肖 衍，袁寶遠(yuǎn)，程 巖

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211100)

斜坡受各種自然和人為因素的作用會(huì)發(fā)生多種形式的變形和破壞，其中滑坡是普遍的破壞方式，滑坡會(huì)給工程建筑和生命安全造成難以避免的巨大損失。我國(guó)中西部以高山、丘陵為主，斜坡的穩(wěn)定問(wèn)題突出，特別是地震作用下，滑坡破壞頻發(fā)，5·12汶川大地震，沿著約兩百公里長(zhǎng)的龍門山斷裂帶，造成了許多的崩塌滑坡，在此次災(zāi)難中，其中近3成人員傷亡跟崩塌滑坡有密切聯(lián)系。

滑坡在地震作用下穩(wěn)定性分析方法主要有極限平衡分析方法[1-3]和數(shù)值分析方法[4-5]。擬靜力作用[6]下極限平衡分析法應(yīng)用很多，擬靜力作用下數(shù)值分析法也有不少應(yīng)用。但考慮地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)[7-8]，進(jìn)一步分析滑坡的地震動(dòng)力作用穩(wěn)定性的實(shí)例還較少。

白龍江流域的下游段，兩岸山體雄厚，高程為1 500～3 000 m，相對(duì)高出河水位600m以上絕大多數(shù)為基巖岸坡，整體穩(wěn)定性好，影響庫(kù)岸穩(wěn)定的主要是松動(dòng)、傾倒變形體和滑坡。郭家滑坡為一古滑坡體，滑坡的縱向長(zhǎng)度870m，平均寬400m，面積0.34km2，滑坡體厚度大于57m，體積2.35×107m3。其下游3km為一在建大中型水電站，其穩(wěn)定性會(huì)對(duì)下游水電站壩基穩(wěn)定以及庫(kù)岸穩(wěn)定性帶來(lái)直接的威脅，該區(qū)50a超越概率10%時(shí)的基巖水平峰值加速度0.195g。因此，在該區(qū)進(jìn)行地震安全性分析評(píng)價(jià)意義重大。

1 滑坡體工程地質(zhì)條件

滑坡體位于甘肅省文縣口頭壩鄉(xiāng)，該區(qū)屬隴南構(gòu)造剝蝕及侵蝕的中高山區(qū)，地形總體上西高東低，并由東、西兩側(cè)中高山向白龍江河谷傾伏。白龍江屬降雨補(bǔ)給型河流，庫(kù)區(qū)位于中游河段，區(qū)內(nèi)年降雨量400～500mm，多陣性暴雨，長(zhǎng)歷時(shí)降雨少，年降雨量多集中在7、8、9月份。

滑坡體前緣高程800m，大約高出河水位90～100m，后緣高程1 400m左右，地形上緩下陡，上部24～30°，中部34°，下部41°，從平面形態(tài)上來(lái)看，滑坡呈長(zhǎng)舌狀，長(zhǎng)軸方向SE155°，與主滑方向基本一致。根據(jù)2017年8、9月份現(xiàn)場(chǎng)勘察與取樣分析，晚更新世的風(fēng)成黃土布滿了郭家滑坡的后部邊界地帶，滑坡的中以及前半?yún)^(qū)域在坡面上能夠劃出兩個(gè)區(qū)，上游區(qū)主要是凝灰?guī)r和局部瓦解的板巖構(gòu)成，下游區(qū)物質(zhì)主要為板巖碎塊，從剖面來(lái)看，具有清晰的分層性，由表及里共可以分為6層:滑坡體的風(fēng)積黃土主要分布在后緣的緩坡和1 200m高程以上地帶；變質(zhì)凝灰?guī)r碎石層主要見于滑坡的淺表部，分布高程低于1 200m，主要是塊石，其所占比例可達(dá)80%，垂直向的厚度23～35m；保留原巖層序的變質(zhì)凝灰?guī)r塊石層大部分見于中淺部，依然維持著原巖的層序結(jié)構(gòu)，根據(jù)平硐揭露水平向厚度60～65m；保持層狀結(jié)構(gòu)的滑體,主要分布在滑坡體中深部，厚度40～45m；板巖強(qiáng)烈揉皺層，厚度25～30m；滑帶土層，厚度7.5m左右，灰白色的巖粉、土黃色—深褐色泥質(zhì)物是其主要成分，含有角礫，角礫粒徑0.3～1cm，較密實(shí)，有潮濕感，手捻有砂感。

河流最高水位800m，低于滑坡前緣高程。

2 動(dòng)力計(jì)算模型

選用FLAC3D數(shù)值分析軟件進(jìn)行地震動(dòng)力作用下滑坡穩(wěn)定性數(shù)值分析計(jì)算。計(jì)算的模型見圖1，模型沿y向取一定的厚度進(jìn)行建模。模型計(jì)算底部和左右邊界是固定約束，上部表面是可以自由移動(dòng)的。根據(jù)所取樣品進(jìn)行的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，參考收集的白龍江下游苗家壩工程的試驗(yàn)資料，綜合分析得出計(jì)算所取參數(shù)見表1。材料本構(gòu)模型采用摩爾庫(kù)倫模型。

表1 材料計(jì)算參數(shù)

圖1 滑坡數(shù)值計(jì)算剖面模型Figure 1 Landslide numerical computation section model

動(dòng)力作用計(jì)算選取加速度時(shí)程從模型底部輸入達(dá)到加載目的，加速度時(shí)程根據(jù)人造波合成最大加速度為73cm/s2，持續(xù)40s，兩個(gè)加速度之間相隔為0.02s，其時(shí)程曲線如圖2所示。

時(shí)間/×10s圖2 地震波時(shí)程曲線Figure 2 Seismic wave time-history curve

邊界條件的設(shè)置有靜態(tài)邊界和自由場(chǎng)邊界兩種方式。靜態(tài)邊界添加了阻尼器來(lái)接受輸入的波，自由場(chǎng)邊界通過(guò)把一二維網(wǎng)格施加到所計(jì)算的物體側(cè)圍來(lái)添加這種邊界。本文計(jì)算選擇自由場(chǎng)邊界。介質(zhì)之間相互摩擦相挨的表面滑動(dòng)都會(huì)有力學(xué)阻尼，F(xiàn)LAC3D所提供阻尼有瑞利阻尼、局部阻尼和滯后阻尼。本次計(jì)算選用瑞利阻尼來(lái)求解。

3 動(dòng)力響應(yīng)分析

加速度可以用來(lái)表征地震力，通過(guò)在坡面和坡體內(nèi)布置一系列監(jiān)測(cè)點(diǎn)，來(lái)觀察滑坡體對(duì)地震波的響應(yīng)規(guī)律，其中所布監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程分別為805、863、936、1 041、1 120、1 201、1 280、1 358m，滑坡體內(nèi)某點(diǎn)所達(dá)到的最大加速度與加載的最大加速度相比所得加速度放大系數(shù)，圖3和圖4是記錄的高程在1120 m坡表面和坡體內(nèi)部特征點(diǎn)加速度隨時(shí)間變化曲線。

圖3 特征點(diǎn)(287,0,758)加速度時(shí)程曲線Figure 3 Characteristic point (287, 0, 758) acceleration time-history curves

圖4 特征點(diǎn)(231,0,767)加速度時(shí)程曲線Figure 4 Characteristic point (231, 0, 767) acceleration time-history curves

由圖3、圖4可得坡面特征點(diǎn)最大值3.39m/s2，加速度與坡底相比放大了4.65倍，坡內(nèi)特征點(diǎn)最大值6.82m/s2，與坡底相比放大了9.65倍。

定義坡內(nèi)和坡面的加速度放大系數(shù)分別為α和β，加速度放大系數(shù)隨高程變化如圖5所示，可以看出加速度向上傳播時(shí)候均有高程放大效應(yīng)，不同高程處放大系數(shù)不同。

4 穩(wěn)定性分析

利用FLAC3D軟件計(jì)算滑坡的穩(wěn)定性。 首先計(jì)算滑坡在重力和地下水作用下的穩(wěn)定性。圖6和圖7是剖面在自重條件下最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布圖，由圖6、圖7可知，在自重下坡體內(nèi)應(yīng)力均為負(fù)值，所以拉應(yīng)力不存在，第一主應(yīng)力最大20MPa，第三主應(yīng)力最大5.1MPa，均出現(xiàn)在底部。

圖5 加速度隨高程動(dòng)力響應(yīng)曲線Figure 5 Dynamic response curve of accelerationin pace with elevation

圖6 剖面最大主應(yīng)力分布Figure 6 Section maximum principal stress distributions

圖7 剖面最小主應(yīng)力分布Figure 7 Section minimum principal stress distributions

圖8是剖面在自重條件下所得剪應(yīng)變?cè)隽繄D，剪應(yīng)變?cè)隽孔畲笾翟?.012，根據(jù)FLAC3D自帶求解安全系數(shù)的方法，求解的剖面在自重下安全系數(shù)為1.13。圖9為求解安全系數(shù)下剪應(yīng)變?cè)隽繄D， 從圖中可以看到強(qiáng)度減小后剪應(yīng)變?cè)隽肯啾戎皵?shù)值突增，貫通的剪應(yīng)變?cè)隽吭?.02～0.01。

圖8 剖面剪應(yīng)變?cè)隽縁igure 8 Section shear strain increment

在計(jì)算滑坡在重力和地下水作用下的穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，計(jì)算滑坡加上地震動(dòng)力作用下的穩(wěn)定性。圖10是加40s地震波后的剪應(yīng)變?cè)隽繄D，圖11是地震工況下剖面塑性區(qū)分布,圖12是折減系數(shù)1.05剪應(yīng)變?cè)隽繄D，當(dāng)系數(shù)折減1.05時(shí)，剪應(yīng)變最大值已變?yōu)?.1，剪應(yīng)變?cè)隽控炌▍^(qū)在0.03～0.01，可以認(rèn)為滑坡穩(wěn)定性折減系數(shù)在1～1.05。

為了地震動(dòng)力數(shù)值分析能與極限平衡方法進(jìn)行對(duì)比，本文利用擬靜力極限平衡法中的4種典型計(jì)算方法計(jì)算了天然工況(考慮重力和地下水)、地震工況(地震加速度取0.125g)和地震工況(地震加速度取0.195g)，計(jì)算得到的穩(wěn)定系數(shù)見表2。

圖9 安全系數(shù)下剖面剪應(yīng)變?cè)隽縁igure 9 Section shear strain increment under safety margin

圖10 地震動(dòng)力作用下剪應(yīng)變?cè)隽縁igure 10 Shear strain increment under earthquake dynamic action

地震動(dòng)力數(shù)值分析所加的地震波量值上相當(dāng)于擬靜力極限平衡方法中地震力0.195g，對(duì)比二種分析方法，可以看出地震動(dòng)力數(shù)值分析得到的穩(wěn)定性結(jié)果明顯低于擬靜力極限平衡方法，究其原因有兩個(gè)，一是靜荷載與動(dòng)荷載的作用方式不同會(huì)導(dǎo)致結(jié)果差異，另一個(gè)是滑坡體部位由于動(dòng)力響應(yīng)產(chǎn)生加速度的放大作用使滑坡體受到的地震力比底部增大。

表2 極限平衡方法計(jì)算成果

圖11 地震作用下剖面塑性區(qū)分布Figure 11 Section plastic range distribution under earthquake action

圖12 折減系數(shù)1.05剪應(yīng)變?cè)隽縁igure 12 Reduction factor 1.05 shear strain increments

5 結(jié)論

1)地震作用下的滑坡體的穩(wěn)定性比天然工況明顯減低，在工程分析中應(yīng)引起足夠重視；

2) 擬靜力極限平衡分析法與地震動(dòng)力數(shù)值分析法計(jì)算的滑坡穩(wěn)定性結(jié)果差異明顯，地震動(dòng)力數(shù)值分析方法更符合滑坡體的受力機(jī)理；

3)地震作用下滑坡動(dòng)力響應(yīng)分析結(jié)果表明，地震動(dòng)力作用下滑坡體不同部位的動(dòng)力響應(yīng)差別明顯，一般表現(xiàn)為加速度的放大作用，降低了滑坡體的穩(wěn)定性；

4)郭家滑坡的地震作用下動(dòng)力數(shù)值分析結(jié)果表明，在地震設(shè)防烈度地震動(dòng)力作用下，滑坡體穩(wěn)定性達(dá)不到規(guī)范要求，應(yīng)引起有關(guān)部門的重視。