漢中市寧強縣鳳凰街滑坡運動特征及沖擊強度的數(shù)值研究

陳 興，魏江波，趙 洲

(西安科技大學地質與環(huán)境學院，西安 710054)

0 引言

斜坡受各種自然和人為因素的作用會發(fā)生多種形式的變形和破壞，其中滑坡是普遍的破壞方式，滑坡會給工程建筑和生命安全造成難以避免的巨大損失[1]。因此，滑坡風險定量預測研究對滑坡災害防災減災具有重要的理論和實際意義。

隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，數(shù)值方法已成為模擬和分析滑坡致災過程的重要研究途徑，研究人員基于不同理論與本構模型開發(fā)了可用于模擬滑坡變形、失穩(wěn)破壞、運動、堆積等過程的數(shù)值方法，常見的有限元法[2]、離散元法[3]、拉格朗日法[4]、物質點法[5]及光滑粒子流體動力學法[6]等。其中，離散元法(如顆粒流離散元法)不僅適用于模擬大變形、大位移和裂隙擴展等現(xiàn)象，更是模擬真實材料力學響應特性的有力工具，因此非常適用于滑坡失穩(wěn)后的運動模擬[7-10]。

隨著無人機(UAV)技術的日趨成熟，大范圍高精度數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)的構建及其在滑坡三維數(shù)值模型研究中應用越來越廣泛，而基于高精度DEM的滑坡沖擊強度模擬和應用研究較少。為此，本文基于PFC3D數(shù)值方法，結合現(xiàn)場調查，建立真實滑坡三維數(shù)值模型，對鳳凰山滑坡失穩(wěn)后運動進行動態(tài)模擬，預測分析滑坡失穩(wěn)后的運動特征及沖擊強度。

1 滑坡概況

鳳凰街滑坡位于陜西省漢中市寧強縣廣坪鎮(zhèn)，北靠鳳凰山，西臨廣坪河，東側及南側為曹家溝?；麦w主要為粉質黏土，含少量礫石?；旅婧蠖盖熬?，坡向165°，南北長約150m，東西長約380m，最大厚度約10m，體積約為1.2×105m3，屬中型堆積層滑坡。

2 滑坡三維模型構建

2.1 滑體細觀參數(shù)的確定

PFC模型中的參數(shù)包括顆粒的細觀強度和顆粒間的接觸，如：法向剛度、剪切剛度、黏結強度等，這些細觀參數(shù)可用來表征滑坡土體的宏觀力學性質，因此，需要對這些參數(shù)進行標定。本次三軸數(shù)值試驗模型由2986個顆粒、兩個壓縮板和一個圓柱墻面構成，模型采用線性接觸和平行黏結方式，并通過程序伺服控制對剛性面施加軸壓及圍壓(圖1a)。三軸數(shù)值試驗參考趙洲等人[3]所設定的細觀參數(shù)值，通過參數(shù)調整及大量試算，最終選擇符合滑坡土體宏觀力學特征的那一套細觀參數(shù)，判定依據(jù)為測定的偏應力-應變曲線與室內三軸試驗曲線相一致(圖1b)。

根據(jù)不同圍壓下(100、200、300、400kPa)偏應力-應變曲線繪制了莫爾應力圓和莫爾-庫侖強度包絡線(圖1c)，得到飽水工況下滑體土的內摩擦角(14.2°)和內聚力(21.5kPa)。數(shù)值模擬三軸試驗模型的細觀參數(shù)如表1所示。

圖1 三軸試驗及參數(shù)標定

表1 滑坡模型細觀參數(shù)取值

2.2 滑坡模型的構建

以研究區(qū)DEM為基礎數(shù)據(jù)，借助CAD、Arcgis、Surfer、Rhinoceros等數(shù)據(jù)處理軟件和PFC3D建模軟件構建滑坡三維數(shù)值模型。通過滑前地表與滑坡勘察剖面獲取的滑床地表進行空間作差生成滑體模型，在其內部生成剛性球體顆粒，并賦予表1顆粒模型細觀強度參數(shù)。建模步驟及建成模型如圖2、圖3所示。為進一步分析滑坡各部位的運動特征，在滑體的前中后不同位置處設置了監(jiān)測點顆粒(圖3)。

圖2 模型制作流程

圖3 滑坡三維模型

3 滑動過程模擬及結果分析

3.1 運動過程模擬

通過對滑坡失穩(wěn)-運動-堆積的全程模擬，如圖4所示，可知滑坡主滑時間約30s。在運動初期，滑坡體后緣在自重作用下先發(fā)生破壞，前緣鎖固段未出現(xiàn)明顯位移(圖 4(a))。失穩(wěn)后約5s時，隨著滑坡中后部土體向前推擠作用滑體左側、中側前緣剪出口土體產(chǎn)生位移，而右側由于前緣滑面角度平緩且土體堆積較厚，運動響應相對較晚(圖 4(b))?；掳l(fā)生5s后，滑動面整體貫通，滑體中前部土體運動速度增大，后部土體速度減小，此過程呈出“后推前”的運動特征，屬典型的推移式滑坡(圖4(a-c))。在滑動10s 后由于前緣地表的摩擦阻礙，大部分滑體開始做減速運動，逐步堆積于斜坡坡腳(圖 4(d-f))。

圖4 滑坡運動過程速度云圖

3.2 滑坡速度位移

為研究滑坡體各部位的運動特征，如圖3所示，模擬選取了滑體后緣、中部和前緣各位置處的特征顆粒進行實時監(jiān)測。根據(jù)數(shù)值計算結果(圖 5)，滑坡后緣速度峰值為4.2～5.3m/s，位移為41～52m；中段速度峰值為2.6～3.7m/s，位移為27～52m；前緣速度峰值為 1.7～3.6m/s，位移為16～34m。模擬結果顯示滑坡體前緣速度峰值較遲于后緣速度峰值，且滑坡前緣速度達到峰值與相對停止運動時間均較晚于后緣，該過程表現(xiàn)為前緣運動的滯后性。此外，監(jiān)測點6和9速度位移均較小(圖5(c-f))，原因為右側中前部滑面較緩，滑體較厚，進而運動較慢。在滑坡相對靜止階段，部分土體仍存在較小的運動速度。

圖5 不同滑坡監(jiān)測點速度位移曲線

通過自編 FISH 函數(shù)對滑坡體整體運動的速度及位移進行實時監(jiān)測，由圖6可知，滑坡在前期屬于整體快速運動，勢能主要轉換為動能，所以速度快速增大，速度峰值后由于土體之間碰撞、摩擦和沖擊更加嚴重，使得該部分作用耗能更多，進而導致峰后速度先快速減小、后緩慢減小的特征?；逻\動過程整體表現(xiàn)為 0～7.8s的加速運動階段和 7.8s之后的減速運動階段階段。采用文獻 10 中的Scheidegor法對滑坡速度進行理論計算，滑坡速度峰值為3.86m/s，與模擬結果3.30m/s較為接近，但由于理論計算并未充分考慮滑坡運動期間巖石塊體間的摩擦、碰撞及沖擊耗能，導致理論計算結果稍高于模擬結果。

圖6 滑坡平均速度位移曲線

3.3 滑坡能量

滑坡運動伴隨著能量的轉化。通過對滑坡運動過程中重力勢能、碰撞耗能、摩擦耗能和動能的監(jiān)測，得出了四種能量的轉化關系(圖 7)。在滑動約7.8s時，滑坡體整體脫離山體，滑動速度最大，動能最大為1.75×109J，此時重力勢能轉換為動能約占重力勢能減小量的 17.5%。隨后在坡面及坡腳的阻礙沖擊作用下，坡體破碎嚴重，顆粒間碰撞和摩擦作用不斷加強，之后滑坡動能逐漸減小，碰撞耗能和摩擦耗能逐漸增多，分別約占重力勢能減小量的 42%和 21%，其余能量主要為滑坡體運動過程中顆粒間線彈性相互作用的彈性勢能、顆粒間黏結斷裂耗能、阻尼耗能以及少量的動能。通過能量監(jiān)測曲線可知，動能占能量轉化的一小部分，重力勢能以碰撞、摩擦等其他形式耗散為主。

圖7 滑坡運動過程能量轉化

3.4 滑坡沖擊力

根據(jù)滑坡速度及位移曲線可知，左、中、右部滑坡體的運動特征存在差異，其后果可能會造成不同的沖擊強度。為此，本次模型試驗采用單位厚度的墻體代替構筑物，在滑坡前緣左中右側分別建立寬60m，高10m剛性墻(圖8)。在PFC程序中通過命令監(jiān)測坡腳擋墻上的水平?jīng)_擊力，其結果可為為房屋易損性分析提供一定參考。

圖8 滑坡沖擊力監(jiān)測模型

滑坡沖擊結果如圖9所示，造成了10m下的擋墻被掩埋?；聸_擊時程曲線如圖10所示，從圖10可以看出，土體對墻體的沖擊作用可分為三個階段。第一階段為自由下滑階段，此階段中，滑坡體局部發(fā)生變形破壞，并逐漸形成貫通滑動面，坡體前緣未接觸到剛性墻。第二階段為碰撞沖擊階段，隨著坡體速度的增大，滑坡對墻體的擠壓沖擊作用增加，沖擊力逐漸增至最大。第三個階段為相對靜止階段，滑坡體碰撞耗能及地面摩擦，坡體對擋墻的沖擊作用又逐漸開始減弱，動能消耗完后，滑坡體堆積在擋墻處，其數(shù)值保持恒定。

圖9 滑坡沖擊剛性墻

圖10 沖擊力監(jiān)測曲線

根據(jù)沖擊力監(jiān)測曲線可知(圖10)，剛性墻1、2、3上的最大水平?jīng)_擊力分別為7.6×107N(單位寬度下為1.27×106N)，5.1×107N(單位寬度下為8.5×105N)，2.8×107N(單位寬度下為4.67×105N)。然而，陜南滑坡區(qū)承災體在單位寬度所能承受極限荷載值僅為2.04×103N[11]，其值遠小于鳳凰街滑坡在單位寬度所造成的沖擊強度。因此，滑坡發(fā)生后，墻體因不能承受滑坡所帶來的沖擊而毀壞，將會造成嚴重后果，應對坡體進行加固處理。

4 結論

1)通過PFC3D三軸試驗的參數(shù)標定方法，獲取了滑坡巖土體的摩擦角、黏聚力等強度參數(shù)，并與室內三軸試驗結果進行了對比，其結果滿足模擬要求。

2)滑坡后緣最先發(fā)生變形破壞，并逐步在自重作用下推擠前方土體，待前緣鎖骨段貫通，滑坡整體下滑，此運動方式屬典型的推移式滑坡。

3)滑坡前緣的速度、位移及啟滑時間均較低于或晚于中后部，且在運動階段滑坡的重力勢能主要以摩擦、碰撞等形式損耗。

4)滑坡失穩(wěn)將對坡腳承載體造成毀壞，為防止山體滑坡對下部村落造成巨大危害，應對坡體進行加固處理。