九寨溝縣上四寨保護(hù)站崩塌堆積體穩(wěn)定性評價

朱登科，胡卸文， 2，梅雪峰，韓 玫

(1.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 610031；2.西南交通大學(xué)抗震工程技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

崩塌(崩落、垮塌或塌方)是指較陡斜坡(一般大于50 °)上的巖土體在重力作用下突然脫離母體發(fā)生以垂直運(yùn)動為主的崩落、滾動、堆積在坡腳(或溝谷)的地質(zhì)現(xiàn)象，破壞力極強(qiáng)。由崩塌產(chǎn)生的崩塌堆積體因其穩(wěn)定性通常較低，容易繼續(xù)發(fā)生失穩(wěn)破壞等次生災(zāi)害，因此其穩(wěn)定性問題一直是地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域研究的重點(diǎn)問題之一。對于堆積體的穩(wěn)定性分析，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了多種研究方法，易慶林[1]基于能量守恒思想，采用徑向條分法，建立滑坡的穩(wěn)定性數(shù)學(xué)計算模型，為堆積體穩(wěn)定性分析提供了一種新的方法。張嘎[2]等基于瑞典條分法的基本概念，考慮土的抗剪能力和剪應(yīng)變的關(guān)系，引入簡化位移協(xié)調(diào)方程，提出了新的應(yīng)變軟化邊坡穩(wěn)定性的評價方法。鄒燁[3]通過三維均質(zhì)邊坡算例，驗(yàn)證了三維矢量和法在邊坡動力穩(wěn)定分析中的合理性與可行性，給出了利用矢量和法進(jìn)行三維邊坡動力穩(wěn)定性分析的具體計算過程。

寧宇[4]等基于三維有限元模型，采用位移梯度理論確定三維滑面的分析方法，此方法能夠搜索出任意形式滑面，同時兼顧了堆積體的三維效應(yīng)。周永江[5]等根據(jù)動力時程分析法，考慮邊坡整體動力響應(yīng)規(guī)律，采用動力有限元法，針對邊坡動力響應(yīng)提出了一套較為全面的分析評價方法。劉杰[6]等基于擬靜力法對壩肩邊坡地震工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出地震作用的主要影響區(qū)域和地震中塑性區(qū)隨地震加速度的演化規(guī)律。

本文以九寨溝縣上四寨保護(hù)站崩塌堆積體為例，在分析堆積體及上部危巖體工程地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，采用傳遞系數(shù)法及GEO-SLOPE軟件計算了堆積體在天然、暴雨、地震不同工況下的穩(wěn)定狀態(tài)，并重點(diǎn)對不同地震烈度下的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行了分析。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 基本地質(zhì)條件

研究區(qū)位于九寨溝縣漳扎鎮(zhèn)上四寨村旅游公路附近，地處青藏高原與四川盆地的大地貌單元過渡的深切割高山峽谷地帶。地勢由西北向東南逐漸降低。屬川西高原氣候中的暖溫帶干溫河谷氣候，氣候受地形影響較大，年降水量和暴雨在四川境內(nèi)相對偏少且分配不均，常出現(xiàn)局部性暴雨和冰雹。年均降雨量552.3mm，降水多集中在雨季(5～9月)，約占全年降水量的75 %。

區(qū)內(nèi)巖體主要為石炭系中統(tǒng)岷河群(C2mn)灰?guī)r不等厚互層，基巖主要出露于斜坡陡峭位置。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，斜坡前緣覆蓋物主要為九寨溝地震誘發(fā)的崩塌堆積體，斜坡巖層從上至下分別為：第四系崩塌堆積體(Q4col+dl)，強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)rC2mn，弱風(fēng)化灰?guī)rC2mn。

受地質(zhì)構(gòu)造條件影響，第四紀(jì)以來，九寨溝縣新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈，縣內(nèi)及鄰近區(qū)域地震活動頻繁，歷史上曾發(fā)生多次強(qiáng)烈地震。根據(jù)“5·12”地震后，國家發(fā)布的《四川、甘肅、陜西部分地區(qū)地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[7]，研究區(qū)地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45s，地震動峰值加速度為0.20 g，抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度。

1.2 坡體結(jié)構(gòu)特征

1.2.1 堆積體結(jié)構(gòu)特征

堆積體前緣高程2 353m，后緣高程2 475m，相對高差122m，坡度為35～50 °。受地形影響，堆積體整體近似呈扇形，縱長約160m，平均寬度約60m，堆積體平均厚度1.5m，最大厚度約3m，主滑方向86 °，整體方量1.5×104m3，屬于中型崩塌體(圖1、圖2)。堆積體在整體上呈現(xiàn)出下部坡度較緩、厚度較厚，向上坡度逐漸變陡、厚度逐漸變薄的特征。根據(jù)堆積物粒徑大小及崩落距離，將堆積體分成兩個區(qū)，Ⅰ區(qū)堆積體位于坡體上部，后緣緊鄰崩塌物源區(qū)，堆積體坡度較陡，縱長63m，相對高差約65m，厚度0.5～1.2m。受地形影響，大塊石在此難以停積，堆積物成分主要為小塊碎石及粉土，粒徑1～5cm，顆粒約占70 %，堆積體整體結(jié)構(gòu)松散，碎塊石多呈棱角～次棱角狀，無分選性及架空現(xiàn)象。Ⅱ區(qū)堆積體位于坡體下部，前緣延伸至坡腳公路附近，堆積體坡度相對Ⅰ區(qū)較緩，縱長97m，相對高差70m，厚度1.2～3m，堆積物成分主要為較大塊石及粉土，主要塊石粒徑5～30cm，局部有粒徑2m左右的大塊石。堆積體整體結(jié)構(gòu)松散，塊石多呈棱角～次棱角狀，大小混雜，局部架空，無分選性。

圖1 堆積體全景

圖2 堆積體工程地質(zhì)平面

1.2.2 崩塌物源區(qū)巖體結(jié)構(gòu)特征

崩塌物源區(qū)出露的巖體巖性為石炭系中統(tǒng)岷河群(C2mn)灰?guī)r，灰白色或灰色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，中厚～厚層狀構(gòu)造，頂部高程2 530m，底部高程2 474m，整體高差約56m，平面面積1 300m2，整體方量約0.5×104m3。陡崖坡向85 °，坡度45 °，巖層產(chǎn)狀為320 °∠70 °，坡體結(jié)構(gòu)為橫向坡(圖3)。該危巖體主要發(fā)育兩組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面：結(jié)構(gòu)面J1產(chǎn)狀157 °∠27 °，較粗糙，張開度1～3cm，少量泥質(zhì)充填物，延伸長度3～6m，發(fā)育間距0.8～1.2m；結(jié)構(gòu)面J2，產(chǎn)狀為 82 °∠43 °，較粗糙，張開度1～2cm，少量泥質(zhì)充填物，延伸長度2～5cm，發(fā)育間距1～1.5m。

圖3 崩源區(qū)巖體結(jié)構(gòu)特征

經(jīng)赤平投影分析[8](圖4)，結(jié)構(gòu)面J1和結(jié)構(gòu)面J2呈“×”共軛，將危巖體切割成破碎狀。結(jié)構(gòu)面J2傾向坡外，傾角小于陡崖坡度，為不利結(jié)構(gòu)面，這兩組結(jié)構(gòu)面與巖層層面組合將巖體切割成碎裂結(jié)構(gòu)，巖體完整性破壞較大，巖體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低。同時這些結(jié)構(gòu)面為降雨的入滲提供了通道，雨水下滲過程中產(chǎn)生的靜水和動水壓力增大了巖體的下滑力，降低了結(jié)構(gòu)面的力學(xué)強(qiáng)度，使巖體的穩(wěn)定性逐漸降低，逐漸形成了潛在的崩塌體。在地震力的作用下，巖體被反復(fù)張拉、剪切，致使危巖體逐漸脫離原始坡體。由于J2節(jié)理與陡崖臨空面產(chǎn)狀接近，為外傾結(jié)構(gòu)面，危巖體沿J2結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移式崩塌，因斜坡下部坡度變緩且受樹木攔擋，崩塌體最終堆積于較平緩坡面，從而形成了現(xiàn)有堆積體。在崩源區(qū)后緣山脊處發(fā)現(xiàn)有兩條沿與坡面平行方向延伸的拉裂縫，裂縫距離危巖體3～7m，長5～10m，寬0.3～1.0m，深0.2～0.5m(典型裂縫圖5、圖6)。

圖4 巖層及結(jié)構(gòu)面赤平投影

圖5 崩源區(qū)后緣裂縫

圖6 崩源區(qū)后緣裂縫

2 穩(wěn)定性評價及有限元數(shù)值模擬

2.1 參數(shù)選取

巖土體的物理力學(xué)參數(shù)的取值對堆積體穩(wěn)定性計算及后期的工程治理有很大的影響，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，確定計算所采用的巖土體物理力學(xué)參數(shù)(表1)。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 計算工況

選取堆積體A-A’剖面(圖7)進(jìn)行穩(wěn)定計算分析，綜合考慮影響堆積體穩(wěn)定性的多種因素，計算針對以下三種工況。

工況一：天然工況，采用天然狀態(tài)下土體容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角值進(jìn)行堆積體穩(wěn)定系數(shù)計算。

工況二：暴雨工況，針對暴雨工況下堆積體容重和動水壓力增加、黏聚力及內(nèi)摩擦角減小的情況，進(jìn)行穩(wěn)定系數(shù)計算。

圖7 堆積體A-A’剖面

工況三：地震工況，采用擬靜力法，通過輸入不同的峰值加速度來模擬堆積體受到的不同程度的地震荷載，從而進(jìn)行穩(wěn)定性計算，地震加速度值分別取0.05g、0.10g、0.15g、0.20g、0.30g。

2.3 計算結(jié)果與分析

為了分析研究區(qū)崩塌堆積體穩(wěn)定性，選取典型計算剖面。采用傳遞系數(shù)法計算了堆積體在天然、暴雨及不同地震峰值加速度情況下的穩(wěn)定系數(shù)，計算結(jié)果見表1。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證傳遞系數(shù)法的合理性，本文采用GEO-SLOPE軟件來對堆積體進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證。模型本構(gòu)為摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則，分別采用Ordinary法、Bishop法、Janbu法以及Morgenstern-Price法等計算了堆積體的穩(wěn)定性系數(shù)。為了便于模擬計算，對堆積體原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化，根據(jù)現(xiàn)場鉆孔所揭示的巖層信息，研究區(qū)自上向下的巖層為第四系崩積層、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r、弱風(fēng)化灰?guī)r。根據(jù)堆積體潛在的滑動方向及結(jié)構(gòu)特征，選取圖7的典型實(shí)測剖面進(jìn)行合理簡化，建立分析模型，模型高度196m，底邊寬度319m，計算模型采用表1的巖土體物理力學(xué)參數(shù)作為計算參數(shù)，分別對堆積體在天然工況、暴雨工況和不同地震烈度下采用不同的計算方法進(jìn)行了穩(wěn)定系數(shù)計算(圖8)。

表2 堆積體穩(wěn)定數(shù)

有限元數(shù)值模擬結(jié)果表明，天然工況下堆積體的穩(wěn)定系數(shù)介于1.125～1.262之間，堆積體處于基本穩(wěn)定～穩(wěn)定狀態(tài)，但安全儲備較低；暴雨工況下穩(wěn)定系數(shù)介于1.003～1.129之間，堆積體處于欠穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)暴雨發(fā)生時有可能發(fā)生失穩(wěn)破壞，這和由傳遞系數(shù)法計算出的結(jié)果基本相符合。在地震工況下，當(dāng)?shù)卣鹆叶葹棰龆?，峰值加速度?.05g時，堆積體尚能處于欠穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)，堆積體穩(wěn)定系數(shù)介于1.012～1.138之間。當(dāng)?shù)卣鹆叶娶鞫燃耙陨?，加速度峰值大?.1g時，堆積體開始處于不穩(wěn)定狀態(tài)，且隨著峰值加速度的增加穩(wěn)定系數(shù)呈現(xiàn)快速下降趨勢(圖9)。當(dāng)?shù)卣鹆叶葹棰?，峰值加速度?.3g時，堆積體穩(wěn)定性系數(shù)最小僅為0.636，堆積體處于危險狀態(tài)。由圖9可以看出，數(shù)值模擬得出的結(jié)果與傳遞系數(shù)法計算結(jié)果基本相一致。

(a)天然工況

(b)暴雨工況

(c)地震Ⅵ(0.05g)

(d)地震Ⅶ(0.1g)

(e)地震Ⅶ(0.15g)

(f)地震Ⅷ(0.2g)

(g)地震Ⅷ(0.3g)

圖9 穩(wěn)定系數(shù)下降趨勢

3 結(jié)論

(1)九寨溝縣上四寨保護(hù)站崩塌堆積體的形成主要是由斜坡地形、破碎的巖體結(jié)果和地震作用的協(xié)同影響導(dǎo)致的。其中，斜坡地形是堆積體形成的基礎(chǔ)，較為破碎的巖體是堆積體形成的物質(zhì)來源，地震作用是誘發(fā)巖體崩塌和堆積體形成的直接原因。

(2)采用傳遞系數(shù)法和GEO-SLOPE著重對堆積體在不同地震烈度下的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明當(dāng)?shù)卣鸺铀俣确逯荡笥?.1g時，穩(wěn)定系數(shù)開始呈現(xiàn)快速下降趨勢，堆積體開始處于不穩(wěn)定狀態(tài)，且穩(wěn)定系數(shù)與加速度峰值大致呈線性相關(guān)。在天然和暴雨工況下，兩種研究手段得出的堆積體的穩(wěn)定狀態(tài)基本一致，總體上堆積體在天然工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但安全儲備不足，在暴雨工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在地震工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，很容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

(3)采用傳遞系數(shù)法與數(shù)值模擬對比分析能夠較科學(xué)的研究堆積體穩(wěn)定性狀態(tài)，本文對九寨溝震后恢復(fù)工程具有指導(dǎo)意義。