西南某水电站库区古滑坡堵江成因及变形破坏机理研究

陈　超，任光明，吴龙科，韦振新，鲁　博

(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都　610059；2.中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司，西安　710065)

西南某水电站库区古滑坡堵江成因及变形破坏机理研究

陈超1，任光明1，吴龙科1，韦振新2，鲁博2

(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都610059；2.中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司，西安710065)

摘要：通过现场调查，结合边坡的地形地貌、坡体结构、变形破坏和江岸纹泥沉积特征，分析认为滑坡在变形破坏后高速下滑，撞击对岸山体并堰塞堵江，在经历长期的河湖相沉积后逐渐溢流溃决，部分滑体分别残留于左、右岸山坡上。根据恢复的原始地形，通过刚体极限平衡分析可知滑坡为地震诱发，为了进一步研究滑坡堵江成因和变形破坏机理，运用离散元数值软件进行模拟分析。研究表明：天然状态下坡体浅表部沿层面和缓倾坡外优势结构面产生卸荷拉裂，地震作用使坡体内部层面拉裂并沿缓倾坡外优势结构面剪断破坏，其破坏堵江过程可概括为：前缘剪切变形、后缘震动拉裂→滑面贯通、高速下滑→铲刮河床、刨蚀对岸山体→前缘受阻隆起、后缘坐落下滑、中部堰塞堵江→震后停积自稳，坡体具有明显的动力放大效应。

关键词：古滑坡；变形破坏机理；堵江特征；离散元数值模拟；放大系数

1研究背景

本文所研究的滑坡位于四川省某拟建水库库区金沙江左岸，滑坡以东约3.5km处为巴塘断裂，曾在1870年发生过7级地震。从现今右岸的地形地貌特征和江岸沉积相[1-2]分析可知，滑坡在变形破坏后发生过堵江，并在后期溃决。

由于滑坡发生年代久远[3-6]，本文从地形地貌特征、坡体结构特征及堵江特征出发，结合刚体极限平衡法进行滑坡各工况稳定性分析，再运用离散元数值方法，对该古滑坡的变形破坏机理进行模拟分析。数值模拟结果较好地呈现出滑坡体从变形累积到破坏堵江的全过程[7-10]，并与地质分析结果吻合较好。

2滑坡概况

2.1坡体结构特征

岸坡岩性为二迭系下统薄层—中厚层状灰黑色黑云母石英片岩，层面产状为NE4°/NW∠84°，优势结构面发育有3组(图1)：①NW357°/SW∠21°缓倾坡外，尤为发育；②NW324°/NE∠48°中倾上游坡内；③NE46°/NW∠59°中倾上游坡外。

图1　滑坡堆积体分布Fig.1　Distribution of the sliding mass

2.2滑坡形态特征

据现场调查，滑坡剪出口为江面，高程为2 540m，滑坡坝被江水冲断后，滑体分别堆积于左、右两岸岸坡上(图1)，其滑坡形态特征如下。

(1) 左岸滑坡堆积体平面形态呈弓形，平均长度约340m，滑体平均厚度约32m，受到江水掏蚀形成3～5m高的陡坎，岩体具有似层状结构。陡坎上堆积体垮塌形成40°～55°陡坡，坡高约140m;坡顶滑坡堆积体后缘为一宽缓平台，宽80～160m;平台以上滑坡后缘滑壁明显，坡度30°～35°，壁高120m左右;滑坡壁以上坡体较缓，坡度20°～30°。滑坡上下游边界均有滑坡拉裂沟，具有典型的双沟同源现象。

(2) 右岸岸坡较缓，坡度25°～35°，岸坡上遗留有滑坡坝溃决后残留的滑坡堆积体。岸坡前缘为一弧形凹岸，坡度15°～30°，与滑坡后缘壁形状相似、形态相对。弧形凹岸顶部有一小平台，残留有零星滑坡堆积体，上游端为后期人工改造形成的二级滑坡体堆积平台，坡度约55°，低平台顶面高程为2 602m，宽约70m，高平台顶面高程为2 617m，宽约90m，平面形态呈近椭圆形。

2.3滑坡堵江特征

2.3.1地形地貌特征

(1) 右岸堆积平台块碎石岩性为灰黑色黑云母石英片岩，与左岸相同而与右岸堆积平台下游冲沟剖面的岩体类型不同(图2)，且高平台顶部高程与左岸滑坡堆积体高程一致，说明该平台堆积体来源于左岸滑坡体。

图2　坡体岩性对比Fig.2　Comparison of lithology between the left bank slope and right bank slope

(2) 右岸坡脚处有一弧形凹岸，坡度前缘较平缓，后缘相对稍陡，弯曲弧度与滑坡后壁非常接近且形态相对，凹岸岸坡上岩体碎裂，不见大块石和基岩出露，且凹岸坡顶有零星滑坡堆积体。

从以上地形地貌分析，滑坡在启动后，高速下滑并冲过河床，撞击并刨蚀右岸岸坡，形成弧形凹岸，前缘滑体堆积于右岸岸坡上，形成横河向长约470m堰塞坝。后期经江水不断掏蚀，江水溢流，滑坡坝溃决，并在江水长期冲刷搬运作用下，松散滑坡堆积体不断被冲走，仅在河漫滩上留下了粒径较大的零星漂石。

2.3.2沉积相特征

滑坡上游江岸保留有完整的堰塞湖相纹泥沉积层，沉积层分为上、下2层，其中：①下层以浅黄、深黄色粉砂质黏土为主，水平层理非常发育，层理颜色有深、浅变化的韵律，韵律层厚1～5cm。该层为滑坡堵江后、堰塞湖湖水稳定时期的沉积层，前缘反翘，为江水回水所致。②上层以浅黄色粉砂为主，厚3～5m，层理不明显，前缘覆盖于滑坡堆积体上。该层为溃坝前期沉积层，滑坡坝可能出现了溢流或小的涌流，湖水面不太平静。

3滑坡稳定性刚体极限平衡分析

3.1滑面概化与参数选取

结合滑坡上下游坡体地形特征，对滑坡破坏前原始地形进行复原，并根据滑坡后壁、前缘剪出口形态特征和钻孔资料推测滑面形态，如图3所示。

图3　滑坡前、后地形与地质剖面Fig.3　Topographic lines before and after landslide and its geologic profile

根据坡体内部结构面发育特征，将滑面概化为层面和优势结构组①(图1)组合形成的折线形滑面[11]，如图4所示。

图4　滑坡稳定性计算模型Fig.4　Model of landslidestability calculation

通过野外试验，测得滑体碎石土天然重度为23.8kN/m3，饱和重度为24.5kN/m3；再根据岩土体试验、工程地质类比法和反演分析综合考虑，滑坡在稳定性计算和数值模拟中的参数取值见表1和表2。

表1　结构面力学参数

表2　岩体物理力学参数

3.2刚体极限平衡分析

根据恢复的原始地形和概化的滑面特征，采用刚体极限平衡分析法对原始滑坡体分别进行天然、暴雨和地震工况[12-13]下的稳定性计算，结果见表3。其中考虑滑坡变形破坏时所受地震强度为7度[14]，根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)，水平和竖直地震加速度分别取0.15 g和0.05 g。

表3　滑坡稳定性计算结果

稳定性计算结果表明：该滑坡在天然状态下处于稳定状态；暴雨状态下处于基本稳定状态；地震诱发滑坡形成，且在水平地震加速度作用下，滑体可能具有一定的初始加速度。

4滑坡变形破坏离散元数值模拟

4.1离散元模型建立

根据恢复后的原始地形，建立离散元计算模型。计算中对模型进行概化(图5)，将材料主要分为强风化岩体、弱风化岩体和微新岩体3种，及近直立层面(NE4°/NW∠84°)和缓倾坡外优势结构组①(NW357°/SW∠21°)2组控制边坡变形的结构面，计算参数取值见表1和表2。

图5　滑坡离散元计算模型及监测点分布Fig.5　Discrete element model of landslide anddistribution of monitoring points

在动力分析中，为了防止计算模型的区域边界可能造成外传波的反射，本次模拟中在模型四周生成了自由场边界，模型底部使用黏滞边界，地震动力荷载加载底部边界上，同时在坡体中设置监测点(图5)，监测坡体中加速度、速度的变化情况。

4.2地震动力条件的输入

据门玉明等[15]、李磊等[16]和黄诗渊[17]的研究，水平地震力对层状岩质边坡造成的危害是主要的，故本次数值模拟仅考虑水平方向的动力荷载对坡体稳定性的影响。综合考虑各种因素，本次计算模型底部输入的动力荷载采用5·12地震时文县台网监测到的7度烈度水平地震波，地震的加速度时程曲线如图6所示。

图6　施加在模型底部的加速度时程曲线Fig.6　Time-history curves of horizontal velocities input in numerical model

4.3离散元数值模拟结果分析

4.3.1自重作用下边坡数值模拟结果分析

坡体在自重作用下卸荷回弹，沿缓倾坡外优势结构面产生向临空方向的蠕滑变形，并沿坡体浅表部近直立层面产生微小拉裂变形(图7(a))，整体变形量小，其中最大位移量为1.3cm(图7(b))，边坡整体稳定。

图7　自重条件下边坡数值模拟结果Fig.7　Numerical simulation result of slopeunder gravity

4.3.2地震作用下边坡数值模拟结果分析

根据地震条件下离散元数值计算结果(图8和图9)，结合岩体变形破坏特点，将滑坡的动力变形破坏过程分为以下几个阶段。

(1) 前缘剪切变形、后缘震动拉裂(图8(a))：由于坡肩地形凸起，动力放大效应明显，在地震动力条件下，坡肩产生较大的地震加速度使后缘首先发生拉裂，并伴随有小的岩块弹出，拉裂缝不断向坡体内部延伸，坡脚因剪应力集中导致坡体沿坡脚剪出。

(2) 滑面贯通、高速下滑(图8(b))：随地震动力的连续输入，动力累积效应使坡体内部缓倾坡外优势结构面不断拉剪破裂，破裂面与卸荷张开的层面交切组合形成滑坡控制性底滑面，并与后缘拉裂缝和前缘剪切面相接，形成贯通滑面，滑体在自身重力和地震水平动力作用下沿贯通滑面高速下滑。

(3) 铲刮河床、刨蚀对岸山体(图8(c))：高速下滑的滑体在穿越河床时，滑体底部与河床相互摩擦并对其进行铲刮；前缘滑体越过河床高速撞击对岸山体并刨蚀坡体表部松散岩土体，滑体碎裂解体。

(4) 前缘受阻隆起、后缘坐落下滑、中部堰塞堵江(图8(d))：前缘滑体越过河床后水平方向的运动受到对岸山体阻碍，于是在较大的加速度下顺着坡体逆冲上爬，致使滑体前缘隆起；对岸山体的阻碍使滑体整体速度突减，后缘滑体在保持原有速度下与减速滑体产生挤压变形，并向坡外滑移，后缘坐落；中部滑体充填河道，堰塞堵江。

(5) 震后停积自稳(图8(e))：随着地震动力的不断减弱和滑体动能的不断消散，滑体速度不断减小，不稳定块体在地震左右摇摆的“筛平效应”作用下塌落稳定。由于滑坡为整体滑落，滑体停积稳定后局部仍保留有似层状结构，滑体最大位移为561.5m(图9)。

图8　地震作用下不同时段模型单元运动状态Fig.8　Movement states of deformation elements atdifferent running time of numerical model underseismic loading

图9　计算结束时模型单元位移矢量Fig.9　Displacement vectors of numerical modelunder seismic loading at the end of calculation

(6) 地震结束滑体自稳后形成高约80m，长约450m堰塞坝，由于坝体受震动压密，稳定性相对较好，在经历过长期堰塞湖相沉积后溢流溃坝，江水不断掏蚀至古河床，形成现今的左岸陡坎和右岸弧形凹槽河床与残余滑坡堆积体地貌。

在地震动力的输入过程中，坡体内部随高程的增加，水平速度放大系数、水平加速度放大系数不断增加(表4)，且同一高度上坡表A3比坡体内部C1大，这种明显的地形动力放大效应解释了坡肩后缘位置首先出现拉裂变形和破坏随高程的增加显著增加这一现象。上部不稳定滑体水平速度、水平加速度放大系数相比下部较稳定坡体要高得多，这表明滑坡启动时具有较大的加速度。

表4　监测点速度放大系数和加速度放大系数

注：H为A2监测点距模型底部高度，h为对应各点距模型底部高度。

5结论

(1) 根据现场勘探平硐调查，岸坡岩体中近直立倾坡外层面和一组缓倾坡外的优势结构面非常发育，其相互交切组合形成滑坡的控制性结构面。

(2) 滑坡在变形破坏后堰塞堵江，并在江水掏蚀作用下逐渐溢流溃坝，现今留下了许多地形地貌和堰塞湖沉积的堵江证据。

(3) 还原滑坡原始地形，采用刚体极限平衡分析法计算得到：天然和暴雨情况下滑坡分别处于稳定和基本稳定状态，地震是导致滑坡失稳的因素。

(4) 通过离散元数值模拟分析，滑坡变形破坏过程为：前缘剪切变形、后缘震动拉裂→滑面贯通、高速下滑→铲刮河床、刨蚀对岸山体→前缘阻化隆起、后缘坐落下滑、中部堰塞堵江→震后停积自稳，坡体具有明显的动力放大效应。

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(编辑：黄玲)

Formation of Blocking River and Deformation Failure Mechanism ofAncient Landslide in a Hydroelectric Power Station ReservoirArea in Southwest of China

CHENChao1，RENGuang-ming1，WULong-ke1，WEIZhen-xin2，LUBo2

(1.StateKeyLaboratoryofGeo-hazardPreventionandGeo-environmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;2.PowerChinaXibeiEngineeringCorporationLtd.,Xi’an710065,China)

Abstract:Through field investigation and according to the topography and landform characteristics, structural characteristics of slope, deformation characteristics of slope and deposits characteristics on riverbank, we conclude that the ancient landslide slid down with a high speed after failure, then hit the hill on the opposite bank and blocked river. After a long time of fluvio-lacustrine deposit, the barrier dam overflowed broke down with stepwise scour and the debris were still left on the left and right side of the river. Restoring the original terrain and using general limit equilibrium method, we analyze that the landslide is inducted by earthquake. To further research the formation of blocking river and deformation failure mechanism of the landslide, we employ discrete element method to simulate the landslide process. Results reveal that under natural circumstance, relaxed-tension cracks in shallow surface of the slope developed along the bedding plane and preferred gently-inclined plane; while under earthquake condition, tensioned fracture occurred inside the slope and shear failure happened along the gently-inclined structural plane. The slope experienced the following stages: (1) shearing deformation happened in the leading edge and vibration-tension cracks occured in the back edge of the slope; (2) sliding plane penetrated through and the slope slid in high speed; (3) the landslide scraped the riverbed and ploughed the hill on the opposite bank; (4) the leading edge of landslide uplifted for impediment, the back edge stood and glided, and the middle part blocked the river; (5) the landslide self-stabilized after earthquake. The slope has an obvious amplification effect under the action of seismic dynamic load.

Key words:ancient landslide; deformation and failure mechanism; characteristics of blocking river; discrete element numerical simulation; amplification coefficient

收稿日期：2015-04-14；修回日期：2015-06-15

基金项目：国家自然科学基金项目(41072229)

作者简介：陈超(1990-)，男，四川冕宁人，硕士研究生，研究方向为岩土工程，(电话)15882138336(电子信箱)chenchao020223@163.com。

doi:10.11988/ckyyb.20150306

中图分类号：P642.2

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)06-0094-05

2016,33(06):94-98