反傾巖質滑坡破壞模式及發(fā)育機理研究*

姚依凡

(四川大學 水利水電學院，四川 成都 610065)

0 引言

新近紀以來，地質構造活躍，加之世界人口不斷增加、人類工程活動范圍逐漸擴大、全球極端天氣增多等因素的影響，地質災害事故數量顯著增加[1]。而這些災害中以滑坡災害最為嚴重，造成的經濟損失和人員傷亡巨大。反傾巖質滑坡作為一種常見的滑坡類型，因其結構面特點，往往易發(fā)生變形破壞。反傾邊坡的變形破壞模式很多，按運動方式可分為崩塌類、滑動類、傾倒類、崩塌-滑動類、傾倒-滑動類等[2]。張澤林等[3]以茨哈峽水電站庫區(qū)反傾巖質邊坡為例，認為該類斜坡的變形破壞是巖層在自重應力作用下作懸臂梁彎曲，破壞模式為彎曲-拉裂變形、彎曲-折斷破裂、蠕動-拉裂變形、表層滑塌和深部滑坡。左保成等[4]通過模型試驗和數值模擬研究了邊坡破壞機理，認為其主要變形方式為傾倒變形，破壞模式為傾倒折斷破壞，同時表現出明顯的“疊合懸臂梁”變形特征。ADHIKARY等[5]通過離心試驗發(fā)現，層面摩擦角較大時彎曲傾倒破壞是瞬時性的，反之為漸近性的，且20°～25°的摩擦角度是決定其破壞模式的關鍵。陳孝兵等[6]通過底摩擦試驗對瀾滄江右岸斜坡進行了模擬，判斷該斜坡的傾倒變形以層內錯動為主。徐佩華等[7]采用FLAC3D對傾倒變形機制進行了研究，認為坡體的卸荷和卸荷回彈均對彎曲傾倒變形有促進作用。

對反傾巖質邊坡變形破壞模式的研究雖已取得了一定進展，但多以經驗分析和定性分析為主，定量分析相對較少。本文以怒江流域的格堆村某反傾巖質邊坡為例，運用離散元軟件UDEC定量分析了其變形破壞的全過程。該成果豐富和完善了反傾巖質邊坡變形的破壞模式，為滑坡預測提供了依據。

1 格堆村滑坡概況

格堆村滑坡位于西藏自治區(qū)東南部，屬青藏高原東南緣的橫斷山脈典型深切峽谷區(qū)，在河流侵蝕下河谷呈“V”型發(fā)育。因河谷演化作用，右岸斜坡整體上具有上陡下緩的特征?；马敳扛叱碳s2 650 m，底部高程2 200 m，滑坡前后緣高差450 m。

滑坡研究點區(qū)域出露巖層主要有石炭系中上統(tǒng)云母片巖、石英巖、少量其他變質巖，以及燕山期侵入石炭系地層的石英閃長巖、二長花崗巖?；聦Π渡襟w巖性主要為粗粒花崗巖，而源區(qū)巖體主要為富含絹云母的云母石英片巖，巖體片理面間的抗剪切能力較弱，且源區(qū)巖體內發(fā)育有因深層變形體自重荷載作用產生的壓碎剪切帶；滑坡陡傾內層狀結構，巖體走向為225°～248°，傾角60°～79°，傾向于西南偏西。

2 離散元數值模型及邊界條件

離散單元法屬于塊體理論數值方法，離散塊體被允許發(fā)生有限的位移和轉動(甚至完全脫離)，適用于解決不連續(xù)變形及破壞問題[8]。UDEC正是基于離散元開發(fā)的二維數值模擬軟件，能較好模擬非連續(xù)體的運動。

為更好地模擬右岸滑坡傾倒變形破壞的全過程，運用塊體切割出滑體中的片理結構。并運用VORONOI多邊形生成命令，在完整的巖體中隨機生成多邊形，用于模擬完整巖體中的缺陷，從而有效模擬完整巖體的剪切和拉裂破壞，且能更加準確地模擬破壞面位置。

2.1 模型的建立

綜合考慮滑坡實際情況，建立了數值分析模型(見圖1)。以高程1 600 m處作為模型的底邊，模型長3 596 m，左側邊界高1 255 m，右側邊界高1 112 m。水平方向為X方向，垂直方向為Y方向。

圖1 格堆村滑坡數值模擬幾何模型

斜坡巖層陡傾坡內層面產狀走向為225°～248°，傾角60°～79°。因滑床的風化程度對滑坡的成因機制的影響可以忽略，故在滑坡計算模型中的節(jié)理單元主要考慮滑體陡傾坡內的構造節(jié)理以及滑動面，不考慮滑床基巖的結構面。為簡化計算模型，減少計算量，對野外調查所得的實際節(jié)理間距進行放大。因滑體已發(fā)生傾倒破壞，故將滑體內片理傾角設置為50°，間距15 m。同時采用VORONOI隨機節(jié)理生成命令對其進行填充，從而將滑體離散為多邊形塊體。節(jié)理平均生成邊長為25 m，隨機節(jié)理被賦予與片理相同的物理參數。

2.2 材料參數及邊界條件的選取

滑體部分在自重作用下發(fā)生變形及運動，滑床部分的變形則可以忽略不計，故將滑體部分視為變形體，未發(fā)生明顯變形和開裂的滑床部分則視為剛體。模型中所有節(jié)理單元均采用庫侖滑移模型。模型底部以及左右側采用速度邊界對其進行約束，令其X、Y方向上的速度均為0。

因缺少對滑坡巖體的取樣分析，故巖土體和結構面的參數選取主要通過類比其他巖性相似的滑坡[9-10]并經試算得到。將滑床部分視為剛體，故僅需對滑體及結構面賦值。巖體物理力學參數見表1，結構面力學參數見表2。

表1 巖體力學參數

表2 結構面力學參數

2.3 模型監(jiān)測點的布置

為分析滑坡失穩(wěn)前的變形情況及特征，分別在滑體中前部、中部、中后部共布置7個監(jiān)測點，中間1列監(jiān)測點連成的測線與巖層層面傾角一致，為50°；從坡表至坡內近似均勻地布置3個監(jiān)測點，監(jiān)測點的坐標見表3，具體布置見圖2。

表3 監(jiān)測點坐標

圖2 監(jiān)測點布設示意圖

3 數值模擬結果分析

取計算至3 000 000時步的模擬過程，對斜坡失穩(wěn)破壞規(guī)律進行分析。由監(jiān)測點的X方向位移量隨時步變化的曲線[見圖3(a)]可知：在同一測線上，迭代至1 000 000時步時，此時監(jiān)測點A3、A4、A5的X方向位移量分別為4.6、4.5、4.3 m；迭代至2 000 000時步時，3個監(jiān)測點X方向的位移量較上階段顯著增加，此時A3、A4、A5位移量分別為9.1、8.9、8.7 m；迭代至3 000 000時步時，A3、A4、A5位移量分別為14.0、13.8、13.4 m；可以發(fā)現在同一測線上，X方向的位移量始終保持由坡外向坡內逐漸減小的規(guī)律，且隨著變形量的增大，位移量差值也逐漸增大。坡表監(jiān)測點的位移時步曲線[見圖3(b)]顯示：迭代至1 000 000時步時，A1、A3、A6的X方向位移量分別為4.4、4.6、4.5 m，中前部位移量較大，中后部位移量相對較小；迭代至2 000 000時步時，監(jiān)測點A1、A3、A6的位移量較上階段均有所增加，分別為8.8、9.1、9.0 m，仍然是A3最大、A6次之、A1最??；迭代至3 000 000時步時，監(jiān)測點A1、A3、A6的位移量分別為13.5、14.0、13.9 m，A3、A6位移量較為相近，逐漸與A1拉開差距；故在變形破壞階段，坡表中后部X方向的位移量相對中部和中前部較小。

(a)中部測線監(jiān)測點

變形破壞階段的位移云圖如圖4所示。

(a)迭代500 000時步

由圖4可知：數值模擬計算迭代至500 000時步時，斜坡中后部在自重作用下開始向臨空面彎曲傾倒，除臨近滑動面及前后緣處，均產生少量位移，最大位移量為2.8 m；迭代至1 000 000步時，位移量最大值為5.3 m，與上階段相比，變形產生的位移逐漸向深部擴展，且坡表位移量逐漸增大；迭代至2 000 000時步時，位移云圖分區(qū)逐漸明顯，坡表位移量與深部坡體位移量差值增大，此時位移量最大值為10.7 m，傾倒彎曲變形的特征逐漸顯現，后緣區(qū)域根部位移量仍為0，說明前緣因傾倒彎曲變形產生少量位移，有沿坡面下滑的趨勢；迭代至3 000 000步時，位移量最大值為16.0 m，出現在斜坡體中前部，軟弱結構面在持續(xù)的傾倒彎曲變形下逐漸被拉裂(見圖5)，此時滑體已全部啟動，開始沿坡面下滑。下滑至河谷底部，滑坡體受山體阻攔，逐漸停止，最終堆積形態(tài)如圖6所示。堆積體水平方向長1 380 m，最高點高程為2 205 m，與實際調查情況較為相符，說明模擬結果與實際情況基本一致。

圖5 軟弱結構面被拉裂

圖6 最終堆積形態(tài)

綜上所述，格堆村滑坡的變形破壞過程可以表述為：第一階段由于河谷的下切以及風化卸荷作用，巖層在自重作用下，其上下兩個層面之間產生力偶，導致斜坡向臨空面彎曲傾倒，巖層面之間發(fā)生剪切錯動，局部巖層面被拉開，形成裂縫；在自重和卸荷的持續(xù)作用下，巖層的傾倒彎曲程度逐漸加大，并向深部擴展，巖層層面之間的錯動越來越明顯，當彎曲累積到一定程度時，傾倒巖體的根部與軟弱結構面分離；隨著彎曲傾倒破壞的加劇，根部裂縫進一步發(fā)展，并逐漸貫通形成剪切滑動面，巖體在自重作用下開始下滑，形成滑坡。

4 結論

利用離散元軟件UDEC對格堆村反傾巖質邊坡的變形破壞全過程進行了數值模擬，得出以下主要結論：

a.在變形破壞累積過程中，位移量由坡表至坡內呈逐漸減小的趨勢，且中后部位移量大于前緣，表現出傾倒彎曲變形的特點，變形累積破壞過程中的最大位移量為16 m。

b.變形破壞過程可分為3個階段：第一階段，在自重作用下，斜坡向臨空面彎曲，局部巖層面拉裂；第二階段，彎曲向深部擴展、累積，傾倒巖體根部與軟弱結構面分離；第三階段，根部拉裂縫貫通，坡體開始下滑。

c.格堆村滑坡變形破壞是內外因素共同作用的結果。河谷下切為滑坡的發(fā)育提供了臨空面，卸荷作用導致坡體巖性變弱，巖體向臨空方向發(fā)生變形，并為中后部提供變形空間；隨后，中部巖層發(fā)生彎曲傾倒破壞，后緣坡體沿著陡傾的層面產生拉裂縫；最終在前緣坡體變形破壞的牽引下坡體整體沿由壓碎剪切帶形成的軟弱面下滑，導致滑坡。