地震與強(qiáng)降雨條件下云南魯?shù)橥跫移抡鹆焉襟w穩(wěn)定性分析

劉 洋，裴向軍，羅 璟，許 芃，劉 明

(1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；2.中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100088；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

2014年8月3日，云南省魯?shù)榭h發(fā)生6.5級(jí)地震[1-3]，誘發(fā)了位于魯?shù)榭h李家山村和巧家縣紅石巖村交界處牛欄江干流右岸的紅石巖崩塌。該崩塌體規(guī)模巨大，堵塞牛欄江，形成了高達(dá)120 m、體積1.248×107m3的大型堰塞體。利用該堰塞體做為擋水壩，對(duì)其采取防滲處理，配合邊坡治理及隧洞開(kāi)挖工程，最終建成庫(kù)容量1.32×108m3的紅石巖水利樞紐。

王家坡震裂山體位于紅石巖水利樞紐北東方向，距堰塞壩1 300 m。魯?shù)榈卣饘?dǎo)致邊坡巖體震裂松動(dòng)，卸荷裂隙發(fā)育，局部地區(qū)坡表變形跡象明顯。由于該震裂山體距離壩址較近，且體積巨大，其穩(wěn)定性對(duì)水利樞紐工程具有重大影響，深入分析王家坡震裂山體在強(qiáng)降雨、地震等極端工況下的穩(wěn)定性問(wèn)題具有重要的工程及現(xiàn)實(shí)意義[4-7]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖土體斜坡穩(wěn)定性問(wèn)題展開(kāi)研究：Newmark基于物體平衡原理，提出了根據(jù)潛在變形來(lái)評(píng)價(jià)邊坡動(dòng)力穩(wěn)定性的有限滑動(dòng)位移法，將潛在滑體的慣性力超過(guò)滑體的屈服阻力作為邊坡滑坡發(fā)生的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)[8]；鄭穎人采用FLAC動(dòng)力強(qiáng)度折減法，結(jié)合同時(shí)具有拉張和剪切破壞功能的有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件對(duì)地震邊坡破壞機(jī)制進(jìn)行分析，總結(jié)得出地震邊坡破壞是由潛在破裂區(qū)上部拉破壞與下部剪切破壞共同組成，并通過(guò)多種途徑給出地震邊坡破裂面位置的確定方法[9]；黃潤(rùn)秋等在大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，研究了強(qiáng)烈地震荷載下，斜坡呈現(xiàn)出的震動(dòng)潰裂、高速拋射等特殊失穩(wěn)現(xiàn)象，并根據(jù)具體斜坡結(jié)構(gòu)，對(duì)地震觸發(fā)崩塌滑坡成因機(jī)制進(jìn)行分類(lèi)[10]；胡新麗等自主編制了基于強(qiáng)度折減法的滑坡體安全系數(shù)計(jì)算程序，分析已知滑動(dòng)面條件下的斜坡穩(wěn)定性情況，并對(duì)傳統(tǒng)極限平衡法和FLAC3D強(qiáng)度折減法展開(kāi)對(duì)比討論[11]。

由于王家坡震裂山體工程地質(zhì)情況復(fù)雜，且已承受多次地震荷載影響，本文在充分結(jié)合野外調(diào)查資料及潛在破壞模式分析的基礎(chǔ)上，聯(lián)合應(yīng)用Surfer及ANSYS軟件精確構(gòu)建震裂山體三維數(shù)值模型。為更加優(yōu)化考慮山體的不連續(xù)性和大變形特性，并提高求解速度，后處理計(jì)算采用基于快速拉格朗日有限差分法的FLAC3D軟件[12-17]。求解過(guò)程中采用全動(dòng)態(tài)分析方法獲取模型運(yùn)動(dòng)方程的時(shí)間步長(zhǎng)解，追蹤介質(zhì)動(dòng)態(tài)演化全過(guò)程，深入探討其時(shí)間效應(yīng)與空間效應(yīng)，準(zhǔn)確得到王家坡震裂山體在天然工況、強(qiáng)降雨工況、強(qiáng)震工況下的穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)響應(yīng)，為水利樞紐工程建設(shè)人員提供參考依據(jù)。

1 震裂山體工程地質(zhì)特征

1.1 地形地貌及地層巖性

王家坡震裂山體所在區(qū)域?qū)儆谝詷?gòu)造侵蝕、溶蝕為主的高中山峽谷區(qū)，山高谷深，地形陡峻，切割劇烈。山脈延伸方向與地層及構(gòu)造線(xiàn)走向大體一致。河谷深切，多呈“V”型或“U”型，谷底比降較大，天然比降約6.6‰。震裂山體總體走向?yàn)镾10°E～S20°W，底部高程約1 150 m，頂部高程約2 100 m，高程差約950 m，其順河谷方向?qū)挾燃s1 400～1 500 m，垂直河谷方向長(zhǎng)度約1 100～1 200 m，總體上呈上緩下陡、西北高東南低的趨勢(shì)。

研究區(qū)地層發(fā)育較全，主要出露地層有寒武系、奧陶系、泥盆系、二疊系及第四系地層。巖性以灰?guī)r、頁(yè)巖、砂巖、泥巖、石英砂巖、白云巖為主，局部夾大量中酸性熔巖、粗凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)火山礫巖。在晚二疊世有大面積的玄武巖噴發(fā)，巖性為致密玄武巖、斑狀玄武巖夾火山碎屑巖組成。第四系主要有沖洪積層、崩積層、滑坡堆積層及泥石流堆積層等。

圖1 王家坡震裂山體工程地質(zhì)平面圖Fig.1 Geo-engineering map of Wangjiapo seismic slope

研究區(qū)發(fā)育包谷垴-小河斷裂帶，地表斷層拉裂縫發(fā)育[18]。按變形破壞特征，將王家坡震裂山體分為四個(gè)次級(jí)研究區(qū)(圖1)：強(qiáng)變形區(qū)(Ⅰ區(qū))、弱變形區(qū)(Ⅱ區(qū))、H2滑坡區(qū)(Ⅲ區(qū))、H3滑坡區(qū)(Ⅳ區(qū))。

1.2 坡表變形特征

由地震引起的地表破裂是地殼彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)化為永久性構(gòu)造變形的表現(xiàn)形式之一，具體的破裂樣式包含著大陸地殼變形方式、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和地震破裂過(guò)程等基礎(chǔ)信息[19-21]。經(jīng)過(guò)野外詳細(xì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，王家坡震裂山體總共發(fā)育74條地表裂縫，主要分布在強(qiáng)變形區(qū)(Ⅰ區(qū))，整體上為走向N45°W～N50°W的左旋走滑破裂帶。地表破裂按力學(xué)成因主要分為：剪切破裂、張剪切破裂、壓剪切破裂、張性破裂(圖2)。

圖2 震裂山體地表破壞成因分類(lèi)Fig.2 The causing classification for surface destructions of the seismic-slope in Wangjinpo

1.3 潛在破壞模式分析

根據(jù)震裂山體強(qiáng)變形區(qū)(Ⅰ區(qū))鉆孔ZK122和ZK124所揭示的地層情況分析，強(qiáng)變形區(qū)(Ⅰ區(qū))上部0～40 m，主要由經(jīng)強(qiáng)烈溶蝕作用的全-強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r構(gòu)成，即全強(qiáng)分化層。全強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)眾多地表裂縫中，以裂縫LF5、裂縫LF24、裂縫LF69最為寬大陡深，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析，斜坡以此類(lèi)裂縫為后緣發(fā)生失穩(wěn)變形的可能性較大。全強(qiáng)分化層下伏棲霞茅口組微風(fēng)化灰?guī)r，其下方為主要由砂質(zhì)泥巖組成的二疊系梁山組軟弱層，力學(xué)性質(zhì)較差。

根據(jù)斜坡不同的失穩(wěn)機(jī)制及可能的剪出口位置，將其潛在破壞模式分為以下兩種：

(1)震裂-塑流-拉裂破壞

根據(jù)工程類(lèi)比法可知，由于2014年8月3日紅石巖B1大型崩塌的剪出口在梁山組巖層中，崩塌體斜向河谷下游方向失穩(wěn)；2015年9月12日樞紐區(qū)溢洪洞出口崩塌為下伏軟弱梁山組受力壓縮、塑流、差異性風(fēng)化所致；且2015年10月18日樞紐區(qū)溢洪洞進(jìn)口崩塌同樣為下伏軟弱的上巧家組上段炭質(zhì)頁(yè)巖受力壓縮，產(chǎn)生塑流拉裂型崩塌；考慮到王家坡震裂山體的中上部同樣發(fā)育梁山組軟弱層，并且強(qiáng)變形區(qū)(Ⅰ區(qū))除走向北東緩傾北西的層面外，主要發(fā)育北東向、北西向的兩組陡傾結(jié)構(gòu)面，因此推斷，王家坡震裂山體強(qiáng)變形區(qū)(Ⅰ區(qū))極有可能與上訴三者為近似的失穩(wěn)破壞模式：震裂-塑流-拉裂破壞，即以地表寬深裂縫為后緣，梁山組軟弱層發(fā)生受力壓縮、塑流變形后，斜坡整體沿梁山組剪出。

(2)震裂-蠕滑-拉裂破壞

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，震裂山體強(qiáng)變形區(qū)(Ⅰ區(qū))有包谷垴-小河斷裂帶經(jīng)過(guò)，斷層影響帶內(nèi)的全-強(qiáng)風(fēng)化層巖體格外破碎，節(jié)理裂隙非常發(fā)育，溶蝕跡象明顯，地表破裂帶特別發(fā)育。強(qiáng)變形區(qū)(Ⅰ區(qū))主要受到走向N40°W～N50°W和走向N55°E～N65°E兩組地表破裂控制，其延伸長(zhǎng)度長(zhǎng)，貫入深度深，特別是強(qiáng)變形區(qū)左側(cè)邊界處、右側(cè)邊界處及后緣邊界處地表破裂的變形跡象尤為明顯，這為斜坡的進(jìn)一步變形破壞提供了有利條件。結(jié)合以上情況分析，王家坡震裂山體潛在失穩(wěn)破壞模式可能為：震裂-蠕滑-拉裂破壞，即以坡表寬深裂縫為后緣及左右邊界，強(qiáng)變形區(qū)(Ⅰ區(qū))全-強(qiáng)風(fēng)化層經(jīng)蠕滑變形作用，沿強(qiáng)風(fēng)化層底部界限剪出。斜坡潛在破壞地質(zhì)模型見(jiàn)圖3。

圖3 斜坡潛在破壞地質(zhì)模型Fig.3 The geological mode for potential sliding way of the slope

2 計(jì)算參數(shù)選取

2.1 全-強(qiáng)風(fēng)化層物理力學(xué)參數(shù)

為確定全-強(qiáng)風(fēng)化層巖土體物理力學(xué)參數(shù)，需確認(rèn)坡體全-強(qiáng)分化層物質(zhì)組成，故將鉆孔ZK122深度30～40 m碎粉巖、鉆孔ZK124深度30～40 m碎粒巖、鉆孔ZK124深度91.64～106.96 m灰色-灰白色碎粉巖、鉆孔ZK124鉆孔130 m疑似梁山組物質(zhì)分別進(jìn)行非定向薄片鑒定。通過(guò)薄片分析可知，震裂山體上部的全-強(qiáng)風(fēng)化層物質(zhì)組成與下部微-新風(fēng)化巖體基本一致，由此推斷出坡體上部全-強(qiáng)風(fēng)化巖體為本地灰?guī)r經(jīng)強(qiáng)烈風(fēng)化溶蝕而成，并非外來(lái)堆積物。采用蠟封法對(duì)鉆孔中提取的全強(qiáng)風(fēng)化巖體測(cè)定天然容重，并對(duì)其進(jìn)行重塑后，利用碎石土快速剪切等試驗(yàn)測(cè)量其物理力學(xué)強(qiáng)度，參數(shù)取值見(jiàn)表1。

2.2 梁山組軟弱層物理力學(xué)參數(shù)

利用MTS巖石伺服試驗(yàn)機(jī)對(duì)野外采集的強(qiáng)變形區(qū)(Ⅰ區(qū))斷層影響帶二疊系棲霞茅口組灰?guī)r及二疊系梁山組巖體樣本進(jìn)行三向應(yīng)力狀態(tài)下壓縮試驗(yàn)，得到三軸應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線(xiàn)，測(cè)定巖石強(qiáng)度特性[18]。巖體物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)綜合取值

2.3 巖體力學(xué)參數(shù)綜合取值

根據(jù)國(guó)際規(guī)范建議值、類(lèi)似工程參數(shù)取值經(jīng)驗(yàn)、物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果及巖土體組成物質(zhì)等分析[22]，構(gòu)建王家坡震裂山體數(shù)值仿真模型的參數(shù)綜合取值見(jiàn)表1。

3 震裂山體三維模型建立

通過(guò)有限元軟件ANSYS建立震裂山體三維模型，將其前處理結(jié)果導(dǎo)入FLAC3D程序進(jìn)行后處理計(jì)算[23-30]，本文分析平面以Ⅳ-Ⅳ剖面為主，數(shù)值模型見(jiàn)圖4，地質(zhì)模型剖面見(jiàn)圖5。

圖5 王家坡地質(zhì)模型剖面圖Fig.5 Wangjiapo geology sketch profile

考慮到研究區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，本文建模過(guò)程中對(duì)地質(zhì)原型進(jìn)行簡(jiǎn)化：從地質(zhì)模型剖面圖5中可以看出，坡體0～8 m為覆蓋層，8～40 m為全強(qiáng)風(fēng)化層，該層巖體的強(qiáng)度主要受構(gòu)造、溶蝕及卸荷的影響，相對(duì)于其它地層強(qiáng)度較低，對(duì)王家坡震裂山體穩(wěn)定性影響較大。同時(shí)，包谷垴-小河斷裂穿過(guò)王家坡震裂山體強(qiáng)變形區(qū)(Ⅰ區(qū))，構(gòu)造強(qiáng)烈，影響范圍大，所以在建模過(guò)程中考慮斷層壁兩側(cè)產(chǎn)狀。全強(qiáng)風(fēng)化層之下的地層依次為：二疊系下統(tǒng)茅口組及棲霞組(P1m+q)、二疊系下統(tǒng)梁山組(P1l)、泥盆系中統(tǒng)曲靖組(D2q)、奧陶系中統(tǒng)上巧家組(O2q)、奧陶系下統(tǒng)下巧家組(O1q)、奧陶系下統(tǒng)紅石崖組(O1h)。

圖4 王家坡震裂山體三維數(shù)值模型Fig.4 The numerical simulation model of Wangjiapo seismic slope

結(jié)構(gòu)面選?。簲鄬佑绊憥?cè)壁及主要層位產(chǎn)狀：斷層影響帶東側(cè)壁產(chǎn)狀為N33°W/NE∠80°，西側(cè)壁產(chǎn)狀為N40°W/NE∠70°，斷層影響帶以東的巖層產(chǎn)層為NS/W∠40°，斷層影響帶以西的巖層產(chǎn)狀為N36°S/NW∠20°。

離散模型：利用Surfer軟件處理震裂山體高程數(shù)據(jù)，并在有限元軟件ANSYS中生成斜坡幾何模型及構(gòu)造界面，網(wǎng)格劃分后保存單元和節(jié)點(diǎn)信息，通過(guò)自定義接口導(dǎo)入為FLAC3D軟件生成三維地質(zhì)計(jì)算模型。整個(gè)模型由四面體網(wǎng)格單元組成，為保障計(jì)算精度，同時(shí)減少畸形單元的數(shù)量，故采用Smart Size 方式劃分網(wǎng)格，共產(chǎn)生44 820個(gè)節(jié)點(diǎn)，187 851個(gè)單元，模型的網(wǎng)格精度已達(dá)到計(jì)算要求。

本構(gòu)模型：采用理想彈塑性巖體材料，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，即：

(1)

ft=σ3-σt

(2)

Nφ=(1+sinφ)/(1-sinφ)

(3)

式中：σ1——最大主應(yīng)力；

σ3——最小主應(yīng)力；

C——巖土體粘聚力；

φ——巖土體內(nèi)摩擦角；

σt——材料的抗拉強(qiáng)度。

當(dāng)fs=0時(shí)，材料將發(fā)生剪切破壞；當(dāng)ft=0時(shí)，材料將發(fā)生拉伸破壞。

在FLAC3D軟件計(jì)算過(guò)程中，巖體變形參數(shù)采用的是體積模量(K)和剪切模量(G)，因此，必須將試驗(yàn)所得巖體彈性模量(E)和泊松比(γ)轉(zhuǎn)化為體積模量和剪切模量，可通過(guò)下式進(jìn)行換算：

(4)

(5)

式中：E——彈性模量；

γ——泊松比。

邊界條件：邊坡坡面設(shè)為自由邊界，模型底部(Z=910 m)采用固定約束邊界，模型四周設(shè)為單向邊界。由于邊坡坡面構(gòu)造應(yīng)力已基本釋放，因此在初始條件中不考慮構(gòu)造應(yīng)力，僅設(shè)置模型自重應(yīng)力及高程910～2 080 m內(nèi)由坡體自重應(yīng)力產(chǎn)生的水平側(cè)壓力所構(gòu)成的初始應(yīng)力場(chǎng)[31]。

阻尼設(shè)置：本模型采用瑞雷阻尼，瑞雷阻尼可有效抑制結(jié)構(gòu)分析和彈性體系分析中系統(tǒng)自振作用，本文選取其中間頻率fmid為0.4 Hz計(jì)算，瑞雷阻尼計(jì)算公式通常表示為：

C=aM+bK

(6)

式中：a——質(zhì)量阻尼常數(shù)；

b——?jiǎng)偠茸枘岢?shù)；

M——質(zhì)量矩陣；

K——?jiǎng)偠染仃嚒?/p>

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

魯?shù)榈貐^(qū)地震頻發(fā)，對(duì)工程運(yùn)營(yíng)威脅巨大，同時(shí)該雨季降水強(qiáng)度較大，降水時(shí)段集中，年降水量約1 100 mm，地震荷載和降水作用是該區(qū)域坡體穩(wěn)定性的重要影響因素之一，故將強(qiáng)震工況和暴雨工況分別設(shè)定為分析坡體應(yīng)力應(yīng)變特征的主要工況，并與天然狀態(tài)下進(jìn)行對(duì)比。本文計(jì)算選取地震波水平及縱向加速度時(shí)程曲線(xiàn)分別見(jiàn)圖6、圖7。計(jì)算結(jié)果如下：

圖6 地震水平向波加速度時(shí)程曲線(xiàn)Fig.6 History curve of seismic wave acceleration in horizontal direction

圖7 地震豎向波加速度時(shí)程曲線(xiàn)Fig.7 History curve of seismic wave acceleration in vertical direction

圖8 山體位移云圖Fig.8 Simulated results showing displacement under normal state

4.1 位移場(chǎng)分布

圖8為天然、暴雨、地震工況下斜坡位移分布等值線(xiàn)圖。由圖8可見(jiàn)，天然及暴雨?duì)顟B(tài)下，最大位移均出現(xiàn)在斷層影響帶中的全強(qiáng)風(fēng)化層表部：天然狀態(tài)下，全強(qiáng)風(fēng)化層表部最大位移為0.06 m，位移量向坡體深部逐漸減小，全強(qiáng)風(fēng)化層底邊界位移量?jī)H為0.01 m；暴雨工況下，坡體發(fā)生位移變形范圍有所擴(kuò)大，全強(qiáng)風(fēng)化層位移量明顯增大，最大位移量可達(dá)0.28 m，但全強(qiáng)風(fēng)化層底邊界附近位移量已減少至0.08 m；兩種情況下，坡體基巖均未發(fā)生明顯位移。在耦合地震波荷載作用下，坡體上部全強(qiáng)風(fēng)化層發(fā)生較大變形，尤其是斷層影響帶中全強(qiáng)風(fēng)化層坡表以下0～30 m部分的最大位移達(dá)到0.64 m；由于斷層影響帶中巖體力學(xué)強(qiáng)度與基巖相比較低，在強(qiáng)震作用下斷層影響帶內(nèi)位移變形量較天然及暴雨工況下有所增加，且呈現(xiàn)出向斷層深部延伸的特征；坡體微風(fēng)化基巖的位移增長(zhǎng)數(shù)量級(jí)為0.001 m，幾乎沒(méi)有增長(zhǎng)，可以認(rèn)為這是因?yàn)閿鄬佑绊憥А⑷珡?qiáng)風(fēng)化風(fēng)的存在，豎向波和水平向波及其地質(zhì)界面的反射波之間發(fā)生干涉，使豎向波和水平向波振幅均減小，同時(shí)由于微風(fēng)化基巖的力學(xué)強(qiáng)度較高，故受到的巖體損傷較小。

為更加精確表達(dá)強(qiáng)震荷載下全強(qiáng)風(fēng)化層動(dòng)力響應(yīng)情況，在全強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)部、全強(qiáng)風(fēng)化層底界面及全強(qiáng)風(fēng)化層下方的微風(fēng)化基巖內(nèi)部共布置7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置見(jiàn)圖9，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖10。

圖9 三維模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖Fig.9 Deformation monitoring arrangement plan

圖10 三維模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移模擬曲線(xiàn)Fig.10 Simulated curves of monitoring points

結(jié)果表明：

(1)位于全強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)2位移變化大于其余各點(diǎn)，最大位移分別為0.61 m和0.64 m，全強(qiáng)風(fēng)化層變形大于斜坡其余部分，且全強(qiáng)風(fēng)化層前端變形量大于后端；

(2)布設(shè)于全強(qiáng)風(fēng)化層底界面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、4、5的最大位移量分別為0.51 m、0.53 m、0.50 m，遠(yuǎn)小于全強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)部位移量，其中，底邊界右側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)4變形量大于左側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)5，說(shuō)明全強(qiáng)風(fēng)化層右側(cè)變形較左側(cè)大，且變形發(fā)展更快；

(3)位于全強(qiáng)風(fēng)化層下部即斷層影響帶棲霞茅口組微風(fēng)化灰?guī)r中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)6和監(jiān)測(cè)點(diǎn)7的最大位移量十分相近，為0.02 m左右，遠(yuǎn)小于全強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)部各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變形量，由此反映出在強(qiáng)震作用下，斜坡基巖整體未發(fā)生明顯變形，其臨空面的巖體變形量略大于坡體內(nèi)部巖體。

4.2 應(yīng)力特征分析

圖11 天然及暴雨工況下最大最小主應(yīng)力云圖Fig.11 Simulated results showing main stress

圖11為天然工況、暴雨工況、地震工況下王家坡最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力分布云圖?？梢钥闯?，天然狀態(tài)下，斷層影響帶全強(qiáng)風(fēng)化層前端坡表部分及梁山組軟弱層坡表處出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中，但未向坡體深部延伸，最大拉應(yīng)力為0.411 MPa。暴雨工況下，應(yīng)力集中區(qū)范圍有所擴(kuò)大，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在梁山組軟弱層內(nèi)部，達(dá)0.552 MPa。在天然工況基礎(chǔ)上施加耦合地震波作用后，坡體應(yīng)力發(fā)生重分布，全強(qiáng)風(fēng)化層大部分區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力達(dá)1.9 MPa，已超過(guò)全強(qiáng)風(fēng)化巖體力學(xué)強(qiáng)度；梁山組軟弱層內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)較天然工況有所擴(kuò)展，最大拉應(yīng)力達(dá)1.05 MPa，但應(yīng)力集中區(qū)未與坡體上部貫通；坡體上部淺表層局部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。由此表明該震裂山體在天然工況及暴雨工況下整體穩(wěn)定性均較好，全強(qiáng)風(fēng)化層前端淺表層具有發(fā)生局部溜滑的可能性；在強(qiáng)震工況下，坡體全強(qiáng)風(fēng)化層上部0～30 m部分發(fā)生失穩(wěn)的可能性極大，梁山組軟弱層臨空面巖體承受拉剪破壞，但上部坡體沿梁山組軟弱層整體剪出的可能性極小。

4.3 剪應(yīng)變?cè)隽糠治?/h3>

圖12 三種工況下最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig.12 Simulated results showing shear strain increment

圖13 地震工況下三維模型剪應(yīng)變?cè)隽縁ig.13 Simulated models showing shear strain increment under seismic state

通過(guò)最大剪應(yīng)變?cè)隽靠芍庇^(guān)的判斷斜坡體薄弱部位，即最易失穩(wěn)部位。圖12～圖13為各種工況下斜坡剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D，從圖中可以看出：天然工況下坡體剪應(yīng)變?cè)隽績(jī)H在全強(qiáng)風(fēng)化層表層部分有所展現(xiàn)，且增量較?。辉诒┯旯r和強(qiáng)震工況下，坡體最大剪應(yīng)變?cè)隽烤性谌珡?qiáng)風(fēng)化層及梁山組軟弱層表層部位，剪應(yīng)變?cè)隽考袇^(qū)域呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢(shì)；拉伸塑性區(qū)主要集中在全強(qiáng)風(fēng)化層后緣，剪切塑性區(qū)主要位于全強(qiáng)風(fēng)化層前緣及梁山組軟弱層臨空面附近；坡體中部及下部的微風(fēng)化基巖部分的剪應(yīng)變?cè)隽靠珊雎圆挥?jì)。由此說(shuō)明，通過(guò)觀(guān)察天然、暴雨、強(qiáng)震工況下坡體的最大剪應(yīng)變?cè)隽糠植记闆r可以得知，在天然工況下，王家坡震裂山體整體穩(wěn)定性良好，山體上部的全強(qiáng)風(fēng)化層基本穩(wěn)定；暴雨工況下，該震裂山體整體穩(wěn)定性良好，全強(qiáng)風(fēng)化層淺表局部存在失穩(wěn)性較差；地震工況下，山體整體穩(wěn)定性較好，全強(qiáng)風(fēng)化層存在局部失穩(wěn)的可能性，坡體中部梁山組軟弱層臨空部位穩(wěn)定性較差，但坡體上部沿梁山組軟弱層整體剪出的可能性極小。本文分析震裂山體應(yīng)力分布、應(yīng)變?cè)隽俊⑽灰茣r(shí)程變化的分析結(jié)果與坡表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。

5 結(jié)論

本文通過(guò)FLAC3D對(duì)魯?shù)榧t石巖水電站王家坡震裂山體進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算，研究山體在不同工況下的穩(wěn)定性問(wèn)題，得到以下結(jié)論：

(1)通過(guò)地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬分析可知，坡體變形的主要控制性因素為坡表全強(qiáng)風(fēng)化層及坡體中部梁山組軟弱地層的穩(wěn)定性情況。其中，全強(qiáng)風(fēng)化層分布在坡表至40 m深度范圍左右，基巖以巨厚層灰?guī)r為主，由于包谷垴-小河斷裂影響，并受喀斯特效應(yīng)疊加作用，導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)十分破碎，地表裂縫非常發(fā)育；梁山組地層位于坡體中部，泥質(zhì)含量較高，物理力學(xué)性質(zhì)較差，巖體軟弱，易成為坡體整體失穩(wěn)的下伏潛在滑動(dòng)面。

(2)根據(jù)斜坡不同的失穩(wěn)機(jī)制及可能的剪出口位置，將其潛在破壞模式分為以下兩種：震裂-塑流-拉裂破壞，即以地表寬深裂縫為后緣，梁山組軟弱層發(fā)生受力壓縮、塑流變形后，斜坡整體沿梁山組剪出；震裂-蠕滑-拉裂破壞，即以坡表寬深裂縫為后緣及左右邊界，強(qiáng)變形區(qū)(Ⅰ區(qū))全-強(qiáng)風(fēng)化層經(jīng)蠕滑變形作用，沿強(qiáng)風(fēng)化層底部界限剪出。

(3)整體穩(wěn)定性方面：天然、暴雨、及強(qiáng)震工況下，王家坡震裂山體整體穩(wěn)定性均較好，坡體上部沿坡體中部梁山組軟弱巖層整體剪出的可能性較??；局部穩(wěn)定性方面：天然狀態(tài)下，坡體局部穩(wěn)定性較好，但是，在暴雨、強(qiáng)震等極端工況下，坡體最大位移及剪應(yīng)變?cè)隽烤性谌珡?qiáng)風(fēng)化層上部0～30 m處，坡體上部全強(qiáng)風(fēng)化層發(fā)生坡表局部失穩(wěn)的可能性較大。

(4)根據(jù)山體三維模型及二維剖面的位移變形、應(yīng)力分布、最大剪應(yīng)變分析結(jié)果，確定王家坡不穩(wěn)定斜坡整體最大變形方向?yàn)镹7°W，該計(jì)算結(jié)果與野外現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合。

(5)動(dòng)力穩(wěn)定性分析結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較吻合，可為紅石巖水電庫(kù)區(qū)建設(shè)及王家坡震裂山體邊坡治理提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐錫偉，程佳，許沖，等. 青藏高原塊體運(yùn)動(dòng)模型與地震活動(dòng)主體地區(qū)討論：魯?shù)楹途肮鹊卣鸬膯⑹綶J]. 地震地質(zhì)，2014，36(4): 1116-1134.

XU Xiwei, CHENG Jia, XU Cong, et al. Discussion on block kinematic model and future themed areas for earthquake occurrence in the tibetan plateau: inspiration from the ludian and jinggu earthquakes[J]. Seismology and Geology, 2014, 36(4): 1116-1134.

[2] 周慶，吳果. 魯?shù)?.5級(jí)地震崩滑地質(zhì)災(zāi)害分布與成因探討[J]. 地震地質(zhì)，2015，37(1)：269-278.

ZHOU Qing, WU Guo. Seismic landslides and seismogenic structure of the 2014 ludian ms6.5 earthquake[J]. Seismology and Geology, 2015, 37(1): 269-278.

[3] 許沖，徐錫偉，沈玲玲，等. 2014 年魯?shù)镸S 6.5地震觸發(fā)滑坡編錄及其對(duì)一些地震參數(shù)的指示[J]. 地震地質(zhì)，2014，36(4)：1186-1230.

XU Chong, XU Xiwei, SHEN Lingling, et al. Inventory of landslides triggered by the 2014 Ms6.5 ludian earthquake and its implications on several earthquake parameters[J]. Seismology and Geology, 2014, 36(4): 1186-1230.

[4] ZHAO Lianheng, CHENG Xiao, ZHANG Yingbin, et al. Stability analysis of seismic slopes with cracks[J]. Computers and Geotechnics, 2016,77:77-90.

[5] M Khosravizadeh, M Dehestani, F Kalantary. On the seismic stability and critical slip surface of reinforced slopes[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2016,85:179-190.

[6] A Johari, A R Khodaparast. Analytical stochastic analysis of seismic stability of infinite slope[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engi, 2015, 79: 17-21.

[7] Masahiro Shinoda. Seismic stability and displacement analyses of earth slopes using non-circular slip surface[J]. Soils and Foundations, 2015, 55(2): 227-241.

[8] Newmark N M.Effects of earthquakes on dams and embankments[J].Geotechnique, 1965,15(2):139-160.

[9] 鄭穎人，葉海林，黃潤(rùn)秋. 地震邊坡破壞機(jī)制及其破裂面的分析探討[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(8)：1714-1723.

ZHENG Yingren, YE Hailin, HUANG Runqiu. Analysis and discussion of failure mechanism and fracture surface of slope under earthquake[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(8): 1714-1723.

[10] 黃潤(rùn)秋. 汶川8.0 級(jí)地震觸發(fā)崩滑災(zāi)害機(jī)制及其地質(zhì)力學(xué)模式[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(6)：1239-1249.

HUANG Runqiu. Mechanism and geomechanical modes of landslide hazards triggered by wenchuan 8.0 earthquake[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(6): 1239-1249.

[11] 胡新麗，唐輝明，李長(zhǎng)冬，等. 基于參數(shù)反演的保扎滑坡變形破壞機(jī)理研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2011，19(6)：795-801.

HU Xinli, TANG Huiming, LI Changdong, et al. Deformation mechanism of baozha landslide with parametric back analysis[J]. Journal of Engineering Geology, 2011, 19(6): 795-801.

[12] Mohammad Reza Arvin, Faradjollah Askari, Orang Farzaneh. Seismic behavior of slopes by lower bound dynamic shakedown theory[J]. Computers and Geotechnics, 2012,39:107-115.

[13] GUO Mingwei, GE Xiurun, WANG Shuilin. Slope stability analysis under seismic load by vector sum analysis method[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2011,3(3):282-288.

[14] 閆長(zhǎng)斌，徐國(guó)元，李夕兵. 爆破震動(dòng)對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性影響的FLAC3D分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(16)：2894-2899.

YAN Changbin，XU Guoyuan，LI Xibing. Stability analysis of mined-out areas influenced by blasting vibration with FLAC3D[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005，24(16)：2894-2899.

[15] 陳新澤，唐輝明，楊有成，等. 基于FLAC3D強(qiáng)度折減法滑坡三維穩(wěn)定性研究—以三峽庫(kù)區(qū)白果樹(shù)古滑坡群為例[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2008，35(2)：24-29.

CHEN Xinze, TANG Huiming, YANG Youcheng, et al. 3D analysis of landslide stability based on strength reduction FLAC3D: taking Baiguoshu paleo-landslide group in the Three Gorges Reservoir area as example[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2008,35(2): 24-29.

[16] 夏敏，任光明，郭亞莎，等. 地震誘發(fā)滑坡復(fù)活機(jī)制的FLAC3D數(shù)值模擬分析[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010，18(3)：305-311.

XIA Min, REN Guangming, GUO Yasha, et al. FLAC3Dnumerical simulation of recurrence mechanism of landslide under earthquake loading[J].Journal of Engineering Geology, 2010, 18(3): 305-311.

[17] 楊世相，劉振波，倪亮. 鹽津變電所滑坡工程治理及FLAC3D數(shù)值模擬分析[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工程版)，2007，40(S)：577-582.

YANG Shixiang, LIU Zhenbo, NI Liang. FLAC3Dnumerical modeling and treatment measures of Yanjin Substation landslide[J]. Engineering Journal of Wuhan University, 2007, 40(S): 577-582.

[18] 朱道建，趙艷鵬，商金華，等. 長(zhǎng)興島工作井基坑變形及穩(wěn)定性分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(S1)：100-104.

ZHU Daojian, ZHAO Yanpeng, SHANG Jinhua, et al. Deformation and stability analysis of foundation pit on Changxing Island[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2008, 30(S1): 100-104.

[19] 程佳，劉杰，徐錫偉，等. 大涼山次級(jí)塊體內(nèi)強(qiáng)震發(fā)生的構(gòu)造特征與2014年魯?shù)?.5級(jí)地震對(duì)周邊斷層的影響[J]. 地震地質(zhì)，2014，36(4)：1228-1243.

CHENG Jia, LIU Jie, XU Xiwei, et al. Tectonic characteristics of strong earthquakes in daliangshan sub-block and impact of the ms 6.5 ludian earthquake in 2014 on the surrounding faults[J]. Seismology and Geology, 2014, 36(4):1228-1243.

[20] 言志信，高樂(lè)，彭寧波，等. 順層巖質(zhì)邊坡地震動(dòng)力響應(yīng)研究[J]. 巖土力學(xué)，2012，33(S2)：85-90.

YAN Zhixin, GAO Le, PENG Ningbo, et al. Study of dynamic response of bedding rock slope under earthquakes[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012, 33(S2): 85-90.

[21] 祁生文，伍法權(quán)，孫進(jìn)忠. 邊坡動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律研究[J]. 中國(guó)科學(xué)，2003，33(S)：28-40.

QI Shengwen, WU Faquan, SUN Jinzhong. Study on dynamic response of slope[J]. Chinese Science, 2003, 33(S): 28-40.

[22] R. Baker, R. Shukha, V. Operstein, S. Frydman. Stability charts for pseudo-static slope stability analysis[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2006,26(9): 813-823.

[23] 羅璟，裴向軍，黃潤(rùn)秋，等. 強(qiáng)震作用下滑坡巖體震裂損傷程度影響因素研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2015，37(6)：1105-1114.

LUO Jing, PEI Xiangjun, HUANG Runqiu, et al. Influencing factors for damage degree of shattered landslide rock mass under high seismic action[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37(6): 1105-1114.

[24] 夏棟舟,劉建華,何忠明. 強(qiáng)震作用下巖質(zhì)高邊坡動(dòng)力特性[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2012, 43(6): 2396-2402.

XIA Dongzhou, LIU Jianhua, HE Zhongming. Dynamic behaviors of high rock slope under strong earthquake[J]. Journal of Central South University (Science &Technology), 2012, 43(6): 2396-2402.

[25] Jong Hoo Lee, Jae Kwang Ahn, Duhee Park. Prediction of seismic displacement of dry mountain slopes composed of a soft thin uniform layer[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2015,79:5-16.

[26] Yaqun Liu, Haibo Li, Keqiang Xiao, et al. Seismic stability analysis of a layered rock slope[J]. Computers and Geotechnics, 2014,55: 474-481.

[27] 陳建宏，張濤，曾向農(nóng)，等. 尾礦壩邊坡穩(wěn)定性仿真建模與安全分析[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008, 39(4): 635-640.

CHEN Jianhong, ZHANG Tao, ZENG Xiangnong, et al. Slope stability simulation modeling and safety analysis of tailings dam[J]. J. Cent. South Univ. (Science and Technology), 2008, 39(4): 635-640.

[28] 陳曉利，李楊，洪啟宇，等. 地震作用下邊坡動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值模擬研究[J]. 巖石學(xué)報(bào)，2011，27(6)：1889-1908.

CHEN Xiaoli，LI Yang，HONG Qiyu, et al. Numerical simulation of earthquake effects on rock slope[J]. Acta Petrologica Sinica, 2011, 27(6): 1889-1908.

[29] 湯羅圣，殷坤龍，周麗，等. 基于數(shù)值模擬與位移監(jiān)測(cè)的滑坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)反演分析研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2012，39(4)：32-37.

TANG Luosheng, YIN Kunlong, ZHOU Li, et al. A study of landslide shear strength parameters by inversion analysis based on numerical simulation and monitoring displacement[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 2012, 39(4): 32-37.

[30] 楊志強(qiáng)，高謙，翟淑花，等. 復(fù)雜工程地質(zhì)體地應(yīng)力場(chǎng)智能反演[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，48(4)：154-160.

YANG Zhiqiang, GAO Qian, ZHAI Shuhua, et al. Intelligent inversion method of in-situ stress field for a complicated engineering geological body[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2016, 48(4): 154-160.