古水水電站爭崗堆積體滑坡復(fù)活條件分析

姚賀冬，石 崇，徐衛(wèi)亞，邵建富，王盛年

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇南京 210098)

古水水電站位于云南省德欽縣瀾滄江上游，處于高山峽谷地貌中，在庫區(qū)附近，因為山高、坡陡，物理風(fēng)化作用強烈，發(fā)育多個大型堆積體滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象。爭崗堆積體位于水電站壩址下游右岸，目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在降雨及地震條件下曾多次發(fā)生蠕滑。現(xiàn)決定采用接力避讓方案對水利樞紐進行規(guī)劃，所有泄水建筑物均采用長隧洞方式跨越爭崗堆積體，該堆積體一旦滑動將可能堵塞下游泄水建筑物出口，對水電站等工程造成嚴(yán)重的破壞，是水電站潛藏的巨大安全隱患。因此需要分析在何種條件下爭崗堆積體可能發(fā)生滑坡復(fù)活，為防災(zāi)減災(zāi)措施的制定提供參考。

對于滑坡復(fù)活的研究主要集中在降雨和地震2種條件下，宏觀方面有基于降雨閾值的降雨強度I、年平均降水量IMAP和持續(xù)時間D之間的統(tǒng)計分析［1-3］，進而提出時空概率模型［4］及建立預(yù)警系統(tǒng)［5］等;對地震引發(fā)滑坡復(fù)活的研究，側(cè)重采用多種方法建立敏感性評價模型［6-9］等。微觀方面，一些學(xué)者針對具體滑坡進行了地震［10-12］、降雨［13-15］條件下的滑坡復(fù)活機制研究。上述成果雖然均針對特定工況下滑坡的復(fù)活機制進行研究，但對于如何判別不同工況量變條件下滑坡體各部位的變形復(fù)活情況、可能發(fā)生滑動的工況，仍需進一步研究。筆者以云南古水水電站爭崗堆積體典型剖面為研究對象，進行滑坡復(fù)活條件分析，并把得出的結(jié)論與現(xiàn)場勘測結(jié)果進行對比印證。

1 地質(zhì)概況

爭崗堆積體滑坡是由于層狀巖體發(fā)生強烈彎曲傾倒變形并導(dǎo)致壓裂-剪切形成的基巖滑坡，演化過程分為傾倒-剪斷和貫通-滑動2個階段，并在后期改造過程中發(fā)生多次局部滑動。堆積體總體積約為4750萬m3，變形體積為2892萬m3，以爭崗溝為界，分為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)，分區(qū)及地貌如圖1所示。

通過現(xiàn)場勘察和平硐、鉆孔勘探(如圖2所示)，獲得典型地質(zhì)剖面如圖3所示。圖3表明，爭崗堆積體已經(jīng)形成貫通滑面，與滑床巖體有明顯分離，構(gòu)成滑床的基巖為三疊系上統(tǒng)紅坡組(T3hn)的傾倒基巖和二疊系下統(tǒng)吉東龍組(P1j)，且在2500 m高程處發(fā)育I級斷層(F1)紅山-古水?dāng)嗔选?/p>

圖1 爭崗堆積體地貌及分區(qū)Fig.1 Geomorphy and subzones of Zhenggang deposit talus

圖2 平硐勘察堆積體底面區(qū)域Fig.2 Survey of deposit talus bottom zone in adit

圖3 爭崗堆積體典型地質(zhì)剖面Fig.3 Typical geological profile of Zhenggang deposit talus

如圖3所示:(a)爭崗堆積體高程2750 m以上主要分布以第四系冰磧物為主的坡積層(Qdl)和冰水堆積層(Qfgl)。坡積層(Qdl)主要成分為有機質(zhì)土層、灰褐色碎石質(zhì)砂土、粉土含少量塊石;冰水堆積層(Qfgl)主要成分為塊石、碎石夾砂土、粉土，厚度一般7～14 m。(b)高程2180～2750 m為基巖滑動形成的地滑堆積物(Qdel)，主要為山梁上部滑落的巖體，以板巖、砂巖為主，局部可見近水平似層面的灰白～黃褐色條帶，全～強風(fēng)化狀，巖體破碎呈碎塊狀，夾泥現(xiàn)象明顯，結(jié)構(gòu)松散，局部密實，厚度一般15～45 m。(c)剪出口位于高程2180 m處，剪出口以下為坡積層(Qdl)、冰水堆積層(Qfgl)和沖積層(Qal)(其中Qal主要為漂石、卵、礫石夾粉細(xì)砂，厚度較小)。

圖4 典型剖面滑面傾角分布Fig.4 Distribution of dip angle of slip surface

2 地質(zhì)特性分析

2.1 爭崗堆積體滑面傾角分布

選取圖3所示堆積體典型地質(zhì)剖面，統(tǒng)計其滑面高程及傾角分布，繪制分布圖如圖4所示。

圖4表明，根據(jù)滑面傾角變化的緩急，該堆積體滑面可分為前緣和3個平臺區(qū)域:高程2160 m以下為堆積體前緣，滑面平均傾角約為42.8°;高程2 160～2340 m為一級平臺，堆積體滑面平均傾角約為27.3°;高程2375～2680m為二級平臺，堆積體滑面平均傾角約為27.5°;高程2 735～2 840 m為三級平臺，堆積體滑面平均傾角約為26.0°。

在堆積體前緣和3個平臺區(qū)域的交界部分滑面傾角急劇增大，具體在高程2 100～2 160 m處、2 340～2375 m處、2680～2735 m處，并且這些位置的滑面傾角都超過了40°。

2.2 啟滑位置和地表裂隙與滑面傾角的關(guān)系

根據(jù)現(xiàn)場勘察:一、二期滑坡啟滑位置高程約為2746m和2660m，均在二、三級平臺交界部分附近;三期滑坡啟滑位置高程為2516 m，且在高程2550m附近出現(xiàn)了后緣拉裂帶(如圖5(a)所示)，2處均位于2500m高程處發(fā)育的Ⅰ級斷層(F1)紅山-古水?dāng)嗔迅浇?/p>

圖5 爭崗堆積體典型裂隙與變形Fig.5 Typical cracks and deformation of Zhenggang deposit talus

受2008年10月暴雨和2009年2月降雪的影響，PD1704(在高程2416 m處穿過滑面)和PD1705(在高程2318 m處穿過滑面，如圖5(b)所示)滑面部位出現(xiàn)明顯的變形，2處變形均在一、二級平臺交界部分附近。堆積體前緣在高程2 130～2 150 m處也出現(xiàn)密集裂隙，剪出口部位有較大位移，產(chǎn)生了滑塌現(xiàn)象，如圖5(c)所示。這些資料表明，在斷層發(fā)育處和滑面傾角急劇增大處堆積體容易發(fā)生大變形，坡表容易產(chǎn)生裂隙，且影響著各期次滑坡的啟滑位置。

3 滑坡復(fù)活條件分析

3.1 數(shù)值模型的建立

爭崗堆積體發(fā)生的多次局部滑坡均沿滑面滑動，因此在進行數(shù)值模擬中規(guī)定堆積體沿滑面滑動。利用顆粒離散元軟件PFC建立圖3所示地質(zhì)剖面的數(shù)值模型，采用顆粒模擬堆積體，滑面作為邊界，保持邊界固定，使堆積體在外力作用下沿滑面滑動，采用顆粒與邊界之間的摩擦來模擬滑帶土的抗剪作用，做到與實際滑坡相符。

顆粒離散元軟件PFC無法直接賦予宏觀參數(shù)，需要進行一系列雙軸標(biāo)定試驗，通過調(diào)整模型的細(xì)觀參數(shù)，使該模型具有與堆積體相應(yīng)的宏觀參數(shù)，則該細(xì)觀參數(shù)即為模擬時采用的參數(shù)。采用的參數(shù)如下:(a)細(xì)觀參數(shù):顆粒半徑為1～2m，法定剛度為0.86GN/m，切向剛度為0.33GN/m，顆粒摩擦因數(shù)為0.70，法向接觸力為1×107N，切向接觸力為3×106N，顆粒與邊界摩擦系數(shù)為0.4;(b)堆積體宏觀參數(shù):楊氏模量為0.4 GPa，泊松比為0.32，黏聚力為48 kPa，內(nèi)摩擦角為34°;(c)滑帶土宏觀參數(shù):黏聚力為48 kPa，內(nèi)摩擦角為 26.5°。

影響爭崗堆積體穩(wěn)定的因素主要是降雨和地震，在堆積體上分別施加不同的水頭作用力和地震力，模擬分析堆積體在2種條件下的滑坡復(fù)活情況。數(shù)值模擬中，觀察塑性區(qū)出現(xiàn)的位置、裂隙擴展的程度、堆積體滑動情況等，從而分析堆積體復(fù)活情況。歷次滑坡剪出口均有明顯的位移，位移大小與堆積體變形和滑動距離大小相一致:剪出口位移較小，堆積體發(fā)生蠕滑，但能保持穩(wěn)定;剪出口位移較大，則發(fā)生滑坡。因此記錄剪出口的位移，以此反映堆積體位移變化趨勢，定量分析堆積體復(fù)活及滑動情況。

3.2 降雨復(fù)活分析

2009年降雨造成滑坡復(fù)活時，在堆積體后緣至剪出口部位鉆孔水位在1～9 m之間變化，平均水頭為5 m。因此，為了與實際相符，在堆積體剪出口部位施加最大水頭，堆積體后緣施加1 m水頭，中間施加隨高程線性變化水頭。改變最大水頭大小，使平均水頭分別取值為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m和6 m，每種條件下迭代計算10萬步，得到相應(yīng)滑坡體狀態(tài)如圖6所示。

圖6 滑面作用不同水頭時滑坡體狀態(tài)Fig.6 Landslide state under different water pressures on slip surface

圖6(a)表明:當(dāng)滑面上作用的平均水頭為1 m時，堆積體保持穩(wěn)定;平均水頭增至2 m時，雖然會出現(xiàn)少量剪切屈服，但堆積體內(nèi)未出現(xiàn)裂隙，變形可以忽略，堆積體仍能保持穩(wěn)定;平均水頭增大至3 m時，堆積體一級平臺滑面上出現(xiàn)多處剪切屈服，地表開始產(chǎn)生拉裂隙，堆積體將沿著滑面做緩慢的蠕滑。圖6(b)表明:當(dāng)滑面上作用的平均水頭增至4 m時，地表出現(xiàn)多條拉裂隙，剪出口有明顯變形;平均水頭增大至5 m時，三期滑坡體內(nèi)剪切裂隙擴張，地表拉裂隙明顯，將形成三期滑動面;平均水頭增大至6 m時，堆積體的二級平臺上也出現(xiàn)裂隙。2009年強降雨后，三期滑坡體上出現(xiàn)多條拉裂隙，平硐內(nèi)滑面上出現(xiàn)剪切滑動，與模擬中5 m水頭時的滑坡復(fù)活情況相吻合。

圖7 剪出口位移隨滑面平均作用水頭變化趨勢Fig.7 Variation of shear displacement at cavern exit with average water pressure

在剪出口部位設(shè)置監(jiān)測點，統(tǒng)計該處顆粒位移隨平均水頭變化的趨勢，如圖7所示。圖7表明，爭崗堆積體典型剖面在滑面平均作用水頭小于2 m時，剪出口位移很小，堆積體應(yīng)能夠保持穩(wěn)定;當(dāng)平均作用水頭達到3 m時，剪出口位移緩慢增加，堆積體以沿著滑面的蠕滑為主;當(dāng)平均作用水頭超過5 m時，剪出口位移急劇增大，堆積體變形明顯。因此，只要在滑面上施加3 m以上水頭，計算時間足夠長，即可以描述誘發(fā)滑坡的情況，但蠕滑階段時間并不一樣，故滑面平均作用3 m水頭可視為降雨滑坡啟滑的臨界條件。

3.3 地震復(fù)活分析

采用當(dāng)?shù)鼗鶐r反應(yīng)譜設(shè)計參數(shù)構(gòu)造隨機地震，模擬水平向和豎直向振動，按照擬靜力法規(guī)范規(guī)定考慮0.25的地震效應(yīng)系數(shù)，并假定基巖作一致運動，不考慮放大效應(yīng)變化。分別調(diào)整地震波峰值f為0.126g、0.168g、0.3g、0.5g，計算地震作用60s后相應(yīng)滑坡體的狀態(tài)，如圖8所示。

圖8表明，當(dāng)?shù)卣鸩ǚ逯禐?.126g時(當(dāng)?shù)?0年超越概率10%的地震)，在一級平臺和二級平臺的交界附近產(chǎn)生裂隙，堆積體仍能保持穩(wěn)定;地震波峰值增至0.168g時(當(dāng)?shù)?0年超越概率5%的地震)，高程約2380 m處產(chǎn)生貫通拉裂隙，堆積體沿一級平臺滑面產(chǎn)生一定的蠕滑現(xiàn)象，堆積體后緣仍保持穩(wěn)定;地震波峰值增大到0.3g時，一級平臺堆積體將發(fā)生滑坡復(fù)活，三期滑坡形成，剪出口產(chǎn)生大位移，會發(fā)生滑塌現(xiàn)象;地震波峰值為0.5g時，二級平臺的堆積體也產(chǎn)生大量塑性區(qū)，開始發(fā)生滑動。

圖8 作用不同強度地震60 s后滑坡體狀態(tài)Fig.8 Landslide state under different seismic strengths lasting for 60 s

監(jiān)測剪出口部位顆粒位移隨地震強度變化的趨勢如圖9所示。圖9表明，地震波峰值為0.126g與0.168g時，剪出口位移很小，表明堆積體以沿滑帶土的變形為主，堆積體可以保持穩(wěn)定;地震波峰值超過0.3g時，剪出口位移明顯增大，三期滑坡體啟滑;地震波峰值增加到0.5g時，剪出口位移急劇增大，堆積體產(chǎn)生較大滑動。

圖9 剪出口位移隨地震強度變化規(guī)律Fig.9 Variation of shear displacement at cavern exit with seismic strength

4 結(jié) 論

a.對爭崗堆積體典型剖面進行地質(zhì)特性分析，結(jié)果表明，在滑面傾角急劇增大和斷層發(fā)育處附近容易產(chǎn)生裂隙，且影響著各期次滑坡啟滑位置;數(shù)值模擬中，一、二級平臺交界附近容易產(chǎn)生裂隙，前緣則會發(fā)生滑塌。

b.在滑面施加不同壓力水頭，進行滑坡復(fù)活數(shù)值模擬，結(jié)果表明:當(dāng)作用水頭小于2 m時，堆積體變形較小，基本保持穩(wěn)定;作用3 m水頭時堆積體出現(xiàn)蠕滑;作用5 m水頭時將形成三期滑動面，該情況與2009年降雨造成的堆積體滑坡復(fù)活相吻合;作用6 m水頭時二級平臺堆積體也出現(xiàn)裂隙。

c.不同地震力作用下，滑坡復(fù)活模擬分析表明:地震波峰值小于0.126g時，堆積體保持穩(wěn)定;地震波峰值達到0.168g時，產(chǎn)生少量蠕滑;地震波峰值達到0.3g時，一級平臺堆積體將發(fā)生滑動，三期滑坡形成;地震波峰值達到0.5g時，二級平臺堆積體也開始滑動。

［1］DAHAL R K，HASEGAWA S.Representative rainfall thresholds for landslides in the Nepal Himalaya［J］.Geomorphology，2008，100(3):429-443.

［2］SAITO H，NAKAYAMA D，MATSUYAMA H.Relationship between the initiation of a shallow landslide and rainfall intensityduration thresholds in Japan［J］.Geomorphology，2010，118(1):167-175.

［3］ROSI A，SEGONI S，CATANI F，et al.Statistical and environmental analyses for the definition of a regional rainfall threshold system for landslide triggering in Tuscany(Italy)［J］.Journal of Geographical Sciences，2012，22(4):617-629.

［4］JAISWAL P，van WESTEN C J.Estimating temporal probability for landslide initiation along transportation routes based on rainfall thresholds［J］.Geomorphology，2009，112(1):96-105.

［5］TIRANTI D，RABUFFETTI D.Estimation of rainfall thresholds triggering shallow landslides for an operational warning system implementation［J］.Landslides，2010，7(4):471-481.

［6］MELCHIORRE C，MATTEUCCI M，AZZONI A，et al.Artificial neural networks and cluster analysis in landslide susceptibility zonation［J］.Geomorphology，2008，94(3):379-400.

［7］LEE C T，HUANG C C，LEE J F，et al.Statistical approach to earthquake-induced landslide susceptibility［J］.Engineering Geology，2008，100(1):43-58.

［8］YILMAZ I.Landslide susceptibility mapping using frequency ratio，logistic regression，artificial neural networks and their comparison:a case study from Kat landslides(Tokat-Turkey)［J］.Computers ＆ Geosciences，2009，35(6):1125-1138.

［9］ PRADHAN B，LEE S.Delineation of landslide hazard areas on Penang Island，Malaysia，by using frequency ratio，logistic regression，and artificial neural networKmodels［J］.Environmental Earth Sciences，2010，60(5):1037-1054.

［10］黃潤秋.汶川8.0級地震觸發(fā)崩滑災(zāi)害機制及其地質(zhì)力學(xué)模式［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(6):1239-1249.(HUANG Runqiu.Mechanism and geomechanical modes of landslide hazards triggered by Wenchuan 8.0 earthquake［J］.Chinese Journal of RocKMechanics and Engineering，2009，28(6):1239-1249.(in Chinese))

［11］黃潤秋，裴向軍，李天斌.汶川地震觸發(fā)大光包巨型滑坡基本特征及形成機理分析［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2008，16(6):730-741.(HUANG Runqiu，PEI Xiangjun，LI Tianbin.Basic characteristics and formation of the largest scale landslide at Daguangbao occurred during the Wenchuan earthquake［J］.Journal of Engineering Geology，2008，16(6):730-741.(in Chinese))

［12］黃潤秋，裴向軍，張偉鋒，等.再論大光包滑坡特征與形成機制［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2009，17(6):725-736.(HUANG Runqiu，PEI Xiangjun，ZHANG weifeng，et al.Further examination on characteristics and formation mechanism of Daguangbao landslide［J］.Journal of Engineering Geology，2009，17(6):725-736.(in Chinese))

［13］謝守益，徐衛(wèi)亞.降雨誘發(fā)滑坡機制研究［J］.武漢水利電力大學(xué)學(xué)報，1999，32(1):21-23.(XIE Shouyi，XU Weiya.Mechanism of landslide induced by precipitation［J］.Journal of Wuhan University of Hydraulic and Electric Engineering，1999，32(1):21-23.(in Chinese))

［14］吳火珍，馮美果，焦玉勇，等.降雨條件下堆積層滑坡體滑動機制分析［J］.巖土力學(xué)，2010，31(增刊1):324-329.(WU Huozhen，F(xiàn)ENG Meiguo，JIAO Yuyong，et al.Analysis of sliding mechanism of accumulation horizon landslide under rainfall condition［J］.RocKand Soil Mechanics，2010，31(Sup1):324-329.(in Chinese))

［15］張玉，徐衛(wèi)亞，鄒麗芳，等.降雨條件下大型滑坡體滲流穩(wěn)定性分析［J］.巖土力學(xué)，2013，34(3):833-841.(ZHANG Yu，XU Weiya，ZOU Lifang，et al.Analysis of seepage stability of large-scale landslide under rainfall condition［J］.RocKand Soil Mechanics，2013，34(3):833-841.(in Chinese))