地震誘發(fā)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的強(qiáng)度評估方法

黨 杰，陳 筠，楊勝元，郭 果

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025;2.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，貴州 貴陽 550003)

0 引 言

地震是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的一個(gè)重要因素，破壞性地震誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害往往量多面廣，具有群發(fā)性特點(diǎn)。2008年5月12日四川汶川發(fā)生的8.0級特大地震，2010年4月14日青海玉樹地區(qū)發(fā)生的7.1級強(qiáng)烈地震等，都誘發(fā)了大量的崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。目前對于地震的評級，已經(jīng)有震級、烈度等評判其活動(dòng)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)，然而對地震誘發(fā)的大量地質(zhì)災(zāi)害，仍缺乏相應(yīng)的強(qiáng)度評估方法。這使得不同地震誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害由于沒有統(tǒng)一的評判標(biāo)準(zhǔn)，不能做橫向的對比分析。

在以往的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與評價(jià)中，調(diào)查機(jī)構(gòu)或人員關(guān)注較多的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的規(guī)模，而對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生、擴(kuò)展的活動(dòng)強(qiáng)度問題，目前還沒得到足夠的重視。眾所周知，相同規(guī)模體積的災(zāi)害體在不同的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)移距離下，影響的范圍和產(chǎn)生的危害必然不同。因此，在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價(jià)中，有必要將地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)的強(qiáng)度問題考慮其中。

地質(zhì)災(zāi)害的活動(dòng)強(qiáng)度，其物理學(xué)的基本定義是指地質(zhì)災(zāi)害事件發(fā)生過程中釋放的能量大小[1]。此前有學(xué)者對區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)強(qiáng)度快速分析評價(jià)的基本原理進(jìn)行有益的探討[2-10]，指出區(qū)域群發(fā)地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)強(qiáng)度的指標(biāo)主要包括數(shù)量、頻率、體積、點(diǎn)密度、面密度、速度、距離等，從其含義上分析，區(qū)域群發(fā)地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)強(qiáng)度主要包括活動(dòng)的頻率(數(shù)量)、規(guī)模和運(yùn)動(dòng)速度，嚴(yán)格意義上是活動(dòng)頻率、規(guī)模和速度的乘積。但由于在實(shí)際測量中很難逐一測定群發(fā)滑坡的體積和速度，于是建議在區(qū)域群發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害快速分析評估過程中，用地質(zhì)災(zāi)害分布的面密度，特別是最大面密度(極限面密度)表示區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)的強(qiáng)度[1]。然而，用面密度表示的地質(zhì)災(zāi)害強(qiáng)度依然是災(zāi)害數(shù)量的統(tǒng)計(jì)表示，不能反映災(zāi)害的規(guī)模特征和運(yùn)動(dòng)特征。

筆者從地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)強(qiáng)度的定義出發(fā)，參考地震評估時(shí)采用地震釋放的能量評定震級大小的方法，采用能量的觀點(diǎn)，以地質(zhì)災(zāi)害釋放的能量作為強(qiáng)度評估的依據(jù)，詮釋地質(zhì)災(zāi)害的活動(dòng)強(qiáng)度，以期建立滑坡活動(dòng)強(qiáng)度與能量的關(guān)系。

1 滑坡災(zāi)害的活動(dòng)強(qiáng)度評估方法

地震誘發(fā)的群發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害往往點(diǎn)多面廣、類型多樣，最常見的為崩塌、滑坡和泥石流三種地質(zhì)災(zāi)害。筆者主要討論地震誘發(fā)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害的活動(dòng)強(qiáng)度，希望能起到拋磚引玉的作用，以促進(jìn)地質(zhì)災(zāi)害的強(qiáng)度評估理論發(fā)展。

1.1 能量法滑坡強(qiáng)度評估的原理

滑坡釋放的能量是指從滑坡失穩(wěn)破壞到堆積穩(wěn)定這一階段所釋放的能量，該能量由兩部分組成：地震波對滑坡體輸入的能量，及滑坡體下滑的勢能。后一種能量可由E=γVH測得，其中γ為滑坡物質(zhì)的重度(N/m3)，V為滑坡體積(m3)，H為滑坡體重心在滑動(dòng)前后的垂直運(yùn)動(dòng)高度。然而，地震對坡體輸入的能量目前還無法準(zhǔn)確的測得，坡體失穩(wěn)破壞的地震最小加速度即臨界加速度目前還有待研究，失穩(wěn)破壞之前地震波對坡體輸入的能量亦是無法測得。因此，需要從另外一個(gè)方面考慮能量的計(jì)算。

滑坡體從獲得地震輸入的能量啟動(dòng)，到最終堆積穩(wěn)定，地震力和重力對坡體做正功，系統(tǒng)最終穩(wěn)定下來，一定有一種力做負(fù)功，這種力即為摩擦力。摩擦力是一種耗散力，是非保守力的一種。耗散力是指對系統(tǒng)或物體做負(fù)功，而使之總機(jī)械能減少的力，耗散力做功與力使物體經(jīng)過的路程有關(guān)。前面提到，摩擦力是非保守力的一種，而非保守力有一個(gè)特點(diǎn)：物體在有非保守力作用時(shí)，其動(dòng)能和勢能之和(機(jī)械能)不再守恒?；略诘卣鹱饔孟率Х€(wěn)破壞到最終堆積穩(wěn)定，不僅存在機(jī)械能，還包括地震能量，因此，單純從機(jī)械能的轉(zhuǎn)化來度量地質(zhì)災(zāi)害釋放的能量是欠妥當(dāng)?shù)摹?/p>

滑坡地質(zhì)災(zāi)害釋放能量的過程，可以分為3個(gè)階段：第1階段為地震輸入能量在巖土體中積累形成變形能，當(dāng)達(dá)到一定程度后開始沿某一方向釋放變形能，當(dāng)釋放的能量超過巖體破裂所需的能量時(shí)，巖體發(fā)生破壞直至剪斷巖土體形成滑動(dòng)面的，釋放的能量主要用于剪斷巖土體〔圖1(a)〕；第2階段為滑坡體沿滑動(dòng)面剪切破壞，直至完全剪出，釋放的能量主要用于克服抗滑力所做的功〔圖1(b)〕；第3個(gè)階段為滑坡體在斜坡表面滑動(dòng)直至堆積停止，釋放的能量主要用于克服斜坡體表面的摩擦力所做的功〔圖1(c)〕。

圖1 滑坡災(zāi)害釋放能量過程示意Fig.1 Process of releasing energy in landslide disaster

滑坡釋放能量的3個(gè)階段，對應(yīng)著不同的滑坡破壞形態(tài)。坡體在地震輸入能量后，首先進(jìn)行第1階段，在第1階段能量耗散到不足以進(jìn)行到第2階段，則坡體破壞的結(jié)果是形成不穩(wěn)定斜坡；能量能夠維持到第2階段，卻不足以支持第3階段，則斜坡破壞的結(jié)果為常見的滑坡；能量能夠維持到第3階段，則破壞的結(jié)果為遠(yuǎn)距離滑坡。

1.2 滑坡災(zāi)害強(qiáng)度評估方法

1)第1階段釋放能量。根據(jù)巖石強(qiáng)度的能量理論，巖石單位體積內(nèi)所能儲存的變形能是一常量，與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)，變形能一旦超過這一常量，材料即發(fā)生破壞。在地震波作用下，巖體逐漸儲存變形能，當(dāng)?shù)卣鹱饔玫哪芰砍^巖體的變形能后，巖體發(fā)生第1階段破壞，并逐漸釋放變形所吸收的能量。此時(shí)巖體釋放的能量為：

(1)

式中:E1為第1階段釋放的能量；σ為水平方向應(yīng)力；E0為巖體的彈性模量，一般取變形模量；V為滑坡體體積。

2)第2階段釋放能量。巖土體在剪斷貫通后，沿滑面在重力及地震力作用下克服抗滑力下滑，所受的摩擦力與抗滑力大小相同，摩擦力做功消耗的能量為：

E2=(Wcosα-Qsinα)tanφ×l+cl2

(2)

式中：E2為第2階段釋放的能量；W為坡體自重及上覆荷載之和；Q為地震力，Q=ξW(ξ為地震水平系數(shù)，結(jié)合《地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》的規(guī)定，巖質(zhì)滑坡取0.05，土質(zhì)滑坡取0.012 5)；α為滑坡體滑面傾角；φ為滑面內(nèi)摩擦角；c為滑面黏聚力；l為滑面長度。

3)第3階段釋放的能量。滑坡體剪出后沿著斜坡表面繼續(xù)向下滑動(dòng)，最終堆積穩(wěn)定?；麦w的下滑力來源于坡體自重及上覆荷載沿坡面的分力，抗滑力(摩擦力)則由法向分力及摩擦系數(shù)決定，釋放的能量為：

E3=μWcosθ×S

(3)

式中：E3為第3階段釋放的能量；μ為坡體表面的摩擦系數(shù)；θ為滑坡總斜率，是滑坡運(yùn)動(dòng)前最高點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)后最遠(yuǎn)點(diǎn)連線的斜率；S為滑坡運(yùn)動(dòng)斜長；其它符號同前。

4)釋放的總能量。地震誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害強(qiáng)度以釋放的能量作為度量，而釋放的總能量為上述三個(gè)階段之和，則滑坡災(zāi)害的活動(dòng)強(qiáng)度表示為：

E=E1+E2+E3

(4)

當(dāng)然，對于地震誘發(fā)的群發(fā)性滑坡地質(zhì)災(zāi)害來說，每個(gè)單體災(zāi)害達(dá)到的破壞階段不同，則相應(yīng)的能量計(jì)算應(yīng)區(qū)別對待。對于只達(dá)到前兩個(gè)階段的滑坡，計(jì)算時(shí)也只能計(jì)算到前兩種能量；而原本已經(jīng)存在的滑坡在地震作用下加劇，則計(jì)算時(shí)可能取后兩個(gè)階段。

2 實(shí)例分析

2012-9-7T11:19，云南省昭通市彝良縣、貴州省畢節(jié)市威寧彝族回族苗族自治縣交界地區(qū)(東經(jīng)104.0°，北緯27.5°)發(fā)生5.7級地震，震源深度14 km，12:16再次發(fā)生5.6級地震，震源深度10 km。地震誘發(fā)和加劇地質(zhì)災(zāi)害隱患197處，趙家丫口滑坡即為其中的一處。該滑坡位于赫章縣財(cái)神鎮(zhèn)中田壩村趙家丫口，滑坡縱長250 m，寬約150 m，坡體厚度約2～5 m，體積約112 500 m3，主滑方向280°，滑坡后緣斜坡15～20 m范圍發(fā)生變形開裂，并形成11～80 cm高度的錯(cuò)落坎，裂縫寬4～10 cm，延伸長度3～5 m，可視深度10～20 cm?；绿幱谇治g中山斜坡地帶，斜坡坡向280°，坡度30～50°，出露三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組砂巖及泥巖，產(chǎn)狀145°∠22°。巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，為順層基巖滑坡(圖2)。

圖2 趙家丫口滑坡剖面Fig.2 Cutaway view of Zhaojia Yakou landslide

根據(jù)滑坡的特征，巖體容重取23 kN/m3，泊松比取值0.17，砂巖的彈性模量取2.7×104MPa，內(nèi)摩擦角35°，黏聚力52 kPa，坡體表面摩擦系數(shù)取0.45，計(jì)算得到E1=375.896×103kJ，E2=16.611×103kJ，E3=222.991×103kJ，則趙家丫口滑坡釋放的總能量E=615.498×103kJ。

通過上述計(jì)算方法，可逐一計(jì)算出一次地震誘發(fā)和加劇的所有滑坡災(zāi)害釋放的能量，可對個(gè)體災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行對比分析，也可對不同地震誘發(fā)的滑坡災(zāi)害進(jìn)行總量對比分析。

3 結(jié) 論

1)地質(zhì)災(zāi)害的活動(dòng)強(qiáng)度評估在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與評價(jià)中具有重要的意義，尤其對地震誘發(fā)的群發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，可直觀地對比不同地震誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害的活動(dòng)強(qiáng)度大小。從能量的角度考慮地質(zhì)災(zāi)害的活動(dòng)強(qiáng)度，已經(jīng)越來越受到關(guān)注與重視。

2)從能量的角度考慮滑坡災(zāi)害的活動(dòng)強(qiáng)度，可分為3個(gè)階段：第1階段地震輸入能量在巖土體中積累形成變形能，超過巖體破裂所需的能量時(shí)，巖體發(fā)生破壞并釋放變形能；第2階段滑坡體在地震力和重力的作用下沿滑面下滑，克服抗滑力釋放能量；第3階段滑坡體在重力作用下在斜坡表面下滑，克服摩擦力釋放能量，最終堆積穩(wěn)定。

3)采用地震滑坡實(shí)例，對能量法評估地質(zhì)災(zāi)害的強(qiáng)度進(jìn)行了初步應(yīng)用，取得了一定成果。但該方法仍存在許多需完善的地方，評估結(jié)果的級別劃分還需大量的實(shí)例來界定，許多參數(shù)還有待規(guī)范。相信隨著能量的觀點(diǎn)在地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域的推廣，以及地質(zhì)災(zāi)害強(qiáng)度評估的發(fā)展，這些問題將會迎刃而解。

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