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    西南某水電站庫(kù)區(qū)古滑坡堵江成因及變形破壞機(jī)理研究

    2016-06-24 02:20:41任光明吳龍科韋振新

    陳 超,任光明,吳龍科,韋振新,魯 博

    (1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059;2.中國(guó)電建集團(tuán) 西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

    西南某水電站庫(kù)區(qū)古滑坡堵江成因及變形破壞機(jī)理研究

    陳超1,任光明1,吳龍科1,韋振新2,魯博2

    (1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都610059;2.中國(guó)電建集團(tuán) 西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安710065)

    摘要:通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,結(jié)合邊坡的地形地貌、坡體結(jié)構(gòu)、變形破壞和江岸紋泥沉積特征,分析認(rèn)為滑坡在變形破壞后高速下滑,撞擊對(duì)岸山體并堰塞堵江,在經(jīng)歷長(zhǎng)期的河湖相沉積后逐漸溢流潰決,部分滑體分別殘留于左、右岸山坡上。根據(jù)恢復(fù)的原始地形,通過(guò)剛體極限平衡分析可知滑坡為地震誘發(fā),為了進(jìn)一步研究滑坡堵江成因和變形破壞機(jī)理,運(yùn)用離散元數(shù)值軟件進(jìn)行模擬分析。研究表明:天然狀態(tài)下坡體淺表部沿層面和緩傾坡外優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生卸荷拉裂,地震作用使坡體內(nèi)部層面拉裂并沿緩傾坡外優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面剪斷破壞,其破壞堵江過(guò)程可概括為:前緣剪切變形、后緣震動(dòng)拉裂→滑面貫通、高速下滑→鏟刮河床、刨蝕對(duì)岸山體→前緣受阻隆起、后緣坐落下滑、中部堰塞堵江→震后停積自穩(wěn),坡體具有明顯的動(dòng)力放大效應(yīng)。

    關(guān)鍵詞:古滑坡;變形破壞機(jī)理;堵江特征;離散元數(shù)值模擬;放大系數(shù)

    1研究背景

    本文所研究的滑坡位于四川省某擬建水庫(kù)庫(kù)區(qū)金沙江左岸,滑坡以東約3.5km處為巴塘斷裂,曾在1870年發(fā)生過(guò)7級(jí)地震。從現(xiàn)今右岸的地形地貌特征和江岸沉積相[1-2]分析可知,滑坡在變形破壞后發(fā)生過(guò)堵江,并在后期潰決。

    由于滑坡發(fā)生年代久遠(yuǎn)[3-6],本文從地形地貌特征、坡體結(jié)構(gòu)特征及堵江特征出發(fā),結(jié)合剛體極限平衡法進(jìn)行滑坡各工況穩(wěn)定性分析,再運(yùn)用離散元數(shù)值方法,對(duì)該古滑坡的變形破壞機(jī)理進(jìn)行模擬分析。數(shù)值模擬結(jié)果較好地呈現(xiàn)出滑坡體從變形累積到破壞堵江的全過(guò)程[7-10],并與地質(zhì)分析結(jié)果吻合較好。

    2滑坡概況

    2.1坡體結(jié)構(gòu)特征

    岸坡巖性為二迭系下統(tǒng)薄層—中厚層狀灰黑色黑云母石英片巖,層面產(chǎn)狀為NE4°/NW∠84°,優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面發(fā)育有3組(圖1):①NW357°/SW∠21°緩傾坡外,尤為發(fā)育;②NW324°/NE∠48°中傾上游坡內(nèi);③NE46°/NW∠59°中傾上游坡外。

    圖1 滑坡堆積體分布Fig.1 Distribution of the sliding mass

    2.2滑坡形態(tài)特征

    據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,滑坡剪出口為江面,高程為2 540m,滑坡壩被江水沖斷后,滑體分別堆積于左、右兩岸岸坡上(圖1),其滑坡形態(tài)特征如下。

    (1) 左岸滑坡堆積體平面形態(tài)呈弓形,平均長(zhǎng)度約340m,滑體平均厚度約32m,受到江水掏蝕形成3~5m高的陡坎,巖體具有似層狀結(jié)構(gòu)。陡坎上堆積體垮塌形成40°~55°陡坡,坡高約140m;坡頂滑坡堆積體后緣為一寬緩平臺(tái),寬80~160m;平臺(tái)以上滑坡后緣滑壁明顯,坡度30°~35°,壁高120m左右;滑坡壁以上坡體較緩,坡度20°~30°?;律舷掠芜吔缇谢吕褱希哂械湫偷碾p溝同源現(xiàn)象。

    (2) 右岸岸坡較緩,坡度25°~35°,岸坡上遺留有滑坡壩潰決后殘留的滑坡堆積體。岸坡前緣為一弧形凹岸,坡度15°~30°,與滑坡后緣壁形狀相似、形態(tài)相對(duì)?;⌒伟及俄敳坑幸恍∑脚_(tái),殘留有零星滑坡堆積體,上游端為后期人工改造形成的二級(jí)滑坡體堆積平臺(tái),坡度約55°,低平臺(tái)頂面高程為2 602m,寬約70m,高平臺(tái)頂面高程為2 617m,寬約90m,平面形態(tài)呈近橢圓形。

    2.3滑坡堵江特征

    2.3.1地形地貌特征

    (1) 右岸堆積平臺(tái)塊碎石巖性為灰黑色黑云母石英片巖,與左岸相同而與右岸堆積平臺(tái)下游沖溝剖面的巖體類型不同(圖2),且高平臺(tái)頂部高程與左岸滑坡堆積體高程一致,說(shuō)明該平臺(tái)堆積體來(lái)源于左岸滑坡體。

    圖2 坡體巖性對(duì)比Fig.2 Comparison of lithology between the left bank slope and right bank slope

    (2) 右岸坡腳處有一弧形凹岸,坡度前緣較平緩,后緣相對(duì)稍陡,彎曲弧度與滑坡后壁非常接近且形態(tài)相對(duì),凹岸岸坡上巖體碎裂,不見(jiàn)大塊石和基巖出露,且凹岸坡頂有零星滑坡堆積體。

    從以上地形地貌分析,滑坡在啟動(dòng)后,高速下滑并沖過(guò)河床,撞擊并刨蝕右岸岸坡,形成弧形凹岸,前緣滑體堆積于右岸岸坡上,形成橫河向長(zhǎng)約470m堰塞壩。后期經(jīng)江水不斷掏蝕,江水溢流,滑坡壩潰決,并在江水長(zhǎng)期沖刷搬運(yùn)作用下,松散滑坡堆積體不斷被沖走,僅在河漫灘上留下了粒徑較大的零星漂石。

    2.3.2沉積相特征

    滑坡上游江岸保留有完整的堰塞湖相紋泥沉積層,沉積層分為上、下2層,其中:①下層以淺黃、深黃色粉砂質(zhì)黏土為主,水平層理非常發(fā)育,層理顏色有深、淺變化的韻律,韻律層厚1~5cm。該層為滑坡堵江后、堰塞湖湖水穩(wěn)定時(shí)期的沉積層,前緣反翹,為江水回水所致。②上層以淺黃色粉砂為主,厚3~5m,層理不明顯,前緣覆蓋于滑坡堆積體上。該層為潰壩前期沉積層,滑坡壩可能出現(xiàn)了溢流或小的涌流,湖水面不太平靜。

    3滑坡穩(wěn)定性剛體極限平衡分析

    3.1滑面概化與參數(shù)選取

    結(jié)合滑坡上下游坡體地形特征,對(duì)滑坡破壞前原始地形進(jìn)行復(fù)原,并根據(jù)滑坡后壁、前緣剪出口形態(tài)特征和鉆孔資料推測(cè)滑面形態(tài),如圖3所示。

    圖3 滑坡前、后地形與地質(zhì)剖面Fig.3 Topographic lines before and after landslide and its geologic profile

    根據(jù)坡體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征,將滑面概化為層面和優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)組①(圖1)組合形成的折線形滑面[11],如圖4所示。

    圖4 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算模型Fig.4 Model of landslidestability calculation

    通過(guò)野外試驗(yàn),測(cè)得滑體碎石土天然重度為23.8kN/m3,飽和重度為24.5kN/m3;再根據(jù)巖土體試驗(yàn)、工程地質(zhì)類比法和反演分析綜合考慮,滑坡在穩(wěn)定性計(jì)算和數(shù)值模擬中的參數(shù)取值見(jiàn)表1和表2。

    表1 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

    表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

    3.2剛體極限平衡分析

    根據(jù)恢復(fù)的原始地形和概化的滑面特征,采用剛體極限平衡分析法對(duì)原始滑坡體分別進(jìn)行天然、暴雨和地震工況[12-13]下的穩(wěn)定性計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表3。其中考慮滑坡變形破壞時(shí)所受地震強(qiáng)度為7度[14],根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010),水平和豎直地震加速度分別取0.15 g和0.05 g。

    表3 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

    穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明:該滑坡在天然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài);暴雨?duì)顟B(tài)下處于基本穩(wěn)定狀態(tài);地震誘發(fā)滑坡形成,且在水平地震加速度作用下,滑體可能具有一定的初始加速度。

    4滑坡變形破壞離散元數(shù)值模擬

    4.1離散元模型建立

    根據(jù)恢復(fù)后的原始地形,建立離散元計(jì)算模型。計(jì)算中對(duì)模型進(jìn)行概化(圖5),將材料主要分為強(qiáng)風(fēng)化巖體、弱風(fēng)化巖體和微新巖體3種,及近直立層面(NE4°/NW∠84°)和緩傾坡外優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)組①(NW357°/SW∠21°)2組控制邊坡變形的結(jié)構(gòu)面,計(jì)算參數(shù)取值見(jiàn)表1和表2。

    圖5 滑坡離散元計(jì)算模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布Fig.5 Discrete element model of landslide anddistribution of monitoring points

    在動(dòng)力分析中,為了防止計(jì)算模型的區(qū)域邊界可能造成外傳波的反射,本次模擬中在模型四周生成了自由場(chǎng)邊界,模型底部使用黏滯邊界,地震動(dòng)力荷載加載底部邊界上,同時(shí)在坡體中設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖5),監(jiān)測(cè)坡體中加速度、速度的變化情況。

    4.2地震動(dòng)力條件的輸入

    據(jù)門(mén)玉明等[15]、李磊等[16]和黃詩(shī)淵[17]的研究,水平地震力對(duì)層狀巖質(zhì)邊坡造成的危害是主要的,故本次數(shù)值模擬僅考慮水平方向的動(dòng)力荷載對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響。綜合考慮各種因素,本次計(jì)算模型底部輸入的動(dòng)力荷載采用5·12地震時(shí)文縣臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)到的7度烈度水平地震波,地震的加速度時(shí)程曲線如圖6所示。

    圖6 施加在模型底部的加速度時(shí)程曲線Fig.6 Time-history curves of horizontal velocities input in numerical model

    4.3離散元數(shù)值模擬結(jié)果分析

    4.3.1自重作用下邊坡數(shù)值模擬結(jié)果分析

    坡體在自重作用下卸荷回彈,沿緩傾坡外優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生向臨空方向的蠕滑變形,并沿坡體淺表部近直立層面產(chǎn)生微小拉裂變形(圖7(a)),整體變形量小,其中最大位移量為1.3cm(圖7(b)),邊坡整體穩(wěn)定。

    圖7 自重條件下邊坡數(shù)值模擬結(jié)果Fig.7 Numerical simulation result of slopeunder gravity

    4.3.2地震作用下邊坡數(shù)值模擬結(jié)果分析

    根據(jù)地震條件下離散元數(shù)值計(jì)算結(jié)果(圖8和圖9),結(jié)合巖體變形破壞特點(diǎn),將滑坡的動(dòng)力變形破壞過(guò)程分為以下幾個(gè)階段。

    (1) 前緣剪切變形、后緣震動(dòng)拉裂(圖8(a)):由于坡肩地形凸起,動(dòng)力放大效應(yīng)明顯,在地震動(dòng)力條件下,坡肩產(chǎn)生較大的地震加速度使后緣首先發(fā)生拉裂,并伴隨有小的巖塊彈出,拉裂縫不斷向坡體內(nèi)部延伸,坡腳因剪應(yīng)力集中導(dǎo)致坡體沿坡腳剪出。

    (2) 滑面貫通、高速下滑(圖8(b)):隨地震動(dòng)力的連續(xù)輸入,動(dòng)力累積效應(yīng)使坡體內(nèi)部緩傾坡外優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面不斷拉剪破裂,破裂面與卸荷張開(kāi)的層面交切組合形成滑坡控制性底滑面,并與后緣拉裂縫和前緣剪切面相接,形成貫通滑面,滑體在自身重力和地震水平動(dòng)力作用下沿貫通滑面高速下滑。

    (3) 鏟刮河床、刨蝕對(duì)岸山體(圖8(c)):高速下滑的滑體在穿越河床時(shí),滑體底部與河床相互摩擦并對(duì)其進(jìn)行鏟刮;前緣滑體越過(guò)河床高速撞擊對(duì)岸山體并刨蝕坡體表部松散巖土體,滑體碎裂解體。

    (4) 前緣受阻隆起、后緣坐落下滑、中部堰塞堵江(圖8(d)):前緣滑體越過(guò)河床后水平方向的運(yùn)動(dòng)受到對(duì)岸山體阻礙,于是在較大的加速度下順著坡體逆沖上爬,致使滑體前緣隆起;對(duì)岸山體的阻礙使滑體整體速度突減,后緣滑體在保持原有速度下與減速滑體產(chǎn)生擠壓變形,并向坡外滑移,后緣坐落;中部滑體充填河道,堰塞堵江。

    (5) 震后停積自穩(wěn)(圖8(e)):隨著地震動(dòng)力的不斷減弱和滑體動(dòng)能的不斷消散,滑體速度不斷減小,不穩(wěn)定塊體在地震左右搖擺的“篩平效應(yīng)”作用下塌落穩(wěn)定。由于滑坡為整體滑落,滑體停積穩(wěn)定后局部仍保留有似層狀結(jié)構(gòu),滑體最大位移為561.5m(圖9)。

    圖8 地震作用下不同時(shí)段模型單元運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.8 Movement states of deformation elements atdifferent running time of numerical model underseismic loading

    圖9 計(jì)算結(jié)束時(shí)模型單元位移矢量Fig.9 Displacement vectors of numerical modelunder seismic loading at the end of calculation

    (6) 地震結(jié)束滑體自穩(wěn)后形成高約80m,長(zhǎng)約450m堰塞壩,由于壩體受震動(dòng)壓密,穩(wěn)定性相對(duì)較好,在經(jīng)歷過(guò)長(zhǎng)期堰塞湖相沉積后溢流潰壩,江水不斷掏蝕至古河床,形成現(xiàn)今的左岸陡坎和右岸弧形凹槽河床與殘余滑坡堆積體地貌。

    在地震動(dòng)力的輸入過(guò)程中,坡體內(nèi)部隨高程的增加,水平速度放大系數(shù)、水平加速度放大系數(shù)不斷增加(表4),且同一高度上坡表A3比坡體內(nèi)部C1大,這種明顯的地形動(dòng)力放大效應(yīng)解釋了坡肩后緣位置首先出現(xiàn)拉裂變形和破壞隨高程的增加顯著增加這一現(xiàn)象。上部不穩(wěn)定滑體水平速度、水平加速度放大系數(shù)相比下部較穩(wěn)定坡體要高得多,這表明滑坡啟動(dòng)時(shí)具有較大的加速度。

    表4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度放大系數(shù)和加速度放大系數(shù)

    注:H為A2監(jiān)測(cè)點(diǎn)距模型底部高度,h為對(duì)應(yīng)各點(diǎn)距模型底部高度。

    5結(jié)論

    (1) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探平硐調(diào)查,岸坡巖體中近直立傾坡外層面和一組緩傾坡外的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面非常發(fā)育,其相互交切組合形成滑坡的控制性結(jié)構(gòu)面。

    (2) 滑坡在變形破壞后堰塞堵江,并在江水掏蝕作用下逐漸溢流潰壩,現(xiàn)今留下了許多地形地貌和堰塞湖沉積的堵江證據(jù)。

    (3) 還原滑坡原始地形,采用剛體極限平衡分析法計(jì)算得到:天然和暴雨情況下滑坡分別處于穩(wěn)定和基本穩(wěn)定狀態(tài),地震是導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)的因素。

    (4) 通過(guò)離散元數(shù)值模擬分析,滑坡變形破壞過(guò)程為:前緣剪切變形、后緣震動(dòng)拉裂→滑面貫通、高速下滑→鏟刮河床、刨蝕對(duì)岸山體→前緣阻化隆起、后緣坐落下滑、中部堰塞堵江→震后停積自穩(wěn),坡體具有明顯的動(dòng)力放大效應(yīng)。

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    (編輯:黃玲)

    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

    基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41072229)

    作者簡(jiǎn)介:陳超(1990-),男,四川冕寧人,碩士研究生,研究方向?yàn)閹r土工程,(電話)15882138336(電子信箱)chenchao020223@163.com。

    doi:10.11988/ckyyb.20150306

    中圖分類號(hào):P642.2

    文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

    文章編號(hào):1001-5485(2016)06-0094-05

    2016,33(06):94-98

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