地震与强降雨条件下云南鲁甸王家坡震裂山体稳定性分析

刘 洋，裴向军，罗 璟，许 芃，刘 明

(1.成都理工大学环境与土木工程学院，地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059；2.中交铁道设计研究总院有限公司，北京 100088；3.西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

2014年8月3日，云南省鲁甸县发生6.5级地震[1-3]，诱发了位于鲁甸县李家山村和巧家县红石岩村交界处牛栏江干流右岸的红石岩崩塌。该崩塌体规模巨大，堵塞牛栏江，形成了高达120 m、体积1.248×107m3的大型堰塞体。利用该堰塞体做为挡水坝，对其采取防渗处理，配合边坡治理及隧洞开挖工程，最终建成库容量1.32×108m3的红石岩水利枢纽。

王家坡震裂山体位于红石岩水利枢纽北东方向，距堰塞坝1 300 m。鲁甸地震导致边坡岩体震裂松动，卸荷裂隙发育，局部地区坡表变形迹象明显。由于该震裂山体距离坝址较近，且体积巨大，其稳定性对水利枢纽工程具有重大影响，深入分析王家坡震裂山体在强降雨、地震等极端工况下的稳定性问题具有重要的工程及现实意义[4-7]。

近年来，国内外学者对岩土体斜坡稳定性问题展开研究：Newmark基于物体平衡原理，提出了根据潜在变形来评价边坡动力稳定性的有限滑动位移法，将潜在滑体的惯性力超过滑体的屈服阻力作为边坡滑坡发生的计算标准[8]；郑颖人采用FLAC动力强度折减法，结合同时具有拉张和剪切破坏功能的有限差分数值模拟软件对地震边坡破坏机制进行分析，总结得出地震边坡破坏是由潜在破裂区上部拉破坏与下部剪切破坏共同组成，并通过多种途径给出地震边坡破裂面位置的确定方法[9]；黄润秋等在大量现场调查的基础上，研究了强烈地震荷载下，斜坡呈现出的震动溃裂、高速抛射等特殊失稳现象，并根据具体斜坡结构，对地震触发崩塌滑坡成因机制进行分类[10]；胡新丽等自主编制了基于强度折减法的滑坡体安全系数计算程序，分析已知滑动面条件下的斜坡稳定性情况，并对传统极限平衡法和FLAC3D强度折减法展开对比讨论[11]。

由于王家坡震裂山体工程地质情况复杂，且已承受多次地震荷载影响，本文在充分结合野外调查资料及潜在破坏模式分析的基础上，联合应用Surfer及ANSYS软件精确构建震裂山体三维数值模型。为更加优化考虑山体的不连续性和大变形特性，并提高求解速度，后处理计算采用基于快速拉格朗日有限差分法的FLAC3D软件[12-17]。求解过程中采用全动态分析方法获取模型运动方程的时间步长解，追踪介质动态演化全过程，深入探讨其时间效应与空间效应，准确得到王家坡震裂山体在天然工况、强降雨工况、强震工况下的稳定性动态响应，为水利枢纽工程建设人员提供参考依据。

1 震裂山体工程地质特征

1.1 地形地貌及地层岩性

王家坡震裂山体所在区域属于以构造侵蚀、溶蚀为主的高中山峡谷区，山高谷深，地形陡峻，切割剧烈。山脉延伸方向与地层及构造线走向大体一致。河谷深切，多呈“V”型或“U”型，谷底比降较大，天然比降约6.6‰。震裂山体总体走向为S10°E～S20°W，底部高程约1 150 m，顶部高程约2 100 m，高程差约950 m，其顺河谷方向宽度约1 400～1 500 m，垂直河谷方向长度约1 100～1 200 m，总体上呈上缓下陡、西北高东南低的趋势。

研究区地层发育较全，主要出露地层有寒武系、奥陶系、泥盆系、二叠系及第四系地层。岩性以灰岩、页岩、砂岩、泥岩、石英砂岩、白云岩为主，局部夹大量中酸性熔岩、粗凝灰岩、凝灰质火山砾岩。在晚二叠世有大面积的玄武岩喷发，岩性为致密玄武岩、斑状玄武岩夹火山碎屑岩组成。第四系主要有冲洪积层、崩积层、滑坡堆积层及泥石流堆积层等。

图1 王家坡震裂山体工程地质平面图Fig.1 Geo-engineering map of Wangjiapo seismic slope

研究区发育包谷垴-小河断裂带，地表断层拉裂缝发育[18]。按变形破坏特征，将王家坡震裂山体分为四个次级研究区(图1)：强变形区(Ⅰ区)、弱变形区(Ⅱ区)、H2滑坡区(Ⅲ区)、H3滑坡区(Ⅳ区)。

1.2 坡表变形特征

由地震引起的地表破裂是地壳弹性应变转化为永久性构造变形的表现形式之一，具体的破裂样式包含着大陆地壳变形方式、运动状态和地震破裂过程等基础信息[19-21]。经过野外详细调查发现，王家坡震裂山体总共发育74条地表裂缝，主要分布在强变形区(Ⅰ区)，整体上为走向N45°W～N50°W的左旋走滑破裂带。地表破裂按力学成因主要分为：剪切破裂、张剪切破裂、压剪切破裂、张性破裂(图2)。

图2 震裂山体地表破坏成因分类Fig.2 The causing classification for surface destructions of the seismic-slope in Wangjinpo

1.3 潜在破坏模式分析

根据震裂山体强变形区(Ⅰ区)钻孔ZK122和ZK124所揭示的地层情况分析，强变形区(Ⅰ区)上部0～40 m，主要由经强烈溶蚀作用的全-强风化灰岩构成，即全强分化层。全强风化层内众多地表裂缝中，以裂缝LF5、裂缝LF24、裂缝LF69最为宽大陡深，据现场调查及物理力学实验分析，斜坡以此类裂缝为后缘发生失稳变形的可能性较大。全强分化层下伏栖霞茅口组微风化灰岩，其下方为主要由砂质泥岩组成的二叠系梁山组软弱层，力学性质较差。

根据斜坡不同的失稳机制及可能的剪出口位置，将其潜在破坏模式分为以下两种：

(1)震裂-塑流-拉裂破坏

根据工程类比法可知，由于2014年8月3日红石岩B1大型崩塌的剪出口在梁山组岩层中，崩塌体斜向河谷下游方向失稳；2015年9月12日枢纽区溢洪洞出口崩塌为下伏软弱梁山组受力压缩、塑流、差异性风化所致；且2015年10月18日枢纽区溢洪洞进口崩塌同样为下伏软弱的上巧家组上段炭质页岩受力压缩，产生塑流拉裂型崩塌；考虑到王家坡震裂山体的中上部同样发育梁山组软弱层，并且强变形区(Ⅰ区)除走向北东缓倾北西的层面外，主要发育北东向、北西向的两组陡倾结构面，因此推断，王家坡震裂山体强变形区(Ⅰ区)极有可能与上诉三者为近似的失稳破坏模式：震裂-塑流-拉裂破坏，即以地表宽深裂缝为后缘，梁山组软弱层发生受力压缩、塑流变形后，斜坡整体沿梁山组剪出。

(2)震裂-蠕滑-拉裂破坏

野外调查发现，震裂山体强变形区(Ⅰ区)有包谷垴-小河断裂带经过，断层影响带内的全-强风化层岩体格外破碎，节理裂隙非常发育，溶蚀迹象明显，地表破裂带特别发育。强变形区(Ⅰ区)主要受到走向N40°W～N50°W和走向N55°E～N65°E两组地表破裂控制，其延伸长度长，贯入深度深，特别是强变形区左侧边界处、右侧边界处及后缘边界处地表破裂的变形迹象尤为明显，这为斜坡的进一步变形破坏提供了有利条件。结合以上情况分析，王家坡震裂山体潜在失稳破坏模式可能为：震裂-蠕滑-拉裂破坏，即以坡表宽深裂缝为后缘及左右边界，强变形区(Ⅰ区)全-强风化层经蠕滑变形作用，沿强风化层底部界限剪出。斜坡潜在破坏地质模型见图3。

图3 斜坡潜在破坏地质模型Fig.3 The geological mode for potential sliding way of the slope

2 计算参数选取

2.1 全-强风化层物理力学参数

为确定全-强风化层岩土体物理力学参数，需确认坡体全-强分化层物质组成，故将钻孔ZK122深度30～40 m碎粉岩、钻孔ZK124深度30～40 m碎粒岩、钻孔ZK124深度91.64～106.96 m灰色-灰白色碎粉岩、钻孔ZK124钻孔130 m疑似梁山组物质分别进行非定向薄片鉴定。通过薄片分析可知，震裂山体上部的全-强风化层物质组成与下部微-新风化岩体基本一致，由此推断出坡体上部全-强风化岩体为本地灰岩经强烈风化溶蚀而成，并非外来堆积物。采用蜡封法对钻孔中提取的全强风化岩体测定天然容重，并对其进行重塑后，利用碎石土快速剪切等试验测量其物理力学强度，参数取值见表1。

2.2 梁山组软弱层物理力学参数

利用MTS岩石伺服试验机对野外采集的强变形区(Ⅰ区)断层影响带二叠系栖霞茅口组灰岩及二叠系梁山组岩体样本进行三向应力状态下压缩试验，得到三轴应力应变全过程曲线，测定岩石强度特性[18]。岩体物理力学参数取值见表1。

表1 岩土体物理力学参数综合取值

2.3 岩体力学参数综合取值

根据国际规范建议值、类似工程参数取值经验、物理力学试验结果及岩土体组成物质等分析[22]，构建王家坡震裂山体数值仿真模型的参数综合取值见表1。

3 震裂山体三维模型建立

通过有限元软件ANSYS建立震裂山体三维模型，将其前处理结果导入FLAC3D程序进行后处理计算[23-30]，本文分析平面以Ⅳ-Ⅳ剖面为主，数值模型见图4，地质模型剖面见图5。

图5 王家坡地质模型剖面图Fig.5 Wangjiapo geology sketch profile

考虑到研究区地质条件的复杂性，本文建模过程中对地质原型进行简化：从地质模型剖面图5中可以看出，坡体0～8 m为覆盖层，8～40 m为全强风化层，该层岩体的强度主要受构造、溶蚀及卸荷的影响，相对于其它地层强度较低，对王家坡震裂山体稳定性影响较大。同时，包谷垴-小河断裂穿过王家坡震裂山体强变形区(Ⅰ区)，构造强烈，影响范围大，所以在建模过程中考虑断层壁两侧产状。全强风化层之下的地层依次为：二叠系下统茅口组及栖霞组(P1m+q)、二叠系下统梁山组(P1l)、泥盆系中统曲靖组(D2q)、奥陶系中统上巧家组(O2q)、奥陶系下统下巧家组(O1q)、奥陶系下统红石崖组(O1h)。

图4 王家坡震裂山体三维数值模型Fig.4 The numerical simulation model of Wangjiapo seismic slope

结构面选取：断层影响带侧壁及主要层位产状：断层影响带东侧壁产状为N33°W/NE∠80°，西侧壁产状为N40°W/NE∠70°，断层影响带以东的岩层产层为NS/W∠40°，断层影响带以西的岩层产状为N36°S/NW∠20°。

离散模型：利用Surfer软件处理震裂山体高程数据，并在有限元软件ANSYS中生成斜坡几何模型及构造界面，网格划分后保存单元和节点信息，通过自定义接口导入为FLAC3D软件生成三维地质计算模型。整个模型由四面体网格单元组成，为保障计算精度，同时减少畸形单元的数量，故采用Smart Size 方式划分网格，共产生44 820个节点，187 851个单元，模型的网格精度已达到计算要求。

本构模型：采用理想弹塑性岩体材料，屈服准则采用Mohr-Coulomb准则，即：

(1)

ft=σ3-σt

(2)

Nφ=(1+sinφ)/(1-sinφ)

(3)

式中：σ1——最大主应力；

σ3——最小主应力；

C——岩土体粘聚力；

φ——岩土体内摩擦角；

σt——材料的抗拉强度。

当fs=0时，材料将发生剪切破坏；当ft=0时，材料将发生拉伸破坏。

在FLAC3D软件计算过程中，岩体变形参数采用的是体积模量(K)和剪切模量(G)，因此，必须将试验所得岩体弹性模量(E)和泊松比(γ)转化为体积模量和剪切模量，可通过下式进行换算：

(4)

(5)

式中：E——弹性模量；

γ——泊松比。

边界条件：边坡坡面设为自由边界，模型底部(Z=910 m)采用固定约束边界，模型四周设为单向边界。由于边坡坡面构造应力已基本释放，因此在初始条件中不考虑构造应力，仅设置模型自重应力及高程910～2 080 m内由坡体自重应力产生的水平侧压力所构成的初始应力场[31]。

阻尼设置：本模型采用瑞雷阻尼，瑞雷阻尼可有效抑制结构分析和弹性体系分析中系统自振作用，本文选取其中间频率fmid为0.4 Hz计算，瑞雷阻尼计算公式通常表示为：

C=aM+bK

(6)

式中：a——质量阻尼常数；

b——刚度阻尼常数；

M——质量矩阵；

K——刚度矩阵。

4 数值模拟结果分析

鲁甸地区地震频发，对工程运营威胁巨大，同时该雨季降水强度较大，降水时段集中，年降水量约1 100 mm，地震荷载和降水作用是该区域坡体稳定性的重要影响因素之一，故将强震工况和暴雨工况分别设定为分析坡体应力应变特征的主要工况，并与天然状态下进行对比。本文计算选取地震波水平及纵向加速度时程曲线分别见图6、图7。计算结果如下：

图6 地震水平向波加速度时程曲线Fig.6 History curve of seismic wave acceleration in horizontal direction

图7 地震竖向波加速度时程曲线Fig.7 History curve of seismic wave acceleration in vertical direction

图8 山体位移云图Fig.8 Simulated results showing displacement under normal state

4.1 位移场分布

图8为天然、暴雨、地震工况下斜坡位移分布等值线图。由图8可见，天然及暴雨状态下，最大位移均出现在断层影响带中的全强风化层表部：天然状态下，全强风化层表部最大位移为0.06 m，位移量向坡体深部逐渐减小，全强风化层底边界位移量仅为0.01 m；暴雨工况下，坡体发生位移变形范围有所扩大，全强风化层位移量明显增大，最大位移量可达0.28 m，但全强风化层底边界附近位移量已减少至0.08 m；两种情况下，坡体基岩均未发生明显位移。在耦合地震波荷载作用下，坡体上部全强风化层发生较大变形，尤其是断层影响带中全强风化层坡表以下0～30 m部分的最大位移达到0.64 m；由于断层影响带中岩体力学强度与基岩相比较低，在强震作用下断层影响带内位移变形量较天然及暴雨工况下有所增加，且呈现出向断层深部延伸的特征；坡体微风化基岩的位移增长数量级为0.001 m，几乎没有增长，可以认为这是因为断层影响带、全强风化风的存在，竖向波和水平向波及其地质界面的反射波之间发生干涉，使竖向波和水平向波振幅均减小，同时由于微风化基岩的力学强度较高，故受到的岩体损伤较小。

为更加精确表达强震荷载下全强风化层动力响应情况，在全强风化层内部、全强风化层底界面及全强风化层下方的微风化基岩内部共布置7个监测点，监测点布设位置见图9，监测点位移时程曲线见图10。

图9 三维模型监测点布设示意图Fig.9 Deformation monitoring arrangement plan

图10 三维模型监测点位移模拟曲线Fig.10 Simulated curves of monitoring points

结果表明：

(1)位于全强风化层内的监测点1和监测点2位移变化大于其余各点，最大位移分别为0.61 m和0.64 m，全强风化层变形大于斜坡其余部分，且全强风化层前端变形量大于后端；

(2)布设于全强风化层底界面的监测点3、4、5的最大位移量分别为0.51 m、0.53 m、0.50 m，远小于全强风化层内部位移量，其中，底边界右侧监测点4变形量大于左侧监测点5，说明全强风化层右侧变形较左侧大，且变形发展更快；

(3)位于全强风化层下部即断层影响带栖霞茅口组微风化灰岩中的监测点6和监测点7的最大位移量十分相近，为0.02 m左右，远小于全强风化层内部各监测点的位移变形量，由此反映出在强震作用下，斜坡基岩整体未发生明显变形，其临空面的岩体变形量略大于坡体内部岩体。

4.2 应力特征分析

图11 天然及暴雨工况下最大最小主应力云图Fig.11 Simulated results showing main stress

图11为天然工况、暴雨工况、地震工况下王家坡最大主应力、最小主应力分布云图。可以看出，天然状态下，断层影响带全强风化层前端坡表部分及梁山组软弱层坡表处出现一定的应力集中，但未向坡体深部延伸，最大拉应力为0.411 MPa。暴雨工况下，应力集中区范围有所扩大，最大拉应力出现在梁山组软弱层内部，达0.552 MPa。在天然工况基础上施加耦合地震波作用后，坡体应力发生重分布，全强风化层大部分区域出现拉应力集中现象，最大拉应力达1.9 MPa，已超过全强风化岩体力学强度；梁山组软弱层内部应力集中区较天然工况有所扩展，最大拉应力达1.05 MPa，但应力集中区未与坡体上部贯通；坡体上部浅表层局部区域出现应力集中现象。由此表明该震裂山体在天然工况及暴雨工况下整体稳定性均较好，全强风化层前端浅表层具有发生局部溜滑的可能性；在强震工况下，坡体全强风化层上部0～30 m部分发生失稳的可能性极大，梁山组软弱层临空面岩体承受拉剪破坏，但上部坡体沿梁山组软弱层整体剪出的可能性极小。

4.3 剪应变增量分析

图12 三种工况下最大剪应变增量云图Fig.12 Simulated results showing shear strain increment

图13 地震工况下三维模型剪应变增量Fig.13 Simulated models showing shear strain increment under seismic state

通过最大剪应变增量可直观的判断斜坡体薄弱部位，即最易失稳部位。图12～图13为各种工况下斜坡剪应变增量云图，从图中可以看出：天然工况下坡体剪应变增量仅在全强风化层表层部分有所展现，且增量较小；在暴雨工况和强震工况下，坡体最大剪应变增量均集中在全强风化层及梁山组软弱层表层部位，剪应变增量集中区域呈现扩大趋势；拉伸塑性区主要集中在全强风化层后缘，剪切塑性区主要位于全强风化层前缘及梁山组软弱层临空面附近；坡体中部及下部的微风化基岩部分的剪应变增量可忽略不计。由此说明，通过观察天然、暴雨、强震工况下坡体的最大剪应变增量分布情况可以得知，在天然工况下，王家坡震裂山体整体稳定性良好，山体上部的全强风化层基本稳定；暴雨工况下，该震裂山体整体稳定性良好，全强风化层浅表局部存在失稳性较差；地震工况下，山体整体稳定性较好，全强风化层存在局部失稳的可能性，坡体中部梁山组软弱层临空部位稳定性较差，但坡体上部沿梁山组软弱层整体剪出的可能性极小。本文分析震裂山体应力分布、应变增量、位移时程变化的分析结果与坡表监测数据基本一致。

5 结论

本文通过FLAC3D对鲁甸红石岩水电站王家坡震裂山体进行三维数值模拟计算，研究山体在不同工况下的稳定性问题，得到以下结论：

(1)通过地表监测数据和数值模拟分析可知，坡体变形的主要控制性因素为坡表全强风化层及坡体中部梁山组软弱地层的稳定性情况。其中，全强风化层分布在坡表至40 m深度范围左右，基岩以巨厚层灰岩为主，由于包谷垴-小河断裂影响，并受喀斯特效应叠加作用，导致岩体结构十分破碎，地表裂缝非常发育；梁山组地层位于坡体中部，泥质含量较高，物理力学性质较差，岩体软弱，易成为坡体整体失稳的下伏潜在滑动面。

(2)根据斜坡不同的失稳机制及可能的剪出口位置，将其潜在破坏模式分为以下两种：震裂-塑流-拉裂破坏，即以地表宽深裂缝为后缘，梁山组软弱层发生受力压缩、塑流变形后，斜坡整体沿梁山组剪出；震裂-蠕滑-拉裂破坏，即以坡表宽深裂缝为后缘及左右边界，强变形区(Ⅰ区)全-强风化层经蠕滑变形作用，沿强风化层底部界限剪出。

(3)整体稳定性方面：天然、暴雨、及强震工况下，王家坡震裂山体整体稳定性均较好，坡体上部沿坡体中部梁山组软弱岩层整体剪出的可能性较小；局部稳定性方面：天然状态下，坡体局部稳定性较好，但是，在暴雨、强震等极端工况下，坡体最大位移及剪应变增量均集中在全强风化层上部0～30 m处，坡体上部全强风化层发生坡表局部失稳的可能性较大。

(4)根据山体三维模型及二维剖面的位移变形、应力分布、最大剪应变分析结果，确定王家坡不稳定斜坡整体最大变形方向为N7°W，该计算结果与野外现场检测数据较为吻合。

(5)动力稳定性分析结果与实际监测数据较吻合，可为红石岩水电库区建设及王家坡震裂山体边坡治理提供参考依据。

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