地震作用下西安耶柿村滑坡穩(wěn)定性模擬評價*

范　磊，劉　聰

(1.長安大學 環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.西安市城市規(guī)劃設計研究院，陜西 西安 710082)

2008年汶川8級地震的重災區(qū)14個縣(市)主要公路全部癱瘓，主要鐵路、通信、水庫和城鎮(zhèn)遭受嚴重破壞，特別是北川縣城和汶川的映秀鎮(zhèn)成為一片廢墟，是繼1976年唐山7.8級地震之后我國又一個死亡和損失巨大的毀滅性地震[1-2]。以往國內(nèi)外的震害研究表明：破壞性特大地震，在距震中300 km內(nèi)和地震烈度VII度區(qū)內(nèi)均能造成大量崩塌滑坡[3]；汶川地震對地質(zhì)環(huán)境造成的影響前所未有，也給中國地學界提出了一系列重大問題[4]。專家們認為,地震不僅激活了部分已存在的崩塌滑坡體，還產(chǎn)生了大量新的地質(zhì)災害，對地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和地下水環(huán)境等都帶來了一定的影響[1-4]。地震影響區(qū)的地質(zhì)環(huán)境將隨當?shù)亟?jīng)受的地震動烈度、地質(zhì)環(huán)境條件組合、地表位錯量和外在因素干擾等而發(fā)生一定的變化，這種影響是十分罕見的。同時，地震對地質(zhì)環(huán)境的影響時間滯后持續(xù)效應十分明顯[5]。

西安市位于關(guān)中盆地，南靠秦嶺，以秦嶺山脈主脊為界，東有黃土堆積臺塬地貌，如白鹿塬等，西以太白山及青化臺塬為界，南北最大縱距約100 km，東西最大橫距約204 km，總面積9 983 km2。距離汶川地震中央斷裂帶北段約350 km，屬于汶川地震波及區(qū)，受汶川地震影響，西安全市發(fā)生多起地質(zhì)災害，對交通、旅游帶來嚴重影響[6]。西安市地質(zhì)災害主要為受斷層、地下水開采等因素誘發(fā)的地裂縫與地面沉降問題和受河流切割、地貌抬升影響產(chǎn)生的崩塌、滑坡和泥石流問題。特殊的區(qū)域特征，使得西安地區(qū)地質(zhì)災害類型多、分布廣，西安地區(qū)屬于汶川地震Ⅴ～Ⅵ度烈度區(qū)，這些地質(zhì)災害在汶川地震中均受到一定程度的影響。因此，客觀評價汶川地震對西安地質(zhì)環(huán)境影響的程度，有效減輕地質(zhì)災害對社會的不利影響，對西安社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。

地震誘發(fā)的崩塌滑坡研究在地震次生山地災害最為廣泛和深入，已成為滑坡研究的一個重要領(lǐng)域。Keffer對1989年加利福尼亞6.9級地震誘發(fā)的滑坡研究發(fā)現(xiàn)，其發(fā)生與距斷裂帶距離呈很強的反相關(guān)，而與巖石類型和軟硬度的相關(guān)性較弱，這表明滑坡與巖石特性的關(guān)系較為復雜[7]。Chigira 和Yagi于2006年對日本2004年發(fā)生的Mid Niigta縣6.8級地震引發(fā)的滑坡地貌和地質(zhì)特征進行了分析，發(fā)現(xiàn)深層滑坡中老滑坡和凹形坡受地震影響較大，此外平面滑坡面對形成災難性的滑坡敏感性較強[8]。針對滑坡區(qū)域性評價方面，目前較為流行的是利用NEWMARK模型，對區(qū)域性永久位移進行評價，獲取區(qū)域的永久位移，評價區(qū)域邊坡的穩(wěn)定性及地震對區(qū)域長期的影響作用[9-11]。對于單體滑坡而言，利用數(shù)值模擬評價其對不同烈度下的穩(wěn)定性是當前較為常用的方法[12-13]。

本文根據(jù)西安地區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件和汶川地震斷裂破壞情況，選取西安地區(qū)典型滑坡體耶柿村滑坡對其在地震作用下的穩(wěn)定性進行評價，研究地震對西安地區(qū)邊坡的長期穩(wěn)定性的影響。

表1　耶柿村滑坡土層物理力學性質(zhì)

1　滑坡體概況及研究方法

1.1　耶柿村滑坡體概況

耶柿村滑坡位于西安市長安區(qū)魏寨鄉(xiāng)耶柿村，109°10′53″E，34°6′10″N，距西安市中心約30 km。該滑坡東西長1.0 km左右，南北寬約0.6 km，體積約900萬m3，屬大型黃土滑坡(圖1)。該滑坡總體呈上小下大階梯狀，滑坡后壁呈圈椅狀，坡度約46°。該滑坡由老滑坡和滑體上的次級復活體組成?；麦w按其性質(zhì)和特征差異從上至下可分為2層：第一層為黃土狀土(粉質(zhì)粘土)，組成滑體土和滑帶土；第二層為第三系粘土巖，組成滑床。土層的物理力學特性見表1。

根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果，耶柿村滑坡是一個發(fā)生在黃土塬邊的老滑坡，由于滑體地形較為平緩，有利于降水的入滲，且滑體的前部有耶柿村分布，農(nóng)田灌溉，滑體前部削坡建房和修路等人類工程活動，使得老滑坡在強降雨時發(fā)生復活。根據(jù)記載和調(diào)查，該滑坡體在1976年和2003年暴雨后均有大量裂縫產(chǎn)生，并發(fā)現(xiàn)前緣緩慢前移現(xiàn)象。該滑坡體處于汶川地震Ⅴ度烈度區(qū)，汶川地震對該滑坡的穩(wěn)定性造城一定影響，地震后在滑坡體后緣出現(xiàn)裂縫。

圖1　耶柿村滑坡區(qū)域位置與遙感影像圖

1.2　GEOSTUDIO數(shù)值分析

本文采用GEOSTUDIO中的SLOPE/w和QUAKE/w兩個模塊，對滑坡體進行有限元數(shù)值模擬。QUAKE/W模塊用于處理分析系統(tǒng)的動態(tài)部分，可用來分析震動前后滑坡體內(nèi)部應力應變的動態(tài)變化特征。當QUAKE/W計算完成后，SLOPE/W模塊可調(diào)用Quake/w模塊的計算結(jié)果來分析地震動過程中邊坡的穩(wěn)定性，尋找最危險滑面并求得到安全系數(shù)。

1.2.1計算剖面選取

計算剖面的選取將與滑坡主滑方向一致且剖面具有代表性，能反映滑坡的變形、破壞特征，選取的剖面數(shù)據(jù)基本可靠，能較真實反映巖土體的情況。根據(jù)以上剖面選取原則，本次穩(wěn)定性定量評價選取主剖面線進行力學計算，計算剖面圖見圖2。

圖2　耶柿村滑坡力學計算剖面圖

1.2.2計算模型與參數(shù)選擇

在有限元計算中，網(wǎng)格劃分密度應滿足計算精度的要求，因此對單元網(wǎng)格進行劃分，既要有較高的精度，又要能模擬任意幾何形狀，符合實際情況。數(shù)值模型受周邊巖體的約束，故模型采用位移約束，底部位移不變，即約束X、Y兩個方向位移，左右邊界豎向位移不變，只約束Y方向的位移，坡面無約束，為自由平面。坐標軸選擇豎直水平方向，Y軸為豎直，向上為正，X軸為水平，指向臨空面為正。數(shù)值模擬物理力學參數(shù)按表1取值。

數(shù)值模擬過程中采用理想彈塑性模型，屈服準則采用Mohr-Coufomb強度準則，屈服函數(shù)選用下列莫爾屈服準則驗算地震荷載作用下邊坡的穩(wěn)定性[14]。

(1)

式中：F為邊坡穩(wěn)定性強度；φ為內(nèi)摩擦角，θσ為應力第二洛德角一般取值范圍在- 30°≤θσ≤30°之間。I1為應力張量的第一不變量:

I1=σx+σy+σz。

(2)

J2為應力偏量的第二不變量：

(3)

地震波施加在垂直邊坡側(cè)的水平方向。如果地震荷載持續(xù)時間過長，將導致計算的工程量非常大、而且計算結(jié)果的后處理也非常麻煩，根據(jù)汶川地震特征及其在西安地區(qū)的影響，本次模擬將地震持時間定為50 s，定義時間步長為0.2 s，需計算100步。

2　結(jié)果分析

根據(jù)汶川地震烈度分布圖，西安地區(qū)主要位于汶川地震Ⅴ～Ⅵ度烈度區(qū)域，因此，為了更好的評價地震對該滑坡的作用過程，主要采用了Ⅵ～Ⅷ度對應的地震加速度進行分析。在采用時程分析法對邊坡進行地震反應分析時，需要輸入地震動加速度時程?？紤]滑坡體地質(zhì)條件，采用修正后的汶川地震波作為動力響應的輸入波，提取前10 s加速度數(shù)據(jù)進行分析，并認為在地震到達時地震加速度同時施加到邊坡每個有限元網(wǎng)格的節(jié)點上。由于地震傳播方向的不規(guī)則性，為了簡化，本文假定地震加速度作用與坡體臨空面的水平方向一致(圖3)。

圖3　汶川地震波波形圖(假設加速度峰值為0.1)

首先利用GEOSTUDIO中的SLOPE/w模塊，對滑坡進行自然狀態(tài)下的穩(wěn)定性進行分析，邊坡因自重應力形成的水平和豎向應力分布較均勻，整體處于受壓狀態(tài)，基覆界面處水平應力最大值一般在為0.2～0.6 MPa。而剪應力整體受力均勻，表層堆積物其值一般在0.05～0.2 MPa。該滑坡在自然狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)為1.31，說明該滑坡在自然狀態(tài)下，其整體穩(wěn)定性較好，發(fā)生整體失穩(wěn)的可能性極小(圖4)。

由于滑坡體的阻尼作用，坡體對地震動力響應相對地震波作用有一定的滯后，而坡體各節(jié)點的加速度在地震作用的25 s前后達到最大，故提取t=24 s時滑坡在加速度峰值為0.08 g(相當于Ⅵ度烈度區(qū))、0.10 g(相當于Ⅶ度烈度區(qū))和0.20 g(相當于Ⅷ度烈度區(qū))的地震動荷載作用下的位移、應力和剪應變增量分布特征。

地震動荷載作用下坡體的位移、應力和剪應變增量分布特征，從理論上很好地再現(xiàn)了邊坡從靜態(tài)進入動態(tài)所發(fā)生的變化，充分說明地震對邊坡穩(wěn)定性的影響極其大。

坡體在加速度峰值為0.08 g的地震動荷載作用后，最大水平位移出現(xiàn)在坡體上部，為6.55 cm，水平總應力表現(xiàn)沿坡體深度呈明顯增大趨勢，但局部不均勻，基覆界面處水平應力最大值為2～2.5 MPa，滑坡體基覆界面處的最大剪應力最大為0.6 MPa。相應剪應變主要發(fā)生滑坡體后緣下部滑體與基巖交界內(nèi)，最大剪應變值為1.2×10-3(圖5～圖6)，坡體整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，計算得出此時的安全系數(shù)為1.22，由此可見在此地震動荷載作用下，魏寨鄉(xiāng)耶柿村滑坡整體上處于較高的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4　滑體天然狀態(tài)下自重應力水平x向及最大剪應力云圖

圖5　地震動荷載作用下滑坡體剖面水平位移云圖

圖6　地震動荷載作用下滑坡體剖面圖水平應力云圖

圖7　地震動荷載作用下剖面最大剪應力云圖

圖8　地震動荷載作用下剖面剪應變云圖

圖9　地震動荷載作用下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

在加速度峰值為0.10 g的地震動荷載作用下(相當于Ⅶ度烈度區(qū))，從水平位移云圖看，位移較大的地方主要發(fā)生在滑體表層，滑坡后緣基巖部位變形不明顯，坡體表層覆蓋物出現(xiàn)最大水平位移為8.4 cm。由圖7可以看出，水平總應力與剪應力隨著峰值加速度增加增加，地震時坡體水平應力總體表現(xiàn)沿坡體深度呈明顯增大趨勢，但局部不均勻，水平總應力最大值出現(xiàn)在基覆界面處，為0.2～1.6 MPa；而坡體最大剪應力出現(xiàn)在坡體與基巖交界內(nèi)，值為0.8 MPa(圖7)。由圖可以看出，一條剪應變集中帶已明顯出現(xiàn)，但剪應變僅出現(xiàn)在滑坡體后緣及坡腳處，且擴展范圍較小，最大剪應變值為1.8×10-3。由此可知，坡體在此地震破壞作用下具有小規(guī)模失穩(wěn)的可能，主要發(fā)生在坡體前緣，計算得出此時的安全系數(shù)為1.12。由此可見，在此地震動荷載作用下，魏寨鄉(xiāng)耶柿村滑坡整體上處于穩(wěn)定狀態(tài)，只有局部發(fā)生失穩(wěn)的可能。

在加速度峰值為0.20 g的地震動荷載作用下(相當于Ⅷ度烈度區(qū))，隨著動峰加速度的增加，水平位移呈明顯上升，最大水平位移為13.1 cm，主要發(fā)生在滑體表層(圖8)。由于基巖傾角相對較緩，上覆堆積體也較薄，此部分堆積體在地震動荷載作用下，剪應變集中帶依然沒有貫通，最大剪應變也達到2.9×10-3。但是上部坡體的水平應力與剪應變均具有明顯增大的趨勢，水平總應力最大值出現(xiàn)在基覆界面處，為 2.8 MPa，坡體剪應力值增大為1.3 MPa；由此可見，在此地震動荷載作用下，滑坡上部堆積體邊坡位移較大，滑動面具有整體貫通的趨勢，計算得出此時的安全系數(shù)為1.03。在該震動作用下，坡體處于欠穩(wěn)定的狀態(tài)，具有發(fā)生整體失穩(wěn)的可能。

通過對比分析該滑坡在不同狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)可以看出，在天然狀態(tài)下該滑坡整體穩(wěn)定性較好，很難發(fā)生整體失穩(wěn)，但是隨著地震峰值加速度的增加，該滑坡的穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)急劇下降的趨勢，從天然狀態(tài)下的1.31下降到1.03的欠穩(wěn)定狀態(tài)(圖9)。尤其是隨著地震峰值加速度的增加，邊坡存在部分失穩(wěn)的可能。

3　耶柿村滑坡防治措施

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果，該滑坡體在地震動作用下均發(fā)生位移，尤其是當?shù)卣鹆叶却笥冖葧r，該滑坡體具有復活失穩(wěn)的可能，由此提出該滑坡體的防治措施。

(1)監(jiān)測措施：首先采取監(jiān)測措施，以便隨時掌握滑坡的變形情況，提出預警預報，并適時啟動“耶柿村滑坡防、搶、撤方案”或采取工程治理措施。

(2)避讓措施：由于耶柿村滑坡穩(wěn)定性較差，威脅人口多，危險性大。為了確保耶柿村人民生命財產(chǎn)安全，最大限度地減少人員傷亡和經(jīng)濟損失，應根據(jù)經(jīng)濟條件和危險性分區(qū)逐批將村民進行搬遷；在提前預警和突發(fā)情況下按“耶柿村滑坡防、搶、撤方案”進行緊急撤離。

(3)工程措施：針對該滑坡的特點，為防止滑坡進一步活動，首先應采取簡易工程措施，如截排水溝，對裂縫加以填埋等簡易工程措施。為了確保居住在滑坡區(qū)的人民生命財產(chǎn)安全，建議對該滑坡進行詳細的勘察工作，進而進行滑坡防治工程設計，對滑坡進行相應的工程治理。

4　結(jié)論

以魏寨鄉(xiāng)耶柿村滑坡為例，根據(jù)工程地質(zhì)條件、構(gòu)造發(fā)育特征，通過運用數(shù)值模擬動力分析方法，分析邊坡的動力變化特性與動力響應規(guī)律。利用Geostudio計算安全系數(shù)分析穩(wěn)定性。隨著地震動峰值加速度的增大邊坡穩(wěn)定性逐漸降低，安全系數(shù)降低到1.06。計算結(jié)果表明，魏寨鄉(xiāng)耶柿村滑坡僅在大于Ⅷ度地震烈度作用下，滑坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，具有整體發(fā)生失穩(wěn)的可能；在Ⅶ度地震烈度作用下，在滑坡體前緣具有發(fā)生小規(guī)模失穩(wěn)的可能；在Ⅵ度地震烈度作用下，該滑坡體整體穩(wěn)定性系數(shù)為1.22，穩(wěn)定性較高。但是該滑坡體在地震作用下，邊坡內(nèi)部均出現(xiàn)位移，對坡體內(nèi)部具有一定的損傷，由此提出了相應的防治對策。本文只是數(shù)值模擬，具體的滑坡狀態(tài)和防治措施，還需進一步深入研究。