地质力学学报  2014, Vol. 20 Issue (3): 274-284
引用本文
张淼, 张春山, 杨为民, 王秋梅, 刘玄, 刘廷. 青海循化县查汗都斯水库滑坡形成条件与稳定性分析[J]. 地质力学学报, 2014, 20(3): 274-284.
ZHANG Miao, ZHANG Chun-shan, YANG Wei-min, WANG Qiu-mei, LIU Xuan, LIU Ting. THE FORMATION CONDITIONS AND STABILITY OF CHAHANDUSI RESERVOIR LANDSLIDE IN XUNHUA COUNTY, QINGHAI PROVINCE[J]. Journal of Geomechanics, 2014, 20(3): 274-284.
青海循化县查汗都斯水库滑坡形成条件与稳定性分析
张淼1,2 , 张春山1 , 杨为民1 , 王秋梅2 , 刘玄2 , 刘廷2     
1. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
2. 中国地质大学地球科学与资源学院, 北京 100083
摘要:在开展循化县查汗都斯水库滑坡野外调查及工程地质调查的基础上, 简述了滑坡的发育特征、探讨了滑坡的形成条件, 进行了稳定性分析。研究表明, 地形地貌、地层岩性、地震活动及降水是该滑坡形成的主要因素。本文采用毕肖普法对该滑坡按天然状态和饱水状态两种工况进行稳定性计算, 采用ANSYS软件进行二维数值模拟分析, 所有结果均显示该滑坡目前处于基本稳定-稳定状态。建议对滑坡进行必要的监测或群测群防。
关键词查汗都斯水库    滑坡    形成条件    稳定性分析    
THE FORMATION CONDITIONS AND STABILITY OF CHAHANDUSI RESERVOIR LANDSLIDE IN XUNHUA COUNTY, QINGHAI PROVINCE
ZHANG Miao1,2 , ZHANG Chun-shan1 , YANG Wei-min1 , WANG Qiu-mei2 , LIU Xuan2 , LIU Ting2     
1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
2. School of Geosciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
Abstract: Based on the field work and engineering geologic investigation of Chanhandusi Reservoir Landslide in Xunhua County, this paper focuses on the development characteristics, formation conditions and stability analysis of this landslide. The result shows that this landslide is mainly influenced by landforms, stratum lithology, earthquake and hydrology. ANSYS is used for the stability analysis, which suggests that Chahandusi Reservoir Landslide is currently under stable state. It is necessary for landslide monitoring.
Key words: Chanhandusi reservoir landslide    formation conditions    stability analysis    
0 引言

水库工程是国民生产建设的重要水利设施,经常会遇到岸坡稳定性问题。水库库岸边坡稳定性关系到设施本身以及下游人民生命财产安全。水库边坡一旦发生滑坡将会造成巨大的财产损失或人员伤亡。库岸滑坡的危害主要表现为:大量岩土滑入库内,减少有效库容,直接威胁建筑物运营安全;如果大型滑坡体高速滑入库内,会产生巨大涌浪,对大坝也会形成很大的冲击荷载,导致大坝失事,给下游人民生命财产带来巨大损失[1]。例如,1964年10月9日,意大利瓦伊昂水库左岸滑坡,滑体体积约3×108 m3,冲毁坝体并造成了下游2400余人死亡[2]。1963年湖南柘溪水电站,近坝库区右岸发生滑坡,引起库水涌浪高达21 m,也造成了严重的事故[3]

库岸滑坡的稳定性问题是当今水电工程中的重点研究问题之一。国外开展库岸滑坡调查较早,如琼斯等在1941—1953年调查了罗斯福湖(大古力水电站)附近发生的滑坡,其分析结果是:49%的滑坡发生于蓄水初期,30%发生于库水位突降10~20 m的条件下。1990年,中村浩之等[4]根据一些水库滑坡实例,通过分析及实测研究,认为浸水和库水位急剧降低和降雨是库岸滑坡形成的主要因素。在我国,随着近些年来大量水电站的修建,人们更加意识到库岸边坡稳定的重要性,不少学者进行了大量的研究工作,取得了大量的研究成果,主要结论与国外学者基本类似。

查汗都斯水库位于循化县查汗都斯乡政府西南5 km处的比塘沟内,地理坐标为:东经102°16′14″,北纬35°49′20″。该水库是在滑坡体上修建的。1961年11月14日查汗都斯乡比唐沟左岸发生巨型滑坡,淹没水磨1座,死亡1人。该滑坡为高速远程滑坡,势能较大,滑体大部完整,滑体前缘滑到沟对岸后返回堆积阻塞比唐沟,形成堰塞湖。1962年滑坡经过人工改造,形成目前的查汗都斯水库,水库蓄水量近450×104 m3。在水库下游有11个自然村,977户近7500人以及800 hm2(12000亩)农田及林地。因此,开展查汗都斯水库滑坡的稳定性分析评价,对查汗都斯地区的国土资源开发和规划、保持社会稳定有重要意义。

本文主要采用极限平衡法中的毕肖普法对查汗都斯水库滑坡进行稳定性评价。该方法是在考虑土条之间的水平作用力的基础上,对滑坡稳定性进行定量分析。其主要优点是计算简单,计算精度高,但该方法必须经过大量试算,过程较为繁琐。另外采用ANSYS软件进行二维数值模拟分析,验证计算结果。

1 滑坡区域地质背景及发育特征 1.1 区域地质背景

查汗都斯水库位于循化县西北部查汗都斯乡,循化县南北分别由拉鸡山南断裂及西秦岭北缘断裂控制[5]。该地区自第四纪早期以来以震荡式上升运动为主,形成了循化盆地,在后期的水蚀及其他动力作用下,形成了现今的构造地貌条件。这些都为崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害的发生提供了良好的物质基础及形成条件。循化县地区地质灾害危险性指数为0.3417,属较低危险程度地区[6]

该地区地震活动较少,根据青海省地震目录统计,自公元373年来。该县共发生6次大于2.0级的地震,其中最强的一次为4.0级[7]。但其周边地震活动比较强烈,如在研究区西部约200 km的共和县塘格木镇1990年曾发生7.0级地震[8~9]

1.2 工程地质条件

滑坡区主要出露地层为新近系红色砂和泥岩互层,在河谷中发育第四系松散堆积物。在滑坡体上依据钻孔资料自上至下共发育5组地层[7]

① 碎石土(Q4dl):颜色为浅红色,较松散,土为黏土,含量约占25%,砂砾石约占65%。其次里面夹有大于10 cm的卵石,砾卵石成分以砂岩为主,呈灰白色。卵石约占10%。分布在地表,整体层厚度为7 m。

② 泥岩夹砂砾岩互层(N):颜色为土红色,因滑动整个地层均较疏松,岩心呈松散状及短柱状,泥岩厚约30~80 cm,夹有少量的砂砾,砂砾层厚0.5~1.0 m。整体层厚24.5 m。

③ 碎石土(Q4dl):颜色为青灰色,呈米胶结状态,胶结物为黏土,碎石呈棱角状,最大粒径10 mm左右,含量约占60%,黏土质约占40%。整体层厚20 m。

④ 泥岩(N):颜色土红色,胶结较好,锤击易碎。岩心多量碎块状,含砂,碎石(64~68.5 m段滑坡滑动带)。滑动带向下,成岩性好。岩心呈20~30 cm的柱状,含有5~8 mm的碎石,新鲜面有锈红色斑点,具斜层理,倾角5°左右。整体层厚43 m。

⑤ 砂砾石(Q4dl-pl):颜色为紫红色,青灰色。呈米胶结状态,胶结物为黏土,岩心呈松散状,磨圆度呈次棱角状,卵砾石约70%,中粗砂约占20%,泥质约占10%。整体厚度13 m。

1.3 水文地质 1.3.1 地表水

查汗都斯水库滑坡坡体表面发育大量冲沟。该区多年平均降水量268.7 mm(据循化县气象站1959—2012年资料),夏秋季多暴雨及大雨,且多集中在7—9月。冲沟两侧坡体植被稀少,在强降水作用下,坡体上会形成具有较强侵蚀能力的山洪,最终汇集到比唐沟内。冲沟内水量增加,会不断冲蚀两侧坡体坡脚,增大临空面,导致斜坡失稳,易发生滑坡等灾害。

1.3.2 地下水

该研究区水土流失严重,地形切割剧烈,地下水匮乏。但是由于坡体表面垂直节理裂隙较为发育,从而形成了较为密集的洼地及落水洞。在降雨过程中,坡体表面降水汇集后,将沿着节理裂隙,落水洞等快速入渗。这些入渗的地表水会在新近系泥岩上汇集形成局部上层滞水,并沿泥岩面向沟谷方向流动。这样的地下水活动会降低坡体的强度,改变了坡体的应力状态,导致坡体失稳。地下水活动的影响作用主要表现在:一是斜坡上形成的上层滞水降低了土体强度,增加了土体的重量,易触发斜坡变形失稳;二是在连续降雨过程中或大雨之后,水分入渗途中在下部泥岩或较为完整基岩层受阻,使其上部的岩、土体含水量增大,虽尚未饱和或形成上层滞水,但是,由于含水量增大,降低了土体强度,也同样触发斜坡变形失稳[7]

2 滑坡基本特征

查汗都斯水库滑坡位于比唐沟西侧坡体上。比唐沟两侧坡体较陡,陡坎高20~100 m,坡度大于60°,边坡基岩岩性以新近系泥岩和砂砾岩互层为主,形成基岩型滑坡群。该滑坡群在老滑坡前缘又发生了各期活动。西侧滑坡发生过两期活动,先是形成了上游的大水库,然后沿东侧砂岩形成了溢流坝。滑坡后期的二次活动形成了下游400 m处的小水库,目前正在养鱼。查汗都斯水库① 号滑坡区域边界明显,两侧以冲沟为界,后缘有陡坎,呈半圆弧状。滑坡主滑方向150°,滑体长1500 m、宽2300 m,平均厚48 m,面积233.19×104 m2,滑体残留体积1.12×108 m3。滑坡总体地势西高东低,坡体上陡(25°—42°)下缓(15°—29°),整体坡度22°(见图 1图 2)。② 号滑坡长700 m、宽1200 m、厚40 m,原始坡度32°,滑后坡度24°,滑向100°,高差390 m;③ 号滑坡长1000 m、宽1800 m、厚60 m,原始坡度35°,滑后坡度27°,滑向310°,高差500 m。本文主要研究① 号滑坡的稳定性,它是形成水库坝体的主体。

图 1 查汗都斯水库滑坡平面图 Figure 1 Planar graph of Chanhandusi Reservoir Landslide

图 2 查汗都斯水库滑坡剖面图 Figure 2 Profile graph of Chanhandusi Reservoir Landslide

① 号滑坡后壁呈阶梯形,陡坎主要分为2段,上部陡坎坡度85°,高64 m,下部陡坎坡度40°,高280 m,中间夹一宽约120 m平台。陡坎底部发育一宽100 m的以红色黏土为主的泥塘,该泥塘平坦。

① 号滑坡为一老滑坡,最早形成时代可能为史前时代,据吴庆龙等[10]测年资料,可能由于某次地震形成于公元前1730年前后,黄河在积石峡发生过一次严重的堰塞事件,形成了一个湖水体积达11.71×108 m3的大型堰塞湖,强烈地震应该是这一堰塞事件发生的触发因素。据此推断,该滑坡规模巨大,也可能是由于本次地震形成的,因为仅仅在河流及降雨条件下很难形成如此大规模的滑坡。而1961年的滑坡活动应是老滑坡体的一次复活活动。

① 号滑坡体上有大量的纵向冲沟发育,冲沟呈“树枝”展布,断面呈“V”字型,沟长均小于500 m,沟谷切割深度为10~35 m,沟内地形破碎。滑体后缘和中部都有明显低洼平地,岩性以Q4红色黏土为主,表明该滑坡在滑动过程中各位置的滑体滑动速率不同,形成了拉裂槽。在滑坡体有许多孤立的突石,这些孤立的突石也是由于滑体各个位置的滑动速率不同而形成的。坡体表面基本无植被覆盖,只有一些低矮的灌木发育,坡面水土流失严重。

3 滑坡形成条件及机理分析 3.1 地形地貌

发育有高陡边坡和临空面是形成滑坡的基础条件。该滑坡位于循化盆地西南边缘的高山丘陵地区。比唐沟属黄河的一级支流,地貌侵蚀作用强烈。在新构造运动的作用下,比唐沟河流以向下侵蚀作用为主,侧蚀作用为辅。比唐沟在内外综合动力作用下,形成两侧坡体高陡的地形和临空面。此外,支沟两侧坡体在坡面水流的冲蚀作用下,形成较深的冲沟,冲沟的发育也加剧了滑坡的不稳定性。现场调查发现在滑体上局部发育地裂缝和洼地,表明该斜坡为不稳定斜坡,今后仍有可能形成小规模的滑坡活动。

3.2 岩土体条件

具有软弱结构面的岩土体是形成滑坡的另一个基础条件。不同的工程岩组决定边坡稳定与否,地层与岩性组合特征不同,其工程地质特性也不相同[11~12]。查汗都斯水库地区为新近系临夏组砂岩、泥岩互层,该地层为软硬相间的岩体组合类型,抗风化性差,水敏感性强,特别是泥岩遇水后岩体强度大幅度下降[13]。在水的作用下,该区地层容易形成软弱夹层,属易滑地层。不同岩性强度特征对于边坡变形破坏也有直接影响。

3.3 降水及气候因素

高原地区滑坡的发生与降水及温度相关性较大,降雨可形成滑坡的诱发因素或动力来源[14~15]。循化县属高原半干旱大陆性气候,具有寒长暑短,日温差大,降水量小,蒸发量大的特点。循化县境内多年平均降水量268.7 mm,降水量年内主要集中于5—9月份,此时段雨强较高、日降雨量大、降雨集中,为地质灾害多发期[16~17]。查汗都斯水库滑坡最近一次滑动在1961年11月2日,主要是在年内降雨长期积累作用致使泥岩软弱和温差变化较大等多种作用下形成的。2008年8月20日及同年8月29日循化县城降水量分别为37.4 mm和20.8 mm,南山发生泥石流灾害,由此可见该区具有形成泥石流的降水条件。

3.4 断裂构造与地震

断裂构造对地质灾害具有控制作用。首先,断裂构造可以造成岩石破碎,岩体强度降低,稳定性变差,一般地,距离断裂越远,其影响程度也越弱。其次,断裂构造运动控制了研究区盆地地貌的形成,研究区的地质灾害主要发育在盆地的边缘。在距查汗都斯滑坡体约6 km处的南部山区发育一条走向北西西向的断裂,控制了循化盆地的南边界,该滑坡体后缘处也发育一条小规模的断裂。这些断裂除控制盆地的形成外,主要是造成岩体破碎,降低岩体的强度,这就为滑坡灾害的形成奠定了物质基础。

强烈的构造活动可以诱发地震。地震时由于水平地震力的作用,使滑坡体法向压力削减,下滑力增强,促使滑坡易于滑动。此外,地震的震动促进坡体中的裂隙扩展,使岩土体结构破坏,容易沿原有的软弱面或新产生的软弱面滑动。据《1:400万中国地震参数区划图》(GB 18306-2001),循化县地震动峰值加速度为0.10 g,相应的地震基本烈度为Ⅶ度。同时根据青海地震目录统计,该地区自公元373年以来,并无大地震,大于2.0级地震共6次,最大一次为4.0级。因此现今条件下地震因素对查汗都斯水库滑坡的影响较小。

3.5 形成机理分析

综上所述,查汗都斯水库滑坡形成机理为:比唐沟左岸高陡边坡体在坡脚处不断受到流水的侧蚀作用形成较大的临空面,同时坡体也在自身的重力作用下不断变形,坡脚处应力集中急剧增加变大;此外,垂直节理裂隙发育的坡体在降雨入渗及冻融作用下,加大了坡体的自身重力和降低了坡体的稳定性,降水入渗到泥岩时就会顺层向下流动,致使泥岩软化,强度降低,在坡体内部形成了软弱带;当岩土体在自重和其他动力作用下超过岩土体的极限抗剪强度时,岩土体就会沿着软弱带或应力集中区贯通,造成坡体失稳,岩土体在坡脚临空面处剪出,形成滑坡。该滑坡体在下滑过程中冲到河谷对岸并形成了反向堆积,堵塞比唐沟,形成了堰塞湖。

4 滑坡稳定性分析评价

本文主要采用Bishop法对查汗都斯水库滑坡进行稳定性计算,同时也用其他计算方法如Janbu法进行了计算,并将结果进行对比分析,采用ANSYS软件进行二维数值模拟分析。

4.1 极限平衡法稳定性评价 4.1.1 计算方法

本文首先采用极限平衡法进行稳定性计算。依据滑坡剖面,按天然、饱水两种工况分别计算稳定系数。边坡的稳定计算采用Bishop法在Geostudio软件上的Geo-slope模块进行实施[18~19]

4.1.2 计算原理

Bishop法是条分法的一种,它考虑了土条侧面的作用力,并假定各土条底部滑动面上的抗滑安全系数均相等,即等于整个滑动面的稳定系数。其计算公式如下:

$ {F_{\rm{s}}}{\rm{ = }}\frac{{\sum {\frac{{\rm{1}}}{{{\mathit{m}_{\mathit{\theta i}}}}}\left[ {\mathit{c'b}{\rm{ + }}\left( {{\mathit{W}_\mathit{i}}{\rm{ - }}{\mathit{u}_\mathit{i}}\mathit{b}{\rm{ + }}\mathit{\Delta }{\mathit{X}_\mathit{i}}} \right)\mathit{tg\varphi '}} \right]} }}{{\sum {{\mathit{W}_\mathit{i}}\sin {\mathit{\theta }_\mathit{i}}} }} $

式中Fs——稳定性系数;Wi——土条i自重,kN/m3uib——孔隙水压力,kPa;θi——土条底部中点与滑弧中心连线垂直夹角,(°);c′——内聚力,kPa;φ′——内摩擦角,(°);${{m}_{\theta i}}=\cos {{\theta }_{i}}+\frac{tg\varphi '}{{{F}_{s}}}\sin {{\theta }_{i}}$

4.1.3 计算结果

本文按天然状态和饱水状态2种工况条件分别进行了稳定性计算。本次计算对滑坡的P1—P1′剖面线(见图 1)进行滑坡稳定性计算。滑体土及滑带土的物理力学参数主要来源于室内测试结果(见表 1表 2)。

表 1 滑体土及滑带土物理力学参数 Table 1 Physical and mechanical parameters of the landslide soil and slip soil

表 2 滑体土及滑带土物理学指标 Table 2 Physical indexes of the landslide soil and slip soil

根据现场勘察以及钻探数据,该滑坡主要有3个不稳定滑面,因此分别对于3个滑面按天然状态和饱水状态2种工况条件进行了稳定性计算(见表 3表 4)。经过计算,在天然状态下,该滑坡体3个滑面均处于稳定状态;在饱水状态下,该滑坡体处于基本稳定—稳定状态。其中后缘处的滑面1稳定系数为1.099,处于基本稳定状态,中前部的滑面2和滑面3仍处于稳定状态(见图 3)。

表 3 自然状态(工况1)下稳定性计算结果 Table 3 Stability calculation result under natural state

表 4 饱水状态(工况2) 下稳定性计算结果 Table 4 Stability calculation result under water saturated state

图 3 滑面1计算结果 Figure 3 The result of slip surface 1
4.2 有限元模拟分析评价

为了验证极限平衡法准确与否,本文采用ANSYS软件进行二维数值模拟分析。

4.2.1 有限元模型的建立

依据前述滑坡体结构模型中滑坡的滑面和岩性分布建立模型格架。在ANSYS软件上进行自动划分,共划分为789个二维计算单元。

4.2.2 岩石力学参数的确定

依据岩石力学实验取得研究区的岩石物理力学参数(见表 1表 2)。

4.2.3 边界条件的确定

为了保证模型没有整体的刚性平动和转动,在模型西边界和下边界施加全约束,而东边界和上部为自由边界;西边界东西向约束,上下自由,下部边界上下约束,东西向自由。

根据研究区的应力资料,在东西方向加载8.0 MPa的应力,以达到模型模拟结果与比较合理[20]

4.2.4 模拟计算结果

数学模型建立后,运用ANSYS软件执行程序计算,以自重力为参考点,经过对边界条件和加力大小进行调试,最终得到模拟计算结果(见图 4图 5)。

图 4 查汗都斯水库滑坡位移云图 Figure 4 Displacement nephogram of Chanhandusi Reservoir Landslide

图 5 查汗都斯水库滑坡剪应力云图 Figure 5 Shear stress nephogram of Chanhandusi Reservoir Landslide

根据有限元方法模拟结果,位移云图显示该滑坡水平方向最大位移处位于后缘坡体,但是其位移量较小,其它部位变形较小。剪应力云图显示该滑坡最大剪应力集中于滑坡体后缘底部,剪应力最大值为0.25 MPa,坡脚处也不是剪应力集中部位。位移量较小,剪应力在坡脚处无集中现象,这两者都表明滑坡体目前处于稳定状态。

4.3 计算和模拟结果分析

依据毕肖普法对该滑坡进行稳定性计算结果和采用ANSYS软件进行二维数值模拟分析结果,并将两结果进行对比分析,所有结果均显示该滑坡目前处于基本稳定—稳定状态,分析其原因主要有以下几个方面:

① 该滑坡受库水位的影响较小。该水库库容相对较小,最大库容达450×104 m3,常年库容为150×104 m3左右,水库水位线较低。而且,库岸边坡受河流流动所产生的侧蚀作用影响较小。水库水体大部分时间处于静止状态,基本对坡体无影响,更不会引起坡面的变形或者诱发滑坡的复活。但在水库坝体处,水对坝体有一定的软化作用,其作用效果较小。

② 滑坡体的地貌形态显示前坡体处于基本稳定状态。坡体后缘较陡,其前部地势较为平坦,只有滑坡后缘高陡边坡仍有再次发生滑坡复活的可能。最近一次的复活活动对沟谷进行了较大的改造,形成了约1 km的平坦阻滑段,进一步提升了坡体的稳定性。在2008年,查汗都斯乡在该水库进行了除险加固工程,大坝坚固程度进一步提高。

③ 根据图 5显示的坡体内部的剪切应力分布状况来看,剪应力集中分布于坡体底部,坡体后缘坡脚处并没有出现剪切应力集中现象,其位移量也很小。因此,该坡体状态是稳定的。

④ 内动力地质作用对滑坡的形成及发展具有重要的影响。根据1:200000地质图,查汗都斯水库滑坡距离其南部文都大寺断裂约6 km,不会受该断裂直接作用影响。同时,该地区地震动峰值加速度为0.10 g,也无较大地震发生记录。现今内动力对查汗都斯水库滑坡是稳定性影响较小。

5 结论

对查汗都斯水库滑坡的形成条件及机理进行了分析,认为滑坡形成的主要控制因素为地形地貌、地层岩性,主要诱发因素是自重力、降水及人类活动。

按自然状态和饱水状态两种工况条件,采用极限平衡法中的Bishop法对滑坡体的稳定性进行了计算。计算结果表明,在饱水条件下滑体后缘滑面1的稳定性系数为1.099,处于基本稳定状态。其他滑面稳定性系数较高,处于稳定状态。因此查汗都斯水库滑坡整体稳定性较高。

运用ANSYS软件执行程序对滑坡的稳定性进行了模拟计算,除滑坡后缘坡体临界状态外,其他部位变形较小,坡脚处也没有出现剪应力集中现象,表明该滑坡目前的状态是稳定的。

从水文条件、地形地貌、内动力等方面对查汗都斯水库滑坡体稳定性进行了分析。但坝体处于水库下游,水对坝体具有一定软化的作用。建议对水库坝体进行长期的维护并开展变形监测,对滑坡进行群测群防监测,确保人民生命财产,防患于未然。

致谢:

文中所用滑坡体物理力学参数依据青海省地质环境监测总站编写的《青海省循化县地质灾害详细调查报告》中资料,在此表示感谢。

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