地震誘發(fā)老滑坡堆積體復(fù)活機(jī)制研究及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

李金洋，郝彥鵬，佘 濤，熊德清

（1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都611734；2.河北建設(shè)勘察研究院有限公司,河北石家莊050031）

受“5·12”汶川地震影響，地震災(zāi)區(qū)斜坡的坡體產(chǎn)生規(guī)模不等的單體滑坡3000多處[1-2]，目前眾多學(xué)者對(duì)地震誘發(fā)大型巖質(zhì)滑坡的發(fā)育分布規(guī)律[3-5]、形成機(jī)理[6-8]等進(jìn)行了較詳細(xì)的研究，取得了豐富的成果。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研中，發(fā)現(xiàn)老滑坡堆積體在地震影響下，也發(fā)生了不同程度的變形破壞，而目前對(duì)地震導(dǎo)致古滑坡或老滑坡復(fù)活的特征以及機(jī)理研究的案例較少。因此，本文以北川縣筲箕窩滑坡為例，采用數(shù)值模擬的方式，研究了在地震作用下，老滑坡復(fù)活機(jī)理，并根據(jù)變形破壞特征對(duì)其在不同工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，該成果對(duì)豐富、完善地震誘發(fā)斜坡地質(zhì)災(zāi)害具有一定意義。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

滑坡區(qū)為侵蝕構(gòu)造中山，相對(duì)高差超過1000m，溝谷谷坡一般大于20°；滑坡區(qū)及其附近出露地層主要為志留系中上統(tǒng)茂縣群組第三亞組第一段基巖（S2-3mx3-1），出露基巖產(chǎn)狀330°∠46°～51°，發(fā)育2組結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)狀分別為235°∠77°、330°∠80°，前者間距0.5～2m，延伸較短，后者間距1～3m，延伸較長(zhǎng)，裂隙局部張開1～2cm。

構(gòu)造上處在龍門山后山褶皺帶，為大魚口倒轉(zhuǎn)復(fù)向斜的南西翼。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2001），滑坡區(qū)地震峰動(dòng)加速度為0.40g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.3s，地震基本烈度調(diào)整為Ⅹ度。

2 滑坡特征

2.1 老滑坡基本特征

筲箕窩滑坡位于老麂溝的右岸河流轉(zhuǎn)彎處，斜坡為順向坡，老滑坡平面上呈長(zhǎng)舌狀，主滑方向?yàn)?30°，高差約400m，長(zhǎng)1050m，寬260～320m，厚度為25m，滑坡整體體積為約8.17×107m3，為大型滑坡?；滦螒B(tài)呈陡—緩—陡狀，上、中、下部平均坡度分別為：28°、19°、23°。滑體由碎石土與似層狀塊碎石土組成，下部似層狀大塊石局部架空，為滑坡充分解體后產(chǎn)生。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，筲箕窩滑坡老滑坡為滑移—潰曲形成。

2.2 滑坡地震復(fù)活（變形破壞）特征

按照滑坡實(shí)際的地形及變形特征將筲箕窩滑坡分為3個(gè)復(fù)活體（圖1、圖2）。1#復(fù)活體位于老滑坡的后部，整體蠕滑，具明顯變形跡象，后部與中后部形成拉多處張裂縫與多級(jí)下錯(cuò)陡坎，中前部泉水出露。2#復(fù)活體位于滑坡右側(cè)的中前部，滑坡后部出現(xiàn)幾條裂縫，裂縫未圈閉，前部有輕微鼓脹現(xiàn)象；3#復(fù)活體位于老滑坡的左側(cè)的中前部，僅前緣局部有變形破裂跡象，整體處于蠕滑階段，變形跡象較弱。

3 地震導(dǎo)致滑坡復(fù)活機(jī)制的數(shù)值模擬分析

3.1 計(jì)算模型建立

根據(jù)實(shí)際邊界條件，建立滑坡計(jì)算模型空間形態(tài)特征。由于坡體物質(zhì)存在明顯的分層特征，表層碎塊石土及深部基巖物理力學(xué)性質(zhì)存在較大差異性，將計(jì)算模型材料分為基巖與碎石土2種材料，數(shù)值模擬中采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則[9]、選取物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值

初始狀態(tài)下，只考慮自重應(yīng)力場(chǎng)，不考慮構(gòu)造及初始位移場(chǎng)。計(jì)算模型四周設(shè)置法向約束，底部設(shè)置成固定約束邊界，滑坡表面設(shè)置成自由邊界。地震狀態(tài)下，模型周邊設(shè)置為自由邊界、底部設(shè)置為靜止邊界，以此減少模型邊界上波的反射。如前述，滑坡區(qū)烈度為Ⅹ度、地震加速度為0.4g，卓越周期取值為0.3s，采用合成加速度時(shí)程曲線作為地震荷載施加在模型的底部，并選取局部阻尼，阻尼系數(shù)取0.15。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

（1）初始剪應(yīng)變?cè)隽刻卣鞣治?。筲箕窩滑坡滑坡體為結(jié)構(gòu)較松散的第四系碎石土組成，滑床為基巖，兩者物理力學(xué)參數(shù)相差甚大，易在基覆界面處產(chǎn)生剪應(yīng)力集中，成為潛在的失穩(wěn)破壞位置。從初始狀態(tài)剪應(yīng)變?cè)隽科拭妫▓D3）可看出，坡體的剪切應(yīng)變集中帶沿覆滑體與基巖的接觸面分布，數(shù)值分析與理論分析相吻合。初始條件下剪切應(yīng)變高值區(qū)分布在滑坡的上下兩處，上部較下部應(yīng)變大，由此可知堆積體變形破壞的發(fā)展首先是從堆積體后緣開始。

圖3 初始狀態(tài)下剪應(yīng)變?cè)隽科拭嫣卣鲌D

（2）地震作用下剪應(yīng)變?cè)隽刻卣鞣治?。地震?duì)滑坡造成的影響主要集中在后部，前部斷續(xù)分布，與初始狀態(tài)相比，地震狀態(tài)下滑坡剪切應(yīng)變?cè)隽糠植紖^(qū)域相似，但在幅值與條帶范圍均有所擴(kuò)大，證明了地震加劇了斜坡變形，是滑坡復(fù)活的誘發(fā)因素；在坡體內(nèi)部剪切應(yīng)變?cè)隽考袔栽趲r土界面處，在后緣坡內(nèi)與地表連通，在后緣已經(jīng)出現(xiàn)貫通剪應(yīng)變，基巖內(nèi)部未出現(xiàn)剪應(yīng)變?cè)隽浚f明地震只對(duì)滑坡堆積體本身產(chǎn)生影響（圖4）。

圖4 地震作用下剪應(yīng)變?cè)隽科拭嫣卣鲌D

（3）地震作用下總位移特征分析。通過地震作用下的最大位移云圖（圖5）可以看出，數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的宏觀變形破裂現(xiàn)象基本吻合。地震作用下，最大位移主要集中在堆積體中后部，最大位移值0.4m，很好地解釋了地震波的高程放大效應(yīng)[10]；除后部出現(xiàn)的位移集中區(qū)外，在前部坡度較陡段及堆積體較厚段也出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，說明斜坡對(duì)地震波的響應(yīng)受地形的影響。

4 滑坡穩(wěn)定性分析

（1）計(jì)算方法及工況選取。基于極限平衡理論，選取圖1中的1-1′與2-2′剖面作為進(jìn)行條分剖面，對(duì)滑坡的整體與局部在不同工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。其中，降雨工況下選取飽水狀態(tài)的巖土體物理學(xué)參數(shù)，地震工況下同時(shí)考慮地震慣性力與重力。

圖5 地震作用下最大位移分布圖

穩(wěn)定性計(jì)算地震慣性力只考慮水平推力，水平地震慣性推力計(jì)算按下公式計(jì)算：

式中：Kh——地震加速度；

W——滑塊自重。

計(jì)算參數(shù)參照表1。

（2）計(jì)算結(jié)果分析。按上述計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)，采用不同方法對(duì)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合各復(fù)活區(qū)及整體在不同工況下的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T0218-2006）滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各潛在不穩(wěn)定體的穩(wěn)定性狀況進(jìn)行初步評(píng)價(jià)（表2）。

表2 滑坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

計(jì)算結(jié)果表明：滑坡整體在不同工況下處于基本穩(wěn)定—穩(wěn)定狀態(tài)，不存在發(fā)生整體失穩(wěn)破壞的可能；各復(fù)活體在暴雨工況下穩(wěn)定性最差，地震工況次之，天然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明降雨成為誘發(fā)地震復(fù)活體進(jìn)一步失穩(wěn)破壞的主要誘因。在暴雨工況下，1#復(fù)活體穩(wěn)定系數(shù)小于1，2#、3#復(fù)活體穩(wěn)定系數(shù)在1～1.05之間，故1#復(fù)活體穩(wěn)定性最差，暴雨作用下最有可能發(fā)生進(jìn)一步滑動(dòng)。

5 結(jié)論

通過本文的研究得出以下結(jié)論：

（1）“5.12”地震后，老滑坡發(fā)生局部復(fù)活，于后部、前部形成3個(gè)復(fù)活變形區(qū)，且后部1#復(fù)活體變形跡象最為明顯；

（2）地震加劇了斜坡變形，是滑坡復(fù)活的誘發(fā)因素，滑坡復(fù)活滑面為基覆接觸面，下伏基巖基本未發(fā)生變形位移，表明地震主要對(duì)堆積體產(chǎn)生影響，變形位移主要發(fā)生在坡體后部及前部堆積體較厚的陡坡處，很好地驗(yàn)證了地震波的高程放大效應(yīng)及地形效應(yīng)；

（3）經(jīng)過穩(wěn)定性計(jì)算，老滑坡不具備整體失穩(wěn)的可能，降雨工況下，各復(fù)活體穩(wěn)定性最低，以1#復(fù)活體穩(wěn)定性最差，表明降雨成為誘發(fā)地震復(fù)活體進(jìn)一步失穩(wěn)破壞的主要誘因。