九龍峽水電站I#滑坡形成機(jī)制及穩(wěn)定性分析*

王軍

(1.華北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家莊 050021；2.河北省礦山地下水安全技術(shù)創(chuàng)新中心， 河北 石家莊 050021)

0 引言

受新構(gòu)造運(yùn)動和地層巖性等地質(zhì)條件的影響，白龍江流域河谷兩側(cè)發(fā)育大量滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[1]。對滑坡的形成機(jī)制進(jìn)行研究可以為滑坡的穩(wěn)定性評價和預(yù)測防治提供重要依據(jù)[2]。自瓦伊昂滑坡發(fā)生后，國內(nèi)外學(xué)者對順層滑坡的地質(zhì)力學(xué)模式和形成機(jī)制進(jìn)行了大量的研究[3]。九龍峽I#滑坡千枚巖與板巖順層滑移-彎曲破壞模式的形成機(jī)制的研究理論相對較少[4?10]。九龍峽I#滑坡位于壩線上游1.1 km的白龍江右岸，一旦失穩(wěn)將直接影響到擋水建筑物及水庫的運(yùn)行安全，故對其形成機(jī)制和穩(wěn)定性進(jìn)行探討具有重要的工程意義。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌

滑坡區(qū)內(nèi)河谷深切，剖面上呈“V”字形，右岸為河流侵蝕岸，下游側(cè)為河流拐彎處；左岸為堆積岸，發(fā)育有白龍江的Ⅱ級階地，階面最大寬度約450m。由于特殊地形、河流側(cè)蝕及侵蝕作用，從而為滑體的產(chǎn)生形成了高陡的臨空條件。

1.2 地層巖性

滑坡區(qū)基巖地層為互層的下志留統(tǒng)薄層狀千枚巖與板巖，巖層產(chǎn)狀為NW290°～320°/NE∠47°～57°，總體傾向岸外偏上游。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

滑坡處在白龍江斷裂的上盤面，距白龍江斷裂0.6 km，受白龍江斷層的逆沖影響，千枚巖、板巖層間產(chǎn)狀變化較大，層間擠壓帶、節(jié)理裂隙較發(fā)育?；聟^(qū)基巖發(fā)育的結(jié)構(gòu)面主要有3組：NE75°/NW∠85°，為構(gòu)成滑坡下游側(cè)的邊界結(jié)構(gòu)面；NW292°～355°/SW∠32°～62°，該組結(jié)構(gòu)面為中-緩傾坡內(nèi)、偏上游；NW 348°/ NE∠45°，該組結(jié)構(gòu)面為傾向坡外、偏下游，構(gòu)成上游側(cè)的邊界結(jié)構(gòu)面；NW295°/NE∠50°，為層面。上述結(jié)構(gòu)面的發(fā)育為滑坡變形破壞奠定了基礎(chǔ)條件?；聟^(qū)的結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征統(tǒng)計(jì)如圖1所示。

圖1 節(jié)理裂隙發(fā)育等密度圖

2 滑坡基本特征

2.1 滑坡形態(tài)及規(guī)模

I#滑坡屬于大型的巖質(zhì)滑坡，平面形態(tài)呈不規(guī)則的扇形，地貌形態(tài)上呈圈椅狀地形(見圖2)?；虑熬壖舫隹谧畹透叱虨?923m，堆積物頂面高程約為2010m，后緣高程約為2195m，高差約為270m；滑坡橫向長約為790m，縱向長約為475m；鉆孔資料表明，滑體平均厚度為60m左右，最厚可達(dá)107m，總體積約1847×104m3，其中正常蓄水水上體積為1556×104m3，水下體積為291×104m3，主滑方向?yàn)镹E18°。

圖2 九龍峽I#滑坡全貌

滑坡前緣地形陡峻，坡角為36°～42°，中部1975m～2070m高程發(fā)育有較平緩的緩坡臺地，坡度為15°～18°，滑體上部覆蓋有崩坡積的塊碎石土。

2.2 滑坡邊界特征

I#滑坡上、下游側(cè)以沖溝為界，上游側(cè)沖溝切割深度可達(dá)8m～15m，中下部溝谷較寬闊。在上游邊界側(cè)緣靠后緣一帶有陡坎狀地貌，且可見千枚巖、板巖基巖出露，產(chǎn)狀為NW320°～348°/NE∠42°～45°；下游邊界也有沖溝發(fā)育，溝谷形狀較彎曲，中后部可見明顯的錯動壁，基巖以千枚巖為主?；潞缶壙梢娸^清晰新的弧狀拉裂陡坎，發(fā)育高程為2205m，高差為3m～8m；陡坎處可見強(qiáng)風(fēng)化千枚巖，陡坎以下為滑坡堆積體，下游側(cè)拉裂變形不明顯，后緣上游一帶滑坡破裂壁明顯。

滑坡前緣剪出口（見圖3）位于正常河水位面附近，高程約1925m左右。在剪出口部位取樣過程中，見到滑動面光滑、且有擦痕，構(gòu)成滑帶的物質(zhì)主要為巖屑、巖粉和少量灰色泥質(zhì)，滑帶厚度為10 cm～30 cm。

圖3 滑帶及滑面特征

2.3 變形破壞特征

I#滑坡變形破壞跡象明顯，除坡體后緣和上游側(cè)發(fā)育有明顯的拉裂、破裂壁外，滑坡體表面尤其前緣一帶淺表層坡體塌滑、拉裂變形明顯。后緣發(fā)育有呈弧形延伸、貫通性較好的拉裂陡坎，拉裂錯動高度約為3m～8m；上游側(cè)形成的拉裂、錯動高差為7m～9m，坡角為60°～65°的拉裂陡坎由滑坡前緣剪出口一直延伸至滑坡后緣。

除上述邊界部位處的破壞特征外，坡體中前部淺表層塌滑、拉裂、陷落變形較顯著，局部形成拉裂陡坎、拉裂陷落帶。圖4為坡體內(nèi)發(fā)育的拉裂陡坎狀地貌。

圖4 中部拉裂陡坎

滑坡體的拉裂變形主要分布在2145m高程以下至前緣地帶，其拉裂從上游邊界開始逐漸向下游方向坡體后緣斷續(xù)延伸。在高程2030m一帶的緩坡臺地至陡坎前緣一帶，順河向拉裂較發(fā)育，局部拉裂、陷落帶寬為3m～4m，錯距為1.0 cm～2.5m，且表現(xiàn)外側(cè)低、內(nèi)側(cè)高，從前緣到后緣呈牽引、滑移式變形特征。

滑坡體除發(fā)育拉裂縫、拉裂陡坎外，在坡體中，因拉裂還發(fā)育有大量的落水洞（見圖5），其直徑一般24 cm～30 cm，大的可達(dá)50 cm～60 cm，可見深度為50 cm～100 cm。坡體表面“馬刀樹”較發(fā)育，從另一方面反映了坡體呈持續(xù)蠕變的特征。

圖5 滑坡體中發(fā)育的落水洞

3 滑坡形成機(jī)制

I#滑坡所在范圍內(nèi)前緣有白龍江河流切割，下游發(fā)育有沖溝，且滑坡所處右岸為河流侵蝕岸，左岸為堆積岸、發(fā)育Ⅱ級階地。在Ⅱ級階地以下呈河槽型地貌特征，即該階段河流浸蝕作用強(qiáng)烈。這些因素為滑坡的形成與演化提供了較好的臨空條件。此外，滑坡區(qū)巖層走向（NW290°～320°）與河谷走向（NW300°）大致相同，基巖產(chǎn)狀為NW290°～320°/NE∠47～57°，總體傾向岸外偏下游的中陡傾角順向坡，天然坡度角多在35°以上。岸坡的巖體為薄層狀千枚巖與板巖互層，質(zhì)軟的千枚巖與板巖在自重作用下易發(fā)生順層或片理面的滑移-彎曲變形。因此該段岸坡具有發(fā)育一定規(guī)?；茝澢冃蔚膸r性、地形條件。其發(fā)育形成過程如下。

（1）卸荷拉裂、巖體輕微彎曲階段。在河谷形成過程中，伴隨河流下切、側(cè)蝕作用，因大面積卸荷，使岸坡巖體沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生松弛，導(dǎo)致中陡傾角的片理面卸荷、回彈；在前緣臨空、巖體自重作用下，巖體沿層面發(fā)生滑移，但是由于滑移面并未臨空，使巖體下滑受阻，從而造成坡腳附近順層板梁承受縱向壓應(yīng)力，并發(fā)生彎曲變形，如圖6及圖7（a）所示。

（2）順層蠕移、強(qiáng)烈彎曲隆起階段。隨著坡腳板梁的彎曲變形，中上部巖體進(jìn)一步滑移、拉裂，大氣降水沿拉裂縫下滲，水的作用使層間軟弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度降低，加速了中上部巖體沿層間結(jié)構(gòu)面蠕滑變形，巖體彎曲變形加劇。由于彎曲部位巖體強(qiáng)烈擴(kuò)容，地面顯著隆起，巖體松動加劇，使坡腳出現(xiàn)局部崩落，從而加劇了滑移剪切面向深部發(fā)展。彎曲變形進(jìn)一步加劇，巖層形成類似褶曲的彎曲形態(tài)，在彎曲端端部形成張裂帶，如圖7（b）和圖7（c）所示。

（3）滑移面貫通、滑坡形成階段。當(dāng)斜坡變形進(jìn)一步加劇，彎曲的巖層將沿張裂帶折斷（或潰屈），并與上部滑移面貫通、整體失穩(wěn)形成滑坡，如圖7（d）所示。在滑坡的形成過程中，滑體沿凸的張斷帶潰屈，滑坡的規(guī)模稍小；當(dāng)滑坡沿巖層根部的張裂帶貫通時，滑坡規(guī)模加大。

圖6 彎曲變形特征

圖7 順層滑移彎曲滑坡的形成過程

4 穩(wěn)定性評價

4.1 計(jì)算參數(shù)

借助有限元法，選取Ⅰ#滑坡典型剖面，獲得因滑體自重而在滑面上產(chǎn)生的正應(yīng)力。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)及巖土體物理力學(xué)性質(zhì)綜合確定計(jì)算參數(shù)，見表1。

4.2 計(jì)算結(jié)果

選取滑坡典型剖面建立穩(wěn)定性計(jì)算模型（見圖8、圖9），基于表1的計(jì)算參數(shù)采用4種方法對邊坡蓄水前和蓄水后的穩(wěn)定性進(jìn)行評價。計(jì)算成果見表2和表3。

表1 穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

圖8 蓄水前滑體穩(wěn)定性計(jì)算模型

圖9 蓄水后滑體穩(wěn)定性計(jì)算模型

表2 蓄水前滑坡穩(wěn)定性計(jì)算成果

表3 蓄水位后I#滑坡穩(wěn)定性計(jì)算成果

由計(jì)算結(jié)果可知，4種方法對邊坡穩(wěn)定性的評價結(jié)果基本一致，蓄水前天然條件為1.132～1.144，暴雨條件為1.032～1.051，地震條件為1.024～1.054，暴雨、地震疊加情況下，穩(wěn)定性系數(shù)小于1。即天然工況下該滑坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨或地震工況下滑坡整體呈欠穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨和地震疊加條件下滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

水庫蓄水后滑坡體的穩(wěn)定性明顯低于蓄水前，穩(wěn)定性系數(shù)總體隨庫水位的升高而有所降低，天然條件為1.015～1.053、呈欠穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨條件為0.992～1.009，處于極限平衡狀態(tài)；地震條件為0.922～0.949，呈不穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)語

（1）九龍峽I#滑坡具有發(fā)育一定規(guī)模滑移彎曲變形的巖性、地形條件，變形機(jī)制為質(zhì)軟的千枚巖與板巖在自重作用下發(fā)生順層的滑移-彎曲變形。

（2）在蓄水前天然工況下，該滑坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨或地震工況下，滑坡整體呈欠穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨和地震疊加條件下，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這與現(xiàn)場勘查的定性分析基本一致。預(yù)測蓄水后穩(wěn)定性有所降低。