王云南,任光明,邱 俊
(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,成都 610059)
黃河某水電站庫(kù)區(qū)Ⅲ#滑坡形成機(jī)制研究
王云南,任光明,邱 俊
(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,成都 610059)
傾倒-變形多發(fā)生在逆向?qū)訝钸吰聝?nèi),但在近幾年工程勘查中發(fā)現(xiàn),陡傾順向邊坡也存在該種失穩(wěn)模式,研究其形成機(jī)制對(duì)正確評(píng)價(jià)工程邊坡的穩(wěn)定性有著重要意義。以西北黃河流域某水電站壩前右岸的Ⅲ#滑坡為例,在地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上,結(jié)合數(shù)值模擬和定性分析得出:滑坡的形成過(guò)程分為河谷下切、坡表卸荷,巖層發(fā)生傾倒-變形,滑移-拉裂3個(gè)階段,利用UDEC再現(xiàn)了滑坡的形成過(guò)程。利用有限元和離散元計(jì)算得到的結(jié)果互相吻合,證明了結(jié)論的合理性。
滑坡;順向邊坡;形成機(jī)制;傾倒-變形;數(shù)值模擬
層狀邊坡的變形破壞是地質(zhì)工程的重大災(zāi)害之一。由于層面的存在,一定程度上降低了坡體自身的穩(wěn)定性,在外部營(yíng)力作用下易發(fā)生變形破壞[1]。傾倒變形是層狀邊坡普遍存在的一種失穩(wěn)模式,且多發(fā)生在反傾層狀邊坡中,但隨著大量工程項(xiàng)目的開展,發(fā)現(xiàn)順向邊坡中也存在該種類型的變形破壞[2]。尚景紅[3]經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),金川水電站左岸進(jìn)水口邊坡層狀巖體內(nèi)存在順層面和順長(zhǎng)大結(jié)構(gòu)面的傾倒變形;王者濤[4]研究的青川縣變形體和滑坡均為陡傾順向千枚巖傾倒彎曲形成的;孫耀明等[5]、丁中開等[6]在調(diào)查研究中也發(fā)現(xiàn)順向邊坡內(nèi)存在傾倒變形;任光明等[7]以白龍江一電站庫(kù)區(qū)滑坡為例系統(tǒng)研究該類斜坡的變形破壞特征,并用數(shù)值模擬再現(xiàn)其演變過(guò)程。國(guó)外也存在順向邊坡發(fā)生傾倒變形的實(shí)例:如尼泊爾西瓦利克山脈和加拿大落基山脈前的喬木林道兩公里范圍內(nèi)均存在陡傾順向坡體內(nèi)發(fā)育傾倒變形體的現(xiàn)象[8-9]。
Ⅲ#滑坡所在邊坡即為陡傾順層坡體,結(jié)合該坡體的地質(zhì)條件推測(cè)形成滑坡的主要變形破壞模式即為傾倒變形。該滑坡位于西北某大型水電站壩前右岸,其穩(wěn)定性和變形趨勢(shì)對(duì)水電站的建設(shè)和安全運(yùn)行至關(guān)重要,因此研究該滑坡的形成機(jī)制有著重要意義。目前,對(duì)邊坡傾倒變形機(jī)理的研究主要為物理模擬和數(shù)值模擬[10],本文在對(duì)Ⅲ#滑坡地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上,通過(guò)地形恢復(fù),并運(yùn)用離散元、有限元和定性分析相結(jié)合的方法,探討該滑坡的形成演化過(guò)程。
Ⅲ#滑坡位于水電站下壩址壩前右岸,上游邊界位于壩軸線以上約800 m,下游側(cè)以沖溝為界,距壩軸線約600 m?;滤诤佣危拥阑卷樦?,河流流向NE25°,平水期水位高程約為2 760 m,河面寬度約40~60 m?;卤砻婊鶐r裸露,坡形總體上呈現(xiàn)后緣較緩前緣陡峭的形態(tài),坡度變化在35°~50°之間?;潞缶夗樅恿鞣较?qū)挾燃s130 m,前緣順河流方向?qū)挾燃s200 m,坡面長(zhǎng)度約270 m,滑坡相對(duì)高差約160 m,如圖1所示。
圖1 滑坡平面圖Fig.1 Plan of the landslide
滑坡內(nèi)主要以三疊系中統(tǒng)板巖、板巖夾砂巖(T2-Ss+SL)為主,巖體呈現(xiàn)薄層狀,局部夾厚層板巖[11]?;禄鶐r巖層傾向在300°~350°之間,傾角為68°~82°,滑坡主滑方向?yàn)镹W310°,與基巖傾向接近,與河流流向垂直,根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(DLT 5353—2006)規(guī)定,Ⅲ#滑坡所在斜坡為陡傾外順向?qū)訝顜r質(zhì)邊坡。
滑坡范圍內(nèi)無(wú)大規(guī)模的斷層發(fā)育,主要發(fā)育2組裂隙,分別為NE20°NW∠20°和NW285°SW∠25°的緩傾裂隙組,其中產(chǎn)狀為NE20°NW∠20°的優(yōu)勢(shì)裂隙傾向坡外,與層間錯(cuò)動(dòng)帶可以組合成滑坡的底滑面。
坡體中部覆蓋層下的薄層狀巖體接近直立,部分巖層反傾坡內(nèi)排列整齊,巖層產(chǎn)狀為NE55°SE∠80°,與坡體基巖傾向相反,巖體較完整(圖2(a))?;虑熬壖舫隹诓课粠r層發(fā)生反翹,巖層傾向坡內(nèi),產(chǎn)狀為NE78°SE∠62°,該處巖體破碎,呈巖塊、巖屑夾黃色黏土狀(圖2(b))。有明顯巖層剪斷跡象。坡體高程3 000 m附近出現(xiàn)緩平臺(tái),同時(shí)存在高1 m左右的陡坎(圖2(c))。且該處拉裂縫較為發(fā)育,最長(zhǎng)約100 m,寬5~20 cm,走向?yàn)镹E10°,該位置以上的坡體未發(fā)現(xiàn)明顯變形跡象。沖溝邊界的頂部坡面和溝下游側(cè)坡面較陡,與滑坡下游側(cè)緣坡面交于溝內(nèi),形成一塊楔形體凹槽(圖2(d))。跡象顯示發(fā)生過(guò)垮塌,初步估算垮塌體積在5 000 m3。
圖2 滑坡變形及破壞特征Fig.2 Deformation and failure features of landslide
滑坡內(nèi)部共有3處平洞,分別為PD41,PD72,PD75。根據(jù)滑坡前緣的PD41內(nèi)洞壁彈性波速測(cè)試結(jié)果顯示,前30 m波速值在1 000 m/s以下;30~47 m范圍內(nèi),波速值在1 000~2 000 m/s之間;47 m以后,波速值在2 400 m/s以上。根據(jù)平洞中波速測(cè)試結(jié)果推測(cè):平洞30 m處為滑坡滑帶位置,30~50 m為滑帶影響區(qū),>50 m的位置屬于坡體基巖部分;在PD72-1支洞內(nèi)17 m處也發(fā)現(xiàn)了一處破碎帶,破碎帶上部和下部的巖層形成一組弓形的折斷帶,推測(cè)為滑帶;后緣布置的勘探平硐(PD75)內(nèi)80 m處出現(xiàn)明顯的彎曲折斷面。
根據(jù)以上坡表和平洞內(nèi)的變形破壞特征分析初步得出滑帶的位置,其中滑坡后緣高程約為3 000 m,剪出口位于PD41以下18 m,如圖3所示。
圖3 滑坡剖面圖Fig.3 Profile of the landslide
4.1 滑坡形成因素分析
4.1.1 地層巖性
滑坡區(qū)基巖主要以三疊系中統(tǒng)板巖、板巖夾砂巖為主,巖體呈現(xiàn)薄層狀,力學(xué)性質(zhì)較差,抗風(fēng)化能力較弱,巖體層面和風(fēng)化裂隙為地表水的滲透提供通道。因此,地層巖性方面具備坡體變形破壞的條件。
4.1.2 地質(zhì)構(gòu)造
滑坡所在邊坡為順向坡,巖層產(chǎn)狀NE30°~80°/NW∠68°~82°,巖層傾角較陡?;鶐r中主要發(fā)育2組裂隙:NE20°NW∠20°和NW285°SW∠25°,其產(chǎn)狀組合為滑坡提供了邊界條件。
4.1.3 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)
該滑坡所在區(qū)域?yàn)榍嗖馗咴瓥|北部邊緣地區(qū),其新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的主要特征為地殼大面積的快速隆升,因此,伴隨河流的下切,坡體前緣快速形成陡坡,為滑坡的形成提供臨空條件。
4.1.4 水文條件
該地區(qū)處于高原半干旱高寒氣候區(qū),降水量較少,地下水主要為第四系松散層孔隙潛水與基巖裂隙水。其中裂隙水長(zhǎng)期的賦存會(huì)降低巖土體的物理力學(xué)參數(shù),誘發(fā)滑坡的產(chǎn)生。
綜上所述,較差的地層物理力學(xué)性質(zhì)和陡傾順向的坡體結(jié)構(gòu)是坡體發(fā)生變形的內(nèi)在因素;基巖發(fā)育的節(jié)理裂隙為滑坡提供邊界條件;在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地下水軟化巖層的基礎(chǔ)上,最終形成滑坡。
4.2 滑坡形成演化過(guò)程數(shù)值模擬
為了再現(xiàn)滑坡發(fā)生變形破壞的全過(guò)程,首先采用二維離散元軟件UDEC模擬邊坡的變形過(guò)程及其運(yùn)動(dòng)特征[12-18],再利用二維有限元軟件phase對(duì)已經(jīng)發(fā)生變形破壞的坡體進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變特征分析。
4.2.1 計(jì)算模型的建立
以滑坡的變形破壞特征及周邊區(qū)域地形地貌特征為依據(jù),推斷出原始坡面傾角較陡;河谷深度較淺,并且根據(jù)相鄰側(cè)的傾倒體和未變形邊坡的坡面形態(tài)反演出該滑坡的原始坡形,對(duì)應(yīng)的計(jì)算剖面如圖4所示。
4.2.2 計(jì)算參數(shù)的確定
根據(jù)勘察單位現(xiàn)場(chǎng)平硐的抗剪(斷)實(shí)驗(yàn)、巖體變形實(shí)驗(yàn),同時(shí)運(yùn)用工程類比和經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法,確定模型中各個(gè)介質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù),見表1、表2。
表1 塊體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of rock mass
表2 結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physico-mechanical parameters of structural planes
4.2.3 模擬計(jì)算結(jié)果分析
該模擬過(guò)程一共迭代了25萬(wàn)步,直觀地反映了滑坡發(fā)育的全過(guò)程。計(jì)算結(jié)果顯示,邊坡的變形破壞有以下特征:
河谷下切,前緣坡體坡度變陡,臨空面增大,巖體產(chǎn)生卸荷裂隙,在重力的作用下前緣卸荷巖體向臨空方向發(fā)生變形。前緣坡體的變形為中后部提供變形空間,即中部巖層向臨空方向發(fā)生彎曲變形,坡體后緣發(fā)生卸荷回彈,并沿著陡傾的層面產(chǎn)生拉裂縫,如圖5(a)所示。
迭代至11萬(wàn)步,隨著河谷繼續(xù)下切及風(fēng)化等作用下,前緣變形坡體向坡體內(nèi)部擴(kuò)展,表層巖體開始向臨空方向偏轉(zhuǎn)[19];中部部分巖體有向臨空方向傾倒變形的趨勢(shì),且變形較大的巖體沿著緩傾結(jié)構(gòu)面發(fā)生局部剪切滑移;后緣拉裂面向坡體內(nèi)部形成深部追蹤發(fā)育,拉裂面附近的巖體較破碎,且坡體有一定程度的沉降,形成臺(tái)階狀陡坎,如圖5(b)所示。
迭代至14萬(wàn)步,在上述變形的基礎(chǔ)上,前緣傾倒巖體沿著緩傾結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生局部剪切滑移,導(dǎo)致中部巖體變形加劇,破壞范圍增大,與前緣滑移面和后緣追蹤拉裂面構(gòu)成坡體斷續(xù)的破碎帶,如圖5(c)所示。
迭代至25萬(wàn)步,破碎帶貫通,變形巖體完全脫離基巖,坡體發(fā)生整體滑移,堵塞河谷,見圖5(d)。從圖5(d)可以看出,前緣坡體位移最大,接近100 m左右,坡體整體位移均在50 m以上,坡體后緣形成約40 m的陡坎。至此,坡體變形終止。
圖5 滑坡變形演變過(guò)程Fig.5 Process of slope deformation
再利用有限元數(shù)值模擬分析當(dāng)前變形坡體的應(yīng)力應(yīng)變特征,結(jié)果表明:坡體的應(yīng)力分布特征明顯受重力場(chǎng)控制,坡體后緣出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域,量值在250 kPa左右,坡表在河谷下切產(chǎn)生卸荷回彈的情況下,最小主應(yīng)力趨近于0。坡腳和中部破碎帶附近出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中,且破碎帶位置出現(xiàn)明顯的應(yīng)力不連續(xù)分布現(xiàn)象(圖6(a))。從坡體的剪應(yīng)變分布圖(圖6(b))中可以得出,剪應(yīng)變主要發(fā)生在坡體前緣和中部破碎帶,尤其是中部破碎帶部分的剪應(yīng)變量值明顯大于周邊區(qū)域,與離散元分析結(jié)果吻合。
(a) 邊坡最小主應(yīng)力分布
(b) 邊坡剪應(yīng)變分布
4.3 滑坡形成機(jī)制分析
根據(jù)上述對(duì)滑坡的地形地貌、物質(zhì)組成和變形破壞特征的分析,得出滑坡是由陡傾的互層狀砂板巖發(fā)生傾倒變形誘發(fā)的,形成了“點(diǎn)頭哈腰”的現(xiàn)象[20],再結(jié)合數(shù)值模擬分析揭示了其詳細(xì)的演變過(guò)程,即首先發(fā)生傾倒-變形(彎曲-拉裂),并逐漸演化為滑移-拉裂。該過(guò)程具體可劃分為以下3個(gè)階段:
第1階段,初始變形階段。隨著河流的下切作用,河谷不斷加深,岸坡臨空面范圍擴(kuò)大,坡表發(fā)生卸荷,斜坡巖體應(yīng)力分布發(fā)生分異,坡緣附近為拉應(yīng)力分布區(qū),坡腳地帶為剪應(yīng)力集中區(qū);越靠近坡體臨空面,重力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的主應(yīng)力跡線越接近平行于臨空面。在這種應(yīng)力作用下,坡腳地帶的陡傾順層巖體將向臨空面發(fā)生初始的傾倒變形[7]。
第2階段,傾倒變形階段。隨著前緣變形加劇,為中后緣坡體發(fā)生變形提供空間。坡體后緣產(chǎn)生卸荷回彈,加上拉應(yīng)力集中作用的影響,形成沿著陡傾巖層的拉裂縫。中部巖體在初始擾動(dòng)和空隙水壓力[21]的作用下,層狀巖體沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移,但因受下部巖體的阻擋而發(fā)生彎曲變形,并在最大主應(yīng)力的作用下產(chǎn)生彎矩作用,轉(zhuǎn)而發(fā)生向臨空方向的傾倒。巖層彎曲到一定程度時(shí),可導(dǎo)致巖層發(fā)生彎曲的根部形成斷續(xù)分布的折斷面。后緣拉裂縫在中部坡體變形的同時(shí)沿巖層和破裂面形成追蹤發(fā)育。
第3階段,滑移-拉裂階段。坡體中部?jī)A倒變形產(chǎn)生的折斷面向坡體后緣延伸,與前緣傾倒體和后緣的拉裂面構(gòu)成坡體的破碎帶。至此,邊坡由傾倒-變形轉(zhuǎn)變?yōu)榛?拉裂模式。在自重、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地下水和降雨等作用下,折斷帶最終貫通,并發(fā)生整體滑移,形成滑坡?;录舫隹谖恢帽A舨糠謨A倒變形痕跡,表現(xiàn)為巖層反翹(圖2(b))?;掳l(fā)生過(guò)程中,變形坡體擠壓并牽引下游側(cè)巖體,導(dǎo)致該處坡體出現(xiàn)變形、垮塌,最終形成楔形凹槽,構(gòu)成下游邊界(圖2(c))。
在獲得現(xiàn)場(chǎng)勘查資料的基礎(chǔ)上,對(duì)邊坡進(jìn)行坡體結(jié)構(gòu)分析和地形反演,并建立數(shù)值模擬計(jì)算模型,通過(guò)計(jì)算結(jié)果得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:
(1) 在一定的坡體結(jié)構(gòu)條件下,傾倒-變形可發(fā)生在順向巖質(zhì)邊坡中,其中巖層傾角和節(jié)理組的發(fā)育情況是主要影響因素。
(2) 該滑坡的形成機(jī)制可以概括為:河谷下切,坡體卸荷回彈、傾倒-變形、滑移-拉裂3個(gè)階段。
(3) 滑坡的形成機(jī)制展示了邊坡由傾倒-變形轉(zhuǎn)化為滑移-拉裂的復(fù)合型失穩(wěn)模式,表明在一定的坡體結(jié)構(gòu)條件下,邊坡易發(fā)生非單一模式的變形破壞,不同的失穩(wěn)模式分布在坡體發(fā)育的不同階段。
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(編輯:王 慰)
Formation Mechanism of Landslide in the Reservoir Area ofa Hydropower Station of the Yellow River
WANG Yun-nan, REN Guang-ming, QIU Jun
(State Key Laboratory of Geo-hazard Prevention and Geo-environment Protection,Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)
Toppling-deformation is usually found in anti-dip bedded slopes. But recent engineering investigations revealed that toppling-deformation mode could also appear in steep dip bedding slope. Analyzing the formation mechanism is of importance for the correct assessment of slope stability. In this article, the landslide III#on the right bank of a hydropower station in the Yellow River Basin was researched by means of numerical simulation and qualitative analysis based on geological surveys. The process of landslide formation was displayed by UDEC (Universal Distinct Element Code). Results indicated that the failure process of the landslide could be divided into three stages: rock mass unloading, toppling deformation, and sliding-tension fracture. The result obtained from finite element method consists with that from discrete element method, which proves that the conclusion is rational.
landslide; dip bedding slope; formation mechanism; toppling-deformation; numerical modeling
2015-12-14;
2016-01-08
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41072229)
王云南(1991-),男,吉林吉林市人,碩士研究生,主要從事邊坡穩(wěn)定性及工程效應(yīng)研究工作,(電話)18781952110(電子信箱)605725462@qq.com。
10.11988/ckyyb.20151048
2017,34(4):117-121
P642.2
A
1001-5485(2017)04-0117-05