唐古棟緩傾坡外結(jié)構(gòu)面發(fā)育類高邊坡變形破壞機(jī)制研究

唐古棟緩傾坡外結(jié)構(gòu)面發(fā)育類高邊坡變形破壞機(jī)制研究

1唐古防治邊坡變形破壞機(jī)制唐古東滑動(dòng)山坡位于雅江上游雅江縣紫河市玉日村。在冷濕水條件下，水庫(kù)上下兩個(gè)比較區(qū)之間。上水庫(kù)約1.5km，下水庫(kù)約10.2km，位于下水庫(kù)緩沖區(qū)內(nèi)。唐古棟滑坡坡體結(jié)構(gòu)特殊,邊坡中、后部以陡裂為主,易發(fā)生剪出破壞的緩傾坡外結(jié)構(gòu)面僅在前緣發(fā)育。已有順坡向結(jié)構(gòu)面發(fā)育邊坡變形破壞機(jī)制研究中,對(duì)遍布順坡向結(jié)構(gòu)面(如順層邊坡的層面)發(fā)育類邊坡研究較多,對(duì)前緣緩傾坡外結(jié)構(gòu)面發(fā)育這類特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)的邊坡研究尚少。本文以唐古棟滑坡為研究對(duì)象,結(jié)合邊坡巖體結(jié)構(gòu)分析及三維有限差分計(jì)算,對(duì)該類邊坡變形破壞機(jī)制進(jìn)行了探討。在此基礎(chǔ)上,分析了唐古棟滑坡上游側(cè)變形體的變形發(fā)展趨勢(shì)及穩(wěn)定性,對(duì)待建的楞古水電站壩段選擇具有十分重要的工程意義。2邊坡巖體結(jié)構(gòu)唐古棟滑坡發(fā)生于1967年,失穩(wěn)方量約6800萬(wàn)m3,失穩(wěn)后滑面形態(tài)呈鏟狀,上游側(cè)尚殘存規(guī)模達(dá)2800萬(wàn)m3的松動(dòng)變形體,見(jiàn)圖1。滑坡區(qū)地層巖性為三疊系上統(tǒng)侏倭組(T3zh)變質(zhì)砂巖與印支—燕山期侵入的花崗偉晶巖脈(γρ),巖層產(chǎn)狀為N50°~75°W/NE∠40°~60°,傾向坡內(nèi)?；聟^(qū)內(nèi)無(wú)大規(guī)模斷裂通過(guò),受地質(zhì)構(gòu)造作用影響不同,邊坡不同高程巖體結(jié)構(gòu)特征差異明顯,中、上部邊坡主要發(fā)育4組陡傾裂隙,其中產(chǎn)狀N25°~40°E/SE~NW∠75°~90°組裂隙在卸荷帶內(nèi)多被改造成為卸荷裂縫,局部發(fā)育2組中傾角傾坡外的擠壓破碎帶,但規(guī)模不大。前緣邊坡內(nèi)破碎帶不發(fā)育,共發(fā)育3組優(yōu)勢(shì)裂隙,其中產(chǎn)狀N75°~85°W/SW∠5°~20°組緩傾坡外裂隙十分發(fā)育,延伸長(zhǎng)度一般10~20m,可構(gòu)成潛在底滑面,對(duì)坡體穩(wěn)定影響較大。3唐古東滑動(dòng)變形破壞機(jī)制的分析3.1坡體及壩體變形1967年6月8日,唐古棟滑坡發(fā)生堰塞堵江潰缺事件,滑體橫河長(zhǎng)約1.4km,順河寬約1km,展布面積約1.1km2,前緣高程2475~2500m,后緣高程3500m,高差約1000m,總方量約0.68億m3,堵塞雅礱江后形成一高175m(右岸)至335m(左岸)的堰塞壩,壅高水位高程達(dá)2575m,堰塞湖回水53km,庫(kù)容6.8億m3。堵塞河道9d后潰壩,潰缺后洪峰流量達(dá)53000m3/s,壩下游洪水位陡漲到50.4m,潰壩洪水沿雅礱江而下,沖毀房屋、田地、公路、橋梁等,對(duì)下游造成巨大損失。據(jù)調(diào)查訪問(wèn),中下部坡體首先發(fā)生明顯的變形破壞,早在1960年坡表就出現(xiàn)了橫向拉裂縫,隨后裂縫數(shù)目逐年增多,規(guī)模也逐漸擴(kuò)大,至1966年,沿裂縫形成的下錯(cuò)臺(tái)階最大錯(cuò)距竟達(dá)30多m。在滑坡發(fā)生前幾天,斜坡中下部出現(xiàn)了多處縱向鼓脹變形裂縫,后緣相應(yīng)出現(xiàn)了橫向拉裂縫,后緣3525~3530m高程至今仍保留了滑坡發(fā)生前產(chǎn)生的延伸長(zhǎng)約50m的橫向拉裂縫,拉裂縫外側(cè)樹(shù)木傾斜,有馬刀樹(shù)生長(zhǎng)。3.2邊坡變形界面中、上部邊坡內(nèi)發(fā)育的結(jié)構(gòu)面主要為傾向坡內(nèi)層面及4組陡傾角裂隙,傾坡外破碎帶僅局部發(fā)育,且延伸長(zhǎng)度不大,不能形成大規(guī)模的控制性底滑面,因此,在河谷下切過(guò)程中,邊坡變形主要受卸荷回彈影響,沿陡傾裂隙追蹤發(fā)展成為卸荷裂縫,目前滑床巖體內(nèi)仍見(jiàn)發(fā)育,張開(kāi)1~10cm。隨著河谷下切,在重力場(chǎng)作用下卸荷裂縫不斷延伸發(fā)展,加之傾坡外擠壓破碎帶及巖脈破碎帶的串聯(lián)貫通,逐漸形成一個(gè)連續(xù)的變形界面。邊坡累計(jì)形成的變形能不能有效釋放,不斷向邊坡前緣推進(jìn),導(dǎo)致前緣應(yīng)力高度集中。前緣邊坡普遍發(fā)育一組產(chǎn)狀為N75°~85°W/SW∠5°~20°的緩傾坡外裂隙,河流揭穿前緣邊坡后,產(chǎn)生滑移—壓致拉裂變形,巖體沿緩傾坡外裂隙滑移錯(cuò)位,底部形成壓剪裂縫,后緣形成倒“V”字形拉裂縫(見(jiàn)圖2),多條緩傾坡外裂隙、壓剪裂縫、拉裂縫便構(gòu)成階梯狀組合滑面。變形逐漸向坡體后緣發(fā)展,貫穿到地表后形成地表裂縫,這正是1960年邊坡中下部橫向拉裂縫形成的原因。中、后部卸荷拉裂變形向邊坡下部發(fā)展,前緣滑移—壓致拉裂變形向上部發(fā)展,不斷吞噬、破壞它們之間的相對(duì)完整巖體,使其范圍逐漸變小,并最終被完全剪斷,從而整個(gè)邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。3.3邊坡變形發(fā)展規(guī)律為進(jìn)一步分析驗(yàn)證邊坡變形破壞機(jī)制,利用FLAC3D程序,模擬了雅礱江下切過(guò)程中邊坡應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)展規(guī)律。對(duì)雅礱江下切的模擬,以三級(jí)夷平面作為初始狀態(tài),分為Ⅶ~Ⅰ級(jí)階地、現(xiàn)代河床共8個(gè)下切過(guò)程。模型中模擬了邊坡前緣普遍存在的緩傾坡外裂隙和中、上部發(fā)育的陡傾卸荷裂隙。模型中主要包括松動(dòng)巖體、強(qiáng)卸荷巖體、弱卸荷巖體、微新巖體及卸荷裂隙、前緣緩傾坡外裂隙,各巖體及結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表1。模擬結(jié)果顯示,邊坡內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)展總體可以分為3個(gè)階段:(1)卸荷拉裂變形階段。該階段歷時(shí)最長(zhǎng),前緣緩傾坡外結(jié)構(gòu)面未被揭露出來(lái),邊坡變形主要表現(xiàn)為卸荷回彈變形及卸荷裂隙的追蹤發(fā)展,邊坡位移值較小,一般為幾個(gè)cm。卸荷裂隙相互貫通形成卸荷帶,帶內(nèi)巖體應(yīng)力松弛,而卸荷帶下端則出現(xiàn)應(yīng)力集中(見(jiàn)圖3),卸荷帶不斷向前緣推進(jìn),其松弛應(yīng)力也不斷向前緣轉(zhuǎn)移。(2)滑移—壓致拉裂變形階段。河谷下切至現(xiàn)代河床,邊坡前緣大量緩傾坡外結(jié)構(gòu)面被揭露出來(lái),受控于該組結(jié)構(gòu)面的滑移—壓致拉裂變形使得前緣坡體位移大增,迭代計(jì)算1000步時(shí),總位移達(dá)12~15cm,并與中、上部坡體卸荷拉裂變形相互促進(jìn),導(dǎo)致前緣2650m高程以下及中、上部2800m高程以上巖體內(nèi)均形成連續(xù)的剪應(yīng)變?cè)隽考袟l帶,但在2650~2800m高程段未貫通,形成支撐邊穩(wěn)定的鎖固段(見(jiàn)圖4)。(3)鎖固段累進(jìn)性破壞階段。迭代計(jì)算繼續(xù)進(jìn)行,邊坡變形不斷增大,最終坡內(nèi)形成完全貫通的剪應(yīng)變?cè)隽考袟l帶(見(jiàn)圖5),計(jì)算不能收斂,邊坡整體進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)。值得注意的是,邊坡變形演化過(guò)程中,鎖固段巖體變形發(fā)展具有一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)(見(jiàn)圖6),位于邊坡變形由滑移—壓致拉裂變形向鎖固段累進(jìn)性破壞轉(zhuǎn)變階段,之前鎖固段巖體累計(jì)變形僅幾個(gè)厘米,之后則向坡外、向下的位移迅猛增加,同時(shí)整個(gè)邊坡變形不能收斂。模擬結(jié)果與調(diào)查訪問(wèn)獲知的“斜坡中下部(即鎖固段巖體)出現(xiàn)鼓脹變形后幾天內(nèi)唐古棟滑坡便發(fā)生整體失穩(wěn)”這一現(xiàn)象具有較好的一致性,共同反映出鎖固段巖體鼓脹變形、位移陡增,預(yù)示著邊坡將整體進(jìn)入臨滑狀態(tài)。3.4滑移—變形破壞機(jī)制綜合分析通過(guò)對(duì)唐古棟滑坡變形破壞機(jī)制的定性分析及數(shù)值模擬研究,得出該類前緣緩傾坡外結(jié)構(gòu)面發(fā)育高邊坡變形破壞機(jī)制可歸納為卸荷拉裂—滑移(壓致)拉裂—剪斷3段式機(jī)制,邊坡變形破壞具有分3段發(fā)育的特征,即中、上部沿陡傾角裂隙卸荷拉裂并相互發(fā)展貫通、前緣沿緩傾角裂隙滑移(壓致)拉裂、中部鎖固段剪斷?？赡墚a(chǎn)生這類變形模式的邊坡具有如下特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu):(1)邊坡中、上部順坡向結(jié)構(gòu)面以陡傾角為主,不具備形成剪出破壞的條件;(2)前緣緩傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)育,一般情況下結(jié)構(gòu)面傾角小于20°時(shí),前緣邊坡易發(fā)生滑移—壓致拉裂變形,結(jié)構(gòu)面傾角大于或等于20°時(shí),易發(fā)生滑移—拉裂變形;(3)邊坡巖塊強(qiáng)度高,一般為較硬巖或堅(jiān)硬巖石。該類邊坡的變形破壞機(jī)制主要表現(xiàn)為以下的階段性過(guò)程(見(jiàn)圖7):(1)河谷未大量揭露前緣緩傾坡外結(jié)構(gòu)面的卸荷變形階段(圖7(b))。河谷下切過(guò)程中,邊坡發(fā)生卸荷回彈變形,改造已有陡傾角裂隙并沿兩端追蹤發(fā)展形成卸荷裂縫,隨后坡體在自重應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下,卸荷裂縫相互貫通。該階段由于卸荷裂縫的發(fā)展貫通,使得應(yīng)力和應(yīng)變能不斷向邊坡中下部累積,河流切割越深,能量累積越大。(2)河谷大量揭露前緣緩傾坡外結(jié)構(gòu)面的滑移(壓致)拉裂變形階段(圖7(c))。前緣沿緩傾坡外結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移(壓致)拉裂變形并不斷向邊坡上部發(fā)展,同時(shí),中、后部卸荷變形向邊坡下部發(fā)展,它們之間的相對(duì)完整巖體,構(gòu)成邊坡變形的鎖固段,坡體的穩(wěn)定性將主要由鎖固段來(lái)維系,鎖固段的應(yīng)力也隨著卸荷拉裂段和滑移(壓致)拉裂段的發(fā)展而逐漸積累。(3)鎖固段累進(jìn)性破壞階段(圖7(d))。當(dāng)前緣滑移(壓致)拉裂變形范圍進(jìn)一步擴(kuò)大、后緣卸荷拉裂加深到一定深度時(shí),鎖固段的應(yīng)力積累使這部分巖體進(jìn)入累進(jìn)性破壞階段,變形陡然增加、巖體擴(kuò)容,并最終剪斷鎖固段,發(fā)生突發(fā)的脆性破壞。該類邊坡的變形、破壞的特點(diǎn):(1)邊坡變形孕育時(shí)間長(zhǎng),變形規(guī)模大,蓄積能量高,鎖固段突發(fā)剪斷伴隨有很大的峰、殘強(qiáng)度差,邊坡巖體的應(yīng)變能得以突發(fā)釋放,所發(fā)生的滑坡規(guī)模大、滑速高;(2)鎖固段巖體鼓脹變形、位移陡增是邊坡進(jìn)入臨滑狀態(tài)的預(yù)示點(diǎn)。4唐老板滑動(dòng)上游側(cè)變形穩(wěn)定性及工程影響分析4.1下盤巖體滑移唐古棟滑坡上游側(cè)邊坡坡體結(jié)構(gòu)與唐古棟滑坡失穩(wěn)前基本一致,目前,邊坡前緣及上部各發(fā)育一松動(dòng)變形體(見(jiàn)圖8)。(1)前緣2395~2750m高程發(fā)育拉裂松動(dòng)體,水平變形深度90~140m,方量約1000萬(wàn)m3,與唐古棟滑坡前緣變形特征相同,沿產(chǎn)狀為N75°~85°W/SW∠5°~20°組緩傾坡外結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移—壓致拉裂變形,結(jié)構(gòu)面上、下盤巖體滑移錯(cuò)位達(dá)1~10cm,變形導(dǎo)致2660~2720m高程平臺(tái)內(nèi)出現(xiàn)多條延伸數(shù)十米的拉裂縫、拉陷槽。(2)邊坡上部2840~3500m高程發(fā)育蠕滑體,水平變形深度100~130m,方量約1800萬(wàn)m3,受卸荷—拉裂變形及蠕滑變形組合控制。蠕滑體后緣3219.5m高程HTPD05平硐硐深106m處上覆巖土體沿傾坡外斷層f5-1發(fā)生蠕滑變形,該斷層產(chǎn)狀為EW/S∠60°,寬80cm,沿?cái)鄬訋媳P可見(jiàn)巖塊轉(zhuǎn)動(dòng)變形現(xiàn)象;位于3009.17m高程的HTPD03平硐洞深103m處揭露由花崗偉晶巖脈接觸破碎帶改造形成的卸荷裂縫L3-6,產(chǎn)狀為N60°E/SE∠65°,張開(kāi)2~3m,僅充填少量巖塊,架空明顯。蠕滑體變形強(qiáng)烈,但控制其變形的結(jié)構(gòu)面傾角均較大(≥60°),大于邊坡坡度(平均35°),不具備形成剪出破壞條件,在坡表也未發(fā)現(xiàn)剪出變形現(xiàn)象。2處變形體巖體均呈碎裂結(jié)構(gòu),弱偏強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài),勘探平硐成型不規(guī)則,開(kāi)挖后塌頂、掉塊嚴(yán)重,平硐多需密集支撐方可成硐,鉆孔巖芯呈碎塊狀—短柱狀,2處變形體之間2583~2970m高程發(fā)育較完整巖體,呈外凸?fàn)?鑲嵌結(jié)構(gòu),弱風(fēng)化狀態(tài),巖芯以柱狀—長(zhǎng)柱狀為主。4.2壩段受力及變形特點(diǎn)對(duì)邊坡穩(wěn)定影響唐古棟滑坡上游側(cè)變形體3段式特征明顯:前緣2395~2750m高程為緩傾坡外結(jié)構(gòu)面控制的滑移—壓致拉裂變形段,中、上部2840~3500m高程為陡傾結(jié)構(gòu)面控制的卸荷拉裂變形及蠕滑變形段,它們之間則巖體較完整,是支撐邊坡穩(wěn)定的鎖固段。其變形機(jī)制符合卸荷拉裂—滑移(壓致)拉裂—剪斷3段式機(jī)制。目前,邊坡變形處于該機(jī)制中變形發(fā)展過(guò)程的第2個(gè)階段,鎖固段承受著較大的累計(jì)應(yīng)力,且仍在隨著卸荷拉裂段和滑移—壓致拉裂段的發(fā)展不斷加強(qiáng)。由于鎖固段巖體尚較完整,前緣拉裂變形體仍具有一定的抗變形能力,目前邊坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。但下壩段蓄水將使前緣巖體受水浸泡,結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度降低,抗力減小,根據(jù)數(shù)值模擬得出,當(dāng)下壩段蓄水、地震工況共同作用下,鎖固段巖體內(nèi)最大主應(yīng)力將增加約23%,最小主應(yīng)力降低約12%,最大主應(yīng)力增加、最小主應(yīng)力降低的應(yīng)力調(diào)整方式對(duì)鎖固段穩(wěn)定極為不利,與此同時(shí),鎖固段巖體內(nèi)出現(xiàn)大量的塑性破壞區(qū),位移較大,一旦鎖固段被突發(fā)剪斷,邊坡可能發(fā)生整體高速失穩(wěn),失穩(wěn)方量共達(dá)3100萬(wàn)m3,其堰塞、涌浪可能對(duì)下壩段樞紐建筑構(gòu)成較大危害。變形體位于上壩段下游,無(wú)工程蓄水影響,邊坡發(fā)生大規(guī)模失穩(wěn)的可能性小。相比上、下壩段2種比選方案,無(wú)論工程建設(shè)對(duì)變形體穩(wěn)定性的影響,還是變形體對(duì)工程建設(shè)的影響,上壩段均影響較小。5面發(fā)育高邊坡本文以唐古棟滑坡為研究對(duì)象,通過(guò)分析前緣緩傾坡外結(jié)構(gòu)面發(fā)育高邊坡變形破壞機(jī)制,并研究唐古棟滑坡上游側(cè)變形體的穩(wěn)定性及工程影響,主要有以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):(1)前緣緩