地震作用下呷爬滑坡的變形特征分析

馬斌　李昕堯　梁超

摘要：運用有限差分軟件FLAC，建立了呷爬滑坡體三維模型，分別施加1倍和3倍El-Centro地震波。計算結果表明，1倍地震波作用下會發(fā)生一定的永久位移，但不會滑動失穩(wěn)；3倍地震波作用下將發(fā)生滑動失穩(wěn)。進一步發(fā)現邊坡在1倍和3倍地震波激勵下的變形滑移特征不同，第一種情況屬于累積效應階段，變形主要集中于滑體O，第二種情況屬于觸發(fā)效應階段，滑體N的滑動變形同樣劇烈。文中從滑坡體的組成物質和材料參數、滑動區(qū)域的地形因素和滑動區(qū)域的動力響應三方面進行了分析。運用Newmark有限滑動位移法，基于滑體N和滑體O的加速度響應時程，計算了兩者的永久位移，結果與數值計算吻合良好。表明滑體O處的動力響應會產生更大的永久位移，從而驗證了數值計算的結果。同時，基于結構動力響應而計算得到的永久位移也可以作為衡量地震作用對該處結構變形影響的指標，從而估計地震對局部結構的破壞作用。

關鍵詞：呷爬滑坡；變形特征；Newmark 方法；永久位移；加速度響應

中圖分類號：TU443 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）05-0110-06

對于人口分布稀疏的山區(qū)，地震觸發(fā)的滑坡、山體崩塌以及泥石流等災害所造成的損失往往比地震造成的直接損失更大。對于20世紀末到21世紀初發(fā)生的臺灣集集地震、汶川地震、雅安蘆山地震，均伴隨多次大規(guī)?；潞推渌紊鸀暮?，其人員傷亡和財產損失不亞于一場地震。因此，地表運動激勵下的滑坡體穩(wěn)定性分析逐漸被巖土工程界和地震工程界所重視。近年來，專家學者對于地震作用下邊坡的失穩(wěn)機制和動力特性進行了大量研究。何蘊龍等通過有限元對滑坡體進行了動力分析，可以近似計算滑坡所受到的地震作用；祁升文等對各種情況下滑坡的動力響應進行了數值模擬與分析，總結出了高、低邊坡的動力反應形式；言志信等對于順層巖質滑坡體地震激勵下的加速度響應規(guī)律、頻譜特性、破裂面發(fā)生位置以及失穩(wěn)判定條件進行了研究，并對耦合地震波作用、多級平臺和黃土地質等情況進行了較為全面的研究；徐光興等結合Newmark方法，提出了根據加速度預測邊坡永久位移的數學模型；張雪東等運用FLAG3D有限差分商業(yè)軟件分析了錦屏庫區(qū)呷爬滑坡在靜力作用下的變形特征和穩(wěn)定性；殷躍平等結合大量的現場資料，分析了大光包巨型滑坡的失穩(wěn)機制和動力響應。本文根據呷爬滑坡體變形監(jiān)測圖及地形圖，建立了滑坡體模型，運用FLAC對其動力作用下的變形特征進行了分析，并結合New-mark數值計算法利用邊坡地震響應計算了邊坡的永久位移。

1模型建立

1.1滑坡體地質概況

呷爬滑坡位于錦屏水電站庫區(qū)上游右岸，距離壩址約11.5 km。雅礱江流經該滑體處的河道較順直，流向約為N12°E。該處河谷寬闊，左岸山體較為平緩，并有河漫灘、階地發(fā)育；右岸山體呈反向坡，岸坡的坡度約為35°。

雅礱江岸坡巖層產狀在呷爬滑坡處呈N 10～30°E/SE ∠85°，巖層主要由三疊系雜谷腦組深-灰黑色粉砂質板巖夾變質細砂巖組成。

呷爬滑坡體的平面投影呈長條狀，具有完整的圈谷地貌。滑體靠近雅礱江一側高程較低，為l 655 m，與枯水期雅礱江水位相同，靠近山體一側高程較高，為2 120m，滑體前后緣高差為465 m?；麦w的縱長約為880m，寬度在260到300 m之間，表面面積約為Q 28 km²，滑坡殘體體積約為1 300萬m³。

滑坡表面可見3級平臺，3級平臺高程分別為1775～1840 m、1880～1925m、2010～2100 m，坡度為17～18°，原為耕地。在第一和第二級平臺中發(fā)育有兩條縱向沖溝。其中，一條位于滑坡軸線的北側（1號溝），另一條位于滑坡軸線的南側（2號溝），南側沖溝比北側沖溝更為深長。

在滑坡體臨江側到中部，表層巖體主要由塊碎石土組成，塊碎石土的成分為粉砂質板巖、泥巖和礫巖；在滑坡中部到靠近山體一側，表層巖體主要由孤石，塊碎石土，解體不完全的粉砂質板巖、變質細砂巖和礫巖等組成；滑體物質分層明顯，據鉆孔揭露，孔深27.97～39.57 m以上，為褐黃、灰黃色塊碎石土，以下至77.08～81.80 m為破碎的巖石碎塊夾黏土，局部巖體保留有原始層面。

在滑坡臨江側和兩條沖溝內，可見明顯的滑帶出露。出露的滑帶在剪出口處反翹，根據地址勘察結果，其產狀為N15°E/SE∠22°?；瑤У闹饕M成物質為灰黑色泥夾碎石并帶有大量石英顆粒，其中碎石成分為炭質板巖、變質細砂巖等，滑帶在滑體范圍內平均厚度為1～3 m，局部可達8 m，上述滑帶組成物質在干燥時剛度較大，含有一定水分后剛度顯著減小。

1.2建立數值模型

模型建立是FLAC^3D的短板，本文采用先在CAD中生成面域，導入AN SYS劃分網格，再利用清華大學鄭文棠博士開發(fā)的ANSYS2FLAC3D程序將復雜的地質體模型數據變換為FLAC³⁰內部代碼，從而實現模型導入。

為了模擬地震波在滑坡體中的傳播，避免在不同介質的分界面上產生與實際情況不符的反射和折射，必須設置合理的邊界條件。本文在有限元模型四周網格設置自由場邊界條件，它的原理是在邊界節(jié)點上添加水平和垂直阻尼器來達到邊界條件與主體網格的耦合，并將自由場網格所受的不平衡力傳遞給主體網格。自由場邊界條件對入射角大于30°的波具有良好的衰減效果。對于呷爬滑坡體的基巖，由于其變形模量較大，假定為剛性地基，因此底部可不設置自由場邊界條件，直接輸入地震加速度時程。邊界條件見圖2。

本文采用局部阻尼形式，局部阻尼通過增加或減少節(jié)點的質量，達到衰減振動的目的。阻尼比取為0.157。表1給出了滑坡體數值模型建立需要的材料。

根據文獻[15-16]的研究，網格的最大尺寸應不大于最小波長的1/10到1/8，兼顧模型的計算速度，網格最大尺寸取為15 m，局部網格更小。endprint

2邊坡的變形特征分析

2.1地震波輸入

根據呷爬滑坡現場覆蓋層剪切波速大約在460～490 m/s，地表覆蓋層平均厚度約為90 m。根據文獻[17]規(guī)定，該場地為二類場地，因此選擇適用于二類場地的El-Centro南北向地震波經濾波和基線調整后，作為輸入地震波，取其持續(xù)時間為28 s，峰值加速度為3.417 m/s²，加速度時程曲線見圖3。

邊坡在動力作用下產生的位移場直接反應了其變形特征和破壞程度。加速度場作為動力響應的最基本資料，具有重要意義。因此本文主要從位移場分析滑坡體的變形特征和穩(wěn)定狀態(tài)，并基于New-mark-β法和模型加速度響應計算了模型不同點處的永久位移。

2.2不同狀態(tài)下的邊坡變形特征

圖4給出了滑坡體位移監(jiān)測點布置隋況。為了分析不同情況下的滑坡體變形特征，本文分別將El-Centro加速度時程乘以1和3的系數輸入，其中1倍和3倍加速度時程峰值為3.417 m/s²和10.251m/s²，分別代表一般地震作用和較極端的地震作用，從而綜合分析兩種情況下滑坡的變形特征和失穩(wěn)破壞情況，以揭示同一滑坡體在不同峰值特性動力輸入情況下的變形特征的不同。對于單個單元，如果應力等于屈服應力，將產生較大的塑性變形。但對于整個滑坡體模型，只有當滑體或滑動面上所有單元均處于塑眭變形狀態(tài)且應變大于一定值時，滑動才會發(fā)生。可以預見，當地震動達到峰值時，監(jiān)測點對應單元容易進入塑性狀態(tài)，但當地震后期地震動趨于小幅平穩(wěn)振動時，塑性單元將受到周圍處于彈性變形的單元或其它邊界約束條件的影響，使其變形受到限制。這時，若監(jiān)測點位移仍具有變形趨勢（即殘余速度），則表明監(jiān)測點附近單元或滑面對應單元均進入塑性變形階段，位移持續(xù)增大，滑坡體破壞。因此，本文將監(jiān)測點產生一定的永久變形，并且在地震動結束時仍然具有殘余速度作為滑坡體滑動失穩(wěn)的判據。圖5給出了滑坡體位移云圖和關鍵點監(jiān)測位移時程，施加1倍地震波后，所有測點先急劇變形，而后在15 s左右變形停止，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，直至地震結束，不符合滑動破壞判據，因此認為滑坡體產生了一定的永久位移，但并未滑動失穩(wěn)。3倍地震波輸入后，滑體N和滑體O持續(xù)大幅變形，地震結束時變形呈發(fā)散狀態(tài)，監(jiān)測點仍具有殘余速度（E點速度為0.17 m/s），符合滑動判據，因此認為滑體N和滑體O處于滑動失穩(wěn)狀態(tài)；小滑坡體測點變化趨勢與1倍地震輸入相同，因此處于穩(wěn)定狀態(tài)。

值得注意的是兩種情況下滑坡體的變形滑移特征不同，施加1倍El-Centro地震波時，位移集中分布于滑體O的凸起處，最大產生3.3 m左右的永久位移。施加3倍El-Centro地震波情況下，滑體N的滑動位移顯著增加，與滑體O相近。由圖5（b）可見，位移較大區(qū)域分為兩塊，分別位于滑體N和滑體O。根據實際算例表明，隨著地震動峰值的繼續(xù)增大，滑體N的運動速度更快，位移更大，滑動更加劇烈。

張倬元等對于巖體邊坡的滑動機制理論可以較好地解釋本文的計算結果，該理論認為地震對巖體的作用主要表現在累積效應和觸發(fā)效應兩個方面，前者主要引起邊坡巖土體結構的松動，軟弱結構面錯位等失穩(wěn)前兆；后者主要表現在地震作用造成的邊坡中軟弱夾層流變和液化以及邊坡瞬間失穩(wěn)等。該理論與Newmark有限滑動位移理論一樣，都認為地震可能造成滑坡體產生一定的永久位移，但邊坡是否滑動取決于位移的大小以及巖土體內部的應力應變情況，滑動后的情況則與地形，滑體物質組成，滑體的啟動條件等諸多復雜因素相關。

因此，可以認為施加1倍地震波時，滑體O的累積效應非常明顯，產生較大的永久位移。一旦滑動區(qū)由累積效應過渡到觸發(fā)效應后，滑體N的滑動位移顯著增加，與滑體O相近。主要原因歸納為三點：

（1）整個滑坡體前緣至中部，表層組成物質主要為塊碎石土；中部及后緣，表層組成物質主要為含孤石及塊石較多的塊碎石土、未完全解體的變質粉砂質板巖及變質細砂巖、礫巖?；wO巖體組織較為松散，更易變形，從數值模型材料參數上來看其模量較小；

（2）滑體O位于坡面局部凸起處，其下滑坡度較緩，滑體N所處位置坡面較陡，一旦進入觸發(fā)效應階段，相同條件下其速度和位移勢必更加劇烈；

（3）施加1倍El-Centro波時，滑體本身的動力反應導致滑體O的永久位移要大于滑體N。分析過程如第3節(jié)所示。

從數值分析結果看，小滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)好于主滑坡。

3利用Newmark方法估計邊坡動力響應對變形的影響

3.1屈服加速度的確定

根據Newmark方法，假設滑動面為圓弧形，見圖6，由動力穩(wěn)定系數定義，有下面兩式：

本文運用自編強度折減法程序，對組成模型的所有材料的內聚力和內摩擦角進行折減，得到滑體N為最危險滑動體，其安全系數為1.4。然后保持滑體N的材料參數不變，對其他材料進行參數折減，得到最危險滑動體為滑體O，其安全系數為1.5。見圖7，與動力計算得出的兩個滑動危險區(qū)域相對應。

本文將兩個滑體的滑動面概化為圓弧，見圖8，由式（7）可分別求出其屈服加速度。

3.2滑體N和滑體O的變形情況分析

選擇滑動處某點的加速度響應時程，根據Ne-wmark有限滑動位移原理，方向指向坡外，絕對值大于屈服加速度的加速度時程部分，才能產生永久位移，稱為有效加速度。

圖9中分別為滑體N和滑體O上某點的有效加速度時程以及由有效加速度時程二次積分求得的永久位移。計算得滑體N永久位移為2.185 m，滑體O永久位移為3.102 m。與數值模型結果符合較好。

4結語

（1）根據呷爬滑坡體的數值分析結果，在地震達到一定程度時，滑體N和滑體O將首先發(fā)生滑動，并且在1倍和3倍El-Centro波作用下具有不同的變形滑動機制：在1倍地震波作用下，滑坡體處于累積效應階段，滑體O的永久位移較大；在3倍地震波作用下，轉入觸發(fā)效應階段，滑體N的滑動速度及位移顯著增加，與滑體O相近。本文分別從滑體物質組成和材料參數、滑動地形和動力響應三個方面進行了分析。從數值計算結果看，小滑坡的穩(wěn)定性要好于主滑坡。

（2）本文根據Newmark有限滑動位移理論，基于滑體N和滑體O處某點的加速度響應時程，估計了滑坡體的永久位移，與數值計算結果對比符合較好。它還可以作為邊坡動力響應對滑坡體影響的一個指標，可以估計地震作用對局部區(qū)域的變形影響。但必須指出，由于動力響應的非線性和共振現象，同一區(qū)域內不同點的加速度時程所產生的永久位移必然存在差異，并不是所有加速度時程都可以代表整個滑坡體進行永久位移的計算，因而，在加速度時程的選取方面還有待進一步改進。endprint