反倾岩质滑坡破坏模式及发育机理研究*

姚依凡

(四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065)

0 引言

新近纪以来，地质构造活跃，加之世界人口不断增加、人类工程活动范围逐渐扩大、全球极端天气增多等因素的影响，地质灾害事故数量显著增加[1]。而这些灾害中以滑坡灾害最为严重，造成的经济损失和人员伤亡巨大。反倾岩质滑坡作为一种常见的滑坡类型，因其结构面特点，往往易发生变形破坏。反倾边坡的变形破坏模式很多，按运动方式可分为崩塌类、滑动类、倾倒类、崩塌-滑动类、倾倒-滑动类等[2]。张泽林等[3]以茨哈峡水电站库区反倾岩质边坡为例，认为该类斜坡的变形破坏是岩层在自重应力作用下作悬臂梁弯曲，破坏模式为弯曲-拉裂变形、弯曲-折断破裂、蠕动-拉裂变形、表层滑塌和深部滑坡。左保成等[4]通过模型试验和数值模拟研究了边坡破坏机理，认为其主要变形方式为倾倒变形，破坏模式为倾倒折断破坏，同时表现出明显的“叠合悬臂梁”变形特征。ADHIKARY等[5]通过离心试验发现，层面摩擦角较大时弯曲倾倒破坏是瞬时性的，反之为渐近性的，且20°～25°的摩擦角度是决定其破坏模式的关键。陈孝兵等[6]通过底摩擦试验对澜沧江右岸斜坡进行了模拟，判断该斜坡的倾倒变形以层内错动为主。徐佩华等[7]采用FLAC3D对倾倒变形机制进行了研究，认为坡体的卸荷和卸荷回弹均对弯曲倾倒变形有促进作用。

对反倾岩质边坡变形破坏模式的研究虽已取得了一定进展，但多以经验分析和定性分析为主，定量分析相对较少。本文以怒江流域的格堆村某反倾岩质边坡为例，运用离散元软件UDEC定量分析了其变形破坏的全过程。该成果丰富和完善了反倾岩质边坡变形的破坏模式，为滑坡预测提供了依据。

1 格堆村滑坡概况

格堆村滑坡位于西藏自治区东南部，属青藏高原东南缘的横断山脉典型深切峡谷区，在河流侵蚀下河谷呈“V”型发育。因河谷演化作用，右岸斜坡整体上具有上陡下缓的特征。滑坡顶部高程约2 650 m，底部高程2 200 m，滑坡前后缘高差450 m。

滑坡研究点区域出露岩层主要有石炭系中上统云母片岩、石英岩、少量其他变质岩，以及燕山期侵入石炭系地层的石英闪长岩、二长花岗岩。滑坡对岸山体岩性主要为粗粒花岗岩，而源区岩体主要为富含绢云母的云母石英片岩，岩体片理面间的抗剪切能力较弱，且源区岩体内发育有因深层变形体自重荷载作用产生的压碎剪切带；滑坡陡倾内层状结构，岩体走向为225°～248°，倾角60°～79°，倾向于西南偏西。

2 离散元数值模型及边界条件

离散单元法属于块体理论数值方法，离散块体被允许发生有限的位移和转动(甚至完全脱离)，适用于解决不连续变形及破坏问题[8]。UDEC正是基于离散元开发的二维数值模拟软件，能较好模拟非连续体的运动。

为更好地模拟右岸滑坡倾倒变形破坏的全过程，运用块体切割出滑体中的片理结构。并运用VORONOI多边形生成命令，在完整的岩体中随机生成多边形，用于模拟完整岩体中的缺陷，从而有效模拟完整岩体的剪切和拉裂破坏，且能更加准确地模拟破坏面位置。

2.1 模型的建立

综合考虑滑坡实际情况，建立了数值分析模型(见图1)。以高程1 600 m处作为模型的底边，模型长3 596 m，左侧边界高1 255 m，右侧边界高1 112 m。水平方向为X方向，垂直方向为Y方向。

图1 格堆村滑坡数值模拟几何模型

斜坡岩层陡倾坡内层面产状走向为225°～248°，倾角60°～79°。因滑床的风化程度对滑坡的成因机制的影响可以忽略，故在滑坡计算模型中的节理单元主要考虑滑体陡倾坡内的构造节理以及滑动面，不考虑滑床基岩的结构面。为简化计算模型，减少计算量，对野外调查所得的实际节理间距进行放大。因滑体已发生倾倒破坏，故将滑体内片理倾角设置为50°，间距15 m。同时采用VORONOI随机节理生成命令对其进行填充，从而将滑体离散为多边形块体。节理平均生成边长为25 m，随机节理被赋予与片理相同的物理参数。

2.2 材料参数及边界条件的选取

滑体部分在自重作用下发生变形及运动，滑床部分的变形则可以忽略不计，故将滑体部分视为变形体，未发生明显变形和开裂的滑床部分则视为刚体。模型中所有节理单元均采用库仑滑移模型。模型底部以及左右侧采用速度边界对其进行约束，令其X、Y方向上的速度均为0。

因缺少对滑坡岩体的取样分析，故岩土体和结构面的参数选取主要通过类比其他岩性相似的滑坡[9-10]并经试算得到。将滑床部分视为刚体，故仅需对滑体及结构面赋值。岩体物理力学参数见表1，结构面力学参数见表2。

表1 岩体力学参数

表2 结构面力学参数

2.3 模型监测点的布置

为分析滑坡失稳前的变形情况及特征，分别在滑体中前部、中部、中后部共布置7个监测点，中间1列监测点连成的测线与岩层层面倾角一致，为50°；从坡表至坡内近似均匀地布置3个监测点，监测点的坐标见表3，具体布置见图2。

表3 监测点坐标

图2 监测点布设示意图

3 数值模拟结果分析

取计算至3 000 000时步的模拟过程，对斜坡失稳破坏规律进行分析。由监测点的X方向位移量随时步变化的曲线[见图3(a)]可知：在同一测线上，迭代至1 000 000时步时，此时监测点A3、A4、A5的X方向位移量分别为4.6、4.5、4.3 m；迭代至2 000 000时步时，3个监测点X方向的位移量较上阶段显著增加，此时A3、A4、A5位移量分别为9.1、8.9、8.7 m；迭代至3 000 000时步时，A3、A4、A5位移量分别为14.0、13.8、13.4 m；可以发现在同一测线上，X方向的位移量始终保持由坡外向坡内逐渐减小的规律，且随着变形量的增大，位移量差值也逐渐增大。坡表监测点的位移时步曲线[见图3(b)]显示：迭代至1 000 000时步时，A1、A3、A6的X方向位移量分别为4.4、4.6、4.5 m，中前部位移量较大，中后部位移量相对较小；迭代至2 000 000时步时，监测点A1、A3、A6的位移量较上阶段均有所增加，分别为8.8、9.1、9.0 m，仍然是A3最大、A6次之、A1最小；迭代至3 000 000时步时，监测点A1、A3、A6的位移量分别为13.5、14.0、13.9 m，A3、A6位移量较为相近，逐渐与A1拉开差距；故在变形破坏阶段，坡表中后部X方向的位移量相对中部和中前部较小。

(a)中部测线监测点

变形破坏阶段的位移云图如图4所示。

(a)迭代500 000时步

由图4可知：数值模拟计算迭代至500 000时步时，斜坡中后部在自重作用下开始向临空面弯曲倾倒，除临近滑动面及前后缘处，均产生少量位移，最大位移量为2.8 m；迭代至1 000 000步时，位移量最大值为5.3 m，与上阶段相比，变形产生的位移逐渐向深部扩展，且坡表位移量逐渐增大；迭代至2 000 000时步时，位移云图分区逐渐明显，坡表位移量与深部坡体位移量差值增大，此时位移量最大值为10.7 m，倾倒弯曲变形的特征逐渐显现，后缘区域根部位移量仍为0，说明前缘因倾倒弯曲变形产生少量位移，有沿坡面下滑的趋势；迭代至3 000 000步时，位移量最大值为16.0 m，出现在斜坡体中前部，软弱结构面在持续的倾倒弯曲变形下逐渐被拉裂(见图5)，此时滑体已全部启动，开始沿坡面下滑。下滑至河谷底部，滑坡体受山体阻拦，逐渐停止，最终堆积形态如图6所示。堆积体水平方向长1 380 m，最高点高程为2 205 m，与实际调查情况较为相符，说明模拟结果与实际情况基本一致。

图5 软弱结构面被拉裂

图6 最终堆积形态

综上所述，格堆村滑坡的变形破坏过程可以表述为：第一阶段由于河谷的下切以及风化卸荷作用，岩层在自重作用下，其上下两个层面之间产生力偶，导致斜坡向临空面弯曲倾倒，岩层面之间发生剪切错动，局部岩层面被拉开，形成裂缝；在自重和卸荷的持续作用下，岩层的倾倒弯曲程度逐渐加大，并向深部扩展，岩层层面之间的错动越来越明显，当弯曲累积到一定程度时，倾倒岩体的根部与软弱结构面分离；随着弯曲倾倒破坏的加剧，根部裂缝进一步发展，并逐渐贯通形成剪切滑动面，岩体在自重作用下开始下滑，形成滑坡。

4 结论

利用离散元软件UDEC对格堆村反倾岩质边坡的变形破坏全过程进行了数值模拟，得出以下主要结论：

a.在变形破坏累积过程中，位移量由坡表至坡内呈逐渐减小的趋势，且中后部位移量大于前缘，表现出倾倒弯曲变形的特点，变形累积破坏过程中的最大位移量为16 m。

b.变形破坏过程可分为3个阶段：第一阶段，在自重作用下，斜坡向临空面弯曲，局部岩层面拉裂；第二阶段，弯曲向深部扩展、累积，倾倒岩体根部与软弱结构面分离；第三阶段，根部拉裂缝贯通，坡体开始下滑。

c.格堆村滑坡变形破坏是内外因素共同作用的结果。河谷下切为滑坡的发育提供了临空面，卸荷作用导致坡体岩性变弱，岩体向临空方向发生变形，并为中后部提供变形空间；随后，中部岩层发生弯曲倾倒破坏，后缘坡体沿着陡倾的层面产生拉裂缝；最终在前缘坡体变形破坏的牵引下坡体整体沿由压碎剪切带形成的软弱面下滑，导致滑坡。