视倾向顺层岩质滑坡形成机理与早期判定研究

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三峡库区为全国滑坡高发区之一,在库区中发育有大量的顺层岩质滑坡,其中秭归县沙镇溪镇地质灾害最为集中。由于这类滑坡通常以顺层滑移、滑移弯曲、溃屈三种形式破坏为主,国内外针对其滑动方向(视向滑动)的研究较少,且大多数分析研究偏向于地质成因。因此,开展顺层岩质滑坡视向滑动的形成机理、破坏模式以及早期判定研究,在三峡库区此类滑坡灾害早期预测、预警以及防治工作等方面有着重大现实意义。本文选取典型的视倾向顺层岩质滑坡-三峡库区杉树槽滑坡,在详细的野外调查基础上,综合研究滑坡区地形地貌、坡体特征以及地层岩性等方面,从而认识获取杉树槽滑坡宏观、细观上的地质特征,分析视倾向顺层岩质滑坡视向滑动的成因机理;推断了关键控制裂缝纵向裂缝的成因演化过程;根据滑坡视向滑动机制和滑坡边界特征,建立了杉树槽滑坡三维极限平衡分析力学概化模型,提出了将杉树槽滑坡运动方向分解,利用平推式滑坡的水头计算高度分析主滑体走向上的稳定性的计算安全系数方法;考虑滑坡重要特征,建立了视倾向顺层岩质滑坡视向滑动的数值模拟模型,开展了杉树槽滑坡视向滑动的启动、变形以及破坏过程的三维离散元数值模拟;结合杉树槽滑坡视向滑动成因机理与离散元数值模拟结果综合阐述了杉树槽滑坡的失稳模式;综合对比分析多个具有视向滑动特点的典型岩质斜坡,综合归纳了视倾向顺层岩质滑坡失稳模式早期识别及特征判定方法,为三峡库区对于的这类滑坡地质灾害早期预测、预警以及防治工作提供新方法与思路。主要结论和成果如下:1)三峡库区杉树槽滑坡属于典型的视倾向顺层岩质滑坡,但其失稳模式不同于常见顺层岩质滑坡,受地质结构及地形地貌的影响,具有显著的复合特征,前部山体形成真倾向阻挡条件,属于初始沿着层面真倾向滑移变形转变临空视向滑动的特殊失稳破坏方式。2)视倾向顺层岩质滑坡视向滑动由地形地貌、泥化夹层、岩体结构,纵向裂缝等内在因素,以及降雨、工程扰动等外在因素多方面控制。滑坡整体上陡下缓,山体岩层转向,前部山体稳定,形成阻滑段;砂泥岩互层夹软弱夹层上硬下软的“二元结构”,具有易滑地层的属性;泥化夹层的产生形成底部隔水层形成基底扬压力,也为坡体的失稳提供了良好的滑动面,大大的降低滑坡体的稳定性;纵向裂缝的存在,汇水成柱形成侧向的静水压力为视倾向顺层岩质滑坡提供视向滑动的动力;两组优势节理切割坡体,加大了坡体的离散性,让主滑体在失稳过程中容易解体。3)针对控制视倾向顺层岩质滑坡视向滑动的关键因素—纵向裂缝,从构造应力、卸荷裂缝的演化以及重力作用等方面研究这类纵向裂缝的形成演化机制。区域先期构造应力是形成坡体竖向节理的先决条件,为纵向裂缝的演化奠定形态基础,河流下切坡体,导致大岭电站滑坡失稳,其早期引起的卸荷作用促成了纵向裂缝的形成,长期重力作用下,上覆岩体挤压软岩变形,导致上覆岩体的解体拉裂,进一步加宽了纵向裂缝的形态。4)对于视倾向顺层岩质滑坡的稳定性计算,针对视倾向顺层岩质斜坡失稳过程的三维空间特性,利用三维极限平衡将杉树槽滑坡主滑体看作整体进行稳定性计算;以及考虑到视倾向顺层岩质斜坡失稳的复合型,将杉树槽滑坡运动方向分解,利用平推式滑坡的水头计算高度分析主滑体走向上的稳定性。在三维极限平衡方法没考虑到地下水的作用,相当于自然状态下,计算出安全系数为1.94,大于1,坡体稳定;考虑到降雨为杉树槽滑坡关键诱发因素,利用平推式滑坡的水头计算高度分析主滑体走向上的稳定性,结果得出主滑体在走向上其安全系数为0.88,小于1,证明在走向上主滑体能产生滑动。在地下水的参与下,在主滑体侧向裂缝形成静水压力以及底部扬压力可大幅度降低其走向上的稳定性,静水压力提供杉树槽滑坡视向运动的动力,从而造成杉树槽滑坡视向滑动。5)三维离散元数值模拟结果显示,滑坡失稳破时,滑坡主滑体的运动路径先沿着真倾向方向滑动变形,之后逐渐转向视向滑动。滑坡后缘最先出现位移,形成拉裂缝,整个破坏过程可分为启动—右侧裂缝张开—前缘剪出—快速滑动—堆积等几个阶段过程。滑带变形在初始变形阶段最为明显,形成剪切应力;结合数值模拟结果,杉树槽滑坡失稳模式可分为蠕滑-拉裂—纵向边界形成—快速视滑三个阶段。6)根据工程统计类比法,综合分析多个具有典型视向滑动特点的滑坡,总结出视倾向顺层岩质斜坡视向滑动六个早期判定特征,即软硬岩层岩性组合、陡倾节理坡体结构、真倾向阻挡、视向临空、滑体蠕变、纵向裂缝构造,并从诱发因素角度将视倾向顺层岩质滑坡分为降雨诱发型、下部采矿型、地震型三种类型。
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