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九龍峽水電站I#滑坡形成機(jī)制及穩(wěn)定性分析*

2021-06-06 09:52:02王軍
采礦技術(shù) 2021年3期
關(guān)鍵詞:千枚巖后緣坡體

王軍

(1.華北有色工程勘察院有限公司, 河北 石家莊 050021;2.河北省礦山地下水安全技術(shù)創(chuàng)新中心, 河北 石家莊 050021)

0 引言

受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地層巖性等地質(zhì)條件的影響,白龍江流域河谷兩側(cè)發(fā)育大量滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[1]。對(duì)滑坡的形成機(jī)制進(jìn)行研究可以為滑坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)防治提供重要依據(jù)[2]。自瓦伊昂滑坡發(fā)生后,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)順層滑坡的地質(zhì)力學(xué)模式和形成機(jī)制進(jìn)行了大量的研究[3]。九龍峽I#滑坡千枚巖與板巖順層滑移-彎曲破壞模式的形成機(jī)制的研究理論相對(duì)較少[4?10]。九龍峽I#滑坡位于壩線上游1.1 km的白龍江右岸,一旦失穩(wěn)將直接影響到擋水建筑物及水庫(kù)的運(yùn)行安全,故對(duì)其形成機(jī)制和穩(wěn)定性進(jìn)行探討具有重要的工程意義。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌

滑坡區(qū)內(nèi)河谷深切,剖面上呈“V”字形,右岸為河流侵蝕岸,下游側(cè)為河流拐彎處;左岸為堆積岸,發(fā)育有白龍江的Ⅱ級(jí)階地,階面最大寬度約450m。由于特殊地形、河流側(cè)蝕及侵蝕作用,從而為滑體的產(chǎn)生形成了高陡的臨空條件。

1.2 地層巖性

滑坡區(qū)基巖地層為互層的下志留統(tǒng)薄層狀千枚巖與板巖,巖層產(chǎn)狀為NW290°~320°/NE∠47°~57°,總體傾向岸外偏上游。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

滑坡處在白龍江斷裂的上盤面,距白龍江斷裂0.6 km,受白龍江斷層的逆沖影響,千枚巖、板巖層間產(chǎn)狀變化較大,層間擠壓帶、節(jié)理裂隙較發(fā)育。滑坡區(qū)基巖發(fā)育的結(jié)構(gòu)面主要有3組:NE75°/NW∠85°,為構(gòu)成滑坡下游側(cè)的邊界結(jié)構(gòu)面;NW292°~355°/SW∠32°~62°,該組結(jié)構(gòu)面為中-緩傾坡內(nèi)、偏上游;NW 348°/ NE∠45°,該組結(jié)構(gòu)面為傾向坡外、偏下游,構(gòu)成上游側(cè)的邊界結(jié)構(gòu)面;NW295°/NE∠50°,為層面。上述結(jié)構(gòu)面的發(fā)育為滑坡變形破壞奠定了基礎(chǔ)條件?;聟^(qū)的結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征統(tǒng)計(jì)如圖1所示。

圖1 節(jié)理裂隙發(fā)育等密度圖

2 滑坡基本特征

2.1 滑坡形態(tài)及規(guī)模

I#滑坡屬于大型的巖質(zhì)滑坡,平面形態(tài)呈不規(guī)則的扇形,地貌形態(tài)上呈圈椅狀地形(見圖2)?;虑熬壖舫隹谧畹透叱虨?923m,堆積物頂面高程約為2010m,后緣高程約為2195m,高差約為270m;滑坡橫向長(zhǎng)約為790m,縱向長(zhǎng)約為475m;鉆孔資料表明,滑體平均厚度為60m左右,最厚可達(dá)107m,總體積約1847×104m3,其中正常蓄水水上體積為1556×104m3,水下體積為291×104m3,主滑方向?yàn)镹E18°。

圖2 九龍峽I#滑坡全貌

滑坡前緣地形陡峻,坡角為36°~42°,中部1975m~2070m高程發(fā)育有較平緩的緩坡臺(tái)地,坡度為15°~18°,滑體上部覆蓋有崩坡積的塊碎石土。

2.2 滑坡邊界特征

I#滑坡上、下游側(cè)以沖溝為界,上游側(cè)沖溝切割深度可達(dá)8m~15m,中下部溝谷較寬闊。在上游邊界側(cè)緣靠后緣一帶有陡坎狀地貌,且可見千枚巖、板巖基巖出露,產(chǎn)狀為NW320°~348°/NE∠42°~45°;下游邊界也有沖溝發(fā)育,溝谷形狀較彎曲,中后部可見明顯的錯(cuò)動(dòng)壁,基巖以千枚巖為主?;潞缶壙梢娸^清晰新的弧狀拉裂陡坎,發(fā)育高程為2205m,高差為3m~8m;陡坎處可見強(qiáng)風(fēng)化千枚巖,陡坎以下為滑坡堆積體,下游側(cè)拉裂變形不明顯,后緣上游一帶滑坡破裂壁明顯。

滑坡前緣剪出口(見圖3)位于正常河水位面附近,高程約1925m左右。在剪出口部位取樣過程中,見到滑動(dòng)面光滑、且有擦痕,構(gòu)成滑帶的物質(zhì)主要為巖屑、巖粉和少量灰色泥質(zhì),滑帶厚度為10 cm~30 cm。

圖3 滑帶及滑面特征

2.3 變形破壞特征

I#滑坡變形破壞跡象明顯,除坡體后緣和上游側(cè)發(fā)育有明顯的拉裂、破裂壁外,滑坡體表面尤其前緣一帶淺表層坡體塌滑、拉裂變形明顯。后緣發(fā)育有呈弧形延伸、貫通性較好的拉裂陡坎,拉裂錯(cuò)動(dòng)高度約為3m~8m;上游側(cè)形成的拉裂、錯(cuò)動(dòng)高差為7m~9m,坡角為60°~65°的拉裂陡坎由滑坡前緣剪出口一直延伸至滑坡后緣。

除上述邊界部位處的破壞特征外,坡體中前部淺表層塌滑、拉裂、陷落變形較顯著,局部形成拉裂陡坎、拉裂陷落帶。圖4為坡體內(nèi)發(fā)育的拉裂陡坎狀地貌。

圖4 中部拉裂陡坎

滑坡體的拉裂變形主要分布在2145m高程以下至前緣地帶,其拉裂從上游邊界開始逐漸向下游方向坡體后緣斷續(xù)延伸。在高程2030m一帶的緩坡臺(tái)地至陡坎前緣一帶,順河向拉裂較發(fā)育,局部拉裂、陷落帶寬為3m~4m,錯(cuò)距為1.0 cm~2.5m,且表現(xiàn)外側(cè)低、內(nèi)側(cè)高,從前緣到后緣呈牽引、滑移式變形特征。

滑坡體除發(fā)育拉裂縫、拉裂陡坎外,在坡體中,因拉裂還發(fā)育有大量的落水洞(見圖5),其直徑一般24 cm~30 cm,大的可達(dá)50 cm~60 cm,可見深度為50 cm~100 cm。坡體表面“馬刀樹”較發(fā)育,從另一方面反映了坡體呈持續(xù)蠕變的特征。

圖5 滑坡體中發(fā)育的落水洞

3 滑坡形成機(jī)制

I#滑坡所在范圍內(nèi)前緣有白龍江河流切割,下游發(fā)育有沖溝,且滑坡所處右岸為河流侵蝕岸,左岸為堆積岸、發(fā)育Ⅱ級(jí)階地。在Ⅱ級(jí)階地以下呈河槽型地貌特征,即該階段河流浸蝕作用強(qiáng)烈。這些因素為滑坡的形成與演化提供了較好的臨空條件。此外,滑坡區(qū)巖層走向(NW290°~320°)與河谷走向(NW300°)大致相同,基巖產(chǎn)狀為NW290°~320°/NE∠47~57°,總體傾向岸外偏下游的中陡傾角順向坡,天然坡度角多在35°以上。岸坡的巖體為薄層狀千枚巖與板巖互層,質(zhì)軟的千枚巖與板巖在自重作用下易發(fā)生順層或片理面的滑移-彎曲變形。因此該段岸坡具有發(fā)育一定規(guī)?;茝澢冃蔚膸r性、地形條件。其發(fā)育形成過程如下。

(1)卸荷拉裂、巖體輕微彎曲階段。在河谷形成過程中,伴隨河流下切、側(cè)蝕作用,因大面積卸荷,使岸坡巖體沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生松弛,導(dǎo)致中陡傾角的片理面卸荷、回彈;在前緣臨空、巖體自重作用下,巖體沿層面發(fā)生滑移,但是由于滑移面并未臨空,使巖體下滑受阻,從而造成坡腳附近順層板梁承受縱向壓應(yīng)力,并發(fā)生彎曲變形,如圖6及圖7(a)所示。

(2)順層蠕移、強(qiáng)烈彎曲隆起階段。隨著坡腳板梁的彎曲變形,中上部巖體進(jìn)一步滑移、拉裂,大氣降水沿拉裂縫下滲,水的作用使層間軟弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度降低,加速了中上部巖體沿層間結(jié)構(gòu)面蠕滑變形,巖體彎曲變形加劇。由于彎曲部位巖體強(qiáng)烈擴(kuò)容,地面顯著隆起,巖體松動(dòng)加劇,使坡腳出現(xiàn)局部崩落,從而加劇了滑移剪切面向深部發(fā)展。彎曲變形進(jìn)一步加劇,巖層形成類似褶曲的彎曲形態(tài),在彎曲端端部形成張裂帶,如圖7(b)和圖7(c)所示。

(3)滑移面貫通、滑坡形成階段。當(dāng)斜坡變形進(jìn)一步加劇,彎曲的巖層將沿張裂帶折斷(或潰屈),并與上部滑移面貫通、整體失穩(wěn)形成滑坡,如圖7(d)所示。在滑坡的形成過程中,滑體沿凸的張斷帶潰屈,滑坡的規(guī)模稍??;當(dāng)滑坡沿巖層根部的張裂帶貫通時(shí),滑坡規(guī)模加大。

圖6 彎曲變形特征

圖7 順層滑移彎曲滑坡的形成過程

4 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4.1 計(jì)算參數(shù)

借助有限元法,選?、?滑坡典型剖面,獲得因滑體自重而在滑面上產(chǎn)生的正應(yīng)力。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)及巖土體物理力學(xué)性質(zhì)綜合確定計(jì)算參數(shù),見表1。

4.2 計(jì)算結(jié)果

選取滑坡典型剖面建立穩(wěn)定性計(jì)算模型(見圖8、圖9),基于表1的計(jì)算參數(shù)采用4種方法對(duì)邊坡蓄水前和蓄水后的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。計(jì)算成果見表2和表3。

表1 穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

圖8 蓄水前滑體穩(wěn)定性計(jì)算模型

圖9 蓄水后滑體穩(wěn)定性計(jì)算模型

表2 蓄水前滑坡穩(wěn)定性計(jì)算成果

表3 蓄水位后I#滑坡穩(wěn)定性計(jì)算成果

由計(jì)算結(jié)果可知,4種方法對(duì)邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致,蓄水前天然條件為1.132~1.144,暴雨條件為1.032~1.051,地震條件為1.024~1.054,暴雨、地震疊加情況下,穩(wěn)定性系數(shù)小于1。即天然工況下該滑坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài),暴雨或地震工況下滑坡整體呈欠穩(wěn)定狀態(tài),暴雨和地震疊加條件下滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

水庫(kù)蓄水后滑坡體的穩(wěn)定性明顯低于蓄水前,穩(wěn)定性系數(shù)總體隨庫(kù)水位的升高而有所降低,天然條件為1.015~1.053、呈欠穩(wěn)定狀態(tài);暴雨條件為0.992~1.009,處于極限平衡狀態(tài);地震條件為0.922~0.949,呈不穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)語

(1)九龍峽I#滑坡具有發(fā)育一定規(guī)?;茝澢冃蔚膸r性、地形條件,變形機(jī)制為質(zhì)軟的千枚巖與板巖在自重作用下發(fā)生順層的滑移-彎曲變形。

(2)在蓄水前天然工況下,該滑坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài);暴雨或地震工況下,滑坡整體呈欠穩(wěn)定狀態(tài);暴雨和地震疊加條件下,滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài),這與現(xiàn)場(chǎng)勘查的定性分析基本一致。預(yù)測(cè)蓄水后穩(wěn)定性有所降低。

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