張 祎, 李 恒, 徐利軍, 王林峰, 曾韜睿

(1.中國地震局地震研究所地震預(yù)警湖北省重點(diǎn)實驗室，武漢 430071； 2.武漢地震工程研究院有限公司，武漢 430071；3.重慶交通大學(xué)山區(qū)公路水運(yùn)交通地質(zhì)減災(zāi)重慶市高校市級重點(diǎn)實驗室，重慶 400074)

滑坡作為三峽庫區(qū)主要外動力地質(zhì)現(xiàn)象之一，也是地質(zhì)災(zāi)害的主要類型。堆積層滑坡作為庫區(qū)主要的滑坡類型呈現(xiàn)出數(shù)量多、危害大的特點(diǎn)。堆積層滑坡表層多為松散巖土，發(fā)育在山谷和河岸兩側(cè)，滑壁多陡直。庫區(qū)堆積層滑坡既有一般山地滑坡的共性又有其特殊的一面，即其穩(wěn)定性與庫水位升降有很大的關(guān)系。主要體現(xiàn)在水位的上升導(dǎo)致滑坡體浸水體積增加、滑面上有效應(yīng)力減小或抗滑阻力減小，滑帶飽水后的強(qiáng)度降低；水位下降，坡體內(nèi)的水位下降相對滯后，導(dǎo)致坡體內(nèi)產(chǎn)生超孔隙水壓力。這也是庫區(qū)許多滑坡失穩(wěn)和古滑坡“復(fù)活”的主要原因。地震作用的“疊加”無疑大大增加了滑坡失穩(wěn)的可能和風(fēng)險。

中外學(xué)者針對中國近年來發(fā)生的地震滑動災(zāi)害，展開了大量的研究分析。張倬元等[1]認(rèn)為地震對邊滑坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)為累積效應(yīng)和觸發(fā)效應(yīng)兩方面；郭亞永等[2]針對魯?shù)榈卣鸶始艺碌挠|發(fā)因素將滑動過程分為坡體震裂松動、后緣拉裂、整體下滑、減速堆積4個階段；Eberhardt等[3]和Guglielmi等[4]利用CWFS 本構(gòu)模型對大型邊坡鎖固段的破壞過程進(jìn)行了模擬研究；程謙恭等[5]基于彈塑性與黏彈-黏塑性本構(gòu)方程，定量地揭示了高邊坡巖體破裂、變形、破壞及失穩(wěn)前后鎖固段巖體漸進(jìn)性破壞的機(jī)制和過程。采用數(shù)值模擬進(jìn)行地震對滑坡的影響研究是目前常用和較為可靠的手段。朱慶等[6]、王立緯等[7]和李全明等[8]都采用Geo-Studio分析了滑坡的動力響應(yīng)；李祥龍等[9]和劉蕾等[10]則運(yùn)用FLAC/PFC2D耦合計算方法進(jìn)行模擬不同參數(shù)下巖質(zhì)邊坡的動力破壞過程。數(shù)值模擬方法既可以得到邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，又可以模擬地震條件下邊坡的響應(yīng)特征，是定性研究邊坡問題的重要方法[11-12]。

圖1 鴉鵲灣滑坡位置圖Fig.1 Location map of the Yaquewan landslide

綜上，目前缺乏對地震作用下庫區(qū)堆積層滑坡失穩(wěn)機(jī)制的研究。以三峽庫區(qū)鴉鵲灣滑坡為例，基于Geo-Studio中Quake/W和Slope/W耦合建立數(shù)值模型，研究地震和庫水位變動耦合作用下堆積層滑坡的穩(wěn)定性變化和動力響應(yīng)，探討堆積層滑坡的失穩(wěn)機(jī)制，為類似滑坡的分析和防治提供有益參考。

1 工程概況與計算模型

1.1 工程概況

鴉鵲灣滑坡位于重慶市巫山縣跳石村(圖1)，滑坡體積約555×104m3，地形呈上陡下緩，高程600 m以上坡角50°～60°，高程600 m以下坡角25°～30°，屬大型堆積層滑坡?；碌靥庨L江沿岸，受庫水位影響嚴(yán)重，滑坡一旦發(fā)生滑動將威脅航道安全，造成居民房屋損壞和人身傷亡。自三峽水庫蓄水以來，三峽庫區(qū)庫岸段發(fā)生多次與水庫蓄水有關(guān)的滑坡事件，巫山縣大寧河江東寺北岸紅巖子滑坡引發(fā)巨大涌浪，造成一名8歲男孩死亡，數(shù)十戶居民受到影響[13]；2017年10月27日上午，受庫水位和降雨的影響，秭歸縣鹽關(guān)滑坡出現(xiàn)滑動變形，沖毀房屋和道路，造成了巨大的損失[14]。因此，研究鴉鵲灣滑坡在庫水位變動和地震耦合作用下的失穩(wěn)機(jī)制很有必要。

1.2 計算模型

根據(jù)地形等高線、地質(zhì)鉆孔資料按照滑坡尺寸建立了滑坡地質(zhì)模型如圖2所示。數(shù)值模型長478 m，高365 m，地層自下而上依次是：由中風(fēng)化灰?guī)r組成的基巖，滑坡上部以碎石土為主的堆積體，滑坡中下部碎裂巖體以及常年涉水的頁巖。根據(jù)現(xiàn)場及室內(nèi)實驗確定各地層巖土力學(xué)參數(shù)如表1所示。

以《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)7度區(qū)第一分組對應(yīng)的設(shè)計地震動反應(yīng)譜為目標(biāo)譜，人工合成地震動加速度時程，峰值加速度0.10g(g為重力加速度)，持續(xù)時間20.46 s，如圖3所示。

圖2 滑坡地質(zhì)模型圖Fig.2 Geological model of landslide

圖3 地震加速度時程曲線Fig.3 Time history curve of earthquake acceleration

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

模型分析中有限元網(wǎng)格劃分采用四邊形和三角形網(wǎng)格相結(jié)合的模式，網(wǎng)格劃分需滿足精度要求，共有5 404個節(jié)點(diǎn)，5 196個單元，有限元模型邊界條件設(shè)置為左右邊界X向約束、底部固定約束、坡面無約束。在坡面(PM1～PM6)、滑帶(HD1～HD4)和后緣基巖(JY1、JY2)上選取監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測地震過程中滑坡表面的位移、加速度以及應(yīng)變規(guī)律。

2 滑坡動力穩(wěn)定性分析

2.1 穩(wěn)定系數(shù)分析

利用Geostudio軟件中Quake/W模塊與Slope/W模塊耦合進(jìn)行計算分析，得到鴉鵲灣滑坡在地震作用下的穩(wěn)定系數(shù)。同時由于滑坡地處三峽庫區(qū)，庫水位變動會導(dǎo)致滑坡靜水壓力和孔隙水壓力不同，因此考慮庫水位由175 m變動至145 m時，地震對滑坡的穩(wěn)定性影響。由計算結(jié)果(圖4)可知，不考慮地震僅考慮庫水位變化時，該滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。利用傳遞系數(shù)法和擬靜力法計算地震力認(rèn)為滑坡不同高程滑動塊體同時遭受地震峰值加速度，而各滑塊承受地震慣性力的大小等于地震系數(shù)和滑塊重力的乘積，計算得到的地震滑坡穩(wěn)定系數(shù)是一個常數(shù)。得出的結(jié)果擬靜力法穩(wěn)定系數(shù)更低是因為通過Geostudio計算滑坡穩(wěn)定性是尋找最差滑移面，而傳遞系數(shù)法是通過指定滑移面計算穩(wěn)定系數(shù)。通過擬靜力法計算滑坡的穩(wěn)定性處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，通過Geostudio的Quake/W模塊和Slope/W模塊耦合得出滑坡的穩(wěn)定性處于欠穩(wěn)定～不穩(wěn)定狀態(tài)，與僅考慮自重和庫水位變化的穩(wěn)定系數(shù)相比平均減小37.63%，說明地震對該滑坡穩(wěn)定性影響較大。當(dāng)庫水位由175 m降到165 m時，滑坡由欠穩(wěn)定降到不穩(wěn)定狀態(tài)，庫水位低于165 m時遭受前文人工合成地震動時滑坡將會滑動破壞。鴉鵲灣滑坡表層為碎石土和碎裂巖土，當(dāng)發(fā)生地震時極易發(fā)生震動滑塌，因此利用Quake/W模塊和Slope/W模塊耦合計算出的滑坡穩(wěn)定系數(shù)更加符合實際。

在地震時，由于加速度作用時間較短，穩(wěn)定系數(shù)會隨加速度時程發(fā)生上下波動，擬靜力法僅將地震力簡化到滑塊上不能體現(xiàn)地震的作用?？紤]了地震動頻譜特性和巖土體動力特性的時程分析更符合地震影響下滑坡的實際情況。地震動的時程分析可直接得到滑坡體對地震的實時響應(yīng)，由于地震加速度對滑坡體產(chǎn)生的動應(yīng)力隨時間變化，穩(wěn)定系數(shù)也成為時間的函數(shù)。通過計算得出滑坡穩(wěn)定系數(shù)時程曲線如圖5所示，可知滑坡穩(wěn)定系數(shù)隨時間變化分為三個階段：第一階段0.0～0.18 s，地震波尚未到達(dá)，穩(wěn)定系數(shù)基本不變；第二階段0.18～16.8 s，地震波作用于滑坡，穩(wěn)定系數(shù)波動較大并出現(xiàn)極值；第三階段為16.8～20.0 s，隨地震波衰減，穩(wěn)定系數(shù)趨于常數(shù)。與加速度和位移對比可知穩(wěn)定系數(shù)的變化與加速度變化一致，當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)為正時，位移為正時，坡體相對向內(nèi)移動，位移為負(fù)時，坡體相對向外移動，穩(wěn)定系數(shù)降低，位移峰值與穩(wěn)定系數(shù)峰值吻合?；路€(wěn)定系數(shù)在1.199～0.859波動，最大值出現(xiàn)在175 m水位12.26 s，最小值出現(xiàn)在145 m水位11.55 s。隨著水位降低，穩(wěn)定系數(shù)降低，這是由于庫水位下降時地下水向外排泄，產(chǎn)生了指向坡外的滲透壓力，從而大幅度降低坡體的穩(wěn)定性。

圖4 地震作用下穩(wěn)定系數(shù)隨庫水位變化Fig.4 The stability coefficient changes with the reservoir water level under earthquake action

圖5 穩(wěn)定系數(shù)時程曲線Fig.5 Stability coefficient-time history curve

從穩(wěn)定系數(shù)時程曲線可以看到最小穩(wěn)定系數(shù)時刻與峰值加速度時刻并不同步。這是因為峰值加速度由基底輸入，經(jīng)過一定的傳播路徑和作用時間才能到達(dá)滑坡體的危險部位，地震荷載下滑坡應(yīng)力狀態(tài)也是不斷變化的。同時，受滑坡幾何特征和巖土體特性的影響，滑坡不同部位表現(xiàn)出對峰值加速度的差異性放大效應(yīng)。所以，峰值加速度時刻并不是動力響應(yīng)最大時刻。

2.2 永久位移分析

當(dāng)滑坡發(fā)生地震，部分巖土體經(jīng)歷了強(qiáng)度損傷，應(yīng)力將會重新調(diào)整和分布，就會產(chǎn)生永久變形。利用Slope模塊中的Newmark變形分析法，可以計算滑體在經(jīng)歷地震作用后沿滑面產(chǎn)生的永久位移。通過對永久位移大小的研究，可以為滑坡穩(wěn)定性評價提供依據(jù)和參考。由圖6滑體速度與時間的關(guān)系可知，庫水位越低滑體在地震后速度變化越大，145 m水位最高速度為0.267 m/s，發(fā)生在12.64 s，與穩(wěn)定系數(shù)最低值發(fā)生的時間接近，說明滑體速度越大，越影響滑坡的穩(wěn)定性，滑坡越有滑移的傾向。

由圖7永久位移與時間的關(guān)系可知，175 m水位 和170 m水位最大永久位移為0.024 m和0.098 m，165、160、155、150、145 m水位最大永久位移分別為1.057、1.323、1.331、1.555、2.230 m。參考Jibson等[15]對滑坡永久位移量做出的界定(表2)，滑坡在175～170 m水位受到地震作用破壞程度低，165～155 m水位破壞程度高，低于155 m水位破壞程度超高。且當(dāng)水位低于170 m時，永久變形與地震時間呈線性相關(guān)。

圖6 滑體速度與時間的關(guān)系Fig.6 The relationship between speed and time

圖7 永久位移與時間的關(guān)系Fig.7 The relationship between permanent displacement and time

表2 永久位移與破壞程度的關(guān)系

2.3 動力響應(yīng)分析

為研究滑坡在地震作用下的動力響應(yīng)，在坡面(PM1～PM6)、滑帶(HD1～HD4)和后緣基巖(JY1、JY2)上選取監(jiān)測點(diǎn)，分析145 m水位受到地震作用后的水平位移變化和加速度變化如圖8、圖9所示，由圖8(a)可知，滑坡各個部位監(jiān)測點(diǎn)總體變化趨勢類似，可分為三個階段：第一階段為0～1.22 s，地震未至位移不變；第二階段為1.22～13.12 s，地震作用下位移明顯增大且出現(xiàn)峰值；第三階段為13.12～20.46 s，位移隨地震波衰減趨于穩(wěn)定，且該階段僅出現(xiàn)正向位移。由圖9(a)得出坡面中后段位移較大，最大值出現(xiàn)在PM3，為0.035 m；坡腳、滑面和后緣基巖發(fā)生的位移較小?？梢缘贸龆逊e層越厚的部位，受到地震作用后越易發(fā)生滑動，滑帶和后緣基巖發(fā)生的位移較為一致。

圖8 145 m水位監(jiān)測點(diǎn)位移、加速度變化Fig.8 Change of displacement and acceleration of 145 m water level monitoring point

由圖8(b)可知，通過與輸入的地震波對比，滑坡各監(jiān)測點(diǎn)加速度峰值比地震動加速度峰值出現(xiàn)的時間較晚，說明X方向加速度響應(yīng)趨勢相較于地震動加速度變化趨勢具有一定的滯后性。隨著高程的增加，X方向加速度峰值的出現(xiàn)時間也隨之滯后。由圖9(b)可知，隨著高程增加，加速度峰值也隨之增加，最大值為JY2監(jiān)測點(diǎn)的0.188g?；瑤Х逯导铀俣入S著高程的增加而增加。坡面的峰值加速度不僅受高程的影響，同時也受到坡度變化的影響，監(jiān)測點(diǎn)坡度沒有發(fā)生變化時，峰值加速度隨高程增加而增加，如PM1、PM2、PM5；當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)坡度發(fā)生較大改變時，峰值加速度會發(fā)生突變，如PM3、PM4、PM6。

圖9 145 m監(jiān)測點(diǎn)最大位移、加速度Fig.9 Maximum displacement and acceleration of 145 m monitoring points

圖10 地震對滑坡應(yīng)力-應(yīng)變的影響Fig.10 The effect of earthquake on landslide stress-strain

3 堆積層滑坡失穩(wěn)機(jī)制

分析鴉鵲灣滑坡在地震作用下的失穩(wěn)機(jī)制，選取穩(wěn)定系數(shù)最低145 m水位，滑坡在動力作用下的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)鐖D10所示。由圖10(a)可知，滑坡后緣與基巖相交面出現(xiàn)峰值動應(yīng)力集中現(xiàn)象，取值范圍為750～800 kPa，基巖由于地震動對滑體產(chǎn)生推力，使得滑坡由后緣開始出現(xiàn)破壞。峰值動應(yīng)力由基巖向臨空面逐漸降低，到滑面處趨于0，說明堆積層滑坡在受到地震動力作用后后緣基巖產(chǎn)生應(yīng)力集中，推動滑體后緣向臨空面滑動，致使滑坡發(fā)生滑塌破壞。由圖10(b)可知，滑坡峰值動力剪應(yīng)變主要集中在滑坡后緣碎石土區(qū)域，由碎石土區(qū)域先產(chǎn)生應(yīng)變滑動，滑坡下部受庫水位影響區(qū)域為滑坡剪出口。地震同時對滑帶以下基巖也造成了一定的動力損傷，變?yōu)闈撛诨瑒用妗?/p>

分析滑帶不同監(jiān)測點(diǎn)的莫爾應(yīng)力圓如圖11所示。由圖11可知，監(jiān)測點(diǎn)HD2受到X方向應(yīng)力為549.62 kPa，Y方向應(yīng)力為810.65 kPa，剪應(yīng)力為238.89 kPa；監(jiān)測點(diǎn)HD4受到X方向應(yīng)力為633.84 kPa，Y方向應(yīng)力為706.02 kPa，剪應(yīng)力為449.36 kPa?；瑤虏渴艿降腨方向應(yīng)力大于上部是由于其上覆土層厚度較大，而由于地震動力作用使得滑坡后緣產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此滑帶后緣X方向應(yīng)力大于滑帶下部，產(chǎn)生的剪應(yīng)力也較大。

圖11 滑帶監(jiān)測點(diǎn)莫爾應(yīng)力圓圖Fig.11 Mohr stress circle diagram of monitoring point of sliding belt

圖12為滑坡峰值位移云圖。圖12(a)表明滑坡X峰值位移主要發(fā)生在堆積層區(qū)域，數(shù)值為0.024～0.038 m，位移最大區(qū)域為碎石土下部和碎裂巖體上部，且位移分區(qū)平行于滑面，說明滑坡由表層逐漸開始發(fā)生滑動破壞。由圖12(b)可知，Y軸峰值位移為0～0.014 m，也集中在坡面后緣碎石土區(qū)域，同時滑坡后緣基巖產(chǎn)生0.002～0.004 m的位移。

圖12 滑坡峰值位移云圖Fig.12 Cloud image of peak displacement of landslide

圖13 滑移面曲線Fig.13 Slip plane curve

通過計算分析得出各個潛在滑移面如圖13所示。由圖13可知，滑坡標(biāo)紅區(qū)域為最不安全區(qū)域，滑坡在地震作用后緣出現(xiàn)剪切破壞，表層巖土體沿平行于滑帶的滑面滑動，剪出口為庫水位淹沒的區(qū)域。滑坡最終由表層向深部滑動，基巖上覆土體全部滑動破壞，同時滑坡滑移會導(dǎo)致后緣基巖產(chǎn)生臨空面，極易發(fā)展成為崩塌災(zāi)害。

4 結(jié)論

為研究地震作用下庫區(qū)堆積層滑坡的失穩(wěn)機(jī)制，利用Geo-Studio中Slope/W和Quake/W模塊耦合計算，得出如下結(jié)論。

(1)鴉鵲灣滑坡在地震作用下穩(wěn)定系數(shù)在1.199～0.859波動，最大值出現(xiàn)在175 m水位12.26 s，最小值出現(xiàn)在145 m水位0.859。隨著庫水位由175 m降低到145 m，滑坡穩(wěn)定性由欠穩(wěn)定降為不穩(wěn)定，已經(jīng)發(fā)生破壞。通過分析滑坡在地震作用下的永久位移量可知滑坡在175～170 m水位受到地震作用破壞程度低，165～155 m水位破壞程度高，低于155 m水位破壞程度超高，且當(dāng)水位低于170 m時，永久變形與地震時間呈線性相關(guān)。

(2)分析滑坡各監(jiān)測點(diǎn)的動力響應(yīng)，得出堆積層越厚的部位，受到地震作用后位移越大，滑帶和后緣基巖發(fā)生的位移較為一致；監(jiān)測點(diǎn)峰值加速度隨高程的增加而增加，且加速度峰值的出現(xiàn)時間也隨高程增加而滯后；坡面峰值加速度受到坡度的影響，監(jiān)測點(diǎn)坡度發(fā)生較大改變時，峰值加速度會發(fā)生突變。

(3)堆積層滑坡在受到地震動力作用后緣基巖會產(chǎn)生應(yīng)力集中，推動滑體后緣向臨空面滑動；滑坡峰值動力剪應(yīng)變主要集中在滑坡后緣碎石土區(qū)域，由碎石土區(qū)域先產(chǎn)生應(yīng)變滑動。在地震作用后表層巖土體沿平行于滑帶的滑面滑動，剪出口為庫水位淹沒的區(qū)域，滑坡由表層向深部滑動，最終基巖上覆土體全部滑動破壞，同時滑坡滑移會導(dǎo)致后緣基巖產(chǎn)生臨空面，極易發(fā)展成為崩塌災(zāi)害。