陶志剛 曹 輝 秦秀山 劉光生 于世波

(1.北京礦冶研究總院;2.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

2008年5月12日，四川省汶川8.0級(jí)地震發(fā)生于青藏高原東緣的龍門山斷裂帶。龍門山斷裂帶主要由汶川—茂汶、北川—映秀、安縣—灌縣平行斷裂構(gòu)成，主震發(fā)生在其中央斷裂［1］，屬于單向破裂，余震在3條斷裂上皆有發(fā)生，由SW向NE方向推移。次生災(zāi)害沿破裂帶及兩側(cè)密集分布，并隨著距破裂帶的距離增大而急劇減少［2］。

陜西廣坪鎮(zhèn)距離汶川震中的直線距離約140 km，地震發(fā)生時(shí)該地區(qū)震感強(qiáng)烈，大部分房屋開(kāi)裂、倒塌。受地震、降雨等因素的綜合影響，鳳凰山坡體上出現(xiàn)多處與邊坡走向一致的裂縫，局部出現(xiàn)蠕變、滑塌等險(xiǎn)情，威脅坡下鳳凰街37戶150人的生命安全。

1 基本特征與影響因素分析

1.1 基本特征

鳳凰山西臨廣坪河，東側(cè)和南側(cè)為曹家溝，北側(cè)以斷層谷與主山體相隔，為相對(duì)獨(dú)立的低山。山體呈EW向展布，山脊高程640～680 m，最高點(diǎn)高程683 m，坡腳高程603～605 m，相對(duì)高差40～80 m。平面形態(tài)呈曲線形，坡向?yàn)?28°～165°［3］。該地區(qū)的裂縫發(fā)育特征如圖1所示，擋土墻變形情況如圖2所示。

圖1 裂縫發(fā)育特征

圖2 擋土墻變形

從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況看，山體南坡發(fā)生過(guò)錯(cuò)動(dòng)，即緊鄰鳳凰街坡體，其坡面較緩，坡度上部25°～40°，下部10°～25°。坡體后緣出現(xiàn)多條沿著邊坡走向的張裂縫，裂縫長(zhǎng)約140 m，寬約1.2 m，深度不詳，內(nèi)充填第四系黏土、碎石和雜草。且受地震波的擾動(dòng)，坡面表層第四系黏土結(jié)構(gòu)松散，大小裂縫貫穿其中。坡腳處居民后院擋墻沿著滑動(dòng)方向產(chǎn)生變形外凸，確定為滑坡剪出舌部推擠所致?；潞土芽p產(chǎn)生后，由于暴雨頻發(fā)，當(dāng)?shù)卣途用衽R時(shí)利用防水帆布對(duì)裂縫和坡面進(jìn)行掩蓋，避免雨水入滲加劇滑坡的發(fā)生。

1.2 地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造

(1)地層巖性。根據(jù)勘察資料，滑坡區(qū)域地層主要由中上元古界和第四系組成，詳見(jiàn)表1所示。

表1 地層巖性統(tǒng)計(jì)表

(2)地質(zhì)構(gòu)造。鳳凰山滑坡位于區(qū)域大斷裂金山寺—廣坪—陽(yáng)平關(guān)斷裂的上盤和斷裂帶。金山寺—廣坪—陽(yáng)平關(guān)斷裂為區(qū)域性逆斷層，斷層上盤巖性為中上元古界口群(Pt2－3bk)淺灰綠色細(xì)碧質(zhì)凝灰?guī)r。下盤為志留系黃綠色絹云千枚巖、板巖、變質(zhì)砂巖。

1.3 滑坡特征及成因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，鳳凰山滑坡周界呈圓弧形，滑體平面呈舌狀，近南北向展布?；潞缶壯厣郊寡由?，西邊界為坡體邊緣，東邊界以沖溝為界，前緣呈弧形沿河谷分布。滑體南北向100～150 m，東西寬380 m，坡向128°～165°?；潞缶壐叱?40～660 m，前緣高程603～604 m，高差40～60 m，如圖3所示。

圖3 滑坡體平面

根據(jù)調(diào)查，1970年以前，滑坡前緣位于公路以南。由于移民搬遷建房、修路，滑體前部已挖掉40～60 cm，現(xiàn)今滑坡前緣多為人工切坡陡坎，并修建擋墻支護(hù)?？哺?～10 m，擋墻支護(hù)長(zhǎng)度約220 m。鳳凰山滑坡體的形成，由內(nèi)外兩種因素控制。

(1)內(nèi)在因素。①地形特征:滑坡區(qū)為斜坡地形，前后緣高差30～40 m;②巖性特征:邊坡巖土體以粉質(zhì)黏土為主，滲透性差，不利于雨水和地下水的滲出。

(2)外在因素。①降水:當(dāng)?shù)貙俦眮啛釒釒瘽駳夂?，年降水?60～1 600 mm。降水使滑體容重增加，降低滑帶土的抗剪強(qiáng)度;②人類工程活動(dòng):當(dāng)?shù)毓芳熬用穹课萁ㄔO(shè)過(guò)度開(kāi)挖坡腳，形成高陡臨空面，破壞巖體原始應(yīng)力狀態(tài);③地震:汶川地震產(chǎn)生震動(dòng)響應(yīng)，促使滑坡體產(chǎn)生多處裂縫，坡體下錯(cuò)，巖土體松散。

1.4 地震動(dòng)參數(shù)

根據(jù)GB 18306—2001，鳳凰山滑坡區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，地震基本烈度VII度。

2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

鳳凰山滑坡體以第四系滑坡為主，因此本次計(jì)算采用Geo－slope軟件中的SLOPE/W模塊，SLOPE/W可以對(duì)滑移面形狀改變、孔隙水壓力狀況、土體性質(zhì)、不同的加載方式等巖土工程問(wèn)題進(jìn)行分析。

2.1 模型建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地形及簡(jiǎn)化工程地質(zhì)剖面(如圖4所示)，結(jié)合邊坡的實(shí)際狀況和破壞特征，對(duì)現(xiàn)實(shí)邊坡進(jìn)行適當(dāng)?shù)母呕?，建立了鳳凰山滑坡體穩(wěn)定性計(jì)算模型。

圖4 工程地質(zhì)剖面

2.2 參數(shù)設(shè)置

鳳凰山邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)，如表2所示。

表2 參數(shù)設(shè)置

2.3 動(dòng)力條件

由于距離震源點(diǎn)的距離和位置的不同，地震波到達(dá)時(shí)通常以一定的角度入射，坡體的動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程是縱橫波耦合作用的結(jié)果［4］，造成相同震源距情況下兩者達(dá)到的時(shí)間存在先后關(guān)系。因此，地震對(duì)邊坡的穩(wěn)態(tài)影響具有很多不確定性。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本次考慮縱橫波耦合作用，假設(shè)地震發(fā)生后其能量主要通過(guò)縱波和橫波形式傳播，并以一定角度作用于邊坡。

汶川地震震源深度約14 km，研究區(qū)距離震源深度水平距離140 km，縱波傳播波速Vp=6 km/s，橫波傳播速度Vs=3.5 km/s，可計(jì)算出震動(dòng)開(kāi)始之初，縱波先期到達(dá)邊坡，約16.75 s后橫波達(dá)到，因此鳳凰山邊坡是在縱波橫波共同的拉壓和剪切作用下發(fā)生的耦合變形破壞。

2.4 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)鳳凰山滑坡體實(shí)際工程地質(zhì)條件、降雨和坡體正常含水量特征，運(yùn)用SLOPE計(jì)算軟件計(jì)算出地震前后邊坡的安全系數(shù)，從而判斷地震動(dòng)力響應(yīng)對(duì)邊坡穩(wěn)態(tài)的影響機(jī)制。

(1)無(wú)地震力作用下邊坡的穩(wěn)態(tài)分析。當(dāng)不考慮地震力作用，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，確定邊坡的安全系數(shù)為Fs=1.177，屬于相對(duì)穩(wěn)定邊坡，計(jì)算斷面如圖5所示。

圖5 無(wú)地震力影響的邊坡穩(wěn)定性分析

(2)有地震力作用下邊坡的穩(wěn)態(tài)分析。當(dāng)充分考慮縱橫波聯(lián)合作用力對(duì)邊坡穩(wěn)態(tài)的影響，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，確定邊坡的安全系數(shù)為Fs=0.985＜1，屬于不穩(wěn)定邊坡，計(jì)算斷面如圖6所示。

圖6 考慮地震力影響的邊坡穩(wěn)定性分析

分析結(jié)果顯示，鳳凰山在自然條件下處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)受到地震、人工開(kāi)挖擾動(dòng)等外界動(dòng)力條件的影響下，安全系數(shù)Fs＜1，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，安全系數(shù)降低16.3%。因此為了確保下方人員和房屋的安全，必須采取有效的防震措施，并且加強(qiáng)邊坡動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

3 滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

3.1 監(jiān)測(cè)原理

以滑動(dòng)力大于抗剪強(qiáng)度是滑坡產(chǎn)生的充要條件作為滑坡體滑動(dòng)的主要判據(jù)，提出滑動(dòng)面上抗滑力和下滑力之間的平衡關(guān)系是滑坡體內(nèi)各種因素包括巖性、構(gòu)造、位移、巖層傾斜、地下水水位變化以及降雨共同作用的結(jié)果，決定了邊坡穩(wěn)定狀態(tài)［5-6］。

3.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備

地震作用條件下鳳凰山滑坡體穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)自主研發(fā)的SPRM－01型滑坡遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種測(cè)量滑動(dòng)面上下滑力演變特征的監(jiān)測(cè)儀器，由3部分組成:①力學(xué)傳感裝置由恒阻通信纜索和作用力傳感器組成;②作用力信號(hào)采集－發(fā)射裝置是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，設(shè)備內(nèi)嵌數(shù)據(jù)采集模塊、儲(chǔ)存模塊、發(fā)射模塊和電源管理模塊;③數(shù)據(jù)接收－分析終端，由基于北斗衛(wèi)星通訊平臺(tái)，根據(jù)力學(xué)模型開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)自動(dòng)接收和處理軟件。

3.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案

2008年8月，在鳳凰山滑坡體上共設(shè)計(jì)并安裝3個(gè)滑動(dòng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間隔20 m(如圖7所示)，編號(hào)由坡腳到坡頂順次編號(hào):“廣坪1”、“廣坪2”和“廣坪3”。

圖7 鳳凰山滑坡體監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

3.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

鳳凰山滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)于2008年9月1日正式投入運(yùn)行，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)定為24條/d。經(jīng)過(guò)近25個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，共采集到5.4萬(wàn)條監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示。

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，發(fā)現(xiàn)廣坪3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)總體上處于平穩(wěn)狀態(tài)，滑動(dòng)力隨時(shí)間沒(méi)有發(fā)生突變現(xiàn)象。監(jiān)測(cè)曲線顯示鳳凰山巖土體內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到新的平衡，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)下滑力分別保持在150、190和280 kN，潛在滑動(dòng)面上的下滑力隨時(shí)間變化趨勢(shì)平穩(wěn)，具有豐富的安全儲(chǔ)備，滑坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 廣坪監(jiān)測(cè)曲線

4 結(jié)論

(1)鳳凰山第四系邊坡在強(qiáng)烈的震動(dòng)效應(yīng)和顯著地形放大效應(yīng)的作用下，致使第四系坡體震裂、松弛，局部區(qū)域解體破壞。

(2)地震波的輸入對(duì)第四系邊坡的穩(wěn)定性影響顯著，隨著水平地震系數(shù)的引入，邊坡巖體穩(wěn)定性系數(shù)明顯下降。因此，在邊坡穩(wěn)態(tài)分析過(guò)程中，要充分考慮地震動(dòng)效應(yīng)的影響。

(3)鳳凰山滑坡體目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是通過(guò)SLOPE數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)邊坡遇到地震等擾動(dòng)后，這類型的邊坡巖體強(qiáng)度會(huì)立刻降低，因此，建議開(kāi)展刷坡、噴錨、擋墻加固、掛網(wǎng)、截排水溝等治理措施，避免潛在滑坡隱患。

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