某庫岸滑坡的成因機制及穩定性

王 猛，石豫川，唐興君

某庫岸滑坡的成因機制及穩定性

王 猛1，石豫川1，唐興君2

（1．成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059；2．華東勘測設計研究院，杭州 310014）

某庫岸為典型高山峽谷地貌，斜坡在卸荷作用和重力作用下彎曲拉裂，形成規模巨大的滑坡。水庫蓄水后，滑坡可能產生復活，將造成“二道壩”，危及大壩及其它樞紐建筑的安全。結合滑坡區的環境地質條件，滑坡的地質結構特征，分析其形成機制，并在此基礎上建立地質-力學模型，再現滑坡形成過程。最后采用定量計算、數值模擬法計算滑坡安全系數、應力分布狀態等，對滑坡蓄水條件下的變形及穩定性進行研究和預測，從而為滑坡治理工程設計提供依據。

滑坡；彎曲拉裂；成因機制；蓄水；穩定性

水庫庫岸滑坡與一般山地滑坡相比，有其特殊的一面。其特殊性在于它的活動與水庫庫水位的變化、庫水波浪的沖刷及庫水的浸泡有很大的關系［1］。水庫滑坡的穩定性研究對于確保水利水電工程的順利建設及安全運行具有重大意義［2］。某庫岸滑坡體位于雅礱江右岸，屬單斜構造區，岸坡巖層總體上中傾左岸偏上游，巖層坡面走向與巖層走向夾角18°～25°，巖層傾角約60°，與坡面以小角度相交，屬同向順層結構邊坡。由于工程區地質歷史上地殼隆升運動劇烈，伴隨著強烈的構造抬升作用，雅礱江河谷迅速下切，從而導致坡體前緣臨空，后緣卸荷拉裂，形成了目前前陡后緩的滑坡地貌形態。高陡邊坡及軟硬相間的巖性組合造成滑坡在庫水位漲落及地震等外營力作用下易產生失穩破壞。為了確保水電站的安全運營，故有必要對該滑坡的穩定性做出正確的評價。

1 庫岸滑坡概況

1．1 地層巖性

滑坡及周邊地區出露的基巖主要有2組：三疊系上統雜谷腦組（T3Z）及二疊系上統岡達概組（P2g）地層，其中板巖強度相對較低，為軟弱巖層，變質砂巖、大理巖巖質較堅硬，抗風化能力較強，為相對堅硬巖層。

1．2 地質構造

前波斷層（F34）自滑坡體中部斜穿通過，斷層帶寬10～30m，帶內為斷層角礫巖、碎粉巖、碎裂巖夾構造透鏡體巖。斷層產狀N15°－20°W，SW∠50°～70°，傾向坡內，斷層面與巖層層面走向接近一致，為滑坡中后緣提供無約束邊界。

1．3 滑坡體特征

滑坡體位于雅礱江右岸，距壩址約10．70～12．50 km，前后緣高差約800 m，縱向上長約1 210 m，估算面積152．5萬m2，平均厚度47．86 m，其中最大垂直揭露厚度70．10 m，總方量約7 299萬m3，蓄水位以下方量約490．5萬m3，蓄水位以上方量約6 808．5萬m3。

滑坡體整體形狀呈不規則的“m”形展布，上游側的“n”形比下游側高，地形前陡后緩。根據坡體的地貌形態、形成時期（與河谷演化關系）、物質組成的差異可將滑坡體分為A，B1，B2 3個區（如圖1，表1）。

表1 坡體分區特征一覽表Table 1 The characteristics of the landslide geological zonation

2 滑坡成因機制分析［3］

滑坡基巖為軟硬互層地層，巖體易變形。由于受斷裂構造控制，巖體節理裂隙發育，3組優勢結構面的組合在促使巖體破碎的同時，控制著滑坡形成的邊界條件及變形破壞模式，見圖2。其中結構面1為巖層層面，這是控制斜坡變形破壞的主要結構面，尤其是風化軟弱巖層面；結構面2為陡傾節理面，主要起到控制滑坡發育的上下游邊界條件及切割巖體；結構面3為緩傾坡內節理面，與層面共同切割巖體，但不提供底滑邊界。這就決定滑坡具備彎曲拉裂的破壞條件。

圖2 基巖邊坡結構面極點赤平投影圖Fig．2 The stereographic projection of bedrock slope joints

在雅礱江河谷下切的漫長地質歷史過程中，岸坡巖體發生卸荷，巖層結構面1變得陡傾，在重力作用下軟硬相間巖層產生彎折傾倒，并沿著根部結構面3剪切折斷，伴隨著兩側邊界結構面2的貫通，傾倒變形體解體，出現滑動，形成如今的滑坡。前波斷層的產生，使岸坡巖體更加破碎，并給滑坡體提供無約束邊界，其牽引作用也使下盤巖體彎折更加強烈。目前坡體上無明顯變形破壞跡象，滑坡天然狀況下穩定性較好。

3 邊坡穩定性的主要控制因素

庫岸滑坡體的穩定性影響因素根據蓄水條件不同，可分為常規工況下影響因素，主要包括坡體形態、坡體結構、物質組成、地震活動、暴雨降水；蓄水工況下影響因素，主要指庫水作用效應、地震動力效應［4－7］。從野外調查發現，常規工況下滑坡體整體穩定，僅表部有小范圍遛滑，坡體進一步變形破壞，需經過漫長的地質歷史過程（如前緣江河的進一步下切）。針對該庫岸滑坡而言，影響其變形破壞的主控因素為庫水作用效應，由于該區地震烈度不高，且蓄水水頭小，地震動力效應不明顯。

庫水對滑坡穩定性的影響，主要包括強度軟化效應、對坡腳沖刷淘蝕效應、靜水壓力和動水壓力效應等。水庫蓄水后，滑坡巖土體和庫水間發生水巖交互作用，降低其物理力學強度。庫水的靜水壓力作用，對透水的巖土體主要表現為產生浮力，對隔水的巖體表現為產生浮托力和側面靜水壓力。

本文滑坡體為透水的巖土體，故蓄水的靜水壓力作用主要是產生浮力，即懸浮減重效應。庫水的浮力一面降低坡體上的下滑力，另一方面降低坡體上的有效壓力和坡體的抗滑阻力。當抗滑阻力降低較大時，將加速了坡體形狀的改變和累進性破壞向縱深方向發展。在庫水位驟降時，坡體內孔隙水來不及隨庫水位下降而排出，在坡體內形成很高的水頭差，地下水在庫水位升降空間范圍內形成復雜的非穩定滲流局面，產生強大的和動水壓力，加大了地下水滲流方向的滑動力，誘發岸坡變形并可能導致坡體失穩。庫水位下降速度越快，岸坡穩定性下降越大。

4 滑坡體的穩定性評價

4．1 計算模型

本次穩定性計算分析選取縱剖面，剖面分布位置見圖1（分區圖）；根據工程地質分區，對滑坡整體（分區）穩定性進行計算，計算模型見圖3。

4．2 計算參數的確定

工程區50年超越概率10%水平的基巖動峰值加速度為1．136 m／s2。力學強度參數以試驗成果為基礎，參考工程地質類比法，綜合選取穩定性計算參數。滑體土、滑帶土抗剪強度參數取值，見表2。

4．3 整體穩定性計算分析

滑坡的整體穩定性計算包括常規工況和蓄水工況2種，計算方法主要參照規范，采用Morgenstern-Price極限平衡條分法。

表2 滑坡計算模型參數綜合取值表Table 2 Physical-mechanical parameters of the landslide

圖3 滑坡計算模型Fig．3 Numericalmodel of the landslide

（1）常規工況對滑坡體整體（分區）穩定性進行驗算，計算結果見表3。

表3 常規工況下穩定性計算結果表Table 3 Stability coefficients of the landslide under conventional condition

計算結果表明：①天然工況下，A區滑坡穩定性系數在1．2以上，處于穩定狀態；B1區滑坡穩定性系數在1．10～1．15之間，處于基本穩定狀態。②暴雨導致滑坡體穩定性有所下降，分別下降0．116（A區）～0．038（B1區），但均處于基本穩定狀態。③地震對滑坡穩定性影響程度不一，其中A區穩定性系數K＝1．090，相對天然工況下有所降低，處于基本穩定狀態；B1區穩定性系數下降幅度為7．11%，穩定性系數K＝1．054，處于基本穩定臨界狀態。

（2）蓄水工況下高孔隙水壓力是導致滑坡產生的內動力［8］。現場調研表明，滑坡體在正常的工況下不存在產生和保持高孔隙水壓力的水位地質條件，但水庫蓄水改變了滑坡體地下水的賦存條件，導致地下水位升高，同時在庫水位驟升驟降的過程中，地下水將產生較高的水力梯度，對滑坡的穩定性產生影響。A區未受蓄水影響，不利工況組合主要以B1區滑坡體為研究對象，計算結果見表4。

表4 蓄水工況穩定性計算結果表Table 4 Stability coefficients of the landslide under reservoir storage

計算結果表明：①B1區蓄水導致滑坡體穩定性系數略微提高；考慮不利工況的組合，蓄水＋暴雨工況，滑坡穩定性相對降低，B1區穩定性系數K＝1．176，處于穩定狀態。②按最不利工況考慮，蓄水＋地震工況下，B1區滑坡穩定性系數相對常規地震工況有所升高，K＝1．10，處于基本穩定狀態。③孔隙水壓力效應（以該處水位H w與滑體厚度H之比H w／H表示）分析結果表明，從安全角度考慮，水位降落的過程孔隙水壓力未消散，在這過程中，滑坡穩定性降低0．143（B1區），B1區穩定性系數仍大于1．05，但趨于基本穩定臨界狀態。

綜上所述，滑坡體在天然情況下，穩定性系數K＝1．144（B1區），此時坡體內地下水位線大部分位于基覆界面之下，坡體飽水程度僅1／4，滑坡穩定性很好，能保持長時期的整體穩定性。水庫蓄水后，懸浮減重效應降低坡體的下滑力幅度大于其抗滑阻力的下降幅度，蓄水后滑坡穩定性略有增加，前者影響起主導作用；水位驟降，使坡體內產生較高的水位差，形成滲流作用，產生滲流力，坡體穩定性下降幅度較大。但總的來說，由于各工況下坡體穩定性都大于1．05（如圖4），坡體至少處于基本穩定狀態，水庫蓄水情況下，滑坡體短期內不會破壞失穩。

圖4 水庫蓄水對滑坡穩定性的影響Fig．4 Effects of reservoir working on the stability of landslide

5 蓄水工況下坡體變形破壞預測

極限平衡分析法表明蓄水工況下滑坡體A和B1區處于基本穩定狀態，整體穩定，局部存在失穩可能，圖5為其屈服區數值模擬圖［9］。

圖5 蓄水下坡體屈服區Fig．5 The yield area of the landslide during the reservoir operation

從圖上可以看出，A區后緣拉應力集中易產生拉裂縫及后緣下挫，中部表層存在局部的拉剪應力集中，易產生小范圍垮塌。B1區的后緣（即A區的前緣）拉剪應力集中，為最不利區域，單元多屈服，B1區表部應力集中不明顯，底滑面剪應力集中程度較高，但目前屈服區沒貫通。

蓄水對滑坡穩定性影響是一個動態的長久過程［7］。隨著庫水對坡體前緣的沖刷、淘蝕，坡體內強度參數進一步軟化，B1區底滑面屈服單元將增多，可能導致剪切面貫通。一旦B1區變形破壞，A區將失去前緣的阻擋，穩定性也隨著降低。

建議蓄水期間在B1區后緣及中部布置位移監測點，后緣監測點可以最先捕捉到坡體的變形破壞跡象，而中部監測點產生位移，則說明坡體可能發生了整體變形破壞。

6 結 論

（1）庫岸滑坡體規模巨大，體積高達數千萬方以上，具多期次、復合型特征，即共經歷了多期滑動破壞才塑造成目前的堆積形態，滑坡體上無明顯變形破壞跡象，滑坡天然狀況下穩定性較好。

（2）滑坡受軟硬相間的地層、高陡岸坡、結構面不利組合等影響以彎曲拉裂形式破壞；蓄水條件的庫水作用效應導致滑坡的穩定性產生一定惡化。

（3）由穩定性計算結果可知：常規工況下，坡體處于基本穩定狀態，可保持長期穩定；蓄水條件下，表現為水位上升至穩定時，坡體穩定性略有增加，隨著坡體水位的回落，穩定性也開始降低，尤其水位驟降時，穩定性下降幅度大，但坡體仍可保持基本穩定。

（4）數值模擬表明：B1區的后緣（即A區的前緣）拉剪應力集中，為最不利區域，單元多屈服，B1區底滑面剪應力集中程度較高。由于蓄水對滑坡穩定性影響是一動態的長久過程，建議蓄水期間在這些單元屈服較大部位，布置一定變形監控量。

［1］ 鐘立勛．意大利瓦依昂水庫滑坡事件的啟示［J］．中國地質災害與防治學報，1994，5（2）：77－84．（ZHONG Li-xun．Enlightenments from the Accident of Vaiont Landslide in Italy［J］．The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，1994，5（2）：77－84．（in Chinese））

［2］ 徐湘濤，汪家林，黃潤秋．紫坪鋪水利樞紐工程左岸壩前堆積體變形破壞機制研究［J］．巖石力學與工程學報，2008，27（增1）：2642－2650．（XU Xiang-tao，WANG Jia-lin，HUANG Run-qiu．Research on Deforma-tion and Failure Mechanism of the Talus Slope Located at Left Riverbank Ahead of the Dam of Zipingpu Hydraulic Project［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and En-gineering，2008，27（Sup．1）：2642－2650．（in Chi-nese））

［3］ 張悼元，王士天，王蘭生．工程地質分析原理（第二版）［M］．北京：地質出版社，1994．（ZHANG Zhuo-yuan，Wang Shi-tian，WANG Lan-sheng．Engineering Geological Analysis Principle［M］．Beijing：Geological Publishing House，1994．（in Chinese））

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［9］ 黃潤秋．邊坡治理工程的數值模擬研究［J］．地質災害與環境保護，1996，7（1）：69－76．（HUANG Run-qiu．Numerical Simulation of Reinforcement Works of Rock Slopes［J］．Journal ofGeological Hazards and Envi-ronment Preservation，1996，7（1）：69－76．（in Chi- nese） ）

（編輯：趙衛兵）

A Case Study of the M echanism and Stability of Reservoir Bank Landslide

WANG Meng1，SHIYu-chuan1，TANG Xing-jun2
（1．State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；2．East China Survey and Design Institute，Hangzhou 310014，China）

As the geomorphology of the studied reservoir bank presents typicalmountainous and canyon characteris-tics，bending and ripping deformation of its slope occurs due to unloading and gravity，thus give rise to large scale landslide．The landslidemay reactivate after impoundment of the reservior，hence may endanger the safety of the dam and other structures．Based on the environmental geological condition and the geological structure characteris-tics of the landslide，a geomechanicsmodel has been established to simulate the forming process of the landslide．Finally，quantitative calculation method and numerical simulationmethod are used to compute landslide safety fac-tor and stress distribution，etc．so as to further study and forecast the deformation and stability under impoundment，and provide basis for engineering design of the treatment．

landslide，bending and ripping deformation，the formation mechanism，impoundment；stability

X43；P642

A

1001－5485（2011）04－0041－04

2010-05-20

王 猛（1984-），男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要從事巖土體穩定性及工程環境效應方面的研究，（電話）15928734117（電子信箱）lantian＿g＠163．com。