兩家人水電站滑石板順層巖質(zhì)邊坡滑坡機(jī)理數(shù)值模擬

王秀菊

摘要：滑坡地質(zhì)災(zāi)害影響因素眾多、機(jī)理復(fù)雜，單純采用地質(zhì)分析缺少依據(jù)?；谠颇鲜〗鹕辰瓋杉胰怂娬咀蟀痘屙槍訋r質(zhì)邊坡在1996年10月28日發(fā)生滑坡的事實(shí)，在大量地質(zhì)勘查基礎(chǔ)上，采用簡(jiǎn)易滑塊對(duì)滑坡機(jī)理進(jìn)行了探討，并利用顆粒離散元數(shù)值模擬方法，建立了滿足滑體與滑面特性的滑坡模型，通過一系列的滑坡數(shù)值模擬試驗(yàn)，探討了滑面摩擦系數(shù)、滑體強(qiáng)度等因素對(duì)滑坡堆積、塊度、滑坡速度的影響規(guī)律，對(duì)比后期的勘查成果對(duì)當(dāng)時(shí)滑坡情況進(jìn)行了反饋分析。該方法可為后續(xù)滑石板邊坡的穩(wěn)定性研究及災(zāi)害預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：滑坡災(zāi)害；滑石板；順層巖質(zhì)邊坡；巖土力學(xué)參數(shù)；顆粒離散元

中圖分類號(hào)：TV7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

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

在巖土工程中，滑坡是一類存在巨大風(fēng)險(xiǎn)的地質(zhì)災(zāi)害。由于大量裂隙、節(jié)理面的存在，導(dǎo)致滑坡過程是巖體破碎、宏觀強(qiáng)度不斷降低的過程，受滑體性質(zhì)、滑面性質(zhì)以及地震、降雨、工程活動(dòng)等外界因素的控制[12]，很難采用確定性參數(shù)和連續(xù)介質(zhì)研究方法來分析[3]。顆粒離散元法是針對(duì)節(jié)理破碎巖體提出的一種能考慮大變形、大位移的離散元法，具有潛在的高效率、不限制實(shí)際發(fā)生的位移量等優(yōu)點(diǎn)[45]，在模擬滑坡變化過程中有重要的應(yīng)用前景，為研究邊坡穩(wěn)定、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)提供了可靠的理論依據(jù)，特別是具有滑坡特征可佐證的邊坡穩(wěn)定問題[6]，其研究結(jié)果更有借鑒意義。

1兩家人滑石板順層巖質(zhì)邊坡

金沙江兩家人水電站位于云南省玉龍雪山與哈巴雪山之間，是我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)之一，滑坡、崩塌、泥石流具有類型多、分布廣、成災(zāi)快、災(zāi)害重、頻率高、治理難的特點(diǎn)[78]。1996年10月28日上午9時(shí)，位于云南金沙江下虎跳峽左岸的大具鄉(xiāng)兩家人村，發(fā)生了高速巖體滑坡，滑體將其下的公路和擋墻沖毀，進(jìn)入金沙江后形成滑坡堰塞湖，水位上漲60余m，2 h后潰壩形成洪水。

金沙江在滑石板邊坡附近流向N40°-45°E，河水面高程1 600 m左右，地形坡度約40°～45°，坡頂高程2 600～3 000 m，坡體巖性為石炭系中厚層狀大理巖化石灰?guī)r、結(jié)晶灰?guī)r夾少量石英片巖及絹云母綠泥片巖，巖層產(chǎn)狀N0°～10°W，NE∠35°～45°，以2 200 m高程為界，呈上緩下陡的趨勢(shì)。受邊坡巖體重力作用的影響，公路（1 875 m）高程以下巖面波狀起伏且不平整，其產(chǎn)狀略陡于公路高程以上的巖層，巖層內(nèi)部層間錯(cuò)動(dòng)面發(fā)育，沿層間錯(cuò)動(dòng)面絹云母、綠泥石等片狀礦物富集。

如圖1（a）所示滑坡后出露層面及圖5滑石板典型地質(zhì)剖面表明：滑石板大理巖化厚層石灰?guī)r呈灰色、淺灰色，厚層狀，單層厚一般為1～2 m，地層總體厚度500余米，巖體完整，穩(wěn)定構(gòu)成了滑坡及其附近高峻的峽谷邊坡。一般厚層灰?guī)r因強(qiáng)度高，巖體結(jié)構(gòu)性好，發(fā)生邊坡失穩(wěn)概率較小。但滑石板滑坡巖體在地質(zhì)作用期，由于后期的熱液順層侵入，在層面上形成了多層厚度不超過1cm的絹云母層，成為巖體內(nèi)的軟弱夾層，該絹云母層大大弱化了巖體強(qiáng)度，使得巖層間黏結(jié)力降低，在風(fēng)化，降雨、卸荷作用下，該層性質(zhì)極易進(jìn)一步劣化，容易發(fā)展為潛在的滑移控制面。野外調(diào)查[9]表明，滑石板正是沿著這一軟弱的絹云母層發(fā)生的。

見圖1（b），滑石板所在邊坡為順向坡，坡度受巖層層面控制，約為42°。坡面走向（NE15°）與巖層走向夾角約0～10°。由于斜向切割，層狀巖體表現(xiàn)為沿邊坡走向梯級(jí)重疊，逐次出露，越向外層，受風(fēng)化作用越明顯。巖體中主要結(jié)構(gòu)面為三組，一組產(chǎn)狀為N0°～10°W，NE∠35°～45°，為層間錯(cuò)動(dòng)帶，是滑坡的底滑面；一組產(chǎn)狀為N80°E，SE∠80°組陡傾角裂隙，是滑坡的側(cè)滑面，另外一組以巖體拉斷面或N10°W組陡傾短小裂隙為后緣脫開面，三組結(jié)構(gòu)面切割構(gòu)成了1996年滑坡的邊界條件。

該滑坡的產(chǎn)生主要原因如下：（1）1 875 m公路施工時(shí)，由于挖腳條件形成臨空面，層狀巖體成為孤立的只靠層面摩擦維持穩(wěn)定的懸掛體，原來總體受力均勻穩(wěn)定的邊界條件由于邊界條件的改變，內(nèi)力調(diào)整，向軟弱的絹云母集中，疊加沿著節(jié)理和層面的風(fēng)化卸荷作用，邊坡表層順層巖體逐漸開裂，在重力作用下，逐漸達(dá)到臨界狀態(tài)；（2）1996年2月3日，云南麗江發(fā)生70級(jí)地震，發(fā)震斷層為玉龍-哈巴斷裂帶，距離滑石板滑坡直線距離僅25 km。在麗江附近誘發(fā)了420處中小型崩塌及20處大中型滑坡。但滑石板在地震后未立即發(fā)生崩滑現(xiàn)象，僅在高程2 300～2 400 m附近產(chǎn)生了大量的拉裂隙，為后期雨水的滲入提供了條件；（3）1996年10月，在滑石板經(jīng)歷了一個(gè)汛期后，由于雨水逐步經(jīng)裂隙滲入，絹云母強(qiáng)度大大降低，使得滑面承載能力逐步喪失，形成滑坡。見圖2，現(xiàn)場(chǎng)在1 875 m高程以上殘留的滑體表面有明顯的擦痕現(xiàn)象（圖2），[JP2]底滑面絹云母層光滑，表明滑石板滑坡為遽發(fā)式的快速滑坡，最終在河谷部位形成約65～70 m厚的堆積物（圖3）。

2滑坡啟動(dòng)簡(jiǎn)易滑塊分析

由于N0°～10°W組結(jié)構(gòu)面傾角很小，滑動(dòng)主要沿著NE∠35°～45°組結(jié)構(gòu)面。為方便分析將滑坡簡(jiǎn)化為沿著絹云母層的平面滑動(dòng)，傾角平均為42°。

如圖3，對(duì)寬L、厚度H的滑塊（圖3）進(jìn)行受力分析，在自重狀態(tài)下滑塊安全系數(shù)可寫為

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

式中：μs為滑面摩擦系數(shù)；cL為滑面黏結(jié)力；m為滑[HJ1.95mm]塊質(zhì)量；L，H為滑塊寬度、厚度；δ為邊坡傾角；g為重力加速度。

令μ′[KG-*4]s=μs+cL/mgcos δ則上式可化為

4滑坡過程分析

4.1滑坡速度分析

[JP2]在滑坡過程中，滑坡體的速度與滑面摩擦系數(shù)密切相關(guān)，同時(shí)也受滑坡體摩擦系數(shù)、黏結(jié)強(qiáng)度的影響。當(dāng)?shù)谆婺軌虮３只w穩(wěn)定時(shí)（滑面摩擦系數(shù)06），滑坡不會(huì)發(fā)生，顆粒的速度時(shí)程隨地面運(yùn)動(dòng)而變化，地面運(yùn)動(dòng)停止后，顆粒運(yùn)動(dòng)很快收斂為零（圖7）。

當(dāng)滑面摩擦力在地震后不能維持塊體平衡時(shí)（滑面摩擦系數(shù)05），滑坡產(chǎn)生，滑坡體以某一加速[CM（22]度開始運(yùn)動(dòng)，速度越來越大。與滑面接觸的顆粒由[CM）]

于在剛性運(yùn)動(dòng)中亦與滑面脫開，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)加速度亦增大。當(dāng)前緣的滑坡體進(jìn)入河谷后，由于巨大的沖擊作用后續(xù)的巖體被阻礙，運(yùn)動(dòng)加速度快速降低，前方堆積體被壓實(shí)，速度逐步衰減為零（圖8）。

因此滑坡并非為等加速度運(yùn)動(dòng)，而是一個(gè)加速度逐步增大，再逐步減少的過程（圖8）。在滑坡體上任選8個(gè)顆粒（各點(diǎn)位置見圖5），統(tǒng)計(jì)不同滑面摩擦系數(shù)下其滑動(dòng)速度峰值變化規(guī)律。結(jié)果如圖9所示，不同的滑面摩擦系數(shù)下顆粒峰值運(yùn)動(dòng)速度近似呈指數(shù)變化（圖9），呈現(xiàn)出摩擦系數(shù)越小，則滑坡速度越快規(guī)律。

現(xiàn)場(chǎng)勘察時(shí)滑石板邊坡1 875 m高程以上有明顯的滑坡擦痕，而公路以下則未見擦痕，表明在公路附近滑坡體快速飛出，而公路以下由于存在坡積層，可導(dǎo)致滑坡速度降低。尤其當(dāng)前緣到達(dá)河谷后，后續(xù)滑體受阻減速，與數(shù)值模擬規(guī)律相吻合。

4.2滑坡堆積

滑石板邊坡在滑動(dòng)時(shí)以整體下滑開始，由于運(yùn)動(dòng)過程中的碰撞作用，巖體中的大量結(jié)構(gòu)面快速破壞，形成散體，在河谷部位形成堆積。定義松散堆積體形成的坡面與水平面的夾角，稱為靜態(tài)休止角，它反映顆粒摩擦力或者顆粒群流動(dòng)性的大小程度，主要受巖體的殘余摩擦系數(shù)影響。如圖10，不同殘余摩擦系數(shù)影響的平衡時(shí)的堆積形態(tài)。不同殘余摩擦系數(shù)下形成的堆積體坡面距離河谷最小垂直距離擬合得指數(shù)關(guān)系式（圖11）表示：

H=12424e-2.0091f[JY]（11）

式中：f為巖體殘余摩擦角；H為河谷最小堆積厚度。滑石板邊坡在1996年10月滑坡后，形成了60～70 m的堰塞湖，據(jù)此反推，巖體殘余摩擦系數(shù)在0286～0362之間。

4.3巖體黏結(jié)強(qiáng)度的影響

在不同黏結(jié)強(qiáng)度下，滑坡過程形成的塊度不同，從而形成了不同的外輪廓。定義巖體顆粒間法向黏結(jié)破壞數(shù)目與總法向黏結(jié)百分?jǐn)?shù)為黏結(jié)破壞率。不同黏結(jié)強(qiáng)度下滑坡堆積如圖12所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：在低黏結(jié)強(qiáng)度下，滑坡啟動(dòng)初期巖體顆粒之間的法向黏聚力快速消失，及黏結(jié)破碎率快速達(dá)到10，而中等強(qiáng)度下滑坡結(jié)束黏結(jié)破碎率為056，強(qiáng)黏結(jié)下滑坡結(jié)束時(shí)黏結(jié)破碎率為036。

但從滑石板邊坡殘余的堆積物看，滑體在堆積后塊度較小，其塊度小于30 m，大部在金沙江的沖擊作用下順流而下。因此可推測(cè)滑石板滑坡屬于低黏結(jié)類型的滑坡。

5滑坡穩(wěn)定性討論

5.1阻尼的影響

巖體介質(zhì)滑坡除了需要考慮黏性阻尼外，還應(yīng)該考慮塊體的滾動(dòng)阻力和地面變形[19]的影響，由于塊體的滾動(dòng)可以導(dǎo)致更大的沖擊，因此滑坡體可以運(yùn)動(dòng)更遠(yuǎn)[20]，這需要設(shè)置較小的時(shí)間步來考慮滾動(dòng)阻尼。但滑石板邊坡屬于遽發(fā)式滑坡，沿著滑面滑動(dòng)占優(yōu)勢(shì)。如果當(dāng)滑坡體強(qiáng)度足夠，在滑坡過程中不同位置的點(diǎn)基本保持相同速度，而當(dāng)巖體強(qiáng)度較低時(shí)，巖體破碎率高，不同塊體之間相互碰撞，可致不同位置速度存在差別。在相同滑動(dòng)系數(shù)下各點(diǎn)速度變化值為均值的20%～30 %，這表明質(zhì)點(diǎn)的滑坡速度約有10%～15 %是受滾動(dòng)阻尼控制的。因此在低黏結(jié)情況下，滑坡體的巖體破碎率可達(dá)100 %，滾動(dòng)阻尼的作用不容忽視，而強(qiáng)黏結(jié)強(qiáng)度下，巖體破碎率低，則滾動(dòng)阻尼的影響可忽略不計(jì)。

5.2滑坡過程中摩擦系數(shù)的變化

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，絹云母干燥時(shí)及濕潤(rùn)時(shí)的內(nèi)摩擦角分別為196°、140°，可以斷定，滑石板邊坡是在滑面摩擦系數(shù)降低自036降低至025過程中引發(fā)的。因此，在滑坡初期是側(cè)滑力與降強(qiáng)后的底滑面摩擦力共同作用，綜合抗滑摩擦系數(shù)在055左右，當(dāng)運(yùn)動(dòng)一段距離后，側(cè)滑力消失，摩擦系數(shù)可降至025，甚至更低。

在諸多滑坡案例中，滑坡體的殘余摩擦角可由滑坡后的堆積體幾何形狀來判斷，滑石板滑坡后在河谷部位的堆積厚度在60～70 m，堆積后緣在高程1 875 m左右，其形成的自然休止角約19°，這表明滑坡體的殘余摩擦系數(shù)在035左右，與數(shù)值計(jì)算反推出的0286～0362接近。

6結(jié)論

基于1996年云南麗江地震后兩家人水電站滑石板順層巖質(zhì)邊坡滑塌地質(zhì)調(diào)查，采用簡(jiǎn)易滑塊分析了其受力特性，探討了其滑坡機(jī)制。通過PFC二維顆粒流方法建立了滑坡災(zāi)害反饋分析模型，通過一系列不同變量控制下的滑坡模擬分析，探索了不同因素與滑坡堆積、塊度的關(guān)系，得到結(jié)論如下。

（1）兩家人滑石板是由地震、降雨聯(lián)合作用下引起的滑坡，其滑坡的規(guī)模受滑面摩擦系數(shù)、滑坡體的力學(xué)性能以及滑坡體地表影響。滑動(dòng)面的摩擦系數(shù)經(jīng)歷了地震下降、降雨下降、滑動(dòng)摩擦下降的過程。在巖體完全破碎并綜合考慮側(cè)滑力基礎(chǔ)上，滑石板以摩擦系數(shù)055啟滑，降雨后約下降01～015，滑動(dòng)一定距離后側(cè)滑阻力消失，滑面摩擦系數(shù)降至025左右，因此其加速度經(jīng)歷從均勻增加到加速增長(zhǎng)的過程。

（2）當(dāng)滑坡體前緣接觸到河谷后，滑坡體再次加速下降，導(dǎo)致約100萬m3巖石碎塊傾覆而下，滑動(dòng)距離約650 m，最終以近20～30 m/s的平均速度沖向河谷，在河谷至1 875 m公路之間形成19°左右自然休止角的散體邊坡，造成60～70 m的水位上升。

（3）根據(jù)滑石板的滑坡機(jī)理，在對(duì)上部殘留坡體進(jìn)行治理時(shí)，應(yīng)以封閉表層裂隙，預(yù)防雨水滲入為主，同時(shí)可在滑面附近設(shè)置一定的阻滑鍵，以提高絹云母層的抗滑力。

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