王海芝，王頌，周劍，張路青，*，黃福有

(1.北京市地質研究所，北京 100120；2.中國科學院地質與地球物理研究所中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室，北京 100029；3.中國科學院大學地球與行星科學學院，北京 100049；4.中國科學院地球科學研究院，北京 100029；5.北京工業(yè)大學 城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京 100124)

樟木口岸位于西藏聶拉木縣的樟木鎮(zhèn)，是中國通向南亞次大陸最大的國際貿易口岸，擔負著中國和尼泊爾之間的政治、經濟和文化交流。樟木鎮(zhèn)地處喜馬拉雅造山帶核部的高山峽谷，是西藏地質災害最嚴重的區(qū)域之一，歷史上曾多次遭受滑坡、崩塌、泥石流和冰湖潰決災害(李云貴等，1995)。由于受地形條件的限制和中尼通商的需要，樟木鎮(zhèn)和口岸的大多數房屋建筑均修建于樟木滑坡堆積體上。樟木滑坡為一個特大復合型滑坡，坡體上不僅發(fā)育有福利院和幫村東古滑坡，而且在古滑坡堆積層上發(fā)育有現代滑坡，整個滑坡體積約1億m3。運用自然歷史分析法進行推測，樟木滑坡堆積體的形成過程大致可以分為3個發(fā)展階段：巖質古滑坡的形成及剝蝕階段、崩坡積物及沖洪積物在巖質古滑坡上的堆積階段、堆積層上新老滑坡的發(fā)育階段(易順民等，1996；毛成文，2008)。

近年來,隨著城鎮(zhèn)化建設的推進，地質災害頻發(fā)，樟木滑坡局部出現復活，造成眾多建筑物變形毀壞，道路裂縫發(fā)育，地表沉陷，嚴重威脅城鎮(zhèn)的進一步發(fā)展(曾建，2006)。1986～2004年,原公安局、福利院等多處地面出現地裂縫(祝建等，2008)。2005年雨季期間，福利院滑坡變形加劇，導致管委會宿舍樓地面下沉超過30 cm、烈士陵園擋墻整體發(fā)生前移和紀念碑底座嚴重扭曲變形。2010年1月2日～2011年12月14日，西藏自治區(qū)地質環(huán)境監(jiān)測總站樟木滑坡監(jiān)測點的監(jiān)測數據表明，樟木滑坡5個監(jiān)測點的累計位移介于15～112 mm，局部變形強烈(尚文濤，2009)。2015年4月25日尼泊爾特大地震進一步加劇了樟木滑坡的變形(陳劍等，2016)?；聻暮Σ粌H威脅到當地人民群眾的生命和財產安全，也制約著口岸經濟社會的發(fā)展。

祝建等(2010)對樟木滑坡地表裂縫、地表位移和深部位移進行了長期監(jiān)測，結果表明,福利院古滑坡中部發(fā)生復活。胡瑞林等(2014)綜合工程地質結構和巖土類型，初步研究了樟木滑坡堆積體的變形破壞規(guī)律和穩(wěn)定性，認為斜坡整體穩(wěn)定，但受人類工程活動等因素的影響局部可能會發(fā)生滑移。Ma等(2017)基于樟木滑坡的100個鉆孔記錄、電子自旋共振測年法和年輪寬度測年法，確定了不同部位的復活時間，并結合現場監(jiān)測結果，發(fā)現滑坡活化與降雨密切相關。上述研究指明了樟木滑坡的影響因素及其與斜坡的相互作用關系，但還缺乏對滑坡穩(wěn)定性的定量評價。

數值模擬是研究滑坡的重要手段，有利于揭示滑坡的形成機理和變形破壞過程。例如，有限元方法可以處理各向異性的復雜邊坡工程問題，計算邊坡的塑性區(qū)及獲取位移場、應力場和應變場，并能夠進行承載力分析(Lollino et al.，2010；吳應祥等，2013；Gian et al.，2016；陳豫津等，2019)；有限差分法可以考慮邊坡的非線性應力和應變關系，并能夠基于強度折減法對邊坡進行大變形分析(Wang et al.，2020；Zhang et al.，2020；劉暢等，2020)；離散元法以牛頓第二定律和單元接觸關系為基礎，能夠再現邊坡破壞后的運動學特征(Wei et al.，2019；Zhou et al.，2019；周禮等，2019)。尚文濤(2009)在FLAC 3D軟件中利用強度折減法研究了樟木滑坡的變形和破壞，認為坡體以“壓-剪”破壞模式為主；左輝(2009)使用GeoStudio軟件分析了幫村東滑坡在天然和飽水狀態(tài)下坡體的穩(wěn)定性，結果表明，在飽水時坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。張俊文等(2016)使用有限元強度折減法計算了福利院滑坡在自然、降雨和地震工況下的安全系數，發(fā)現強降雨和地震使得坡體的安全系數顯著降低。

上述有關樟木滑坡穩(wěn)定性的研究大多都是針對暴雨工況和采用強度折減簡化的地震工況，忽略了地震的動態(tài)作用過程和人類活動對坡體的影響。筆者定量分析了地震動和車輛震動等動力變化對堆積層斜坡穩(wěn)定性的影響，并計算了隨動載荷作用而變化的動態(tài)安全系數。在斜坡穩(wěn)定性分析的基礎上，還采用普遍條分法進一步評價了樟木鎮(zhèn)堆積層斜坡的極限承載力，以便為樟木鎮(zhèn)建設用地的優(yōu)化布局和可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 樟木鎮(zhèn)滑坡概況及特征分析

1.1 工程地質條件

樟木鎮(zhèn)隸屬西藏日喀則地區(qū)聶拉木縣，地處喜馬拉雅山南側的高山峽谷區(qū)?；聟^(qū)內分布有自東向西流動的波曲河，河岸兩側地勢陡峭，相對高差超過2 000 m(圖1)。樟木滑坡主要發(fā)育于波曲河左岸，坡體平均坡度超過35°，其中海拔3 500 m以上區(qū)域的坡度甚至大于50°?？碧劫Y料顯示，樟木滑坡區(qū)地層巖性簡單，基巖為前寒武紀曲鄉(xiāng)巖組片巖等深變質巖，表層為崩坡積物、沖洪積物和部分人工填土。沿滑坡體不同高程處還分布有厚度小于2 m的滑帶土。整個滑坡區(qū)域位于喜馬拉雅地槽褶皺區(qū)內，活動斷裂極其發(fā)育，構造運動異常強烈。受此影響，斜坡巖體十分破碎，風化剝蝕速度加快，僅新構造運動以來溝道下切速率超過10 mm/a。

圖1 樟木滑坡堆積體位置示意圖(據胡瑞林等，2014)Fig.1 Location map of Zhangmu landslide (Modified from Hu et al.,2014)

1.2 滑坡堆積體特征分析

樟木鎮(zhèn)滑坡由福利院堆積層古滑坡與幫村東堆積層古滑坡組成(圖2)，受降雨、地震和人類工程活動的影響，在古滑坡上又發(fā)育有多個具備一定活動性的現代滑坡。例如，福利院古滑體上的消防隊變形區(qū)、烈士陵園變形區(qū)、中心小學變形體和幫村東現代滑坡。

圖2 樟木鎮(zhèn)福利院堆積層古滑坡與幫村東堆積層古滑坡圖(據張俊文等，2016)Fig.2 Location of Fuliyuan and Bangcundong landslides (Modified from Zhang et al.,2016)

福利院滑坡位于樟木鎮(zhèn)西北部，318國道以“Z”字形穿越滑坡體中下部，坡體陡緩相間，呈明顯的“圈椅狀”形態(tài)。整個地形坡度范圍為25°～35°，滑坡后緣坡度可達45°，滑坡體中上部還發(fā)育有一個坡度小于15°的緩平臺?，F場調查發(fā)現，福利院滑坡前緣、中部和后緣均出現明顯的變形跡象，整個滑坡區(qū)內大量房屋傾倒變形且地面裂縫密布。

幫村東滑坡位于樟木鎮(zhèn)東南部，覆蓋面積約占樟木鎮(zhèn)面積的50%?；麦w形態(tài)與福利院滑坡的類似，坡體亦是陡緩相間。地形上東南高，西北低，整體坡度范圍為30°～35°，滑坡后緣坡度超過40°。該處滑坡活動以地表變形為主，滑坡區(qū)內地面和建筑物均出現裂縫，斜坡上遍布“馬刀樹”。

2 堆積體穩(wěn)定性分析

樟木滑坡是在降雨、地震和人類工程活動等復雜因素作用下形成的復合型滑坡?？紤]到堆積體穩(wěn)定性的影響因素復雜，本節(jié)著重分析在地震動力和車輛動載荷作用下斜坡的穩(wěn)定情況。

2.1 地震動力穩(wěn)定性分析

常用的斜坡地震穩(wěn)定性分析方法有擬靜力法和Newmark滑塊分析法。擬靜力法是將地震荷載簡化為靜荷載進行計算，斜坡不同高程滑動塊體的地震峰值加速度均為設計擬定值，每一滑塊的穩(wěn)定性計算均考慮水平指向坡外慣性力(由滑塊質量乘峰值加速度擬定值來確定)。但擬靜力法只能計算獲得安全系數，而不考慮滑動面的變形，Newmark滑塊分析法則可以克服上述缺陷，因此在斜坡地震安全性評價中得到了較為廣泛的應用。在Newmark滑塊分析法中，首先需要假定滑動面并根據極限平衡原理確定坡體的屈服加速度值，然后通過動力分析判別坡體是否產生滑移，并估算永久滑移位移。筆者假定當永久滑移位移超過5 cm時，斜坡失穩(wěn)。采用這種永久位移標準能夠避免重復的數值計算。

Newmark滑塊分析法計算所需的地震動參數根據《中國地震動參數區(qū)劃圖》(中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2015)確定，樟木的地震動峰值加速度為0.20 g，地震動反應譜特征周期為0.45 s，區(qū)域地震基本烈度為Ⅷ度，由此合成的地震動反應譜和地震加速度曲線見圖3和圖4。計算過程中所需的巖土體參數見表1。

表1 滑坡體各巖土層參數表(據張俊文等，2016)Tab.1 Material parameters of rock and soil mass (After Zhang et al.,2016)

圖3 地震動反應譜圖Fig.3 Ground motion response spectrum

圖4 人工合成的地震動加速度曲線圖Fig.4 Synthetic seismic acceleration curve

以樟木鎮(zhèn)中心小學強變形體為例，分別計算了天然條件和暴雨條件下斜坡在不同時刻隨地震動力作用而變化的安全系數，即動態(tài)安全系數(表2)。

表2 中心小學變形體在天然條件和暴雨條件下的計算模型及動態(tài)安全系數表Tab.2 Calculation models and dynamic safety coefficients of deformation body in Central Primary School under natural and rainstorm conditions

在地震動力作用下，中心小學強變形體安全系數也呈現動態(tài)變化，天然條件下該動態(tài)系數基本大于1，地震位移約為0，但在暴雨條件下，動態(tài)安全系數大幅減小，地震位移隨時間不斷增大。

所有計算結果見表3。整個樟木滑坡中，福利院堆積層古滑坡在天然條件下滑移距離為6 cm，說明在地震作用下會發(fā)生失穩(wěn)；中心小學變形體在暴雨條件下的地震滑移距離達1.6 m，也將發(fā)生整體失穩(wěn)。

表3 樟木滑坡動態(tài)安全系數表Tab.3 Dynamic safety coefficients of Zhangmu landslide

2.2 車輛動荷載作用下的斜坡穩(wěn)定性分析

樟木鎮(zhèn)是中國與尼泊爾的重要通商口岸，公路運輸是該地區(qū)貿易的唯一運輸方式。中國境內的318國道建在樟木斜坡體上，行進中的車輛對斜坡穩(wěn)定性必然會有一定影響，尤其是在雨季期間，斜坡巖土體的力學性質將會明顯弱化，載滿物品的車輛完全有可能導致路基坡體產生滑塌。為了定量認識車輛震動對斜坡穩(wěn)定的不利影響，筆者將對相應的動力學問題進行初步分析。

不同載重的車輛產生的動載荷大小不同，載重量為100 kN、150 kN、200 kN、300 kN和550 kN的相關指標見表4和圖5。

表4 汽車的主要技術指標(據高玉峰等，2005)Tab.4 Main technical indexes of vehicles (After Gao et al.,2005)

圖5 不同載重車輛的平面尺寸圖(據高玉峰等，2005)Fig.5 Plane dimensions of different vehicles (After Gao et al.,2005)

比較不同載重車輛車輪與路面的接觸力，可以看出550 kN車輪的單個后輪與地面的接觸壓力為最大(70 kN)，因此其對高速公路軟基沉降的影響更為顯著。將車輪處的荷載處理為作用在公路橫截面上的均布荷載，由此得到550 kN車輛后輪作用在公路橫截面上的等效壓應力為583.33 kPa。550 kN車輛緩慢經過公路某一截面的動荷載可以簡化為半正弦動荷載(圖6)。

圖6 簡化為半正弦的車輛動荷載圖Fig.6 Diagram of vehicle dynamic load

如圖7所示，318國道從福利院現代滑坡中消防隊強變形區(qū)前緣經過，以該剖面為例分析重型車輛對斜坡穩(wěn)定性的影響。

圖7 車輛荷載作用下坡體穩(wěn)定性的計算模型圖Fig.7 Calculation model of slope stability under vehicle dynamic load

對圖7中公路所在位置施加了圖6所示的動態(tài)荷載，潛在滑體的動態(tài)安全系數、整體滑移速度及滑移距離分別見圖8、圖9a和圖9b。計算結果表明，潛在滑體初始安全系數為1.044，550 kN的車輛緩慢行駛在國道上時，安全系數在0.974～1.065間變化。動態(tài)安全系數小于1.0時，潛在滑體產生下滑，下滑速度最大可達0.023 m/s，而最終滑動位移約為6 mm。盡管并未造成潛在滑體的失穩(wěn)，但上述計算結果足以說明重型車輛在潛在滑體上部行駛時對坡體的穩(wěn)定十分不利，長期作用下導致欠穩(wěn)定斜坡最終失穩(wěn)的可能性較大。

圖8 車輛荷載作用下的斜坡動態(tài)安全系數圖Fig.8 Dynamic stability coefficients of slope under vehicle dynamic load

圖9 車輛荷載作用下潛在滑體的整體滑移速度和滑移距離圖Fig.9 Slip velocities and distances of the sliding mass under vehicle dynamic load

3 堆積層斜坡的極限承載力分析

樟木鎮(zhèn)整體處于地質災害危險區(qū)內，而土地利用優(yōu)化的目的是在其中找到相對安全的區(qū)塊(段)，以實現口岸的持續(xù)發(fā)展。福利院和幫村東堆積層古滑坡體在暴雨條件下仍有一定的加載空間，應當分析其上部所能承受的極限荷載(斜坡極限承載力)。斜坡極限承載力是指斜坡保持穩(wěn)定所能承受的極限外部荷載，可以通過最危險滑面(此時的滑體穩(wěn)定性最低)下滑體的極限平衡條件來確定。這里的外部荷載是指建筑荷載、車輛荷載、挖填堆載等產生斜坡表觀的靜荷載。在外部荷載作用下，斜坡內部的應力狀態(tài)發(fā)生改變，當某一點的剪應力達到抗剪強度時，這一點就處于極限平衡狀態(tài)。隨著外部荷載的繼續(xù)增大，坡體內處于極限平衡狀態(tài)的范圍也加大，并最終發(fā)展成為貫通的滑面。

3.1 極限承載力的計算分區(qū)及分析方法

在斜坡極限承載力的實際計算過程中，采用增量法逐級增加外荷載，直到所加荷載沿著該滑動面的整體安全系數趨近于1。對于安全系數的計算采用普遍條分法，其滿足2個靜力學平衡條件：水平方向與鉛直方向的力平衡；所有方向的力圍繞一點的力矩之和為0。

依據地形條件、地質特征及已有滑坡分布狀況，可以將樟木斜坡堆積體劃分為23個區(qū)塊；由于8區(qū)與9區(qū)都包含著強變形區(qū)，依據變形程度分別劃分出4個亞區(qū)，即亞區(qū)8-1、8-2、9-1和9-2(圖10)。

圖10 極限承載力計算區(qū)塊劃分及計算結果圖Fig.10 Block division and calculation results of ultimate bearing capacity for Zhangmu landslide

其分析方法如下：

(1)針對既定的計算區(qū)塊，搜索斜坡的優(yōu)勢滑面及最危險滑面，確定潛在的最危險滑體，計算相應的安全系數(圖11a)。

(2)計算潛在滑體各條塊底部傾角與內摩擦角的相對大小，確定地表等效均布荷載的作用位置(圖11b)。

(3)逐漸增加等效均布荷載，直至潛在滑體的安全系數為1±0.01，對應的等效均布荷載即為斜坡極限荷載(圖11c)。

圖11 極限承載力分析方法圖Fig.11 Diagram of analysis method of ultimate bearing capacity

3.2 堆積層參數選取

鑒于樟木鎮(zhèn)所在區(qū)域降雨豐沛，雨季較長，相應的極限承載力分析將采用飽水狀態(tài)下的巖土體強度參數(表1)。

3.3 極限承載力分區(qū)計算結果

依據計算區(qū)塊劃分(圖10)及樟木鎮(zhèn)的工程地質平面圖(圖2)，選擇已有的勘查剖面分別計算1～23號區(qū)塊中的極限承載力。為保證計算結果的代表性，所確定的剖面包括巖質滑坡剖面、福利院堆積層古滑坡剖面和幫村東堆積層古滑坡剖面。

福利院堆積層古滑坡上部發(fā)育的消防隊強變形區(qū)(區(qū)塊9-1)、烈士陵園強變形區(qū)(區(qū)塊8-1)和中心小學變形體(區(qū)塊11)穩(wěn)定性較差，地表不宜繼續(xù)加載，直接將相應的極限承載力取為0。上述區(qū)塊以外的其他區(qū)塊還有不同程度的承載空間，相應的極限承載力計算是建設用地適宜性評價的主要依據之一。按照前述承載力計算方法，計算各區(qū)塊在等效均布荷載作用下的斜坡極限承載力，部分計算模型見圖12，統計各區(qū)塊結果并標注于圖10中。

圖12 極限承載力計算模型示例圖Fig.12 Examples of ultimate bearing capacity calculation models

計算結果表明，樟木堆積層斜坡極限承載力相對較高的部位主要有3個區(qū)段：福利院堆積層古滑坡與幫村東堆積層古滑坡分界線附近的山梁(其中，區(qū)塊12～15的極限承載力分別為230 kPa、160 kPa、270 kPa和620 kPa)；幫村東堆積層古滑坡的東部(其中，區(qū)塊22和23的極限承載力分別為310 kPa和300 kPa)；樟木鎮(zhèn)堆積體后緣(其中，區(qū)塊3和4的極限承載力分別為330 kPa和500 kPa)。堆積體古滑坡的前緣(區(qū)塊7、10和16)和后緣(亞區(qū)9-2、區(qū)塊19、20)的承載力偏低(低于100 kPa)，其他區(qū)塊(亞區(qū)8-2、區(qū)塊1、2、5、6、21)的極限承載力處于100～200 kPa。

4 結論

綜合宏觀調查研究和模擬計算可知，樟木滑坡堆積體的穩(wěn)定性受區(qū)域地形、地質、降水、地表徑流、地震及人類工程活動等因素的控制。地表水與地下水入滲、工程活動與地震是滑坡的激發(fā)因素。相關結論如下：

(1)地震動力穩(wěn)定性分析表明，僅地震作用下福利院堆積層古滑坡局部失穩(wěn)；在極端條件下(地震+暴雨)，動態(tài)安全系數進一步減小，中心小學變形體將發(fā)生整體失穩(wěn)。

(2)車輛動荷載作用下的斜坡穩(wěn)定性分析表明，重型車輛緩慢行駛在潛在滑體上部時安全系數在0.974～1.065之間變化，潛在滑體下滑速度最大可達到0.023 m/s，最終滑動位移約為6 mm。

(3)依據地形、地貌、地層巖性及新老滑坡邊界，將樟木堆積層劃分為23個區(qū)塊，利用極限平衡法計算了飽水條件和等效均布荷載作用下不同斜坡區(qū)塊的極限承載力。現代滑坡及強變形區(qū)接近極限平衡狀態(tài)，沒有進一步的承載空間，應禁止增加表觀荷載；堆積層古滑坡的前緣和后緣區(qū)塊的承載力偏低，其他區(qū)塊還具有一定極限承載力。

相關計算結果可為樟木滑坡災害的治理和樟木鎮(zhèn)建設用地的優(yōu)化布局提供科學依據。