門　妮

(中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所, 哈爾濱150080)

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汶川地震背后山滑坡穩(wěn)定性與動(dòng)力響應(yīng)分析

門妮

(中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所, 哈爾濱150080)

2008年5月12日， 四川汶川發(fā)生了8.0級(jí)特大地震， 這是新中國(guó)成立以來(lái)破壞性最強(qiáng)、 波及范圍最廣、 誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的一次強(qiáng)烈地震。 此次地震震撼了整個(gè)中國(guó)， 引起了全世界的關(guān)注。 在距離震中約250 km， 坐落于背后山古滑坡體前緣堆積體之上的漢源老縣城， 出現(xiàn)了比周邊地區(qū)高出兩度的烈度異?，F(xiàn)象。 如此高的烈度異?，F(xiàn)象引起了廣大科研人員和政府相關(guān)部門的高度關(guān)注。 為了科學(xué)合理地解釋漢源老縣城高烈度異常的原因是否與背后山滑坡有關(guān)， 并進(jìn)一步探討地震作用下邊坡的穩(wěn)定性及動(dòng)力響應(yīng)等問(wèn)題， 本文對(duì)背后山滑坡開(kāi)展了與地震相關(guān)的一系列研究。 本文的研究對(duì)推動(dòng)這一領(lǐng)域的研究工作具有重要的理論和工程意義。

本文系統(tǒng)地歸納、 總結(jié)和評(píng)述了邊坡穩(wěn)定性的研究進(jìn)展， 對(duì)背后山滑坡的工程地質(zhì)條件進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查， 整理和分析了汶川特大地震背后山滑坡科學(xué)考察的全部資料。 在此基礎(chǔ)上， 通過(guò)有限元數(shù)值模擬， 對(duì)背后山滑坡的共振特性， 靜、 動(dòng)力穩(wěn)定性以及動(dòng)力響應(yīng)等進(jìn)行了計(jì)算和分析研究， 得到了若干有意義的結(jié)論， 主要研究成果如下：

(1) 對(duì)漢源縣的震害及背后山古滑坡進(jìn)行了科學(xué)考察。 在汶川特大地震發(fā)生后， 防災(zāi)科技學(xué)院科考組在中國(guó)地震局的統(tǒng)一指揮下， 負(fù)責(zé)漢源和北川的科考工作， 對(duì)漢源縣城背后山滑坡進(jìn)行了野外調(diào)查， 獲得了地形地貌、 地層巖性、 地質(zhì)構(gòu)造等詳細(xì)資料， 揭示了背后山有古滑坡存在， 圈定了古滑坡的邊界范圍， 明確了古滑坡的活動(dòng)期次、 特征及現(xiàn)今穩(wěn)定性狀況。 調(diào)查分析結(jié)果顯示， 漢源老縣城位于背后山古滑坡體的前緣， 但并未發(fā)現(xiàn)古滑坡整體復(fù)活的跡象， 只在坡體后部出現(xiàn)了幾條張性裂縫。

(2) 建立了背后山滑坡的地質(zhì)模型、 力學(xué)模型和有限元計(jì)算模型。 選取典型的地質(zhì)剖面， 建立滑坡的地質(zhì)模型、 力學(xué)模型和計(jì)算模型， 并制定了計(jì)算方案。 提出4種安全系數(shù)的計(jì)算方法， 對(duì)背后山滑坡的靜力穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算和分析， 得到靜力安全系數(shù)為4.09。 結(jié)果表明， 在靜力條件下， 背后山滑坡是穩(wěn)定的， 同時(shí)為滑坡的地震穩(wěn)定性分析提供了初始的靜應(yīng)力場(chǎng)。

(3) 分析了背后山滑坡的共振特性。 分別通過(guò)ANSYS有限元模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析， 得到了邊坡體固有頻率和振型， 以及位移與頻率的關(guān)系(共振曲線)。 對(duì)比分析漢源縣附近強(qiáng)震臺(tái)站記錄到的地震動(dòng)卓越周期， 我們發(fā)現(xiàn)， 滑坡的固有周期與其基本相近。 現(xiàn)場(chǎng)考察發(fā)現(xiàn)， 漢源老縣城坐落于背后山滑坡體前緣之上， 由此分析認(rèn)為， 可能是由于滑坡體發(fā)生共振而導(dǎo)致了汶川地震時(shí)漢源老縣城的高烈度異常。

(4) 計(jì)算和分析了背后山滑坡的地震穩(wěn)定性。 分別用擬靜力法和有限元?jiǎng)恿r(shí)程分析法計(jì)算了地震作用下滑坡的安全系數(shù)， 重點(diǎn)是運(yùn)用后一種方法進(jìn)行計(jì)算、 分析和評(píng)價(jià)。 通過(guò)有限元?jiǎng)恿r(shí)程分析， 得到滑坡在地震作用下的安全系數(shù)時(shí)程曲線， 通過(guò)分析給出了滑坡最小動(dòng)力安全系數(shù)值為1.1， 由此判斷， 滑坡整體是穩(wěn)定的。 對(duì)于邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)， 本文提出可以根據(jù)安全系數(shù)最小值是否大于1， 邊坡關(guān)鍵點(diǎn)速度時(shí)程末段是否趨于零， 以及在地震動(dòng)時(shí)程末段位移、 應(yīng)力矢量場(chǎng)大小幾個(gè)方面來(lái)判斷滑坡的穩(wěn)定性。 在判斷滑坡整體穩(wěn)定的情況下， 針對(duì)坡肩、 坡腳等關(guān)鍵部位， 提出從受力情況和振動(dòng)速度兩方面對(duì)其進(jìn)行局部穩(wěn)定性的分析和判斷， 并計(jì)算了關(guān)鍵點(diǎn)處的安全系數(shù)。 計(jì)算和分析的結(jié)果表明， 汶川地震中漢源縣高烈度異?，F(xiàn)象與滑坡滑動(dòng)無(wú)關(guān)， 但在坡肩附近以及坡體上部小范圍內(nèi)有輕度的拉張開(kāi)裂， 這與實(shí)際調(diào)查現(xiàn)象基本符合。

(5) 分析和討論了背后山滑坡的動(dòng)力響應(yīng)， 以及地震動(dòng)三要素對(duì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)的影響。 具體計(jì)算分析中， 本文在坡面上、 滑體內(nèi)、 滑面上、 坡體內(nèi)設(shè)置了32個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算和分析。 計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)： 在坡面附近， 動(dòng)力響應(yīng)加速度峰值相較于輸入地震動(dòng)加速度峰值達(dá)到3倍以上， 即PGA放大系數(shù)達(dá)到3以上。 并且邊坡體各點(diǎn)PGA放大系數(shù)在豎向上隨高程增加而增大； 沿坡體坡面方向從左至右， PGA放大系數(shù)逐漸增大后緩慢減小。 坡體水平位移在豎向上隨高程增加而增大； 沿坡體坡面方向從左至右， 位移逐漸減小。 坡面陡坎對(duì)加速度、 位移響應(yīng)的突變效應(yīng)很明顯。 分析地震動(dòng)三要素對(duì)坡體動(dòng)力響應(yīng)的影響可以看出， 加速度、 位移動(dòng)力響應(yīng)的絕對(duì)量隨輸入地震波振幅增大呈明顯的線性增長(zhǎng)關(guān)系， 但位移、 加速度放大系數(shù)保持不變， 它們不受振幅的影響， 只取決于巖土體材料以及頻譜特性。 隨著輸入地震波頻率的增大， 坡面上各點(diǎn)的PGA放大系數(shù)減小， 位移峰值隨輸入地震波頻率的增大而減小。 持時(shí)對(duì)坡體加速度峰值響應(yīng)的影響不明顯。

綜上所述， 本文在背后山古滑坡工程地質(zhì)條件調(diào)查的基礎(chǔ)上， 建立了地質(zhì)模型、 力學(xué)模型和計(jì)算模型。 采用有限單元法對(duì)背后山滑坡進(jìn)行靜、 動(dòng)力穩(wěn)定性分析、 共振特性分析、 動(dòng)力響應(yīng)分析等方面的研究是可行并且有效的。 本文研究結(jié)果表明， 背后山滑坡在汶川特大地震中并沒(méi)有發(fā)生整體滑動(dòng)， 只是在坡肩附近小范圍內(nèi)產(chǎn)生輕微的拉張開(kāi)裂。 漢源縣老縣城高兩度的烈度異?，F(xiàn)象與背后山滑坡整體穩(wěn)定性無(wú)關(guān)， 與滑坡體共振產(chǎn)生劇烈振動(dòng)有關(guān)， 坡面的加速度放大效應(yīng)非常明顯。 此外， 本文認(rèn)為， 對(duì)于避免地震作用下邊坡的失穩(wěn)問(wèn)題， 可以通過(guò)分析邊坡響應(yīng)變化趨勢(shì)、 響應(yīng)最明顯的位置以及產(chǎn)生共振反應(yīng)的頻率段等相關(guān)特征給出相應(yīng)的抗震措施。

關(guān)鍵詞汶川地震； 背后山滑坡； 動(dòng)力分析； 安全系數(shù)； 共振

(作者電子信箱， 門妮： niar1982@126.com)

中圖分類號(hào)：P642.22；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.04.013