雅礱江中游楞古水電站夏日滑坡發(fā)育特征及穩(wěn)定性分析

裴小龍，楊瀚文，宋東陽，楊 斌，田 野

（1. 中國地質(zhì)調(diào)查局廊坊自然資源綜合調(diào)查中心, 河北 廊坊 065000；2. 中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源綜合調(diào)查指揮中心, 北京 100032；3. 中國地質(zhì)調(diào)查局西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心, 陜西 西安710100；4. 中國地質(zhì)調(diào)查局應(yīng)用地質(zhì)調(diào)查中心, 四川 成都 610000）

0 引言

我國中西部地區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是環(huán)青藏高原的周邊地帶。伴隨青藏高原的快速隆升，四川盆地周邊河谷的快速下切，形成了高山峽谷地貌，同時還蘊(yùn)藏了豐富的水能資源。受地形地貌特征影響，在這一地區(qū)開展了大規(guī)模的水電工程建設(shè)，加之庫內(nèi)水位大幅度提升，為滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生創(chuàng)造了條件[1]。如2003年7月三峽庫區(qū)發(fā)生的千將坪滑坡典型案例[2]。

雅礱江主要位于青藏高原東部深切河谷區(qū)，全長1 571 km。雅礱江干流共規(guī)劃了22級水電站，其中楞古水電站是雅礱江中游河段梯級開發(fā)的第三級。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，楞古水電站工程地質(zhì)條件復(fù)雜，壩內(nèi)分布有唐古棟滑坡、夏日滑坡和馬河滑坡等多個特大型-巨型滑[3?5]。文中以雅礱江楞古水電站夏日滑坡為例，在現(xiàn)場詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用試驗(yàn)測試和數(shù)值模擬等方法，對夏日滑坡蓄水后滑坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。該研究為楞古水電站庫岸滑坡防治提供了重要依據(jù)，并對同類型滑坡研究具有一定的參考意義。

1 研究區(qū)工程地質(zhì)概況

楞古水電站位于四川省甘孜州康定、雅江兩縣境內(nèi)，控制流域面積77 543 km2，占雅礱江全流域面積的57%。壩壅水高82 m，正常蓄水位以下庫容2.19×108m3，調(diào)節(jié)庫容0.12×108m3，初擬正常蓄水位2 479 m。雅礱江在研究區(qū)河流走向大體為北東-南西，地勢呈東西高、中部相對較低。山頂與河谷的高差達(dá)500～1 000 m，谷深切呈“V”型谷，谷坡狹窄陡峻，整體坡度35°左右，為典型的高山峽谷地貌景觀。研究區(qū)內(nèi)河谷兩岸斜坡地貌較發(fā)育，夏日滑坡位于雅礱江右岸，雅江縣波斯河鄉(xiāng)夏日村附近（圖1）。

圖1 夏日滑坡區(qū)域構(gòu)造位置圖Fig.1 Structural location of Xiari landslide

夏日滑坡區(qū)位于宋玉斷層、孜河-楞古背斜以及雅礱江近南北向河谷所圍限的區(qū)域之內(nèi)。宋玉斷層兩側(cè)花崗巖劈理化嚴(yán)重，并帶有斷層泥和斷層角礫巖，活動斷裂的發(fā)育導(dǎo)致區(qū)內(nèi)河谷岸坡非常破碎（圖2）。區(qū)內(nèi)第四系覆蓋較薄，坡體主要為基巖，以三疊系變質(zhì)砂巖為主，代表性巖層產(chǎn)狀為355°∠53°，在強(qiáng)烈的構(gòu)造應(yīng)力擠壓作用下，巖石易彎曲變形形成褶皺和破裂，甚至形成密集層間劈理構(gòu)造帶[6?7]。夏日滑坡上部主要為印支期花崗巖，下部為三疊系塊狀變質(zhì)粉細(xì)砂巖和第四系膠結(jié)礫石層、砂礫石層和膠結(jié)礫石、塊石、砂、亞砂土、亞粘土等，巖層傾向坡內(nèi)。

圖2 宋玉斷層構(gòu)造剖面圖Fig.2 Songyu fault structure profile

2 滑坡破壞邊界及發(fā)育特征

2.1 滑坡變形破壞邊界

夏日滑坡在地形地貌、邊坡結(jié)構(gòu)以及變形破壞現(xiàn)狀等方面有很大差別，文章根據(jù)坡體的地貌形態(tài)、物質(zhì)組成、邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征以及變形破壞現(xiàn)狀，將夏日坡體劃分為三個區(qū)（圖3），并對各區(qū)的穩(wěn)定性做出定性的工程地質(zhì)評價。分區(qū)主要考慮一下幾個方面的因素[8?9]：①地形地貌因素；②地層巖性與邊坡結(jié)構(gòu)；③變形破壞現(xiàn)狀，特別是巖體變形跡象以及卸荷裂隙發(fā)育狀況；④對工程的重要性。

圖3 夏日滑坡分區(qū)特征Fig.3 Xiari landslide zoning characteristics

Ⅰ區(qū)：為夏日邊坡老滑坡區(qū)，位于夏日村坡下臨江一側(cè)[8]。老滑坡體后緣較為寬大，前緣縮口。主斷壁高220 m，滑坡殘體后緣高程2 560 m左右，前緣河床部位高程約2 350 m，橫向?qū)?50 m，厚度20～50 m，前緣剪出口位于2 360～2 380 m高程，高出河水面約5～30 m，沿線可見泉水呈帶狀滲出。Ⅰ區(qū)上下游邊界清晰，兩側(cè)均為基巖陡壁。上游側(cè)基巖因卸荷風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體較為破碎，在坡腳附近，可見完整的變質(zhì)砂巖出露。下游側(cè)巖體被花崗巖脈穿插，可見清晰的結(jié)構(gòu)特征。

Ⅱ區(qū)：位于Ⅰ區(qū)下游側(cè)的基巖山梁為界的下游部位，為夏日滑坡現(xiàn)狀崩滑區(qū)，被上下游基巖山梁所圍限?；麦w物質(zhì)組成為：上部為斜坡崩塌物以及基巖風(fēng)化產(chǎn)物組成的土石混合體，下部為砂巖，巖層傾向坡內(nèi)。第四系覆蓋較薄，坡體主要為基巖。

Ⅲ區(qū)：為夏日滑坡后緣區(qū)，表層主要為青灰色砂巖與灰黃色花崗巖塊石，地形坡度與夏日滑坡原始地表坡度相近，表現(xiàn)為前緣較為寬緩，后緣較陡。相對而言此區(qū)屬于穩(wěn)定區(qū)，故不作為重點(diǎn)調(diào)查區(qū)進(jìn)行研究。

2.2 發(fā)育特征分析

Ⅰ區(qū)：屬于老崩滑堆積體，坡體后緣較為寬大，前緣縮口，滑坡后壁圈椅不呈理想弧形，推斷滑坡在一定程度上受母巖的結(jié)構(gòu)特性控制（圖4）?，F(xiàn)狀后壁不是滑后的初始斷壁，滑坡發(fā)生后在斷壁頂部發(fā)育有一系列錯落臺坎和崩落，斷壁前緣崩塌造成主斷壁一定程度的后移，崩落的巖土體形成了倒石堆?；職報w兩側(cè)為基巖山梁，巖體卸荷風(fēng)化強(qiáng)烈。滑坡體目前無整體復(fù)活跡象，但局部穩(wěn)定性差?？紤]到夏日滑坡為一高速滑坡[8]，滑動后滑體滑動勢能已經(jīng)大幅消減，現(xiàn)滑坡主滑段滑面平緩，滑坡殘體可獲得較高的整體穩(wěn)定性，不會發(fā)生大規(guī)模整體劇烈滑動，水庫蓄水后滑坡體至多將以蠕滑—漸穩(wěn)方式運(yùn)動[10?11]。

圖4 夏日滑坡Ⅰ區(qū)特征Fig.4 The characteristics of Xiari landslide zone I

Ⅱ區(qū)：自上游到下游，可以分為基巖山梁段、泥石流沖溝段，龜背段（此段坡面較為完整，形似龜背，但呈凹形）和“勺形崩滑”段（圖5、圖6）。根據(jù)工程地質(zhì)現(xiàn)場調(diào)查，周邊基巖中未發(fā)現(xiàn)較大斷層。從坡體物質(zhì)組成方面看，Ⅱ區(qū)斜坡體上部主要為碎石土，并夾有少量較大塊的孤石，而含量最多的還是塊徑比較小的巖塊，這主要是由原來上部基巖風(fēng)化、崩塌、滾落、堆積而形成的。Ⅱ區(qū)內(nèi)表層堆積有厚度不等的崩塌物質(zhì)，下部分布有全強(qiáng)風(fēng)化層序清晰的緩傾角砂巖，并未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的滑坡體形成時局部地層翻轉(zhuǎn)、崩塌和雜亂巖體相間分布的現(xiàn)象。下層基巖頂部風(fēng)化比較強(qiáng)烈。從巖體結(jié)構(gòu)特征方面看，本區(qū)段巖土體存在傾向坡外的不利結(jié)構(gòu)特征，巖體被切割為塊狀結(jié)構(gòu)，較為破碎，并可見錯動擦痕，主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為：110°∠25°、240°～267°∠53°～60°和35°∠20°，巖體被切割為塊狀結(jié)構(gòu)（圖7），結(jié)構(gòu)面赤投影見圖8（面⑤為坡面產(chǎn)狀），其前緣穩(wěn)定性儲備不高。

圖5 夏日滑坡Ⅱ區(qū)特征Fig.5 The characteristics of Xiari landslide zone Ⅱ

圖6 夏日滑坡Ⅱ區(qū)工程地質(zhì)剖面圖Fig.6 Engineering geological section of Xiari landslide zone Ⅱ

圖7 Ⅱ區(qū)巖體結(jié)構(gòu)特征Fig.7 The rock mass structure characteristics of zone Ⅱ

圖8 Ⅱ區(qū)巖體結(jié)構(gòu)赤投影圖Fig.8 The rock mass structure characteristics stereogram of zone Ⅱ

Ⅱ區(qū)已經(jīng)滑塌的部位并不屬于典型的整體滑動，而是一種典型的“勺形崩滑[12]，此種類型的崩滑體大多處于位置較高的陡傾斜坡上，母巖破碎，或?yàn)樵欣匣禄虮浪w，崩塌體高位剪出或崩落后形成長程高速碎屑流或崩塌。再考慮到整個坡體的巖體特征與“勺形崩滑”體的成生原因與1967年大洪水有關(guān)，表明其穩(wěn)定性儲備不高。水庫建成后，本區(qū)段水位將上升129 m（圖6），斜坡巖土體含水量增加和庫水作用強(qiáng)烈，抗剪參數(shù)在飽和狀態(tài)下大幅弱化，坡體前緣可能產(chǎn)生滑移式塌岸甚至引發(fā)大規(guī)模整體滑動[13?14]。

經(jīng)上述宏觀地質(zhì)定性分析，自然狀態(tài)下該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，而壩內(nèi)蓄水工況時對邊坡的穩(wěn)定性影響最大，Ⅱ區(qū)可能出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。故重點(diǎn)對Ⅱ區(qū)在蓄水前、后的穩(wěn)定性做進(jìn)一步進(jìn)行定量分析和評價。

3 夏日滑坡Ⅱ區(qū)穩(wěn)定性分析

基于野外詳細(xì)調(diào)查，結(jié)合勘察測試數(shù)據(jù)，采用有限差分軟件FLAC3D重點(diǎn)對夏日滑坡Ⅱ區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，巖土體參數(shù)見表1所示，計(jì)算過程采用莫爾-庫侖準(zhǔn)則[15?18]?？紤]滑坡邊界效應(yīng)，長寬高均預(yù)留100 m，并參照夏日滑坡的實(shí)際空間幾何形態(tài)，建立高800 m、長1 120 m、寬10 m的計(jì)算模型（圖9），模型中基巖、滑體、滑帶的網(wǎng)格邊長為分別為30 m、15 m、8 m，共劃分4 596個節(jié)點(diǎn)和2 200個網(wǎng)格。利用CAD建立二維圖形，采用ANSYS拉伸、劃分網(wǎng)格，最后導(dǎo)入FLAC3D進(jìn)行計(jì)算分析。

圖9 夏日滑坡II區(qū)有限差分模型Fig.9 Finite difference model of the Xiari landslide Zone II

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值表Table 1 Values of mechanical parameters of rock and soil

資料表明，目前夏日滑坡坡腳水位為2 350 m，楞古水電站建成蓄水后水位為2 479 m。通過模擬蓄水前后不同水位對應(yīng)的滑坡地下水位表明：在蓄水前，滑坡體整體處于非飽和狀態(tài)，飽和部分僅分布在坡腳局部部位；蓄水后，滑坡體前部大部分已飽和（圖10），此時水對滑帶土的軟化作用不容忽視?？紤]蓄水影響，將飽和部分滑坡體和滑帶土做一定程度的折減，模擬蓄水前和蓄水后工況下的夏日滑坡變形破壞特征[19? 20]。

圖10 蓄水前后滑坡地下水位Fig.10 Groundwater level of landslide before and after impoundment

3.1 蓄水前滑坡穩(wěn)定性

運(yùn)用有限差分法對天然工況下夏日滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行模擬。圖11(a)為滑坡位移云圖，滑坡體主要變形區(qū)位于滑坡坡腳范圍，但整體位移量較小，最大位移僅為0.016 m，此外滑坡后緣局部出現(xiàn)淺表層變形，最大位移為0.006 m；剪應(yīng)變增量云圖表明，應(yīng)力也主要集中在坡腳位置，見圖12(a)，但剪應(yīng)變增量有向滑坡深部擴(kuò)展的趨勢；目前處于剪切破壞塑性區(qū)的單元也主要存在于前緣坡腳部位，見圖13（a）?；趦?nèi)置的強(qiáng)度折減法計(jì)算，滑坡安全系數(shù)Fs=1.23。表明在天然工況下夏日滑坡的變形主要集中于坡腳部位，但整體位移量很小，穩(wěn)定性較好，這也與目前的現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果一致。

圖11 蓄水前后位移云圖Fig.11 Displacement contour map before and after impoundment conditions

3.2 蓄水后滑坡穩(wěn)定性

水庫蓄水對庫岸滑坡穩(wěn)定性具有重要的影響[21?23]。圖11(b)為蓄水之后夏日滑坡的位移變化特征，顯示出明顯的兩級滑動，前緣上部變形在0.15～0.2 m，下部變形在0.075～0.15 m，表明夏日滑坡具有沿基巖滑床向下分級牽引變形滑動的特點(diǎn)，坡腳部位的最大位移達(dá)到了0.2 m，為蓄水前的12.5倍，變形主要沿前緣次級滑坡滑帶滑動，且越靠近前緣變形越大。前緣坡腳及剪出口處剪應(yīng)變增量值最大，正處于剪切屈服狀態(tài)的單元已逐漸形成條形區(qū)域，見圖13(b)，總體上已沿次級滑面形成一條集中貫通的剪切帶，見圖12(b)。此外，深層滑帶也出現(xiàn)局部的貫通。根據(jù)前期試驗(yàn)測試和相關(guān)工程類比[18,24?25]，采用強(qiáng)度折減法計(jì)算，滑坡前緣安全系數(shù)Fs=1.02。說明在庫水位作用下，先期剪切帶強(qiáng)度弱化，誘發(fā)滑坡局部滑動，破壞方式為前緣牽引式滑動。在滑坡前緣失穩(wěn)破壞后，滑坡體的剪切破壞可能會繼續(xù)向上逐漸發(fā)展，牽引整個滑坡發(fā)生大規(guī)模滑動。

圖12 蓄水前后剪應(yīng)變增量云圖Fig.12 Shear stress increment map before and after impoundment conditions

圖13 蓄水前后塑性區(qū)分布圖Fig.13 Distribution of plastic zone before and after impoundment conditions

4 結(jié)論與建議

（1）根據(jù)坡體的地貌形態(tài)、物質(zhì)組成、滑坡成因和滑動機(jī)理分析，將夏日滑坡劃分為三個區(qū)。經(jīng)宏觀地質(zhì)定性分析，Ⅰ區(qū)滑坡體無整體滑動跡象，但水庫蓄水后，局部可能將以蠕滑-漸穩(wěn)方式運(yùn)動，但不會發(fā)生大規(guī)模整體滑動；Ⅱ區(qū)目前已經(jīng)出現(xiàn)一定的變形破壞，穩(wěn)定性最差，尤其水庫建成后，坡體前緣可能產(chǎn)生滑移式塌岸甚至引發(fā)大規(guī)模整體滑動；Ⅲ區(qū)整體上較為穩(wěn)定，不做為重點(diǎn)研究區(qū)。

（2）數(shù)值模擬表明，蓄水前，夏日滑坡Ⅱ區(qū)整體穩(wěn)定性較好，只在前緣局部出現(xiàn)變形；蓄水后，Ⅱ區(qū)滑坡體變形明顯擴(kuò)大，前緣沿先存的次級滑帶滑動。建議在夏日滑坡Ⅱ區(qū)前緣進(jìn)行格構(gòu)錨固和抗滑樁支護(hù)，以免水庫蓄水后滑坡前緣滑動對水電設(shè)施造成破壞。

（3）建議利用現(xiàn)有的成熟監(jiān)測技術(shù)，對滑坡災(zāi)害隱患進(jìn)行早期識別和監(jiān)測預(yù)警。西部高山峽谷區(qū)域，由于地域廣，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測技術(shù)較難實(shí)施，可利用InSAR技術(shù)對高山峽谷區(qū)域的滑坡災(zāi)害隱患廣域進(jìn)行早期識別[26?28]，達(dá)到有效減災(zāi)和防災(zāi)的目的，并為水電工程建設(shè)提供安全保障。