唐古栋滑坡变形破坏机制及岸坡稳定性研究

肖华波，王 刚，郑汉淮，夏万洪

（中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072）

1 研究背景

唐古栋滑坡位于雅砻江中游雅江县孜河乡雨日村，处于楞古水电站预可行性研究阶段上、下2个比选坝段之间，上距上坝段约1.5 k m，下距下坝段约10.2 k m，处于下坝段库区内。

唐古栋滑坡坡体结构特殊，边坡中、后部以陡裂为主，易发生剪出破坏的缓倾坡外结构面仅在前缘发育。已有顺坡向结构面发育边坡变形破坏机制研究中，对遍布顺坡向结构面（如顺层边坡的层面）发育类边坡研究较多［1］，对前缘缓倾坡外结构面发育这类特殊地质结构的边坡研究尚少。本文以唐古栋滑坡为研究对象，结合边坡岩体结构分析及三维有限差分计算，对该类边坡变形破坏机制进行了探讨。在此基础上，分析了唐古栋滑坡上游侧变形体的变形发展趋势及稳定性，对待建的楞古水电站坝段选择具有十分重要的工程意义。

2 唐古栋滑坡坡体结构特征

唐古栋滑坡发生于1967年，失稳方量约6 800万m3，失稳后滑面形态呈铲状，上游侧尚残存规模达2 800万m3的松动变形体，见图1。滑坡区地层岩性为三叠系上统侏倭组（T3zh）变质砂岩与印支—燕山期侵入的花岗伟晶岩脉（γρ），岩层产状为N50°～75°W／NE∠40°～60°，倾向坡内。滑坡区内无大规模断裂通过，受地质构造作用影响不同，边坡不同高程岩体结构特征差异明显，中、上部边坡主要发育4组陡倾裂隙，其中产状 N25°～40°E／SE～NW∠75°～90°组裂隙在卸荷带内多被改造成为卸荷裂缝，局部发育2组中倾角倾坡外的挤压破碎带，但规模不大。前缘边坡内破碎带不发育，共发育3组优势裂隙，其中产状 N75°～85°W／SW∠5°～20°组缓倾坡外裂隙十分发育，延伸长度一般10～20 m，可构成潜在底滑面，对坡体稳定影响较大。

图1 唐古栋滑坡全貌Fig.1 Panorama of Tanggudong landslide

3 唐古栋滑坡变形破坏机制分析

3.1 唐古栋滑坡概况

1967年6月8日，唐古栋滑坡发生堰塞堵江溃缺事件，滑体横河长约1.4 k m，顺河宽约1 k m，展布面积约1.1 k m2，前缘高程2 475～2 500 m，后缘高程3 500 m，高差约1 000 m，总方量约0.68亿m3，堵塞雅砻江后形成一高175 m（右岸）至335 m（左岸）的堰塞坝，壅高水位高程达2 575 m，堰塞湖回水53 k m，库容6.8亿m3。堵塞河道9 d后溃坝，溃缺后洪峰流量达53 000 m3／s，坝下游洪水位陡涨到50.4 m，溃坝洪水沿雅砻江而下，冲毁房屋、田地、公路、桥梁等，对下游造成巨大损失。

据调查访问，中下部坡体首先发生明显的变形破坏，早在1960年坡表就出现了横向拉裂缝，随后裂缝数目逐年增多，规模也逐渐扩大，至1966年，沿裂缝形成的下错台阶最大错距竟达30多m［2］。在滑坡发生前几天，斜坡中下部出现了多处纵向鼓胀变形裂缝，后缘相应出现了横向拉裂缝，后缘3 525～3 530 m高程至今仍保留了滑坡发生前产生的延伸长约50 m的横向拉裂缝，拉裂缝外侧树木倾斜，有马刀树生长。

3.2 变形破坏机制定性分析

中、上部边坡内发育的结构面主要为倾向坡内层面及4组陡倾角裂隙，倾坡外破碎带仅局部发育，且延伸长度不大，不能形成大规模的控制性底滑面，因此，在河谷下切过程中，边坡变形主要受卸荷回弹影响，沿陡倾裂隙追踪发展成为卸荷裂缝，目前滑床岩体内仍见发育，张开1～10 c m。随着河谷下切，在重力场作用下卸荷裂缝不断延伸发展，加之倾坡外挤压破碎带及岩脉破碎带的串联贯通，逐渐形成一个连续的变形界面。边坡累计形成的变形能不能有效释放，不断向边坡前缘推进，导致前缘应力高度集中。

前缘边坡普遍发育一组产状为N75°～85°W／SW∠5°～20°的缓倾坡外裂隙，河流揭穿前缘边坡后，产生滑移—压致拉裂变形，岩体沿缓倾坡外裂隙滑移错位，底部形成压剪裂缝，后缘形成倒“V”字形拉裂缝（见图2），多条缓倾坡外裂隙、压剪裂缝、拉裂缝便构成阶梯状组合滑面。变形逐渐向坡体后缘发展，贯穿到地表后形成地表裂缝，这正是1960年边坡中下部横向拉裂缝形成的原因。

图2 前缘边坡滑移—压致拉裂变形Fig.2 Sliding-tension pressed defor mation in slope foreside

中、后部卸荷拉裂变形向边坡下部发展，前缘滑移—压致拉裂变形向上部发展，不断吞噬、破坏它们之间的相对完整岩体，使其范围逐渐变小，并最终被完全剪断，从而整个边坡发生失稳破坏。

3.3 变形破坏机制数值模拟分析

为进一步分析验证边坡变形破坏机制，利用FLAC3D程序，模拟了雅砻江下切过程中边坡应力、应变发展规律。对雅砻江下切的模拟，以三级夷平面作为初始状态，分为Ⅶ～Ⅰ级阶地、现代河床共8个下切过程［3］。模型中模拟了边坡前缘普遍存在的缓倾坡外裂隙和中、上部发育的陡倾卸荷裂隙。模型中主要包括松动岩体、强卸荷岩体、弱卸荷岩体、微新岩体及卸荷裂隙、前缘缓倾坡外裂隙，各岩体及结构面物理力学参数取值见表1。

表1 唐古栋滑坡岩体及结构面物理力学参数取值Table 1 Physico-mechanical parameters for the si mulation of Tanggudong landslide’s rock mass and str uctur al planes

模拟结果显示，边坡内应力、应变发展总体可以分为3个阶段：

（1）卸荷拉裂变形阶段。该阶段历时最长，前缘缓倾坡外结构面未被揭露出来，边坡变形主要表现为卸荷回弹变形及卸荷裂隙的追踪发展，边坡位移值较小，一般为几个c m。卸荷裂隙相互贯通形成卸荷带，带内岩体应力松弛，而卸荷带下端则出现应力集中（见图3），卸荷带不断向前缘推进，其松弛应力也不断向前缘转移。

图3 卸荷拉裂变形阶段最大主应力分布特征Fig.3 Distribution of maxi mum principal stress during unloading defor mation

（2）滑移—压致拉裂变形阶段。河谷下切至现代河床，边坡前缘大量缓倾坡外结构面被揭露出来，受控于该组结构面的滑移—压致拉裂变形使得前缘坡体位移大增，迭代计算1 000步时，总位移达12～15 c m，并与中、上部坡体卸荷拉裂变形相互促进，导致前缘2 650 m高程以下及中、上部2 800 m高程以上岩体内均形成连续的剪应变增量集中条带，但在2 650～2 800 m高程段未贯通，形成支撑边稳定的锁固段（见图4）。

图4 滑移—压致拉裂变形阶段剪应变增量分布特征Fig.4 Distribution of shear strain increment during sliding-tension pressed defor mation

（3）锁固段累进性破坏阶段。迭代计算继续进行，边坡变形不断增大，最终坡内形成完全贯通的剪应变增量集中条带（见图5），计算不能收敛，边坡整体进入失稳状态。

图5 锁固段累进性破坏阶段剪应变增量分布特征Fig.5 Distribution of shear strain increment during progressive failure of locked rock mass section

值得注意的是，边坡变形演化过程中，锁固段岩体变形发展具有一个明显的转折点（见图6），位于边坡变形由滑移—压致拉裂变形向锁固段累进性破坏转变阶段，之前锁固段岩体累计变形仅几个厘米，之后则向坡外、向下的位移迅猛增加，同时整个边坡变形不能收敛。模拟结果与调查访问获知的“斜坡中下部（即锁固段岩体）出现鼓胀变形后几天内唐古栋滑坡便发生整体失稳”这一现象具有较好的一致性，共同反映出锁固段岩体鼓胀变形、位移陡增，预示着边坡将整体进入临滑状态。

图6 河谷演化全过程中锁固段岩体变形发展过程Fig.6 Develop ment of the defor mation of locked rock mass section with the erosion of the Yalong River in geological history

3.4 变形破坏机制综合分析

图7 前缘缓倾坡外结构面发育高边坡变形演变过程Fig.7 Develop ment of def or mation in slope with structural planes dipping outside in slope f oreside

通过对唐古栋滑坡变形破坏机制的定性分析及数值模拟研究，得出该类前缘缓倾坡外结构面发育高边坡变形破坏机制可归纳为卸荷拉裂—滑移（压致）拉裂—剪断3段式［4］机制，边坡变形破坏具有分3段发育的特征，即中、上部沿陡倾角裂隙卸荷拉裂并相互发展贯通、前缘沿缓倾角裂隙滑移（压致）拉裂、中部锁固段剪断。

可能产生这类变形模式的边坡具有如下特殊地质结构：①边坡中、上部顺坡向结构面以陡倾角为主，不具备形成剪出破坏的条件；②前缘缓倾角结构面发育，一般情况下结构面倾角小于20°时，前缘边坡易发生滑移—压致拉裂变形，结构面倾角大于或等于20°时，易发生滑移—拉裂变形；③边坡岩块强度高，一般为较硬岩或坚硬岩石。

该类边坡的变形破坏机制主要表现为以下的阶段性过程（见图7）：

（1）河谷未大量揭露前缘缓倾坡外结构面的卸荷变形阶段（图7（b））。河谷下切过程中，边坡发生卸荷回弹变形，改造已有陡倾角裂隙并沿两端追踪发展形成卸荷裂缝［5］，随后坡体在自重应力的长期作用下，卸荷裂缝相互贯通。该阶段由于卸荷裂缝的发展贯通，使得应力和应变能不断向边坡中下部累积，河流切割越深，能量累积越大。

（2）河谷大量揭露前缘缓倾坡外结构面的滑移（压致）拉裂变形阶段（图7（c））。前缘沿缓倾坡外结构面发生滑移（压致）拉裂变形并不断向边坡上部发展，同时，中、后部卸荷变形向边坡下部发展，它们之间的相对完整岩体，构成边坡变形的锁固段，坡体的稳定性将主要由锁固段来维系，锁固段的应力也随着卸荷拉裂段和滑移（压致）拉裂段的发展而逐渐积累。

（3）锁固段累进性破坏阶段（图7（d））。当前缘滑移（压致）拉裂变形范围进一步扩大、后缘卸荷拉裂加深到一定深度时，锁固段的应力积累使这部分岩体进入累进性破坏阶段，变形陡然增加、岩体扩容，并最终剪断锁固段，发生突发的脆性破坏［4］。

该类边坡的变形、破坏的特点：①边坡变形孕育时间长，变形规模大，蓄积能量高，锁固段突发剪断伴随有很大的峰、残强度差［4］，边坡岩体的应变能得以突发释放，所发生的滑坡规模大、滑速高；②锁固段岩体鼓胀变形、位移陡增是边坡进入临滑状态的预示点。

4 唐古栋滑坡上游侧变形体稳定性及工程影响分析

4.1 变形特征

唐古栋滑坡上游侧边坡坡体结构与唐古栋滑坡失稳前基本一致，目前，边坡前缘及上部各发育一松动变形体（见图8）。

图8 唐古栋滑坡上游侧变形体工程地质剖面Fig.8 Engineering geological profile of the def or mation body in the upstream side of Tanggudong landslide

（1）前缘2 395～2 750 m高程发育拉裂松动体，水平变形深度90～140 m，方量约1 000万m3，与唐古栋滑坡前缘变形特征相同，沿产状为N75°～85°W／SW∠5°～20°组缓倾坡外结构面产生滑移—压致拉裂变形，结构面上、下盘岩体滑移错位达1～10 c m，变形导致2 660～2 720 m高程平台内出现多条延伸数十米的拉裂缝、拉陷槽。

（2）边坡上部2 840～3 500 m高程发育蠕滑体，水平变形深度100～130 m，方量约1 800万m3，受卸荷—拉裂变形及蠕滑变形组合控制。蠕滑体后缘3 219.5 m高程HTPD05平硐硐深106 m处上覆岩土体沿倾坡外断层f5-1发生蠕滑变形，该断层产状为EW／S∠60°，宽80 c m，沿断层带上盘可见岩块转动变形现象；位于3 009.17 m高程的HTPD03平硐洞深103 m处揭露由花岗伟晶岩脉接触破碎带改造形成的卸荷裂缝L3-6，产状为N60°E／SE∠65°，张开2～3 m，仅充填少量岩块，架空明显。蠕滑体变形强烈，但控制其变形的结构面倾角均较大（≥60°），大于边坡坡度（平均35°），不具备形成剪出破坏条件，在坡表也未发现剪出变形现象。2处变形体岩体均呈碎裂结构，弱偏强风化状态，勘探平硐成型不规则，开挖后塌顶、掉块严重，平硐多需密集支撑方可成硐，钻孔岩芯呈碎块状—短柱状，2处变形体之间2 583～2 970 m高程发育较完整岩体，呈外凸状，镶嵌结构，弱风化状态，岩芯以柱状—长柱状为主。

4.2 稳定性及工程影响分析

唐古栋滑坡上游侧变形体3段式特征明显：前缘2 395～2 750 m高程为缓倾坡外结构面控制的滑移—压致拉裂变形段，中、上部2 840～3 500 m高程为陡倾结构面控制的卸荷拉裂变形及蠕滑变形段，它们之间则岩体较完整，是支撑边坡稳定的锁固段。其变形机制符合卸荷拉裂—滑移（压致）拉裂—剪断3段式机制。

目前，边坡变形处于该机制中变形发展过程的第2个阶段，锁固段承受着较大的累计应力，且仍在随着卸荷拉裂段和滑移—压致拉裂段的发展不断加强。由于锁固段岩体尚较完整，前缘拉裂变形体仍具有一定的抗变形能力，目前边坡整体处于基本稳定状态。但下坝段蓄水将使前缘岩体受水浸泡，结构面强度降低，抗力减小，根据数值模拟得出，当下坝段蓄水、地震工况共同作用下，锁固段岩体内最大主应力将增加约23%，最小主应力降低约12%，最大主应力增加、最小主应力降低的应力调整方式对锁固段稳定极为不利，与此同时，锁固段岩体内出现大量的塑性破坏区，位移较大，一旦锁固段被突发剪断，边坡可能发生整体高速失稳，失稳方量共达3 100万m3，其堰塞、涌浪可能对下坝段枢纽建筑构成较大危害。变形体位于上坝段下游，无工程蓄水影响，边坡发生大规模失稳的可能性小。相比上、下坝段2种比选方案，无论工程建设对变形体稳定性的影响，还是变形体对工程建设的影响，上坝段均影响较小。

5 结 论

本文以唐古栋滑坡为研究对象，通过分析前缘缓倾坡外结构面发育高边坡变形破坏机制，并研究唐古栋滑坡上游侧变形体的稳定性及工程影响，主要有以下几点认识：

（1）前缘缓倾坡外结构面发育高边坡变形破坏机制可归纳为“卸荷拉裂—滑移（压致）拉裂—剪断”3段式机制，该类边坡变形规模大、滑速高、危害大，工程中应高度重视。

（2）前缘缓倾坡外结构面发育高边坡失稳前其稳定性主要依靠锁固段岩体维系，锁固段岩体鼓胀变形、位移陡增预示着边坡将整体进入临滑状态，因此，锁固段岩体的变形监测是该类边坡监测预警的重点部位。

（3）唐古栋滑坡上游侧变形体受楞古水电站下坝段蓄水及地震作用影响大，可能发生整体高速失稳，对下坝段方案的枢纽建筑物安全构成较大威胁。上坝段方案工程建设与变形体稳定性之间的相互影响则较小。

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