雅砻江甲西滑坡倾倒弯曲_拉裂形成机制研究_苗朝

第３５卷第３期２０１５年６月防灾减灾工程学报Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｄｉｓａｓｔｅｒ　Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ　ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ．３５Ｎｏ．３Ｊｕｎ．２０１５雅砻江甲西滑坡倾倒弯曲－拉裂形成机制研究＊苗　朝，沈军辉，杨佳丽，徐久燕（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都６１００５９）摘要：在工程地质勘察的基础上，通过建立边坡地质结构模型，用模拟重力场条件的底摩擦模型试验、二维离散元和有限元相结合的方法，研究了雅砻江甲西滑坡的变形破坏过程及影响因素。

结果表明，甲西滑坡的变形破坏模式为逆向层状结构岩体向临空面倾倒弯曲、层间相互错动形成贯通拉裂缝失稳下滑的典型倾倒弯曲－拉裂式。

滑坡形成的主要因素为，在暴雨等作用下中－陡倾层状岩体、高陡坡型、河谷下切临空条件及倾外节理发育有发生滑动复活的可能。

关键词：甲西滑坡；倾倒拉裂；底摩擦试验；数值模拟；形成机制中图分类号：Ｏ３５３．１；ＴＵ８１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－２１３２（２０１５）０３－０４１１－０７Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｂｅｎｄｉｎｇ　ａｎｄ　Ｓｌｉｄｉｎｇ　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｆａｉｌｕｒｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆＪｉａｘｉ　Ｌａｎｄｓｌｉｄｅ　ｏｆ　Ｙａｌｏｎｇ　ＲｉｖｅｒＭＩＡＯ　Ｚｈａｏ，ＳＨＥＮ　Ｊｕｎ－ｈｕｉ，ＹＡＮＧ　Ｊｉａ－ｌｉ，ＸＵ　Ｊｉｕ－ｙａｎ（Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｇｅｏｈａｚａｒｄｓ　Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｇｅｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００５９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅｐｒｏｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｆａｉｌｕｒｅ　ｍｏｄｅ　ｏｆ　Ｊｉａｘｉ　ｌａｎｄｓｌｉｄｅ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｇｅｏｌｏｇｉｃ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂａｓｅ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｆｒｉｃｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ　ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅｄｉｓｃｒｅｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｍｏｄｅ　ｏｆ　Ｊｉａｘｉ　ｌａｎｄｓｌｉｄｅ　ｉｓ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｌｉｄｉｎｇ，ｉｎ　ｗｈｉｃｈｔｈｅ　ａｎｔｉ－ｉｎｃｌｉｎｅｄ　ｓｔｒａｔｉｆｉｅｄ　ｒｏｃｋ　ｍａｓｓ　ｂｅｎｄｓ　ｔｏｗａｒｄｓ　ｔｈｅ　ｆｒｅｅ　ｓｕｒｆａｃｅ，ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ　ｄｉｓｌｏｃａｔｅｓ　ｔｏｆｏｒｍ　ｔｈｅ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｃｒａｃｋ　ａｎｄ　ｓｌｉｄｅ　ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｊｉａｘｉ　ｌａｎｄｓｌｉｄｅａｒｅ　ｓｔｅｅｐ　ｄｉｐ　ｌａｙｅｒ　ｒｏｃｋ　ｍａｓｓ，ｈｉｇｈｌｙ　ｓｔｅｅｐ　ｓｌｏｐｅ　ｔｙｐｅ，ｆｒｅｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ａｎｄ　ｂｅｄｄｉｎｇ　ｏｕｔｓｉｄｅ　ｊｏｉｎｔ　ｄｅ－ｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｒａｉｎｓｔｏｒｍ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｓｌｉｄｅ　ｒｅｖｉｖａｌ　ｍａｙ　ｏｃｃｕｒ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｊｉａｘｉ　ｌａｎｄｓｌｉｄｅ；ｂｅｎｄｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｌｉｄｉｎｇ；ｂａｓｅ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｆａｉｌｕｒｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ＊收稿日期：２０１４－０１－１４；修回日期：２０１４－０５－２７基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金项目（２０１２５１２２１１０００５）资助作者简介：苗　朝（１９８６－），男，博士研究生。

主要从事岩体稳定地质工程研究。

Ｅｍａｉｌ：７９４０４９９＠ｑｑ．ｃｏｍ通讯作者：沈军辉（１９６４－），男，教授，博导。

主要从事工程地质、环境地质研究。

Ｅｍａｉｌ：８２０７４７９２３＠ｑｑ．ｃｏｍDOI:10.13409/ki.jdpme.2015.03.022引　言层状结构岩质边坡的破坏与失稳是岩土工程重大灾害之一，大规模的反倾层状边坡变形失稳涉及复杂的变形过程，通常会导致形成大规模的倾倒变形体，研究其破坏类型、机制以及模式具有现实意义。

地质过程物理模拟和数值模拟是研究边坡岩体变形破坏的重要方法，众多学者通过物理模拟方法对反倾层状边坡的变形机制进行了研究。

黄润秋等［１］采用物理模拟的方法对反倾向岩质边坡的变形破坏规律做了系统研究，认为其地质力学模式为弯曲－拉裂－剪断式。

徐佩华等［２］通过对锦屏水电站高边坡的研究，认为倾倒变形是岩层板在自重应力作用下弯折、地壳抬升及雅砻江快速下切共同引起的。

蔡国军等［３，４］采用物理模拟的低摩擦和数值模拟的方法，研究了反倾向边坡的变形破裂响应，认为边坡主要变形失稳模式为倾倒－拉裂式。

陈孝兵等［５］通过对澜沧江右岸斜坡的底摩擦物理模拟，认为倾倒变形的发展形式以层内错动为主，张性破裂的发展规模较为有限。

刘云鹏等［６］通过对反倾板裂岩体边坡在动力扰动作用下的变形破坏机制和失稳模式的探究，认为动力触发因素对边坡的影响非常显著，特别是坡体的软弱岩层带容易产生拉破坏。

左保成等［７］通过物理模拟，认为反倾边坡首先整体倾倒，然后坡顶产生拉裂缝，最后倾坡外优势节理贯通整体破坏。

本文在现场调研雅砻江甲西滑坡地形地质条件、岩体结构及对稳定起控制作用的裂隙等分布状况的基础上，采用底摩擦试验及数值模拟方法深入研究甲西滑坡的变形破坏模式，重现斜坡的变形破坏过程并分析其变形破坏机制。

研究内容不仅对认识雅砻江上游两岸斜坡的变形破坏机制、评价库区斜坡稳定性有重要意义，同时也对甲西水电站的安全修建、运行有工程实用价值。

１　滑坡形成的地质条件（１）地形地貌。

滑坡区地处青藏高原东缘梯级过渡带上的高山峡谷地带，大地构造部位位于川滇菱形块体内部的次级断块“雅江－理塘－九龙菱形地块”上，构造背景复杂，活动断裂发育。

地貌单元属于川西高原、青藏高原的东南部，谷坡陡峻，为河谷下切侵蚀的高山峡谷地貌（图１）。

甲西滑坡位于雅砻江上游深切峡谷河段，滑坡前缘临江，高程为２８６８ｍ，后缘直达山脊，高程为３２８０ｍ，高差为４１２ｍ（图２）。

地貌上，倾倒变形体处于脊状山体端部一侧，向雅砻江凸出，三面临空，有利于斜坡岩体发生卸荷松弛及倾倒－弯曲变形。

图１　甲西滑坡河谷地貌Ｆｉｇ．１　Ｒｅｇｉｏｎａｌ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｔｅｃｔｏｎｉｃ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｊｉａｘｉ　ｌａｎｄ－ｓｌｉｄｅ图２　甲西滑坡三维地貌Ｆｉｇ．２　Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｇｅｏｍｏｒｐｈｙ　ｏｆ　Ｊｉａｘｉ　ｌａｎｄｓｌｉｄｅ（２）斜坡结构。

滑坡出露岩性以中薄层砂岩与薄层板岩互层为主，岩层产状Ｎ１０～３０°Ｗ／ＳＷ∠５０～７０°，为中陡倾坡内的逆向层状结构斜坡（图３）。

滑坡体中主要发育一组顺坡向节理裂隙，产状Ｎ３０～４０°Ｗ／ＮＥ∠６０～７０°，迹长一般为３～５ｍ，发育程度较好，延伸多受岩层面的控制［８］。

拉裂缝往往追踪此顺坡构造节理发育，并随着斜坡弯曲变形的加剧逐渐向坡内发展。

（３）河谷地貌演化条件。

新构造运动强烈，地壳快速抬升，河流快速下切，形成高程为２８６７～３０３０ｍ的陡坡。

在此阶段，滑坡前缘临空条件好，斜坡岩体在河谷下切过程的卸荷及重力场作用下，向河谷临空方向作悬臂梁弯曲，弯曲的板梁之间互相错动，并伴有与板梁近于垂直的拉裂缝形成。

２１４　防灾减灾工程学报　第３５卷　（４）气象条件。

滑坡区所处新龙县年均日照时间长，晴天多，年均降雨量为６６３ｍｍ，降雨时间集中，区域海拔高，积雪层较厚。

随着气温升高，融雪及降雨坡表水顺构造裂隙入渗斜坡岩体，降低构造裂隙强度，减小结构面抗滑力，静水压力和软化等作用为滑坡的复合提供动力。

图３　甲西滑坡原始坡体工程地质剖面Ｆｉｇ．３　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｊｉａｘｉ　ｌａｎｄｓｌｉｄｅ２　底摩擦实验研究物理模拟以相似原理为基础，建立研究对象和模型之间的相似关系，从而保证模型试验中出现的物理现象与原型相似。

模型与研究对象相似，需要在几何条件、受力条件和摩擦系数三方面满足一定的关系。

三个相似关系公式如下：Ｃｌ＝ｌＰｌＭ；Ｃγ＝γＰγＭ或Ｃσ＝σＰσＭ；Ｃｆ＝ｆＰｆＭ式中　Ｃｌ为几何相似系数；　Ｃγ为密度相似系数；　Ｃσ为应力相似系数；　Ｃｆ为摩擦相似系数；　Ｐ、Ｍ分别表示原型和模型。

底摩擦试验是根据摩擦力方向上的分布与重力场相似的性质，利用物理模型与底摩擦试验机皮带间的摩擦力（面力）来模拟原型物体在天然状态下所受的体积力（重力），研究模型在摩擦力作用下的稳定性及变形破坏模式。

根据圣维南原理，当模型足够薄时，可认为摩擦力均匀作用在整个厚度上，这相当于原型物体在天然条件下受到重力作用的状态。

２．１　试验仪器试验采用成都理工大学和四川大学共同研发的全自动化底摩擦试验仪，如图４所示。

该仪器具有以下优点：设备模型区为（８０×８０）ｃｍ的橡皮带面，模型铺设方便；通过转速控制器调节转速，便于随时控制，不会出现转速骤增骤减而使摩擦力变化剧烈的不稳定现象；通过摩擦力观测仪，动态观测模型与橡皮带之间的摩擦力，可利用控制橡皮带转速进行调节；根据情况随时暂停试验，以便观测试验过程的各个细节。

图４　底摩擦试验仪Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｏｆ　ｂａｓｅ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ２．２　试验模型设计模型材料主要由重晶石粉、石英砂和液体石蜡混合而成，其配料比如表１所示。

试验选择典型的Ⅰ－Ⅰ′剖面进行模型试验（图５）。

根据相似原理，本次物理模拟试验相似关系如下：几何相似比Ｃｌ＝５００，容重相似比Ｃγ＝１，应力相似比Ｃσ＝Ｃγ。

在模图５　试验模型Ｆｉｇ．５　Ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ３１４　第３期苗　朝等：雅砻江甲西滑坡倾倒弯曲－拉裂形成机制研究型中，各岩层之间的界面采用夹锡箔纸的方法模拟，各岩层内的层面采用刀刻的方法模拟。

表１　模型材料配比试验成果Ｔａｂｌｅ　１　Ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ名称配比（重晶石∶石英砂∶石蜡油）重度／（ｋＮ·ｍ－３）内聚力／ｋＰａ内摩擦角／（°）弹性模量／ＧＰａ板岩６０∶３１．８∶８．２　２６．７　７００　３１．８　１５变质砂岩６０∶３２∶８　２７．０　９００　３６．４　４１２．３　试验现象及结果分析根据低摩擦试验中模型的变形破坏特征和发展过程，其倾倒弯曲－拉裂的破坏过程如下：变形初期，滑坡前缘由于河谷下切向临空面倾倒，折弯角度约为３°～５°，弯折深度约为１２０ｍｍ，临坡面的弯曲岩层出现反翘现象，坡表形成近似阶梯状地貌。