反傾巖質(zhì)滑坡破壞模式及發(fā)育機(jī)理研究*

姚依凡

(四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

新近紀(jì)以來(lái)，地質(zhì)構(gòu)造活躍，加之世界人口不斷增加、人類工程活動(dòng)范圍逐漸擴(kuò)大、全球極端天氣增多等因素的影響，地質(zhì)災(zāi)害事故數(shù)量顯著增加[1]。而這些災(zāi)害中以滑坡災(zāi)害最為嚴(yán)重，造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡巨大。反傾巖質(zhì)滑坡作為一種常見(jiàn)的滑坡類型，因其結(jié)構(gòu)面特點(diǎn)，往往易發(fā)生變形破壞。反傾邊坡的變形破壞模式很多，按運(yùn)動(dòng)方式可分為崩塌類、滑動(dòng)類、傾倒類、崩塌-滑動(dòng)類、傾倒-滑動(dòng)類等[2]。張澤林等[3]以茨哈峽水電站庫(kù)區(qū)反傾巖質(zhì)邊坡為例，認(rèn)為該類斜坡的變形破壞是巖層在自重應(yīng)力作用下作懸臂梁彎曲，破壞模式為彎曲-拉裂變形、彎曲-折斷破裂、蠕動(dòng)-拉裂變形、表層滑塌和深部滑坡。左保成等[4]通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了邊坡破壞機(jī)理，認(rèn)為其主要變形方式為傾倒變形，破壞模式為傾倒折斷破壞，同時(shí)表現(xiàn)出明顯的“疊合懸臂梁”變形特征。ADHIKARY等[5]通過(guò)離心試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，層面摩擦角較大時(shí)彎曲傾倒破壞是瞬時(shí)性的，反之為漸近性的，且20°～25°的摩擦角度是決定其破壞模式的關(guān)鍵。陳孝兵等[6]通過(guò)底摩擦試驗(yàn)對(duì)瀾滄江右岸斜坡進(jìn)行了模擬，判斷該斜坡的傾倒變形以層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)為主。徐佩華等[7]采用FLAC3D對(duì)傾倒變形機(jī)制進(jìn)行了研究，認(rèn)為坡體的卸荷和卸荷回彈均對(duì)彎曲傾倒變形有促進(jìn)作用。

對(duì)反傾巖質(zhì)邊坡變形破壞模式的研究雖已取得了一定進(jìn)展，但多以經(jīng)驗(yàn)分析和定性分析為主，定量分析相對(duì)較少。本文以怒江流域的格堆村某反傾巖質(zhì)邊坡為例，運(yùn)用離散元軟件UDEC定量分析了其變形破壞的全過(guò)程。該成果豐富和完善了反傾巖質(zhì)邊坡變形的破壞模式，為滑坡預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。

1 格堆村滑坡概況

格堆村滑坡位于西藏自治區(qū)東南部，屬青藏高原東南緣的橫斷山脈典型深切峽谷區(qū)，在河流侵蝕下河谷呈“V”型發(fā)育。因河谷演化作用，右岸斜坡整體上具有上陡下緩的特征。滑坡頂部高程約2 650 m，底部高程2 200 m，滑坡前后緣高差450 m。

滑坡研究點(diǎn)區(qū)域出露巖層主要有石炭系中上統(tǒng)云母片巖、石英巖、少量其他變質(zhì)巖，以及燕山期侵入石炭系地層的石英閃長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)花崗巖。滑坡對(duì)岸山體巖性主要為粗粒花崗巖，而源區(qū)巖體主要為富含絹云母的云母石英片巖，巖體片理面間的抗剪切能力較弱，且源區(qū)巖體內(nèi)發(fā)育有因深層變形體自重荷載作用產(chǎn)生的壓碎剪切帶；滑坡陡傾內(nèi)層狀結(jié)構(gòu)，巖體走向?yàn)?25°～248°，傾角60°～79°，傾向于西南偏西。

2 離散元數(shù)值模型及邊界條件

離散單元法屬于塊體理論數(shù)值方法，離散塊體被允許發(fā)生有限的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)(甚至完全脫離)，適用于解決不連續(xù)變形及破壞問(wèn)題[8]。UDEC正是基于離散元開(kāi)發(fā)的二維數(shù)值模擬軟件，能較好模擬非連續(xù)體的運(yùn)動(dòng)。

為更好地模擬右岸滑坡傾倒變形破壞的全過(guò)程，運(yùn)用塊體切割出滑體中的片理結(jié)構(gòu)。并運(yùn)用VORONOI多邊形生成命令，在完整的巖體中隨機(jī)生成多邊形，用于模擬完整巖體中的缺陷，從而有效模擬完整巖體的剪切和拉裂破壞，且能更加準(zhǔn)確地模擬破壞面位置。

2.1 模型的建立

綜合考慮滑坡實(shí)際情況，建立了數(shù)值分析模型(見(jiàn)圖1)。以高程1 600 m處作為模型的底邊，模型長(zhǎng)3 596 m，左側(cè)邊界高1 255 m，右側(cè)邊界高1 112 m。水平方向?yàn)閄方向，垂直方向?yàn)閅方向。

圖1 格堆村滑坡數(shù)值模擬幾何模型

斜坡巖層陡傾坡內(nèi)層面產(chǎn)狀走向?yàn)?25°～248°，傾角60°～79°。因滑床的風(fēng)化程度對(duì)滑坡的成因機(jī)制的影響可以忽略，故在滑坡計(jì)算模型中的節(jié)理單元主要考慮滑體陡傾坡內(nèi)的構(gòu)造節(jié)理以及滑動(dòng)面，不考慮滑床基巖的結(jié)構(gòu)面。為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，減少計(jì)算量，對(duì)野外調(diào)查所得的實(shí)際節(jié)理間距進(jìn)行放大。因滑體已發(fā)生傾倒破壞，故將滑體內(nèi)片理傾角設(shè)置為50°，間距15 m。同時(shí)采用VORONOI隨機(jī)節(jié)理生成命令對(duì)其進(jìn)行填充，從而將滑體離散為多邊形塊體。節(jié)理平均生成邊長(zhǎng)為25 m，隨機(jī)節(jié)理被賦予與片理相同的物理參數(shù)。

2.2 材料參數(shù)及邊界條件的選取

滑體部分在自重作用下發(fā)生變形及運(yùn)動(dòng)，滑床部分的變形則可以忽略不計(jì)，故將滑體部分視為變形體，未發(fā)生明顯變形和開(kāi)裂的滑床部分則視為剛體。模型中所有節(jié)理單元均采用庫(kù)侖滑移模型。模型底部以及左右側(cè)采用速度邊界對(duì)其進(jìn)行約束，令其X、Y方向上的速度均為0。

因缺少對(duì)滑坡巖體的取樣分析，故巖土體和結(jié)構(gòu)面的參數(shù)選取主要通過(guò)類比其他巖性相似的滑坡[9-10]并經(jīng)試算得到。將滑床部分視為剛體，故僅需對(duì)滑體及結(jié)構(gòu)面賦值。巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

2.3 模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

為分析滑坡失穩(wěn)前的變形情況及特征，分別在滑體中前部、中部、中后部共布置7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，中間1列監(jiān)測(cè)點(diǎn)連成的測(cè)線與巖層層面傾角一致，為50°；從坡表至坡內(nèi)近似均勻地布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)見(jiàn)表3，具體布置見(jiàn)圖2。

表3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

取計(jì)算至3 000 000時(shí)步的模擬過(guò)程，對(duì)斜坡失穩(wěn)破壞規(guī)律進(jìn)行分析。由監(jiān)測(cè)點(diǎn)的X方向位移量隨時(shí)步變化的曲線[見(jiàn)圖3(a)]可知：在同一測(cè)線上，迭代至1 000 000時(shí)步時(shí)，此時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A3、A4、A5的X方向位移量分別為4.6、4.5、4.3 m；迭代至2 000 000時(shí)步時(shí)，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)X方向的位移量較上階段顯著增加，此時(shí)A3、A4、A5位移量分別為9.1、8.9、8.7 m；迭代至3 000 000時(shí)步時(shí)，A3、A4、A5位移量分別為14.0、13.8、13.4 m；可以發(fā)現(xiàn)在同一測(cè)線上，X方向的位移量始終保持由坡外向坡內(nèi)逐漸減小的規(guī)律，且隨著變形量的增大，位移量差值也逐漸增大。坡表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)步曲線[見(jiàn)圖3(b)]顯示：迭代至1 000 000時(shí)步時(shí)，A1、A3、A6的X方向位移量分別為4.4、4.6、4.5 m，中前部位移量較大，中后部位移量相對(duì)較小；迭代至2 000 000時(shí)步時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A1、A3、A6的位移量較上階段均有所增加，分別為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時(shí)步時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A1、A3、A6的位移量分別為13.5、14.0、13.9 m，A3、A6位移量較為相近，逐漸與A1拉開(kāi)差距；故在變形破壞階段，坡表中后部X方向的位移量相對(duì)中部和中前部較小。

(a)中部測(cè)線監(jiān)測(cè)點(diǎn)

變形破壞階段的位移云圖如圖4所示。

(a)迭代500 000時(shí)步

由圖4可知：數(shù)值模擬計(jì)算迭代至500 000時(shí)步時(shí)，斜坡中后部在自重作用下開(kāi)始向臨空面彎曲傾倒，除臨近滑動(dòng)面及前后緣處，均產(chǎn)生少量位移，最大位移量為2.8 m；迭代至1 000 000步時(shí)，位移量最大值為5.3 m，與上階段相比，變形產(chǎn)生的位移逐漸向深部擴(kuò)展，且坡表位移量逐漸增大；迭代至2 000 000時(shí)步時(shí)，位移云圖分區(qū)逐漸明顯，坡表位移量與深部坡體位移量差值增大，此時(shí)位移量最大值為10.7 m，傾倒彎曲變形的特征逐漸顯現(xiàn)，后緣區(qū)域根部位移量仍為0，說(shuō)明前緣因傾倒彎曲變形產(chǎn)生少量位移，有沿坡面下滑的趨勢(shì)；迭代至3 000 000步時(shí)，位移量最大值為16.0 m，出現(xiàn)在斜坡體中前部，軟弱結(jié)構(gòu)面在持續(xù)的傾倒彎曲變形下逐漸被拉裂(見(jiàn)圖5)，此時(shí)滑體已全部啟動(dòng)，開(kāi)始沿坡面下滑。下滑至河谷底部，滑坡體受山體阻攔，逐漸停止，最終堆積形態(tài)如圖6所示。堆積體水平方向長(zhǎng)1 380 m，最高點(diǎn)高程為2 205 m，與實(shí)際調(diào)查情況較為相符，說(shuō)明模擬結(jié)果與實(shí)際情況基本一致。

圖5 軟弱結(jié)構(gòu)面被拉裂

圖6 最終堆積形態(tài)

綜上所述，格堆村滑坡的變形破壞過(guò)程可以表述為：第一階段由于河谷的下切以及風(fēng)化卸荷作用，巖層在自重作用下，其上下兩個(gè)層面之間產(chǎn)生力偶，導(dǎo)致斜坡向臨空面彎曲傾倒，巖層面之間發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)，局部巖層面被拉開(kāi)，形成裂縫；在自重和卸荷的持續(xù)作用下，巖層的傾倒彎曲程度逐漸加大，并向深部擴(kuò)展，巖層層面之間的錯(cuò)動(dòng)越來(lái)越明顯，當(dāng)彎曲累積到一定程度時(shí)，傾倒巖體的根部與軟弱結(jié)構(gòu)面分離；隨著彎曲傾倒破壞的加劇，根部裂縫進(jìn)一步發(fā)展，并逐漸貫通形成剪切滑動(dòng)面，巖體在自重作用下開(kāi)始下滑，形成滑坡。

4 結(jié)論

利用離散元軟件UDEC對(duì)格堆村反傾巖質(zhì)邊坡的變形破壞全過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出以下主要結(jié)論：

a.在變形破壞累積過(guò)程中，位移量由坡表至坡內(nèi)呈逐漸減小的趨勢(shì)，且中后部位移量大于前緣，表現(xiàn)出傾倒彎曲變形的特點(diǎn)，變形累積破壞過(guò)程中的最大位移量為16 m。

b.變形破壞過(guò)程可分為3個(gè)階段：第一階段，在自重作用下，斜坡向臨空面彎曲，局部巖層面拉裂；第二階段，彎曲向深部擴(kuò)展、累積，傾倒巖體根部與軟弱結(jié)構(gòu)面分離；第三階段，根部拉裂縫貫通，坡體開(kāi)始下滑。

c.格堆村滑坡變形破壞是內(nèi)外因素共同作用的結(jié)果。河谷下切為滑坡的發(fā)育提供了臨空面，卸荷作用導(dǎo)致坡體巖性變?nèi)酰瑤r體向臨空方向發(fā)生變形，并為中后部提供變形空間；隨后，中部巖層發(fā)生彎曲傾倒破壞，后緣坡體沿著陡傾的層面產(chǎn)生拉裂縫；最終在前緣坡體變形破壞的牽引下坡體整體沿由壓碎剪切帶形成的軟弱面下滑，導(dǎo)致滑坡。