含软弱夹层库岸复杂滑坡体形成机制_肖拥军.pdf

第 46 卷 第 6 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.6 2018 年 12 月COALGEOLOGY 2. Hunan Provincial Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Stability Control and Health Monitoring, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China Abstract The research of the ation mechanism of Huangtupo landslide complex body is very important to analyze the landslide. The original rock structure model of Huangtupo slope was built by strata correlation considering the development of weak intercalations. Weak intercalated layers developed intensively in T2b3-2 rock mass of slope front corresponded to the deep multistage sliding zone in Huangtupo landslide. Simulation results show there are obvious shear stress and shear strain concentration in T2b3-2rock mass of slope front in the slope evolution, and the deation influence depth can correspond to the thickness of No.1 part slide of Huangtupo landslide. The ation of No.1 part slide of Huangtupo landslide was controlled by rock mass structure of slope and its stress and strain characteristics during the slope evolution. The shear deation of the landslide body would intensify because of the impounding of Three Gorges Reservoir. The muddy intercalations make the deep-seated landslide more easily slide. Keywords reservoir bank slope; weak intercalated layer; Huangtupo landslide; deation mechanism 斜坡变形是由岩体结构等内因和水库蓄水等 外因共同决定的，岩质斜坡大都是沿软弱结构面 发生失稳[1-2]。三峡库区的滑坡分布特征揭示三叠 系中统巴东组为易滑地层[3-5]。巴东组第三段中软 弱夹层发育密集，是巴东县城区的主要问题地层， 位列三峡库区四大滑坡之首的黄土坡滑坡就发生 在此段地层中，2017 年黄土坡滑坡整体避险搬迁 工程总体结束，黄土坡小区全部搬迁到了江北神 农溪小区。黄土坡滑坡自 1981 年以来经过多次勘 查认识， 前人提出了“复合堆积体”[6-7]等变形模式， 但没考虑到原岩中软弱夹层对其复杂演化过程的 影响。数值模拟分析可以通过分析斜坡的应力应 变场特征来研究滑坡变形机理[8-9]，笔者在考虑斜 坡原岩中软弱夹层发育特征的基础上建立黄土坡 斜坡的工程地质模型，通过数值模拟分析黄土坡 滑坡临江 I 号崩滑堆积体的形成机理和水库蓄水 ChaoXing 134煤田地质与勘探第 46 卷 对滑坡体深层稳定的影响。 1黄土坡斜坡原岩结构特征 如图 1 所示，黄土坡滑坡位于巴东城区中的黄 土坡小区现已搬迁，滑坡区分布有临江Ⅰ号崩滑 堆积体、临江Ⅱ号崩滑堆积体、变电站滑坡、园艺 场滑坡以及近期发生的小滑坡， 其面积 1.35106m2， 体积 6.934107m3。黄土坡滑坡临江崩滑堆积体的 原岩是巴东组第三段。白土坡等钻孔揭露表明，在 巴东组第三段地层发育有贯通性软弱夹层 13 层， 中 上部软弱夹层分布较密，大部分破碎带有顺层、连 续、空间厚度具有一定变化等特点，由此可见巴东 组第三段中的软弱夹层是巴东扇形斜坡的主要结构 面[10-11]。 图 1巴东城区工程地质简图 Fig.1Engineering geological map of Badong urban district 据黄土坡滑坡的勘察资料，结合巴东新城区巴 东组第三段地层中软弱夹层分布特征及红石包董 家梁子断裂F3断层分布特征，得到黄土坡滑坡体 原岩结构图图 2， 斜坡自下而上分布巴东组第三段 上亚段、巴东组第三段下亚段、巴东组第二段岩层， 斜坡前缘推测发育 F3断层。巴东组第三段上亚段夹 层发育较密集，简文星等[12]通过巴东野外大型综合 试验场隧洞群开挖揭露了黄土坡滑坡临江Ｉ号崩滑 体特征，临江Ｉ号崩滑体滑床基岩普遍发育层间剪 切软弱夹层，试验隧洞揭露滑带具有多层位顺层发 育特征，具有多层滑动面。江洎洧等[13]采集大量巴 东黄土坡滑坡原状滑带土样本，采用 CT 扫描获取 原状滑带土内部颗粒分布，并初步判断样本属土– 石混合体，近期对黄土坡滑坡滑带土的力学特性试 验研究较多[14-15]。 2复杂滑坡变形机理 2.1黄土坡斜坡原岩工程地质模型 选择黄土坡斜坡图 1 的 AB 剖面作为数值模拟 计算剖面， 根据黄土坡斜坡原岩结构图对 T2b2地层、 图 2黄土坡斜坡原岩结构与滑坡体分布图 Fig.2Distribution of original rock structures and slip mass of Huangtupolandslide T2b3-1地层、T2b3-2地层、软弱夹层、F3断层进行工 程地质分组， 建立斜坡原始地面三维工程地质模型 图 3，除顶面外，其他五面为滑移支座约束。在 综合前人勘察资料及研究成果的基础上， 根据模拟 分析步骤分阶段选取了计算参数表 1，进行数值 模拟计算。 根据本区斜坡发育过程对应的长江阶地 高程，分五步模拟斜坡演化过程，得到现今的斜坡 地貌。 2.2黄土坡滑坡体形成机制 在黄土坡地貌演化过程中，斜坡前缘出现临 空面，岩体局部出现了剪应力集中分布带图 4， ChaoXing 第 6 期肖拥军等 含软弱夹层库岸复杂滑坡体形成机制135 图 3黄土坡斜坡地貌演化及原岩工程地质模型 Fig.3Engineering geological and land evolution model ofHuangtuposlope 在深部夹层、断层与夹层交汇处、地表局部尤为 明显。 剪应力的集中有利于斜坡岩体的局部变形。 斜坡演化过程的剪应变云图图 5也表明剪 应变也集中分布在前缘巴东组第三段上亚段岩体 T2b3-2夹层密集处，可与临江 I 号滑坡堆积体厚 度基本对应，夹层处的剪切变形也有利于 T2b3-2 岩体破碎变形。 另外在库岸斜坡临空面浅表层，主应力由压 应力降为零，甚至演变为拉应力，导致斜坡出现 卸荷裂隙，在降雨和风化作用下，也促使斜坡浅 表层岩体进一步破碎，软弱夹层在地下水泥化作 用后强度降低，有利于演化为多级滑带。 结合黄土坡斜坡原岩结构特征和黄土坡斜坡 模拟分析结果，黄土坡斜坡前缘滑坡体形成原因 可以归结为以下几个方面。首先，长江的深切作 用在斜坡前缘形成了良好的临空条件；其次，前 缘 I 号崩滑堆积体对应 T2b3-2原岩发育有较密集 的软弱夹层，在斜坡演化过程中软弱夹层处剪应 力、剪应变集中作用促使局部岩体结构破坏，在 地下水作用下更有利于夹层的进一步泥化； 第三， 前缘 T2b3-2坡体发生局部变形破坏后，会诱发多 次牵引式连续变形，从而形成了临江 I 号滑坡堆 积体，并导致出现繁多的非连续夹层。最后，后 期斜坡中后部卸荷风化岩土体发生滑动形成变电 站滑坡和园艺场滑坡，覆盖在斜坡前缘的临江 I 号滑坡堆积体上。 表 1黄土坡斜坡演化模型计算参数 Table 1Calculation parameters of evolution model ofHuangtuposlope 地质体变形模量 E/108Pa泊松比μ内摩擦角 /黏聚力 c/104Pa抗拉强度/104Pa密度/kgm-3 T2b21630.3145.072.02052 650 T2b3下段灰岩5000.2143.044.01892 600 T2b3上段泥灰岩5100.2330.542.097.32 550 F3断层4500.2623.68.961.822 420 T2b3夹层原岩4650.2524.511.52.502 450 T2b3上段泥灰岩风化41.00.2722.88.301262 350 T2b3夹层泥化4.050.2817.76.501.122 300 潜在滑带天然2.56 0.3414.03.290.652 200 潜在滑带饱和2.46 0.3513.02.900.652 320 图 4黄土坡斜坡软弱夹层剪应力集中分布图单位N Fig.4The shear stress concentration of slope interlayer 图 5黄土坡斜坡演化过程局部剪应变集中分布图 Fig.5Local shear strain concentration of slope interlayer 3水库蓄水对斜坡变形的影响 水库蓄水改变了滑坡体的水文地质和工程地 ChaoXing 136煤田地质与勘探第 46 卷 质条件， 会改变滑坡体的应力分布特征， 在剪应力 的作用下滑坡体会发生新的剪切变形， 深部软弱夹 层为黄土坡滑坡提供多级潜在的滑带。图 6 所示 在三峡水库 145 m 蓄水后引起的剪应变增量集中 于后缘和前部深层夹层，而图 7 所示 175 m 蓄水 后引起的剪应变增量进一步向滑坡体的深部夹层 发展，并且基本上能连接成面。表明 175 m 蓄水 对滑坡体的影响深度和变形效果两方面更加明显。 图 6145 m 蓄水引起的斜坡剪应变云图 Fig.6The shear strain concentration of slope after reservoir water level of 145 m 图 7175 m 蓄水引起的斜坡剪应变云图 Fig.7The shear strain concentration of slope after reservoir water level of 175 m 随着三峡水库建成和水库作用的发挥，库水位按 照功能需要在 175 m 和 145 m 水位蓄水或者升降，数 值模拟过程中水压力利用 FLAC3D软件 water table 命 令施加，也利用 fos 命令进行强度折减计算，模拟分 析了蓄水前和蓄水后 3 种情况下滑坡体的稳定性和潜 在滑面，黄土坡滑坡在水库蓄水前后的潜在滑面变化 如图 8 所示。水库蓄水前斜坡滑坡体无库水影响，潜 在滑面仅局限于滑坡体前缘局部，受断层控制明显， 稳定系数为 1.21。水库蓄水 145 m 时斜坡天然工况下 潜在滑面延伸到中部第二条软弱夹层位置，后缘在 210 m 高程处出露，得到稳定系数为 1.203。水库蓄水 175 m 时斜坡天然工况下潜在滑面会延伸到深部第五 条软弱夹层位置， 滑面后缘在 270 m 左右高程处出露， 稳定系数为 1.209。 分析表明库水位和软弱夹层空间分 布影响潜在滑带分布及坡体安全系数，在暴雨工况滑 坡体饱和后滑坡稳定性系数会更一步降低。 4结 论 a. 巴东组第三段地层中软弱夹层发育，是巴东 扇形斜坡的主要结构面。黄土坡滑坡临江 I 号崩滑 图 8蓄水前后黄土坡滑坡潜在滑面分布图 Fig.8The distribution of potential slide zone before and after impoundment 堆积体原岩为巴东组第三段上亚段，其中软弱夹层 发育密集。 b. 根据黄土坡斜坡原岩结构建立工程地质模 型，模拟分析表明，在斜坡演化过程中软弱夹层局 部出现明显的剪应力和剪应变集中，在斜坡浅表层 应力条件和风化泥化的共同作用下，有利于斜坡岩 体沿不同泥化夹层发生变形破坏形成临江 I 号崩滑 堆积体。斜坡中后部继续变形形成了复杂的黄土坡 滑坡体。 c. 三峡水库蓄水后会加剧滑坡体的剪切变形， 泥化夹层的存在也容易诱发深层滑坡。 参考文献 [1] 殷跃平. 三峡库区边坡结构及失稳模式研究[J]. 工程地质学 报，2005，132145–152. YIN Yueping. Human-cutting slope structure and failure pattern at the Three Gorges Reservoir[J]. Journal of Engineering Geology，2005，132145–152. [2] 钟立勋. 意大利瓦依昂水库滑坡事件的启示[J]. 中国地质灾 害与防治学报，1994，5277–84. ZHONG Lixun. Enlightenments from the accident of vaiont landslide in Italy[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，1994，5277–84. [3] 王治华. 三峡水库区城镇滑坡分布及发育规律[J]. 中国地质 灾害与防治学报，2007，18133–38. WANG Zhihua. Landslide distribution and development in the towns of the Three Gorges Reservior area[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2007，18133–38. [4] 许向宁. 三峡库区奉节县地质灾害发育特征及防治[J]. 地质 灾害与环境保护，2005，16136–39. XU Xiangning. Characters of developing of the geohazards in Fenjie county ， Three-gorge reservoir area[J]. Journal of Geological Hazards and Environment Preservation， 2005， 161 36–39. [5] 柯于义，郭峰. 三峡库区巫山新县城深层基岩古滑坡研究[J]. 工业建筑，2007，37增刊 1898–902. KE Yuyi，GUO Feng. Research on ancient landslide of deep bedrock in Wushan county of the Changjiang gorges reservoir region[J]. Industrial Construction，2007，37S1898–902. [6] 邓清禄， 王学平. 斜坡深层岩石蠕变与黄土坡滑坡[J]. 长春科 ChaoXing 第 6 期肖拥军等 含软弱夹层库岸复杂滑坡体形成机制137 技大学学报，1999，29160–63. DENG Qinglu，WANG Xueping. Sackung and the Huangtupo landslide[J]. Journal of Changchun University of Science and Technology，1999，29160–63. [7] 邓清禄，王学平. 黄土坡滑坡的发育历史 坠覆滑坡改 造[J]. 地球科学，2000，25144–49. DENG Qinglu，WANG Xueping. Growth history of Huangtupo landslideDown-slope overlapping-landsliding-modification[J]. Earth Science，2000，25144–49. [8] 钟雨奕， 苏海， 潘皇宋. 成仁高速红层分布区开挖边坡变形特 征及机制[J]. 煤田地质与勘探，2017，45296–100. ZHONG Yuyi ， SU Hai ， PAN Huangsong. Deation characteristics and mechanism of an excavation slope in red bed area of Chengren highway[J]. Coal Geology Exploration ， 2017，45296–100. [9] 许锐，程辉，李寻昌，等. 施工诱发边坡失稳变形机制及应急 治理对策[J]. 煤田地质与勘探，2017，453107–111. XU Rui ， CHENG Hui ， LI Xunchang ， et al. Deation mechanism and urgent treatment of unstable slope induced by construction[J]. Coal Geology Exploration，2017，453 107–111. [10] 肖拥军，殷坤龙，黄学斌，等. 巴东新城白土坡深层岩体软弱 夹层地质特征[J]. 水文地质工程地质，2007，34672–75. XIAO Yongjun，YIN Kunlong，HUANG Xuebing，et al. Weak intercalated layers’ geologic feature in deep-seated rock mass of Baitupo slope in Badong new town-site of the Three Gorges reservoir[J]. Hydrogeology Engineering Geology ， 2007 ， 34672–75. [11] 柴波，殷坤龙，肖拥军. 巴东新城区库岸斜坡软弱带特征[J]. 岩土力学，2010，3182501–2506. CHAI Bo，YIN Kunlong，XIAO Yongjun. Characteristics of weak-soft zones of Three Gorges Reservoir shoreline slope in new Badong county[J]. Rock and Soil Mechanics，2010，318 2501–2506. [12] 简文星， 杨金. 三峡库区黄土坡滑坡Ｉ号崩滑体成因[J]. 地球 科学，2013，385625–631. JIAN Wenxing，YANG Jin. ation mechanism of No.1 part slide of Huangtupo landslide in the three gorges reservoir area[J]. Earth Science，2013，385625–631. [13] 江洎洧，项伟，张雪杨. 基于 CT 扫描和仿真试验研究黄土坡 滑坡原状滑带土力学参数[J]. 岩石力学与工程学报，2011， 3051025–1033. JIANG Jiwei，XIANG Wei，ZHANG Xueyang. Research on mechanical parameters of intact sliding zone soils of Huangtupo landslide based on CT scanning and simulation tests[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，305 1025–1033. [14] 王君鹭， 唐辉明， 倪卫达. 黄土坡滑坡滑带土非饱和力学特性 试验研究[J]. 工程地质学报，2015，232211–218. WANG Junlu ， TANG Huiming ， NI Weida. Unsaturated mechanical property test of sliding-zone soil of Huangtupo landslide[J]. Journal of Engineering Geology，2015，232 211–218. [15] 刘身伟， 王菁莪， 刘清秉. 黄土坡滑坡原状滑带土的蠕变与应 力松弛性质[J]. 水利与建筑工程学报，2016，143137–142. LIU Shenwei， WANG Jing’e， LIU Qingbing. Creep property and stress relaxation of undisturbed soil from Huangtupo landslide[J]. Journal of Water Resources andArchitectural Engineering， 2016， 143137–142. 责任编辑 张宏 ChaoXing