鄭海珍，張慶飛

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都610031；2.四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院,四川成都610041)

當(dāng)前，針對巖質(zhì)邊坡動力穩(wěn)定性問題的研究仍簡單地借用擬靜力分析手段：邊坡發(fā)生失穩(wěn)時(shí)的位置及形狀即是破壞面的位置及形狀；動力作用下邊坡失穩(wěn)判據(jù)等均沿用擬靜力分析的思路與方法[1]。此外，由于大型巖質(zhì)邊坡一般的三維特征效應(yīng)明顯，難以簡化為二維，使分析對象的尺寸龐大、復(fù)雜、單元數(shù)目巨大；動力分析方法所需的工作量、計(jì)算量、計(jì)算時(shí)間即使是在計(jì)算機(jī)計(jì)算速度飛速發(fā)展的今天仍是棘手的難題。因此關(guān)于大型巖質(zhì)邊坡在地震作用下的動力有限元分析，成功的成果報(bào)道并不多[2]。

文獻(xiàn)[3]提出邊坡動力穩(wěn)定性分析方法——相對位移法:首先判斷破裂面是否貫通,如果不貫通邊坡就不會整體失穩(wěn),至多是局部失穩(wěn)。如果破裂面貫通,就要判斷潛在滑體上關(guān)鍵點(diǎn)的相對位移是否突變,但考慮到邊坡在地震作用下處于往復(fù)振動狀態(tài),穩(wěn)定邊坡位移可能會隨之發(fā)生突變,故單憑位移突變尚難以判斷,要再結(jié)合關(guān)鍵點(diǎn)的相對位移時(shí)程曲線的變化趨勢是否收斂。

本文在研究青川窩前滑坡的工程地質(zhì)條件和地震前、后變形破壞跡象地質(zhì)調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，采用相對位移法對地震過程中窩前滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行了離數(shù)值模擬、分析了地震作用下窩前順層巖質(zhì)邊坡的變形破壞機(jī)理，驗(yàn)證了相對位移法分析地震作用下順層巖質(zhì)邊坡變形破壞機(jī)理的可行性。

1 青川窩前滑坡基本特征

1.1 概述

青川縣窩前滑坡，位于四川省青川縣西南角的馬公鄉(xiāng)朝陽村，在江油市南面，平武縣西面，屬于龍門山系。2008年汶川“5·12”大地震前，唐家山地形，坡度40°～50°，植被茂盛，邊坡穩(wěn)定?；聟^(qū)域處于朝陽河的上游，無階地發(fā)育，滑坡所在山體為該區(qū)域的最高處，海拔高程為1 870 m，河谷處高程為1 280 m，相對高差為600 m?；抡麄€(gè)滑坡下滑時(shí)間30 s左右，滑坡體長360 m，平均寬度216 m，高120～180 m，體積約為1 200×104m3，由硅質(zhì)灰?guī)r、板巖組成，如圖1。

圖1 窩前滑坡遠(yuǎn)視

1.2 滑坡體特征

調(diào)查顯示，滑坡后緣陡壁及滑源區(qū)主要出露灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀340°∠20°，滑坡體主要由構(gòu)造角礫巖、破裂巖碎斑巖以及斷層泥組成，其中主要的兩組節(jié)理面產(chǎn)狀為345°∠47°、56°∠37°?；磪^(qū)發(fā)育兩大結(jié)構(gòu)面，一是石坎斷層及破碎帶，因斷層活動后緣壁附近的巖體十分破碎，列面呈拉張狀態(tài)；二是構(gòu)造和卸荷裂隙面，順斜坡走向發(fā)育。

1.3 滑面特征

滑床由寒武紀(jì)早世邱家河組灰黃色和青灰色的板巖組成，滑源區(qū)剪出口出露，基巖層面產(chǎn)狀為308°∠18，為薄層板巖，平均厚度約10 cm，強(qiáng)度不高?；矌r體中除板巖外，還夾有薄層的千枚巖，但是千枚巖的量很少，偶爾見到。斜坡表部局部發(fā)育一些荷裂隙，張開度3～10 cm。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

滑坡位于龍門山中央斷裂之北川-林庵寺斷裂上盤，后龍門山推覆巖帶的南壩至馬公之間的水觀巖片區(qū)，內(nèi)部褶皺構(gòu)造發(fā)育。對窩前滑坡起主要控制作用的斷裂帶有：

1.4.1 前緣推覆斷層—南壩斷裂

此斷裂屬于北川——映秀斷裂帶的一部分，如圖2中的①，區(qū)內(nèi)經(jīng)過南壩-平溪一帶，斷層走向北東-南西，呈舒緩波狀延伸，斷層傾向北西，傾角30°～40°，上盤為油房組，下盤為韓家店組，斷裂帶寬200～500 m，窩鉛滑坡與該斷裂帶的垂直距離約5.5 km，位于該斷裂帶的北部。

1.4.2 石坎斷層

該斷層分布于南壩、石坎一帶，如圖2中的②，其南端與關(guān)帝廟斷層合并，北端從平武向北東經(jīng)過箭竹埡進(jìn)入雁門壩，斷面總體走向呈現(xiàn)為北東，傾向北西，傾角大約為60°，北西上盤為水晶組、邱家河組[4]，南東下盤主要為油房組，含少量邱家河組。在本次地震中，該斷層在馬公鄉(xiāng)朝陽村出現(xiàn)了長達(dá)3公里的地表破裂，而且其北側(cè)分支斷裂剛好穿過了窩鉛滑坡的后緣，成為本次窩鉛滑坡產(chǎn)生的最主要原因之一[4]。

1.4.3 紅馬公平臥背斜

該背斜分布于青包山平臥向斜南傾，分布于河祖寺、馬鞍石至紅馬公一帶，即圖2中的③，軸跡走向?yàn)楸睎|東，軸面總體傾向北北西，傾角20°～30°。該背斜兩翼為水晶組，核部主要為蜈蚣口組，但在與北西向湖石溝背形橫跨交匯處蜈蚣口組之下，出現(xiàn)由水晶組和蜈蚣口組形成的構(gòu)造窗。窩前滑坡位于該背斜的核部偏向南東翼，滑坡區(qū)域地層產(chǎn)狀變化不大。

①南壩斷裂 ②石坎斷層 ③紅馬公平臥背斜圖2 滑坡周邊構(gòu)造綱要

2 窩前滑坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

2.1 自然邊坡數(shù)值模型的建立

根據(jù)窩前順層巖質(zhì)邊坡的實(shí)際狀況，以實(shí)際地形為基礎(chǔ)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕ＤＰ偷母叱谭较驗(yàn)閆軸正向，臨空面方向?yàn)閄軸正向，模型總高度為320 m，底部長520 m，基座厚度為120 m，邊坡高200 m。數(shù)值模型圖如圖3所示。

圖3 模型計(jì)算

算例取J15、J16、J17、J18、J19、J20、J21、J22、J23、J24為監(jiān)測點(diǎn)關(guān)鍵點(diǎn)，J14為監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)，十一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)所在位置見圖4。

圖4 邊坡動力分析模型和監(jiān)測點(diǎn)位置分布 單位(m)

根據(jù)現(xiàn)場室內(nèi)試驗(yàn)、巖體條件、工程類比，反演和經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法確定了該邊坡巖體動態(tài)物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 邊界條件及地震載荷

在利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對彈塑性體的動力進(jìn)行分析時(shí)，一定要注意動力問題的分析必須以靜力分析為基礎(chǔ)，也就是說必須在靜力分析達(dá)到平衡狀態(tài)之后，才能施加邊坡動力分析的邊界條件，進(jìn)行動力分析[5]。

邊坡靜力分析的邊界條件：模型底部采用邊界豎直方向約束，兩側(cè)邊界水平方向約束。

邊坡動力分析的邊界條件：模型四周采用自由場邊界，以便動力計(jì)算過程當(dāng)中，地震波及能量通過模型兩側(cè)的自由場邊界發(fā)散；模型底部采用粘滯邊界，用來吸收施加地震動力波。應(yīng)該注意的是，在動力計(jì)算之前，應(yīng)對靜力塑性狀態(tài)模型進(jìn)行初始化，以確保模型的反應(yīng)是地震荷載所產(chǎn)生的。見圖5。

圖5 數(shù)值模型邊界條件示意

窩前滑坡距離斷層200 m，屬于極震區(qū)，所以采用綿竹清平臺站檢測記錄的地震波如圖6。截取其中30 s進(jìn)行計(jì)算，相應(yīng)的水平加速度和豎向加速度峰值分別802gal和622.9gal，通過模型底部的粘滯邊界施加。

b)豎直向加速度時(shí)程曲線圖6 汶川地震中強(qiáng)震30 s加速度時(shí)程曲線(下載自巖土在線)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 塑性屈服區(qū)域演變趨勢

模型邊坡在自重應(yīng)力狀態(tài)求解平衡后，坡體并未產(chǎn)生塑性區(qū)，表明在自重應(yīng)力場天然工況下，模型邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，并未發(fā)生塑性破壞。

在地震力的作用下，從開始到0.5 s，軟弱結(jié)構(gòu)面底部進(jìn)入剪切塑性狀態(tài)；0.5 s到2 s，隨著時(shí)間的推移，結(jié)構(gòu)面塑性區(qū)緩慢發(fā)展，并沿軟弱結(jié)構(gòu)面逐漸向上擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)面下部前緣部分單元交替進(jìn)入張拉塑性狀態(tài)、剪切塑性狀態(tài)；到達(dá)3 s時(shí)，結(jié)構(gòu)面頂部出現(xiàn)張拉塑性狀態(tài)；3 s到3.5 s結(jié)構(gòu)面頂部張拉塑性區(qū)向下延伸，同時(shí)結(jié)構(gòu)面下部塑性區(qū)逐漸向上延伸，而后貫通整個(gè)結(jié)構(gòu)面；從3 s至13 s，結(jié)構(gòu)面反復(fù)交替的進(jìn)入張拉塑性狀態(tài)、剪切塑性狀態(tài)；13秒至35秒，模型的塑性區(qū)基本上沒有擴(kuò)展。

3.2 相對位移法判定滑坡穩(wěn)定性

從邊坡的監(jiān)測點(diǎn)位移曲線圖7可以看出，在地震作用下，邊坡的變形是累積變形，邊坡的失穩(wěn)破壞也是在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)完成的。

圖7 監(jiān)測點(diǎn)位移時(shí)程曲線

根據(jù)前面所提出的相對位移法，判定邊坡的穩(wěn)定。首先，在輸入地震荷載以后，在3.5 s時(shí)刻，塑性區(qū)貫通了整個(gè)軟弱結(jié)構(gòu)面，意味著潛在滑移面已經(jīng)形成。其次，從監(jiān)視點(diǎn)位移曲線圖7和相對位移時(shí)程曲線圖8可以看出在地震作用下，位移持續(xù)增加的，當(dāng)?shù)卣鸾Y(jié)束后，關(guān)鍵點(diǎn)監(jiān)測的相對位移是發(fā)散的，說明在地震停止后，位移卻沒有停止，說明此時(shí)邊坡處于失穩(wěn)破壞狀態(tài)。

圖8 監(jiān)測點(diǎn)相對位移時(shí)程曲線

4 結(jié)論

(1)在地震力的作用下，軟弱結(jié)構(gòu)面底部進(jìn)入剪切塑性狀態(tài)，形成塑性區(qū)并沿軟弱結(jié)構(gòu)面逐漸向上擴(kuò)；結(jié)構(gòu)面頂部出現(xiàn)張拉塑性狀態(tài)，形成塑性區(qū)并向下延伸，同時(shí)結(jié)構(gòu)面下部塑性區(qū)逐漸向上延伸，最后貫通整個(gè)結(jié)構(gòu)面。

(2)在地震力的作用下，開始結(jié)構(gòu)面下部前緣部分單元交替進(jìn)入張拉塑性狀態(tài)、剪切塑性狀態(tài)；隨著時(shí)間推移，結(jié)構(gòu)面反復(fù)交替的進(jìn)入張拉塑性狀態(tài)、剪切塑性狀態(tài)。

(3)在地震作用下，邊坡的變形是累積變形，邊坡的失穩(wěn)破壞也是在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)完成的。

(4)數(shù)值模擬結(jié)果與已有研究成果及震后災(zāi)害調(diào)查結(jié)果具有良好的一致性，驗(yàn)證了相對位移法分析地震作用下順層巖質(zhì)邊坡變形破壞機(jī)理的可行性。

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