两家人水电站滑石板顺层岩质边坡滑坡机理数值模拟

王秀菊

摘要：滑坡地质灾害影响因素众多、机理复杂，单纯采用地质分析缺少依据。基于云南省金沙江两家人水电站左岸滑石板顺层岩质边坡在1996年10月28日发生滑坡的事实，在大量地质勘查基础上，采用简易滑块对滑坡机理进行了探讨，并利用颗粒离散元数值模拟方法，建立了满足滑体与滑面特性的滑坡模型，通过一系列的滑坡数值模拟试验，探讨了滑面摩擦系数、滑体强度等因素对滑坡堆积、块度、滑坡速度的影响规律，对比后期的勘查成果对当时滑坡情况进行了反馈分析。该方法可为后续滑石板边坡的稳定性研究及灾害预测提供理论依据。

关键词：滑坡灾害；滑石板；顺层岩质边坡；岩土力学参数；颗粒离散元

中图分类号：TV7文献标志码：A文章编号：

16721683（2016）06014107

Numerical analysis on landslide mechanism of a talc sheet rock slope at Liangjiaren hydropower station

WANG Xiuju

（Nanjing Communication Institute of Technology，Nanjing 211188，China）

Abstract：Landslide disaster is one of the most frequently happening geological disasters，the process of which is governed by terrain geometry，characteristic of landslide rock mass，characteristic of slip surface and external environment loads such as earthquake，rainstorm and human activity.Based on the fact of landslide disaster at bedding rock slope of left bank of TigerleapGorger at Liangjiaren hydropower station，on October 28，1996，a landslide model was built up to fit the slide rock mass，slip face，as well as the effect of earthquake and rainstorm according to a large number of geological surveys.Then a series of numerical simulation of landslide was proposed to study the influencing rules of slip friction coefficient and strength of slide rock mass on the landslide geometry，debris size and velocity of landslide，so the process of landslide of bedding rock slope was feedback analyzed and the slope stability was discussed.This method could be used in following stability research of similar slopes and corresponding assessment of geological hazards.

Key words：landslide disaster；talc sheet rock mass；bedding rock slope；geotechnical parameters；particle flow code

在岩土工程中，滑坡是一类存在巨大风险的地质灾害。由于大量裂隙、节理面的存在，导致滑坡过程是岩体破碎、宏观强度不断降低的过程，受滑体性质、滑面性质以及地震、降雨、工程活动等外界因素的控制[12]，很难采用确定性参数和连续介质研究方法来分析[3]。颗粒离散元法是针对节理破碎岩体提出的一种能考虑大变形、大位移的离散元法，具有潜在的高效率、不限制实际发生的位移量等优点[45]，在模拟滑坡变化过程中有重要的应用前景，为研究边坡稳定、地质灾害评价提供了可靠的理论依据，特别是具有滑坡特征可佐证的边坡稳定问题[6]，其研究结果更有借鉴意义。

1两家人滑石板顺层岩质边坡

金沙江两家人水电站位于云南省玉龙雪山与哈巴雪山之间，是我国地质灾害最严重的地区之一，滑坡、崩塌、泥石流具有类型多、分布广、成灾快、灾害重、频率高、治理难的特点[78]。1996年10月28日上午9时，位于云南金沙江下虎跳峡左岸的大具乡两家人村，发生了高速岩体滑坡，滑体将其下的公路和挡墙冲毁，进入金沙江后形成滑坡堰塞湖，水位上涨60余m，2 h后溃坝形成洪水。

金沙江在滑石板边坡附近流向N40°-45°E，河水面高程1 600 m左右，地形坡度约40°～45°，坡顶高程2 600～3 000 m，坡体岩性为石炭系中厚层状大理岩化石灰岩、结晶灰岩夹少量石英片岩及绢云母绿泥片岩，岩层产状N0°～10°W，NE∠35°～45°，以2 200 m高程为界，呈上缓下陡的趋势。受边坡岩体重力作用的影响，公路（1 875 m）高程以下岩面波状起伏且不平整，其产状略陡于公路高程以上的岩层，岩层内部层间错动面发育，沿层间错动面绢云母、绿泥石等片状矿物富集。

如图1（a）所示滑坡后出露层面及图5滑石板典型地质剖面表明：滑石板大理岩化厚层石灰岩呈灰色、浅灰色，厚层状，单层厚一般为1～2 m，地层总体厚度500余米，岩体完整，稳定构成了滑坡及其附近高峻的峡谷边坡。一般厚层灰岩因强度高，岩体结构性好，发生边坡失稳概率较小。但滑石板滑坡岩体在地质作用期，由于后期的热液顺层侵入，在层面上形成了多层厚度不超过1cm的绢云母层，成为岩体内的软弱夹层，该绢云母层大大弱化了岩体强度，使得岩层间黏结力降低，在风化，降雨、卸荷作用下，该层性质极易进一步劣化，容易发展为潜在的滑移控制面。野外调查[9]表明，滑石板正是沿着这一软弱的绢云母层发生的。

见图1（b），滑石板所在边坡为顺向坡，坡度受岩层层面控制，约为42°。坡面走向（NE15°）与岩层走向夹角约0～10°。由于斜向切割，层状岩体表现为沿边坡走向梯级重叠，逐次出露，越向外层，受风化作用越明显。岩体中主要结构面为三组，一组产状为N0°～10°W，NE∠35°～45°，为层间错动带，是滑坡的底滑面；一组产状为N80°E，SE∠80°组陡倾角裂隙，是滑坡的侧滑面，另外一组以岩体拉断面或N10°W组陡倾短小裂隙为后缘脱开面，三组结构面切割构成了1996年滑坡的边界条件。

该滑坡的产生主要原因如下：（1）1 875 m公路施工时，由于挖脚条件形成临空面，层状岩体成为孤立的只靠层面摩擦维持稳定的悬挂体，原来总体受力均匀稳定的边界条件由于边界条件的改变，内力调整，向软弱的绢云母集中，叠加沿着节理和层面的风化卸荷作用，边坡表层顺层岩体逐渐开裂，在重力作用下，逐渐达到临界状态；（2）1996年2月3日，云南丽江发生70级地震，发震断层为玉龙-哈巴断裂带，距离滑石板滑坡直线距离仅25 km。在丽江附近诱发了420处中小型崩塌及20处大中型滑坡。但滑石板在地震后未立即发生崩滑现象，仅在高程2 300～2 400 m附近产生了大量的拉裂隙，为后期雨水的渗入提供了条件；（3）1996年10月，在滑石板经历了一个汛期后，由于雨水逐步经裂隙渗入，绢云母强度大大降低，使得滑面承载能力逐步丧失，形成滑坡。见图2，现场在1 875 m高程以上残留的滑体表面有明显的擦痕现象（图2），[JP2]底滑面绢云母层光滑，表明滑石板滑坡为遽发式的快速滑坡，最终在河谷部位形成约65～70 m厚的堆积物（图3）。

2滑坡启动简易滑块分析

由于N0°～10°W组结构面倾角很小，滑动主要沿着NE∠35°～45°组结构面。为方便分析将滑坡简化为沿着绢云母层的平面滑动，倾角平均为42°。

如图3，对宽L、厚度H的滑块（图3）进行受力分析，在自重状态下滑块安全系数可写为

Fs=（μsmgcosδ+cL）/（mgsinδ）=μ′[KG-*4]scosδ/sinδ[JY]（1）

式中：μs为滑面摩擦系数；cL为滑面黏结力；m为滑[HJ1.95mm]块质量；L，H为滑块宽度、厚度；δ为边坡倾角；g为重力加速度。

令μ′[KG-*4]s=μs+cL/mgcos δ则上式可化为

4滑坡过程分析

4.1滑坡速度分析

[JP2]在滑坡过程中，滑坡体的速度与滑面摩擦系数密切相关，同时也受滑坡体摩擦系数、黏结强度的影响。当底滑面能够保持滑体稳定时（滑面摩擦系数06），滑坡不会发生，颗粒的速度时程随地面运动而变化，地面运动停止后，颗粒运动很快收敛为零（图7）。

当滑面摩擦力在地震后不能维持块体平衡时（滑面摩擦系数05），滑坡产生，滑坡体以某一加速[CM（22]度开始运动，速度越来越大。与滑面接触的颗粒由[CM）]

于在刚性运动中亦与滑面脱开，导致运动加速度亦增大。当前缘的滑坡体进入河谷后，由于巨大的冲击作用后续的岩体被阻碍，运动加速度快速降低，前方堆积体被压实，速度逐步衰减为零（图8）。

因此滑坡并非为等加速度运动，而是一个加速度逐步增大，再逐步减少的过程（图8）。在滑坡体上任选8个颗粒（各点位置见图5），统计不同滑面摩擦系数下其滑动速度峰值变化规律。结果如图9所示，不同的滑面摩擦系数下颗粒峰值运动速度近似呈指数变化（图9），呈现出摩擦系数越小，则滑坡速度越快规律。

现场勘察时滑石板边坡1 875 m高程以上有明显的滑坡擦痕，而公路以下则未见擦痕，表明在公路附近滑坡体快速飞出，而公路以下由于存在坡积层，可导致滑坡速度降低。尤其当前缘到达河谷后，后续滑体受阻减速，与数值模拟规律相吻合。

4.2滑坡堆积

滑石板边坡在滑动时以整体下滑开始，由于运动过程中的碰撞作用，岩体中的大量结构面快速破坏，形成散体，在河谷部位形成堆积。定义松散堆积体形成的坡面与水平面的夹角，称为静态休止角，它反映颗粒摩擦力或者颗粒群流动性的大小程度，主要受岩体的残余摩擦系数影响。如图10，不同残余摩擦系数影响的平衡时的堆积形态。不同残余摩擦系数下形成的堆积体坡面距离河谷最小垂直距离拟合得指数关系式（图11）表示：

H=12424e-2.0091f[JY]（11）

式中：f为岩体残余摩擦角；H为河谷最小堆积厚度。滑石板边坡在1996年10月滑坡后，形成了60～70 m的堰塞湖，据此反推，岩体残余摩擦系数在0286～0362之间。

4.3岩体黏结强度的影响

在不同黏结强度下，滑坡过程形成的块度不同，从而形成了不同的外轮廓。定义岩体颗粒间法向黏结破坏数目与总法向黏结百分数为黏结破坏率。不同黏结强度下滑坡堆积如图12所示，对比发现：在低黏结强度下，滑坡启动初期岩体颗粒之间的法向黏聚力快速消失，及黏结破碎率快速达到10，而中等强度下滑坡结束黏结破碎率为056，强黏结下滑坡结束时黏结破碎率为036。

但从滑石板边坡残余的堆积物看，滑体在堆积后块度较小，其块度小于30 m，大部在金沙江的冲击作用下顺流而下。因此可推测滑石板滑坡属于低黏结类型的滑坡。

5滑坡稳定性讨论

5.1阻尼的影响

岩体介质滑坡除了需要考虑黏性阻尼外，还应该考虑块体的滚动阻力和地面变形[19]的影响，由于块体的滚动可以导致更大的冲击，因此滑坡体可以运动更远[20]，这需要设置较小的时间步来考虑滚动阻尼。但滑石板边坡属于遽发式滑坡，沿着滑面滑动占优势。如果当滑坡体强度足够，在滑坡过程中不同位置的点基本保持相同速度，而当岩体强度较低时，岩体破碎率高，不同块体之间相互碰撞，可致不同位置速度存在差别。在相同滑动系数下各点速度变化值为均值的20%～30 %，这表明质点的滑坡速度约有10%～15 %是受滚动阻尼控制的。因此在低黏结情况下，滑坡体的岩体破碎率可达100 %，滚动阻尼的作用不容忽视，而强黏结强度下，岩体破碎率低，则滚动阻尼的影响可忽略不计。

5.2滑坡过程中摩擦系数的变化

根据试验结果，绢云母干燥时及湿润时的内摩擦角分别为196°、140°，可以断定，滑石板边坡是在滑面摩擦系数降低自036降低至025过程中引发的。因此，在滑坡初期是侧滑力与降强后的底滑面摩擦力共同作用，综合抗滑摩擦系数在055左右，当运动一段距离后，侧滑力消失，摩擦系数可降至025，甚至更低。

在诸多滑坡案例中，滑坡体的残余摩擦角可由滑坡后的堆积体几何形状来判断，滑石板滑坡后在河谷部位的堆积厚度在60～70 m，堆积后缘在高程1 875 m左右，其形成的自然休止角约19°，这表明滑坡体的残余摩擦系数在035左右，与数值计算反推出的0286～0362接近。

6结论

基于1996年云南丽江地震后两家人水电站滑石板顺层岩质边坡滑塌地质调查，采用简易滑块分析了其受力特性，探讨了其滑坡机制。通过PFC二维颗粒流方法建立了滑坡灾害反馈分析模型，通过一系列不同变量控制下的滑坡模拟分析，探索了不同因素与滑坡堆积、块度的关系，得到结论如下。

（1）两家人滑石板是由地震、降雨联合作用下引起的滑坡，其滑坡的规模受滑面摩擦系数、滑坡体的力学性能以及滑坡体地表影响。滑动面的摩擦系数经历了地震下降、降雨下降、滑动摩擦下降的过程。在岩体完全破碎并综合考虑侧滑力基础上，滑石板以摩擦系数055启滑，降雨后约下降01～015，滑动一定距离后侧滑阻力消失，滑面摩擦系数降至025左右，因此其加速度经历从均匀增加到加速增长的过程。

（2）当滑坡体前缘接触到河谷后，滑坡体再次加速下降，导致约100万m3岩石碎块倾覆而下，滑动距离约650 m，最终以近20～30 m/s的平均速度冲向河谷，在河谷至1 875 m公路之间形成19°左右自然休止角的散体边坡，造成60～70 m的水位上升。

（3）根据滑石板的滑坡机理，在对上部残留坡体进行治理时，应以封闭表层裂隙，预防雨水渗入为主，同时可在滑面附近设置一定的阻滑键，以提高绢云母层的抗滑力。

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