基于庫水條件下典型堆積體滑坡抗震能力與破壞機理研究

王少華 田長和

摘要：以三峽庫區(qū)典型堆積體滑坡——張家灣滑坡為例，結合野外勘察資料，采用數(shù)值模擬方法，對該邊坡在天然、枯水位、正常蓄水位條件下，張家灣地震響應分析，以研究滑坡極限抗震能力和漸進破壞模式進行研究。研究結果表明：在不考慮庫水壓力時，滑坡承受地震作用和降雨作用的能力較考慮水壓力時?。?75m蓄水+地震工況除外）；針對張家灣滑坡形態(tài)特點，庫水靜壓力的存在，對滑坡涉水坡體和涉水外的滑坡體的作用過程復雜，其變形和破壞模式發(fā)生變化：變形受到一定的約束作用，破壞模式由原潛在牽引式滑移變?yōu)榘殡S著潛在的牽引滑移，新生坡表坍塌的破壞形式。

Abstract： Take typical deposit landslide in the three gorges reservoir area Zhangjiawan landslide for example， combine field survey data by using the method of numerical simulation of the slope under the condition of natural， low water level， normal storage level， Zhangjiawan earthquake response analysis， to study the landslide limit aseismic ability and to study the gradual failure mode. The results show that： without considering reservoir water pressure， the ability of the landslide under earthquake action and the rainfall effect is smaller than considering water pressure （except 175m water + earthquake conditions）； according to the characteristics of Zhangjiawan landslide， the effect on wading slope landslide and outside of the wading landslide is complex ， and the deformation and destruction mode changes due to the existence of static pressure of the reservoir water： deformation under certain constraints， failure mode by the original potential traction sliding into with the potential of traction sliding， destructional formsof the new table slope collapse.

關鍵詞：數(shù)值模擬；位移響應；極限承載能力；破壞模式

Key words： the numerical simulation；displacement response；ultimate bearing capacity；failure mode

中圖分類號：TU352.1+1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）11-0173-06

0 引言

邊坡地震穩(wěn)定性研究是當前工程地震學和地質學研究的熱點，其研究主要集中在兩方面，一是結合滑坡的結構特性對滑坡地震作用下的響應特征、變形特性及穩(wěn)定性評價的研究：鄧東平[1]在三種滑面形式下用擬靜力法對地震作用下的邊坡穩(wěn)定性進行分析；葉海林[2]采用振動臺進行預應力錨索支護巖質邊坡模型試驗，研究了邊坡預應力錨索在地震作用下的動力響應。另一方面，利用數(shù)學理論解決滑坡地震動荷載下的力學問題并結合計算機技術，模擬滑坡破壞過程，用以實現(xiàn)滑坡預測預報：陳永明[3]采用數(shù)值模擬結合強度折減法，求出了在地震作用下該邊坡的安全系數(shù)；顧沖時等[4]提出了利用尖點突變模型分析大壩和巖基穩(wěn)定狀況的判據(jù)及計算模型；龍輝等[5]針對降雨觸發(fā)的滑坡，以斜坡平面滑動失穩(wěn)為例，運用突變理論分析其失穩(wěn)的力學機制。目前，對于地震作用下的滑坡穩(wěn)定性研究已有一些成果，劉才華[6]基于傳遞系數(shù)法研究了地震作用下倒傾角巖質邊坡的穩(wěn)定性；平曈其[7]利用擴展有限元法模擬巖質邊坡內部裂隙在地震作用下的開裂擴展，根據(jù)擴展后的裂隙分析邊坡潛在滑面，采用矢量和法計算邊坡在震前、地震過程及震后的安全系數(shù)。但對滑坡預測預報的研究尚不成熟，該領域的研究成果也無法滿足實際應用的需求。因此，研究滑坡自身抗災能力，能夠為預測預報提供極強的參考價值。

本文主要研究外部誘因與滑坡穩(wěn)定性的關系，并確定滑坡承受外部因素影響的極限能力?？紤]了不同庫水壓力與不考慮庫水壓力作用下，計算地震作用下滑坡變形規(guī)律，通過突變理論確定滑坡處于臨界狀態(tài)時，承受地震的作用大小，并確定庫水壓力和地震作用下滑坡破壞模式的影響。

1 工程背景及地質條件

張家灣滑坡位于興山—黔江地震帶內，地殼處于較弱的活動性構造應力場中，雖有頻繁的地震活動，但強度不高。按國家地震局的全國烈度區(qū)劃，滑區(qū)處于弱震區(qū)，基本烈度為Ⅵ度，據(jù)建筑抗震設計規(guī)范（GB50011-2001），設計基本地震峰值加速度值0.15g。

整個滑坡區(qū)域處于鄂西長江流域暴雨中心，降雨具連續(xù)、集中、強度大的特點，區(qū)內地表水在雨季較明顯且多表現(xiàn)為洪流，庫水位的抬升相應也引起區(qū)內地下水位的抬升，易產(chǎn)生動水壓力并造成巖土體中的軟弱面力學強度的降低，易于產(chǎn)生滑坡、崩塌和泥石流等地質災害，對于地震作用的加成，地質災害風險急劇加大，有必要開展相應研究，對不同庫水位條件下，滑坡受地震作用時的變形響應和破壞機理的研究。

2 計算模型和力學參數(shù)

2.1 計算模型

采用FLAC3D軟件建立滑坡模型，使用有限差分方法和摩爾庫倫破壞準則，應用快速拉格朗日算法計算巖土體的穩(wěn)定性。

為了真實模擬幾何狀態(tài)，提高計算精度，并盡可能節(jié)約計算時間，采用四邊形網(wǎng)格，并在滑帶及其附近采取加密網(wǎng)格劃分。初始計算模型如圖2所示。

由于所取數(shù)值模型受周邊巖體的約束，故模型采用位移約束，底部邊界約束X，Y兩個方向的位移，左、右兩個邊界只約束Y方向的位移，坡面無約束，為自由平面。其中X方向朝坡面臨空方向為正、Y方向與重力方向相反為正。

2.2 研究參數(shù)

圖2中采用不同符號區(qū)分不同巖層材料，初始力學參數(shù)根據(jù)地勘資料提供的建議值，并通過反分析綜合所得，如表1所示。

為了研究滑坡在承受外在因素的影響，選取不同高程和不同深度的6個關鍵點，作為研究滑坡變形采集點，如圖2所示，高程分布如表2所示。其中關鍵點1位于馬道外側，關鍵點2和3位于坡表，關鍵點4、5和6位于滑帶上。關鍵點的選取是為了分別獲取淺層變形和深層變形受外界環(huán)境的影響規(guī)律。

3 不同庫水位條件下滑坡抗震能力分析與破壞模式分析

3.1 地震對滑坡的影響

地震作用的模擬是根據(jù)規(guī)范，采用擬靜力法[9]，通過對峰值加速度，進行地震慣性力計算，公式為：Fhi=ahξWiai/g

式中：ah為設計地震加速度；ξ為折減系數(shù)，取0.25；Wi為質點i的重力；ai為質點的動態(tài)分布系數(shù)，取值為1.75。本文設計峰值加速度為0g-0.47g，地震方向朝向坡外。

考慮庫水位庫水壓力時，模擬水位下，地下水位線部分巖土體材料為飽和材料，并施加外部靜水壓力，靜水壓力分布以三角形面力荷載施加坡表。大小為P=ρgh。例如30m水深時，最大水壓力為0.3MPa。

計算結果如圖3-圖5所示。

當?shù)卣鸺铀俣仍黾訒r，各關鍵點位移由線性變換轉換為非線性變化，當無庫水壓力作用時，滑坡穩(wěn)定臨界點出現(xiàn)在峰值加速度為0.17g時，說明，滑坡承受地震作用的臨界值為0.17g，該值體現(xiàn)出滑坡的抗震能力；當滑坡承受枯水位145m水位時，隨著地震加速度的增加，滑坡6個監(jiān)測點的位移變化規(guī)律，與不考慮庫水壓力情況下具有一致性，拐點同樣出現(xiàn)在地震峰值加速度為0.17g；當滑坡承正常蓄水位175m水位時，隨著地震加速度的增加，滑坡6個監(jiān)測點的位移變化規(guī)律發(fā)生較大變化，滑坡穩(wěn)定臨界點出現(xiàn)在峰值加速度為0.23g。

通過比較不同庫水位作用時，變形大小規(guī)律呈倒U型，即枯水位145m，滑坡變形受地震作用最為顯著，比較無庫水和175m庫水的變形大小可知，庫水位175m的庫水壓力對變形起到一定的約束作用。

175m庫水作用下各關鍵點的最大位移均小于考慮145m庫水壓力時的位移，說明考慮175m蓄水位條件下水對坡表壓力中的水平分量有迎向坡面的約束力，以及縱向分力增加了滑帶以上巖土體對滑帶以下基巖的正向壓力，即增加了摩擦力。簡易受力示意圖如圖6所示。

但是變形速率上是隨庫水位上升而遞增的，這里體現(xiàn)出約束作用與材料弱化作用之間的平衡問題。

3.2 突變理論應用

突變理論是法國數(shù)學家雷內·托姆（Rene Thom）創(chuàng)立的一門研究災變現(xiàn)象的理論，專門研究不連續(xù)變化、災變現(xiàn)象[8]。其特點是，根據(jù)一個系統(tǒng)的勢函數(shù)把它的臨界點分類，研究各類臨界點附近非連續(xù)變化之特征，從而歸納出若干個初等突變模型。

假設突變模型的勢函數(shù)為f（x），x為狀態(tài)變量。對f（x）求一階導數(shù)，并令其為0，得到它的平衡曲面方程：

對求二階導數(shù)，并令其為0，得到平衡曲面的奇點集的方程：

聯(lián)立（1）、（2）消去x，得到只包含控制變量的分解形式的分歧方程g（μ）。

當控制變量的關系滿足分歧方程時，系統(tǒng)就將發(fā)生突變，從而可以看出諸控制變量對災變所起的作用。根據(jù)圖3-圖5位移曲線圖，進行突變理論應用時，計算結果如表3所示。

在無庫水條件下，當?shù)卣鸱逯导铀俣刃∮?.17g時，低高程的關鍵點5和關鍵點6的位移變化速率較高，但超過臨界值后，中高程的關鍵點3和關鍵點2的位移變化速率，較其他關鍵點明顯增強，說明滑坡隨地震強度的增加，破壞模式發(fā)生變化，破壞區(qū)域往上擴展。

考慮145m水位庫水壓力下的位移變化速率超過不考慮庫水壓力情況下的位移變化速率如表3所示，在地震峰值加速度超過0.17g時，由于變形速率的加快和變形加速度的加大，地質災害發(fā)生時，滑體初始速度將加大，帶來的破壞性較不考慮庫水壓力時大。通過上表可以定量看出在地震峰值加速度臨界值之前，關鍵點5和關鍵點6變形速率是其它關鍵點的2倍，滑坡的破壞模式為沿剪出口牽引式整體滑移；當?shù)卣鹱饔贸^臨界值后，變形速度將落后與中高程關鍵點，由于關鍵點2、3、5和6的在達到臨界點后，變形速度和加速度較關鍵點1和4大數(shù)倍，說明，破壞模式變?yōu)椋喊殡S由剪出口牽引式滑移的發(fā)生，主要表現(xiàn)為由中高高程巖體（碎塊石土（Qdel-sk））坍塌形式破壞，且具有向深部發(fā)展的趨勢。通過各點變形速率和變形加速度變化，上部破壞趨勢較其他庫水位條件大。

考慮175m水位庫水壓力下，關鍵點1的變形加速度較之不考慮庫水壓力時的要小。在地震峰值加速度超過0.23g時，考慮175m水位庫水壓力下的位移變化速率，明顯小于不考慮庫水壓力時和考慮145庫水壓力下的位移變化速率，由于變形速率的減小和變形加速度的減小，地質災害發(fā)生的可能性反而減低。

4 變形模式復核

通過不同庫水位下，計算初始狀態(tài)塑性區(qū)分布和穩(wěn)定臨界狀態(tài)下的塑性區(qū)分布，如圖7-圖9所示。

通過比較可知，在各庫水條件下，滑坡塑性區(qū)（初始點和突變點）分布較為一致，破壞路徑具有向上部發(fā)展趨勢，其中，在枯水位145m情況下，隨著地震加速度的增加，坡體內部剪切破壞面發(fā)育，并逐漸向基巖深處發(fā)展，并且坡體淺表堆積產(chǎn)生新的剪出口，說明在145蓄水位以下，庫水對坡表巖土體的弱化使土層內部出現(xiàn)了新的材料分層界限，整體上與突變理論分析結論一致。

5 結論

不同庫水位條件，滑坡受地震作用的影響不同，結果統(tǒng)計表4。

結論1：表中，臨界值代表滑坡承受外界環(huán)境影響的能力，可以看出，不考慮庫水壓力時，滑坡承受地震作用的能力較考慮水壓力時小，由于庫水靜壓力的存在，對滑坡變形起到一定的約束作用。庫水位的增高，變形大小規(guī)律呈倒U型，說明庫水壓力和地震力存在一定的平衡問題，在枯水期受地震作用顯著，應加強監(jiān)測和巡視，最大程度減小地災影響。

結論2：由于庫水靜壓力的存在，對滑坡涉水坡體和涉水外的滑坡體的作用過程復雜，其變形和破壞模式發(fā)生變化：變形受到一定的約束作用，破壞模式由原潛在牽引式滑移變?yōu)榘殡S著潛在的牽引滑移，新生坡表坍塌的破壞形式。

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