云南地區(qū)地震動特征與堆積體滑坡動力響應(yīng)分析

周曉靖，王 進(jìn)，張振平，李 果，付曉東

(1.云南楚大高速公路改擴(kuò)建工程建設(shè)指揮部， 云南 大理 671000；2.云南大永高速公路建設(shè)指揮部， 云南 大理 671000；3.四川高速公路建設(shè)開發(fā)總公司， 四川 成都 610041；4.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室， 湖北 武漢 430071；5.云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院， 陸地交通氣象災(zāi)害防治技術(shù)國家工程實驗室， 云南 昆明 650041)

中國是亞洲乃至整個世界上滑坡地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)，云南則是我國滑坡最嚴(yán)重的省份之一，而且在近幾十年來滑坡活動水平處于持續(xù)上升的態(tài)勢[1]。云南地區(qū)的滑坡活動之所以頻繁，主要誘發(fā)因素之一來自地震。大量文獻(xiàn)資料顯示，云南的每次地震都會誘發(fā)大量的滑坡地質(zhì)災(zāi)害[2-6]。其中，1996年麗江7級地震，在約12 000 km2內(nèi)誘發(fā)了至少30處大中型滑坡與420處中小型崩塌，同時導(dǎo)致該地區(qū)很多老滑坡復(fù)活，威脅附近11個村寨超過1.5萬人的生命財產(chǎn)安全[2]；2014年云南省昭通市魯?shù)榭h6.5級地震誘發(fā)了中型及以上滑坡149個，包括甘家寨、紅石巖與王家坡等巨型滑坡，其中紅石巖滑坡堵塞牛欄江，形成了長約1 000 m、頂部寬約300 m、高約100 m的堰塞湖堆石壩，直接威脅沿江的魯?shù)?、巧家、昭陽三縣(區(qū))10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、30 000余人以及下游黃角樹、天花板等水電站設(shè)施的安全[6]。

可見，云南地區(qū)地震誘發(fā)滑坡造成了重大人員傷亡與財產(chǎn)損失，嚴(yán)重制約了社會的和諧發(fā)展。因此，針對云南地區(qū)的地震滑坡災(zāi)情，在地震動特征研究與典型堆積體滑坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，開展滑坡動力響應(yīng)分析，對云南省乃至我國的經(jīng)濟(jì)民生與社會穩(wěn)定都具有十分重要的意義。

1 云南地區(qū)地震動特征分析

云南是我國地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的地區(qū)，其致災(zāi)規(guī)模與活動水平居我國前列。云南省土地面積僅為中國國土面積4%，但是在20世紀(jì)的100年時間內(nèi)，發(fā)生震級大于等于5級的地震285次，占同期全國范圍內(nèi)地震總數(shù)的14.2%，平均每1 000 km2內(nèi)發(fā)生的地震約7.4次，居全國之首[7]。本文基于《西南地震簡目(川、滇、黔、藏)》和中國地震臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)共享功能，搜集了云南省大于等于5級的地震事件61起，結(jié)合關(guān)于時間、地點、震級、震源深度和震中烈度的記載進(jìn)行分析。其中90%以上的地震位于15 km以內(nèi)的地殼中上部，特別是10 km～15 km范圍內(nèi)地震相當(dāng)集中。

針對搜集的地震動資料，采用最小二乘法對震級與震中烈度進(jìn)行線性回歸分析，得到了云南省震級與震中烈度的統(tǒng)計關(guān)系，見圖1(a)，其經(jīng)驗公式為：Ms=0.1282x2-1.3647x+8.7704，M為震級，相關(guān)系數(shù)為0.87。通過與相關(guān)研究成果的對比[8-10]，如圖1(b)所示，兩條曲線總體上差別不大，對于同樣震級的地震，云南的震中烈度要比全國其他地區(qū)的值偏高。同時，以上述統(tǒng)計結(jié)果為基礎(chǔ)，我們建立了震級與震中烈度及峰值加速度的對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

圖1 云南地區(qū)震級與烈度的統(tǒng)計關(guān)系及與全國數(shù)據(jù)對比

2 堆積體地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

本文地震滑坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型以2014年云南省昭通市魯?shù)?.5級地震造成的昭巧公路沿線滑坡為例。通過對震區(qū)災(zāi)后昭巧公路沿線近50個滑坡震害典型工點的調(diào)查與評估，總結(jié)了它們的共同特征：

(1) 在幾何特征方面，自然高度較高，最大超過200 m，前緣削坡坡度在50°～80°之間，上部自然坡面坡度在20°～40°之間且基本與下伏基巖面平行。

(2) 在地質(zhì)特征方面，上覆巖土體為崩坡積體，下部為基巖，為典型的二元結(jié)構(gòu)；崩坡積體為老滑坡崩塌堆積體，呈碎石土、塊石土狀；各滑坡之間厚度在2 m～25 m范圍內(nèi)，差異較大，單個滑坡的厚度基本一致；下伏基巖風(fēng)化程度一般，呈中微風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層頂面為順坡向，坡度與自然坡面坡度相差不大。

(3) 在動力失穩(wěn)模式方面，上覆巖土體震裂松動，發(fā)生沿下伏基巖面順坡向的“震力剪切-滑移”破壞。

以上述特征分析為基礎(chǔ)，建立了圖2的概化地質(zhì)模型：坡高設(shè)置為150 m，下部切坡部分設(shè)置為70°，上部自然部分設(shè)置為25°，基巖頂面與上部自然坡面平行；上覆崩坡積物厚度設(shè)置為15 m，上下地層分別命名為崩坡積體和基巖。

圖2地質(zhì)概化模型

本文聯(lián)合運(yùn)用GeoStudio軟件的QUAKE/W、SIGMA/W、SLOPE/W模塊對地震作用下坡體的動力響應(yīng)過程進(jìn)行模擬分析[11-13]，對上覆巖土體與下伏基巖分別采用等效線性模型與線彈性模型進(jìn)行分析。巖土體力學(xué)參數(shù)以工程地質(zhì)類比法為基礎(chǔ)，基于前人的研究進(jìn)行綜合取值：陳子華等[14]對金沙江流域某古滑坡的滑體物質(zhì)進(jìn)行了現(xiàn)場原位直剪試驗，該滑坡所處的位置以及巖性特征與本文模擬的崩坡積體有一定的相似性，故將其強(qiáng)度指標(biāo)作為本文對崩坡積體的取值依據(jù)；崩坡積體的阻尼系數(shù)、剪切模量衰減函數(shù)及循環(huán)數(shù)函數(shù)均根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的結(jié)果，并參考相關(guān)文獻(xiàn)取值[15-16]，采用GeoStudio軟件自帶數(shù)據(jù)庫進(jìn)行估計。巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

3 滑坡地震動力響應(yīng)特征

3.1 地震動輸入方法

在地震分析中，動力荷載實際上就是將地震動記錄作用于分析模型所需要施加的力。地震動記錄通常采用加速度時間歷史曲線的方式來描述，需要輸入的地震力通過質(zhì)量乘以地震加速度進(jìn)行計算，該地震力被施加在分析模型中的所有節(jié)點。該地震動力輸入方法理論簡單明了，但是不能反映地震波在滑坡數(shù)值模型中的動力傳播過程。為克服該問題，本文采用將地震力輸入到滑坡分析模型邊界節(jié)點，在GeoStudio軟件的QUAKE/W模塊中表現(xiàn)為將地震加速度加到地震入射邊界。

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

針對地震滑坡的典型地質(zhì)概化模型，首先，利用地震臺站監(jiān)測或者人工合成方法，獲取反映云南地區(qū)地震動特征的地震時程曲線，本文采用人工合成的地震記錄作為荷載輸入，持時為10 s，根據(jù)表2建立的云南地區(qū)震級與震中烈度及峰值加速度的對應(yīng)關(guān)系，將輸入地震動峰值加速度分別調(diào)整為0.05g、0.20g、0.40g、0.80g，作為5、6、7、8級地震所對應(yīng)的震中高烈度地震動記錄，見圖3；然后，對模型兩側(cè)施加豎直約束，底部施加水平、豎直雙向約束，將地震時程曲線轉(zhuǎn)化為地震力施加在模型底部邊界的所有節(jié)點；最后，在動力分析過程中，地震波從底部基巖向上部巖土體傳播。

圖3不同震級條件下的輸入地震動記錄

3.2 動力模擬結(jié)果分析

(1) 位移。圖4(a) 給出了不同震級下坡頂點的水平位移時程曲線，發(fā)現(xiàn)不同震級作用下，頂點的水平位移曲線形狀相似，只是幅值不同，5.8 s時達(dá)到峰值；不同震級下坡體的最大位移量統(tǒng)計表明位移量隨著震級的增加而增加，增速不斷加快。

圖4(b)計算了永久位移隨震級的變化，永久位移受震級的影響，隨震級的增加而增加。5級地震時，滑面不產(chǎn)生永久位移，6、7、8級地震時，滑面產(chǎn)生了不同大小的永久位移，分別是0.07 m、0.48 m、3.12 m，永久位移與震級呈指數(shù)關(guān)系。根據(jù)永久位移的大小推斷，5級地震下坡體穩(wěn)定，6級地震下坡體較為穩(wěn)定，而7、8級地震下時坡體失穩(wěn)。

圖4震級對水平位移與滑動面永久位移的影響

(2) 應(yīng)力。圖5(a)計算了不同震級作用下的孔隙水壓力隨震級的變化，選取坡腳典型監(jiān)測點進(jìn)行分析。5級、6級地震作用下，孔壓增幅基本相似且不明顯，約0.9 kPa，7級，8級地震作用下，孔壓增幅較明顯，分別為5.68 kPa和23.23 kPa。隨震級的提高，孔壓呈指數(shù)增長。

圖5(b)給出了不同震級下坡腳典型監(jiān)測點剪應(yīng)力的時程及剪應(yīng)力峰值的變化規(guī)律，隨震級的增加，坡腳點的剪應(yīng)力變化幅值擴(kuò)大，峰值基本呈線性增長。

圖5震級對孔隙水壓力與剪應(yīng)力影響規(guī)律

(3) 安全系數(shù)。圖6給出了考慮不同因素條件下滑坡最小安全系數(shù)隨震級的變化?？傮w看，震級越大，最小安全系數(shù)越??；殘余強(qiáng)度對最小安全系數(shù)沒有影響，說明液化并不會影響滑坡的最小安全系數(shù)。分析僅考慮慣性力、慣性力加孔隙水壓力兩種情況的最小安全系數(shù)的變化，可以看出：5級地震下最小安全系數(shù)由1.15降至1.13，降低1.9%；6級地震下最小安全系數(shù)由0.85降至0.81，降低4.2%；7級地震下最小安全系數(shù)由0.77降至0.70，降低9.8%；8級地震下最小安全系數(shù)由0.65降至0.54，降低21%。因此，隨著震級的增加，地震引發(fā)的孔隙水壓力的提升對于安全系數(shù)降低的貢獻(xiàn)不斷增加，坡體的失穩(wěn)破壞由僅為慣性力控制發(fā)展為慣性力和孔隙水壓力共同控制。

圖6不同因素下滑坡最小安全系數(shù)隨震級的變化

4 結(jié) 論

本文在研究云南地區(qū)地震動特征與構(gòu)建典型堆積體滑坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，綜合采用GeoStudio軟件的QUAKE/W、SIGMA/W、SLOPE/W模塊，圍繞5、6、7、8級地震所對應(yīng)的震中高烈度地震動記錄設(shè)計了多個分析方案，開展滑坡的動力響應(yīng)過程模擬，獲得了位移、應(yīng)力及安全系數(shù)的響應(yīng)規(guī)律，研究了強(qiáng)震效應(yīng)對滑坡失穩(wěn)的影響，獲得了以下結(jié)論：

(1) 統(tǒng)計了云南地區(qū)61起大于5級的地震歷史數(shù)據(jù)，通過回歸分析得到了震級與震中烈度的經(jīng)驗關(guān)系，對比我國其他地區(qū)發(fā)現(xiàn)云南的震中烈度值偏高，建立了震級與震中烈度及峰值加速度的對應(yīng)關(guān)系。

(2) 以魯?shù)?.5級地震造成的昭巧公路沿線滑坡為例，通過對震區(qū)災(zāi)后昭巧公路沿線近50個滑坡震害典型工點進(jìn)行調(diào)查與評估，總結(jié)了它們的共同特征，構(gòu)建了具有二元結(jié)構(gòu)的堆積體滑坡數(shù)值模型。

(3) 通過對比同震級地震波作用下滑坡的響應(yīng)過程，揭示了強(qiáng)震效應(yīng)對滑坡失穩(wěn)破壞的影響機(jī)制：震級的提高導(dǎo)致坡體前緣孔壓、剪應(yīng)力的增長，安全系數(shù)的范圍擴(kuò)大，最小安全系數(shù)降低；同時，失穩(wěn)破壞由慣性力單一控制向慣性力與孔隙水壓力組合控制轉(zhuǎn)變。根據(jù)永久位移推斷5級地震下坡體穩(wěn)定，6級地震下坡體較為穩(wěn)定，而7、8級地震下時坡體失穩(wěn)。

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