库水位变化时陡倾软弱顺层岩质滑坡变形机制.pdf

第 卷第期成都理工大学学报（自然科学版）年月 （）：文章编号 （）收稿日期 。基金项目四川省科技计划项目（）；地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室自主课题（）。第一作者张琪（），女，硕士研究生，研究方向：边坡稳定性，：。通信作者巨能攀（），男，博士，教授，研究方向：边坡稳定性及其监测预警，：。库水位变化时陡倾软弱顺层岩质滑坡变形机制张琪，巨能攀，张成强，张建军，柯虎，刘恒（地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），成都 ；国能大渡河流域水电开发有限公司，成都 ）摘要研究库水位动态变化时陡倾软弱顺层岩质滑坡的变形机制，为库岸滑坡防治及库水调度提供帮助。以四川省大渡河某水电站开顶滑坡为例，通过野外调查资料、库水位及地面监测数据综合分析，研究滑坡结构及变形破坏特征；建立二维地质模型，利用离散元模拟蓄水前后陡倾顺层岩质滑坡变形响应过程，结合有限元进一步分析库水作用下岸坡稳定性变化规律。研究结果表明，岸坡特殊的地质构造和岩性是控制滑坡产生的主要因素，水库蓄水诱发了滑坡的变形，库水位变化进一步加速了变形进程。当库水位以、的速率上升时，坡体稳定性呈现先增后减的趋势；当以小于 的速率下降时，岸坡变形不明显，但稳定性急剧降低，极有可能增加变形速率，加剧变形，导致大范围失稳破坏。在水库调度过程中，为避免渗流作用对岸坡稳定性的影响，库水位变化应保持在较小的速率平稳运行。关键词库岸滑坡；陡倾软弱顺层岩质滑坡；变形机制；离散元数值模拟；开顶滑坡 分类号 文献标志码犔 犪 狀 犱 狊 犾 犻 犱 犲犱 犲 犳 狅 狉 犿 犪 狋 犻 狅 狀犿 犲 犮 犺 犪 狀 犻 狊 犿狅 犳 狊 狋 犲 犲 狆狑 犲 犪 犽犫 犲 犱 犱 犻 狀 犵狉 狅 犮 犽狌 狀 犱 犲 狉狋 犺 犲狏 犪 狉 犻 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳 狉 犲 狊 犲 狉 狏 狅 犻 狉狑 犪 狋 犲 狉 犾 犲 狏 犲 犾 狊 ，犛 狋 犪 狋 犲犓 犲 狔犔 犪 犫 狅 狉 犪 狋 狅 狉 狔狅 犳犌 犲 狅 犎 犪 狕 犪 狉 犱犘 狉 犲 狏 犲 狀 狋 犻 狅 狀犪 狀 犱犌 犲 狅 犈 狀 狏 犻 狉 狅 狀 犿 犲 狀 狋犘 狉 狅 狋 犲 犮 狋 犻 狅 狀，犆 犺 犲 狀 犵 犱 狌犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔狅 犳犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔，犆 犺 犲 狀 犵 犱 狌 ，犆 犺 犻 狀 犪；犇 犪 犱 狌犚 犻 狏 犲 狉犅 犪 狊 犻 狀犎 狔 犱 狉 狅 狆 狅 狑 犲 狉犇 犲 狏 犲 犾 狅 狆 犿 犲 狀 狋犆 狅，犔 狋 犱，犖 犪 狋 犻 狅 狀 犪 犾犈 狀 犲 狉 犵 狔犌 狉 狅 狌 狆，犆 犺 犲 狀 犵 犱 狌 ，犆 犺 犻 狀 犪犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；库岸滑坡作为水库运行期间常见灾害之一，影响范围广泛，危害形式多样，与其他环境中的边坡失稳、滑坡灾害相比，库岸滑坡作为特殊条件下的滑坡类型，其变形通常受到库水位涨落的影响；因此，研究库水变化时滑坡变形破坏机制，成为有效预测这一危害产生的关键。近年来，国内外研究者通过现场调查资料结合监测手段，在理论分析、数值模拟、模型试验等方面都有较多成果。等运用综合遥感对缺乏监测数据的地区滑坡变形进行分析，证明水位变化是控制龙羊峡水库滑坡变形速率和趋势的主要外部因素；朱赛楠等结合无人机航拍、钻探、地表及深部位移监测等多源手段综合分析滑坡变形特征及失稳机制；在坡体稳定性计算分析中，等 采用三维强度折减法对不同库水位波动和降雨 条 件 下 的 稳 定 性 进 行 了 分 析；等 考虑了非饱和抗剪强度、非饱和带中的容重变化以及静水压力随库水位变化的影响，对包括 简化法和普通条分法在内的极限平衡法进行了修正。宋丹青等、白洁等 利用有限元数值模拟对滑坡整体稳定性进行分析，结合监测数据明确了滑坡变形破坏特征及滑动失稳机制；张世殊等、唐军峰等 利用离散元模拟计算坡体内部力学特征及稳定性，得到边坡的变形机制。但现有研究中对陡倾软弱顺层岩质滑坡在水位变化下变形机制的分析较少。陡倾软弱顺层岩质滑坡因其特殊的结构，在外界干扰下易产生失稳变形。本文研究的水电站开顶滑坡为典型的陡倾软弱顺层岩质滑坡，自蓄水个月后（年月）出现变形，年月发生滑动破坏，前期研究对滑坡稳定性进行了简单分析，但并未详细研究水位变化对边坡变形的影响。因此本文以开顶滑坡为研究对象，基于前期调查资料，结合 年年间库水位、地表位移监测数据，查明滑坡变形破坏特征；利用离散元法对坡体在水位上升过程中外部变形响应过程及内部间隙水压力变化状况进行分析，结合有限元法进一步分析水位变化过程中滑体稳定性随时间演化规律，二者结合能够系统反映水位升降时滑坡的变形机制，对库岸滑坡在水库运行过程中的变形发展、破坏模式、风险防控有一定的参考价值。工程地质概况开顶滑坡（图）位于丹巴县某水电站库区，属高山峡谷地貌，大渡河自北向南纵贯全境，境内地势西高东低，坡体总体向大渡河倾斜，平均海拔高度为，地形高差约 ，基本沿 向展布，长约 ，宽约 。坡体上部地形较陡，天然坡度为 ，坡顶覆盖层厚度一般图开顶滑坡全貌图犉 犻 犵 第期张 琪，等：库水位变化时陡倾软弱顺层岩质滑坡变形机制为，植被稀疏；斜坡下部坡度较缓，天然坡度 ，植被发育，坡表可辨层面，层面产状为 ，层厚。滑坡区域出露的地层主要为第四系全新统崩坡 积（犮 狅 犾犱 犾）碎 石 土，母 岩 成 分 主 要 为 绿 片岩。中上部段基岩裸露，为志留系通化组（狋）的千枚岩和绿片岩、白云岩（图）。据 中国地震动参数区划图（）显示，该区地震基本烈度为度，无活动断层通过，地质构造较简单。图开顶滑坡典型剖面图犉 犻 犵 滑坡结构及变形破坏特征 滑坡结构特征坡表岩体受风化及重力卸荷影响，基岩节理裂隙发育呈层状碎裂结构或镶嵌碎裂结构，在两段出露基岩区域共测得组节理裂隙（表）。坡体的整体稳定性主要受倾坡外产状为 及 的两组裂隙控制（图），两组优势结构面与岩层面将岩体切割成碎块状 。滑坡变形破坏特征调查区现有变形破坏现象较为复杂，在坡体中部和顶部有多处崩塌，坡表堆积有大量崩坡积物（图 、）。滑坡后缘因滑动破坏产生一个高约 的陡壁（图 ）；前缘公路挡墙多处开裂，出现明显变形迹象。年 月 日水库第一阶段蓄水至海表节理与裂隙统计犜 犪 犫 犾 犲 岩层节理产状特征层面 第组 延伸，张开，泥质充填第组 延伸，张开，无充填 层面 第组 裂面较平直，张开，延伸 第组 裂面 不 平 直，张 开，延伸 图结构面赤平投影分析图犉 犻 犵 拔高度 以来，边坡并未发生明显的变形破坏现象。直到蓄水个月后，公路路面与路肩墙出现宽约 的裂缝。年月进行第二、第三阶段蓄水后，原有裂缝出现加宽、加长现象（图 ）。年 月 日水库蓄水至海拔高度 以来，公路路面新增多条纵向裂缝，最长可达 ；坡体侧缘裂缝发育并且逐渐与公路开口线外山坡处的裂缝贯通；随着边坡变形不断发展，有滚石沿冲沟滚至公路，路面变形迹象加剧。自 年 月 日起，库水位持续下落，从海拔高度 降至 ，期间开顶滑坡变形持续发展，变形速率呈线性逐日增大，裂缝宽度最大超，下游侧缘边界及后缘处裂缝基本贯通。年月日起，库水位再次消落，降至海拔高度 ，在此期间开顶滑坡变形速率不断增加，在月 日达到顶峰，位移大幅度上升。变形发展期间，现场发生多次不同规模的成都理工大学学报（自然科学版）第 卷书书书图研究区综合工程地质平面图犉 犻 犵 坍塌，交通中断。坡体上部分布有大量落石和危岩体，危岩体大小在（图 、）。监测数据分析开顶滑坡发生变形以来，陆续设置了 个变形监测墩及个 测点对滑坡变形进行监测，具体位置如图所示。滑坡累计位移监测曲线见图，岸坡变形以犡方向下游侧变形、犢方向临空侧变形以及犎方向图 开顶滑坡监测设施布置图犉 犻 犵 第期张 琪，等：库水位变化时陡倾软弱顺层岩质滑坡变形机制图 年 月 日 年 月 日累计位移变化过程犉 犻 犵 沉降变形为主。其中犡方向为水平面指向上下游的方向，犢方向为水平面与犡向垂直指向临空与靠岩体侧的方向，犎方向为与水平面垂直的方向。从图中可以看出，开顶滑坡在 年 月 日 年月日，位移变化较小，处于变形初始阶段。由于库水位的持续降落，年月日 年月 日，坡体变形明显增加，位移激增，此时滑坡已进入加速变形破坏阶段。年月 日之后，随着库水位上升，开顶滑坡位移日变化量逐渐减小，变形趋缓，坡体进入等速变形阶段，其中以滑坡下游侧后缘 、位置的变形量值最大，左侧边界次之。年月 改线公路及隧道施工后，滑坡变形保持平稳，并未出现激增态势。图为库水位变化速率与滑坡位移变化速率监测曲线，年间该水电站水位变化速率范围为（图 ），结合现有变形破坏特征得到库水位变化对开顶滑坡影响较大，水位成都理工大学学报（自然科学版）第 卷图速率变化过程犉 犻 犵 上升是诱发滑坡变形的主要原因，水位下降进一步加剧变形的发展，当水位以小于 的速率变化时，岸坡变形发展不明显，当水位降落连续日变化量超过 时，变形速率突增，边坡发生大规模失稳破坏。库水变化时滑坡变形特征数值分析 滑坡变形响应过程数值分析 计算模型建立及参数选取为探究水位变化对开顶滑坡变形破坏的影响，使用二维离散元模拟软件 对不同蓄水位时滑坡变形发展过程进行分析。开顶滑坡为一个典型的顺层岩质滑坡，内部节理裂隙发育，故在计算中不能将其视为简单的连续介质，采用离散元方法处理更为恰当。其中，岩石采用 弹塑性本构关系，不连续面采用 滑动屈服准则 。简化后的计算模型如图所示，将坡体物质划分为三类，即强风化绿片岩、弱风化绿片岩、白云岩，并考虑了两组优势结构面的产状。坡脚部分破碎带位于水面以下，经浸泡软化，力学强度有所下降。据赵建军等 研究，长期饱水条件下千枚岩强度明显劣化，其黏聚力劣化程度大于内摩擦角；因此在计算中，对水面以下岩体图计算模型示意图犉 犻 犵 第期张 琪，等：库水位变化时陡倾软弱顺层岩质滑坡变形机制力学参数进行折减计算，根据地 公路工程地质勘察规范（）结合现场调查得到岩层与节理裂隙力学参数分别见表和表。计算结果分析 最低蓄水当 蓄 水 位 保 持 在 最 低 位 置（海 拔 高 度 ）时，如图所示，计算至 万步，坡体呈现明显的自下向上牵引式变形，坡脚最大位移变形量 ，后缘（海拔高度 附近）拉裂缝近贯通，坡体变形区连续，岩层沿顺层剪切面下错，层间错动明显，垂直方向最大位移达到；随 着 迭 代 时 步 的 不 断 进 行，坡 体 变 形 趋 于稳定。结合现场调查，库水上升过程中坡脚变形迹象显著，公路挡墙及路面都出现明显变形。原因是坡脚结构面发育，岩体破碎，渗透性好，库水沿节理裂隙运移，间隙水压力升高，不断推动岩体沿层面滑动，位于水面以下的坡脚岩体受到水的浮托力作用，有效质量减小，前缘抗滑力下降，随着坡脚岩体不断地滑塌，坡体中后部变形在牵引下发展迅速，坡表出现多条拉张裂缝且不断扩展。最高蓄水当水位上升至最高位置（海拔高度 ）后保持稳定，水位上涨使得坡脚大部分岩体淹没于水中。如图 所示，对比最低蓄水位，此时位移更明显，随着坡脚岩体间隙水压力进一步增表岩层物理力学参数犜 犪 犫 犾 犲 密度（）天然状态饱和状态抗剪断强度天然犮 （）饱水犮 （）犓 犌 强风化绿片岩 弱风化绿片岩 白云岩 犮为黏聚力，为内摩擦角，犓为体积模量，犌为切变模量，为抗拉强度。采用参数折减计算，蓄水位以下所有岩体按饱水状态考虑，强风化岩体强度参数按照折减，犮折减；弱风化岩体强度参数按照折减，犮折减；白云岩强度参数折减 。表节理裂隙物理力学参数犜 犪 犫 犾 犲 结构面类型抗剪断强度天然犳犮 饱水犳 犮 法向刚度（）切向刚度（）抗拉强度 强风化绿片岩层面 节理 弱风化绿片岩层面 节理 白云岩层面 节理 与岩层折减参数相同。犳为摩擦系数，犳 。图最低蓄水位计算模型犉 犻 犵 成都理工大学学报（自然科学版）第 卷图 最高蓄水位计算模型犉 犻 犵 大，垮塌规模扩大，中上部岩体受重力作用影响不断下坐，后缘拉裂缝基本贯通，海拔高度 附近岩体表面拉裂缝不断扩张且延伸更深，坡体沿顺