fā)育較完整巖體，呈外凸?fàn)睿偳督Y(jié)構(gòu)，弱風(fēng)化狀態(tài)，巖芯以柱狀—長柱狀為主。

4.2 穩(wěn)定性及工程影響分析

唐古棟滑坡上游側(cè)變形體3段式特征明顯：前緣2 395～2 750 m高程為緩傾坡外結(jié)構(gòu)面控制的滑移—壓致拉裂變形段，中、上部2 840～3 500 m高程為陡傾結(jié)構(gòu)面控制的卸荷拉裂變形及蠕滑變形段，它們之間則巖體較完整，是支撐邊坡穩(wěn)定的鎖固段。其變形機(jī)制符合卸荷拉裂—滑移（壓致）拉裂—剪斷3段式機(jī)制。

目前，邊坡變形處于該機(jī)制中變形發(fā)展過程的第2個(gè)階段，鎖固段承受著較大的累計(jì)應(yīng)力，且仍在隨著卸荷拉裂段和滑移—壓致拉裂段的發(fā)展不斷加強(qiáng)。由于鎖固段巖體尚較完整，前緣拉裂變形體仍具有一定的抗變形能力，目前邊坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。但下壩段蓄水將使前緣巖體受水浸泡，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度降低，抗力減小，根據(jù)數(shù)值模擬得出，當(dāng)下壩段蓄水、地震工況共同作用下，鎖固段巖體內(nèi)最大主應(yīng)力將增加約23%，最小主應(yīng)力降低約12%，最大主應(yīng)力增加、最小主應(yīng)力降低的應(yīng)力調(diào)整方式對(duì)鎖固段穩(wěn)定極為不利，與此同時(shí)，鎖固段巖體內(nèi)出現(xiàn)大量的塑性破壞區(qū)，位移較大，一旦鎖固段被突發(fā)剪斷，邊坡可能發(fā)生整體高速失穩(wěn)，失穩(wěn)方量共達(dá)3 100萬m3，其堰塞、涌浪可能對(duì)下壩段樞紐建筑構(gòu)成較大危害。變形體位于上壩段下游，無工程蓄水影響，邊坡發(fā)生大規(guī)模失穩(wěn)的可能性小。相比上、下壩段2種比選方案，無論工程建設(shè)對(duì)變形體穩(wěn)定性的影響，還是變形體對(duì)工程建設(shè)的影響，上壩段均影響較小。

5 結(jié) 論

本文以唐古棟滑坡為研究對(duì)象，通過分析前緣緩傾坡外結(jié)構(gòu)面發(fā)育高邊坡變形破壞機(jī)制，并研究唐古棟滑坡上游側(cè)變形體的穩(wěn)定性及工程影響，主要有以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）前緣緩傾坡外結(jié)構(gòu)面發(fā)育高邊坡變形破壞機(jī)制可歸納為“卸荷拉裂—滑移（壓致）拉裂—剪斷”3段式機(jī)制，該類邊坡變形規(guī)模大、滑速高、危害大，工程中應(yīng)高度重視。

（2）前緣緩傾坡外結(jié)構(gòu)面發(fā)育高邊坡失穩(wěn)前其穩(wěn)定性主要依靠鎖固段巖體維系，鎖固段巖體鼓脹變形、位移陡增預(yù)示著邊坡將整體進(jìn)入臨滑狀態(tài)，因此，鎖固段巖體的變形監(jiān)測(cè)是該類邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警的重點(diǎn)部位。

（3）唐古棟滑坡上游側(cè)變形體受楞古水電站下壩段蓄水及地震作用影響大，可能發(fā)生整體高速失穩(wěn)，對(duì)下壩段方案的樞紐建筑物安全構(gòu)成較大威脅。上壩段方案工程建設(shè)與變形體穩(wěn)定性之間的相互影響則較小。

［1］LO K Y，WAI R S C.Ti me-dependent Defor mation of Shaly Rocks in Southern Ontario［J］.Canada Geotechnical Jour nal，1978，15（2）：537-547.

［2］冷 倫，冷榮梅.雅礱江垮山洪水和歷史的教訓(xùn)［J］.四川水 利，2002，（2）：42-44.（LENG Lun，LENG Rong-mei.Kuashan Stride Flood and Its Historical Lesson in Yalongjiang River［J］.Sichuan Water Conservancy，2002，（2）：42-44.（in Chinese））

［3］徐佩華，陳劍平，黃潤秋，等.雅礱江河谷下切三維數(shù)值模擬分析——解放溝模型應(yīng)力場(chǎng)分析［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2003，33（2）：208-212.（XU Pei-hua，CHEN Jian-ping，HUANG Run-qiu，et al.3-D Nu merical Si mulation Analysis of Yalongjiang Valley Stress Field Analysis of Jiefanggou Model［J］.Jour nal of Jilin University（Earth Science Edition），2003，33（2）：208-212.（in Chinese））

［4］黃潤秋.20世紀(jì)以來中國的大型滑坡及其發(fā)生機(jī)制［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（3）：433-454.（HUANG Run-qiu.Large-scale Landslides and Their Sliding Mechanisms in China Since the 20th Century［J］.Chinese Jour nal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26（3）：433-454.（in Chinese））

［5］沈軍輝，王蘭生，王青海，等.卸荷巖體的變形破裂特征［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22（12）：2028-2031.（SHEN Jun-hui，WANG Lang-sheng，WANG Qing-hai，et al.Defor mation and Fracture Feat ures of Unloaded Rock Mass ［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22（12）：2028-2031.（in Chinese））