小灣滑坡地震穩(wěn)定性研究

王 可，葉曉冬，潘志成，閆茂林，溫一波

（1.云南大學建筑與規(guī)劃學院，云南昆明650500；2.云南大學資源環(huán)境與地球科學學院，云南昆明650500）

小灣滑坡地震穩(wěn)定性研究

王 可1，葉曉冬1，潘志成1，閆茂林1，溫一波2

（1.云南大學建筑與規(guī)劃學院，云南昆明650500；2.云南大學資源環(huán)境與地球科學學院，云南昆明650500）

滑坡災害破壞性大、治理難度高，特別是地震作用下的穩(wěn)定性問題十分復雜，是土木工程界的一大難題。以小灣滑坡為研究對象，運用有限元法計算分析小灣滑坡在小震、中震、大震作用下的穩(wěn)定性，得到小灣滑坡在地震作用下的穩(wěn)定系數時程曲線，并以此為依據對小灣滑坡的地震穩(wěn)定性進行評價，研究了小灣滑坡穩(wěn)定系數與地震強度的關系。

小灣滑坡；地震穩(wěn)定性；有限元法

我國地震災害頻繁，并且具有震源淺、強度高、破壞性大的特點，而滑坡災害也是常見的地震次生災害之一［1］。王秀英等［2］運用隸屬函數法對模型累積位移隸屬度進行計算，并以此判定滑坡的穩(wěn)定程度。許沖等［3］將四川省蘆山縣太平鎮(zhèn)東北部一個矩形區(qū)作為研究區(qū)，統(tǒng)計分析了地震滑坡的密度與地層巖性、地形、地震強度的關系。方薇等［4］在不平衡推力法中引入比例因子以確定條間力傾角，建立力的平衡方程與力矩平衡方程，計算滑坡地震穩(wěn)定系數并驗證了其合理性。顧成壯等［5］研究了滑坡的啟動機制，從而推導出滑坡啟動速度的公式。毛彥龍等［6］提出累進破壞效應、啟程加速效應和啟動效應導致滑坡發(fā)生的觀點。陳曉利等［7］提出以研究區(qū)域地形、地質、地貌等為影響因子，綜合評價滑坡災害危險等級的方法，并以此對汶川地震進行了地震危險等級劃分并證明其合理性。本文在前人研究的基礎上，增添新資料，以小灣滑坡為實例，運用有限元數值模擬法分析小灣滑坡在小震、中震、大震作用下的穩(wěn)定性。根據計算結果，對小灣滑坡地震穩(wěn)定性進行了研究分析。

1 資料與方法

1.1 小灣滑坡

小灣滑坡地處云南省臨滄市鳳慶縣，根據《建筑抗震設計規(guī)范》［8］（GB50011-2010）規(guī)定：鳳慶縣屬抗震設防烈度Ⅷ度區(qū)第二組，設計基本地震加速度值為0.20 g，并規(guī)定抗震設防烈度為Ⅷ度的地區(qū)，多遇地震的地震加速度時程最大值為0.07 g，罕遇地震的地震加速度時程最大值為0.4 g。小灣滑坡區(qū)域范圍圖見圖1，圖2為小灣滑坡的剖面示意簡圖。

圖1 小灣滑坡區(qū)域范圍圖

圖2 小灣滑坡剖面示意簡圖

《云南省鳳慶縣小灣鎮(zhèn)政府駐地滑坡勘察及防治工程可行性研究報告》中，小灣滑坡長約140 m，平均寬200 m，平面形態(tài)近半圓型，主滑方向78°，滑塊平均厚約6 m，體積約19.2×104m3，屬于淺層中型滑坡。土體類型主要是粉質黏土和弱風化花崗片麻巖。

小灣滑坡動力分析土體參數取值如表1所示。

表1 小灣滑坡動力分析參數取值表

粉質黏土中，土體應力狀態(tài)是最大動剪切模量的重要影響因素，不能取某一常數值［10-11］，可以根據土體的最大埋深、超固結比、孔隙比等估計最大動剪切模量與Y向有效應力的關系［12］，估算得到的關系曲線如圖3所示。

圖3 粉質黏土最大動剪切模量-Y向有效應力估算曲線

1.2 相關方法

1.2.1 分析流程

分析小灣滑坡地震穩(wěn)定性的流程如圖4所示。

圖4 地震穩(wěn)定性分析流程圖

本次研究涉及到GeoStudio軟件中兩大板塊——QUAKE/W板塊和SLOPE/W板塊，在研究中應注意邊界條件的設置，在初始應力狀態(tài)分析時，將滑坡模型兩側設置為X向約束，下端設置為X/Y向約束；而在進行動力分析時，兩側約束為Y方向約束。因為滑坡在地震作用下的破壞表現(xiàn)為滑坡體的水平移動，而水平地震作用對滑坡有著較大的破壞［14］。

本次滑坡地震穩(wěn)定性研究的方法是基于有限元的傳遞系數法，GeoStudio提供了多種網格劃分的方法，本次研究網格劃分統(tǒng)一采用Quads&Triangles方式進行劃分。單元的尺寸根據滑動面的大小獨立設置，不采用統(tǒng)一的單元尺寸［15］。

1.2.2 地震加速峰值的選取

在對小灣滑坡進行動力分析時，輸入的峰值加速度分別按大震、中震、小震的加速度時程最大值取值。峰值加速度取值方法見表2、表3。

表2 抗震設防烈度與設計基本加速度值

表3 所用地震加速度時程的最大值

1.2.3 地震波的選取

本次對小灣滑坡的地震穩(wěn)定性的研究選用唐山波進行分析。

對9例蘇醒后顱腦損傷昏迷病人進行訪談，發(fā)現(xiàn)病人心理體驗主要表現(xiàn)在病人對生命價值認同、對健康狀況存在期望、擔憂工作生活改變、希望建立社會支持系統(tǒng)等方面，情緒體驗可進一步歸納為2種類型：積極情緒體驗、消極情緒體驗。

唐山波持續(xù)時間40 s，時間間隔為0.02 s，峰值加速度為65.94 cm/s2，出現(xiàn)在第19.36 s，其加速度時程曲線如圖5所示。

圖5 唐山波加速度時程曲線

2 滑坡數值模擬結果與分析

2.1 唐山波動力分析

唐山波為入射地震波，等比例改變其加速度時程曲線中加速度的大小，使其加速度峰值為0.07 g、0.2 g、0.4 g，模擬分析小灣滑坡在小震、中震、大震環(huán)境下的穩(wěn)定性問題，計算得到小灣滑坡穩(wěn)定系數時程曲線見圖6～圖8。

圖6 小震穩(wěn)定系數時程曲線（0.07 g）

圖7 中震穩(wěn)定系數時程曲線（0.2 g）

圖8 大震穩(wěn)定系數時程曲線（0.4 g）

以唐山波為入射波時，小灣滑坡穩(wěn)定系數時程曲線關鍵數據匯總表見表4。

表4 小灣滑坡穩(wěn)定系數曲線關鍵數據匯總表

以唐山波為入射波，分析小灣滑坡在地震作用下的穩(wěn)定性時：

（1）小震影響下，小灣滑坡在第19.38 s出現(xiàn)首個小于1的穩(wěn)定系數0.9956，說明滑坡在第19.38 s發(fā)生滑動。最小穩(wěn)定系數0.9556表示滑坡在小震作用下的穩(wěn)定性較為合理［16］。該值比自然穩(wěn)定系數降低了22%。

（2）中震影響下，小灣滑坡在第0.22 s出現(xiàn)首個小于1的穩(wěn)定系數0.8851，說明滑坡在第0.22 s已經開始滑動；出現(xiàn)在第19.38 s的最小穩(wěn)定系數0.6998僅能從理論上表示滑坡的穩(wěn)定程度。該值比自然穩(wěn)定系數降低了45%。

（3）大震影響下，小灣滑坡在第0.22 s出現(xiàn)首個小于1的穩(wěn)定系數0.6711，說明滑坡在第0.22 s已經開始滑動；出現(xiàn)在第19.38 s的最小穩(wěn)定系數0.4707僅能從理論上表示滑坡的穩(wěn)定程度。該值比自然穩(wěn)定系數降低了63%。

小震、中震、大震時滑坡穩(wěn)定系數最小的時刻均為第19.38 s，比地震加速度峰值出現(xiàn)的時刻晚0.02 s。

2.2 數值模擬合理性評價

為了驗證數值模擬結果的合理性，現(xiàn)運用Janbu法計算滑坡在小震、中震、大震作用下的穩(wěn)定系數，與數值模擬的結果形成對比，如表5所示。

表5 小灣滑坡數值分析精度評價表

表5顯示，Janbu法的計算結果和數值模擬的結果較為接近?？烧J為本次數值模擬結果基本合理［16］。

3 結 論

本次研究以唐山波作為入射波，運用有限元法對小灣滑坡在小震、中震、大震影響下的穩(wěn)定性進行了分析，得到了一些初步的結論：

（1）穩(wěn)定系數時程曲線最低點所對應的時間點，并不會因緊隨地震強度的改變而改變，與地震波加速度峰值對應的時刻并不重合，可能會提前或者推遲。

（2）小灣滑坡在小震影響下可以保持整體穩(wěn)定性，在中震和大震作用下則可能發(fā)生劇烈的滑動。

［1］ 黃潤秋.20世紀以來中國的大型滑坡及其發(fā)生機制［J］.巖石力學與工程學報，2007，26（3）：434－454.

［2］ 王秀英，聶高眾，王 松.利用模糊數學方法建立汶川地震滑坡災害評判標準［J］.巖土力學，2011，32（2）：403－410.

［3］ 許 沖，肖建章.蘆山地震滑坡空間分布分析［J］.地震地質，2013，35（2）：436－451.

［4］ 方 薇，孫正兵，何曉霞，等.考慮整體力矩平衡的改進不平衡推力法［J］.四川大學學報（自然科學版），2012，44（3）：28－32.

［5］ 顧成壯，胡卸文，羅 剛，等.地震滑坡啟程動力學機理［J］.西南交通大學報，2012，47（4）：567－572.

［6］ 毛彥龍，胡廣韜，趙法鎖，等.地震動觸發(fā)滑坡體滑動的機理［J］.地球科學與環(huán)境學報，1998，20（4）：45－48.

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Analysis of Xiaowan Landslide Stability in Earthquake

WANG Ke1，YE Xiaodong1，PAN Zhicheng1，YAN Maolin1，WEN Yibo2
（1.College of Architecture and Planning，Yunnan University，Kunming，Yunnan 650500，China；2.College of Resources Environment and Earth Sciences，Yunnan University，Kunming，Yunnan 650500，China）

Landslides as a kind of geological disaster have great destructive power and is very difficult to control.The stability of the landslide under the seismic action is very complicated.It is a multi－discipline research issue and still a big problem for civil engineering.Taking Xiaowan landslide as research objects this paper analyzed its stability under the action of small，medium and strong earthquakes by using finite element method，then the time－h(huán)istories curves of landslide stability coefficient under the influence of the earthquake was acquired.Finally，the stability of Xiaowan landslide in earthquake was analyzed combining with the data，the relationship between stability coefficient and seismic intensity was also analyzed.

Xiaowan landslides；tearthquake stability；finite element method

P315.9

A

1672—1144（2016）05—0177—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.034

2016－06－17

2016－07－13

云南省自然科學基金資助項目（2009CD001）

王 可（1993—），女，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向為地震引發(fā)滑坡。E－mail：610762362@qq.com

溫一波（1962—），男，四川成都人，教授，主要從事地震衰減特性研究，震波分析，地震勘測等方面的工作。E－mail：1213201943@qq.com