地震條件下滑坡體應(yīng)力變形分析

姬永尚

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

在建水利樞紐工程位于新疆維吾爾自治區(qū)南疆山區(qū)，是一項(xiàng)具有生態(tài)、防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用任務(wù)的水利工程，是河流山區(qū)河段的控制性水利樞紐工程，屬大(Ⅱ)型Ⅱ等工程[1]。

在大壩下游距壩軸線直線距離約780 m處右岸岸坡中部分布一古滑坡。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件及樞紐區(qū)工程布置，滑坡區(qū)域沒有開挖擾動(dòng)，同時(shí)由于古滑坡體所處高程較高，泄洪霧化對(duì)其影響有限，且可通過(guò)工程措施進(jìn)行控制。因此，地震是可能造成該滑坡體變形的主要影響因素。本文采用有限差分軟件FLAC3D，通過(guò)直接時(shí)程法對(duì)地震條件下滑坡體應(yīng)力變形進(jìn)行分析。

1 區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性

滑坡所在區(qū)域處于SN向強(qiáng)烈擠壓的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境之中，場(chǎng)區(qū)在新構(gòu)造分區(qū)上位于兩個(gè)二級(jí)新構(gòu)造單元交匯的地區(qū)，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，發(fā)育多條深大斷裂，具備發(fā)生7級(jí)地震的構(gòu)造條件。近場(chǎng)區(qū)無(wú)區(qū)域性斷裂，對(duì)近場(chǎng)區(qū)影響較大的主要地震構(gòu)造是鐵克里克斷裂和柯崗斷裂，距離滑坡體最近分別為31和32 km。

近場(chǎng)區(qū)25 km范圍及其附近發(fā)生的地震均屬淺源地震，場(chǎng)地的地震危險(xiǎn)性主要是來(lái)自淺源地震的影響。近場(chǎng)區(qū)1970年以前未記錄到4.7級(jí)以上的地震，1970年以來(lái)共記錄M≥3.0地震60次，其中6.0～6.9級(jí)地震2次，5.0～5.9級(jí)地震1次，4.0～4.9級(jí)地震16次，3.0～3.9級(jí)地震41次。最大地震為1975年兩次6.1級(jí)地震，其中1975年6月4日和田南地震距離場(chǎng)區(qū)21 km左右，1975年4月28日和田東南地震距離場(chǎng)區(qū)38 km左右。

本區(qū)50年超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度為0.210 g，地震基本烈度為Ⅷ度，區(qū)域內(nèi)有記載的破壞性地震對(duì)場(chǎng)地的最大影響烈度為Ⅵ度。

2 滑坡基本特征

該古滑坡體分布高程2 090～2 410 m，地表面積約28.5×104m2，滑體最大厚度約108 m，平均厚度約45.7 m，體積約1 302×104m3，為特大型深層巖質(zhì)滑坡。滑坡軸線長(zhǎng)約550 m，前緣寬約610 m，中部寬約575 m，后緣寬約380 m，在平面展布上整體呈扁平的舌形，軸線方向相對(duì)較短，垂直軸線方向較寬[2](圖1)。

圖1 滑坡平面示意圖

該滑坡體邊界主要受構(gòu)造控制?；潞缶夁吔缰饕茼樅酉驍鄬觙16控制，后緣陡壁即為斷層面，產(chǎn)狀50°NW∠65°，破碎帶寬度0.1～0.5 m，帶內(nèi)主要為構(gòu)造角礫巖、糜棱巖等，碎裂結(jié)構(gòu)，充填密實(shí)；左側(cè)邊界的主要是f12和f15斷層控制。f12斷層產(chǎn)狀310°NE∠70°，斷層帶寬度0.4～0.6 m，帶內(nèi)主要為碎裂巖、糜棱巖及斷層泥，充填密實(shí)；f15斷層產(chǎn)狀325°NE∠70°，斷層帶寬度0.3～0.5 m，帶內(nèi)主要為擠壓片理、灰綠色的千糜巖、糜棱巖及斷層泥，碎裂結(jié)構(gòu)，充填密實(shí)；下游邊界為凹岸臨空面?；虑熬壖舫隹诟叱? 090 m左右，位于高階地(>Ⅵ級(jí))平臺(tái)后緣，清晰可見。

滑體從地表向滑面主要分4個(gè)層次，即①粉土層；②塊裂結(jié)構(gòu)的松動(dòng)巖體及大塊石；③完整、連續(xù)巖體；④滑坡角礫。其中，滑坡角礫層與滑帶土直接接觸，厚度1.6～22.5 m，平均10.4 m，母巖為二云母石英片巖，原巖結(jié)構(gòu)基本被破壞，層狀結(jié)構(gòu)不明顯，呈碎塊石狀，棱角狀，大小石塊與擠壓碎末、細(xì)?；祀s，結(jié)構(gòu)密實(shí)?；陆堑[層天然狀態(tài)下，濕密度為2.23～2.29 g/cm3，干密度為2.15～2.19 g/cm3，滲透系數(shù)4.6×10-4～2.5×10-3cm/s，飽和狀態(tài)下C值18.5～26.1 kPa，ψ值37.0°～38.5°。

滑面(帶)主要受兩組結(jié)構(gòu)面控制，即順層軟弱結(jié)構(gòu)面和NE走向陡傾結(jié)構(gòu)面。兩組結(jié)構(gòu)面組合形成以順層面為主的階梯形滑面形態(tài)(圖2)?；瑤梁穸纫话?.5 m左右，巖性為含礫低液限黏土夾黏土質(zhì)礫。深灰～灰綠色，以碎石、泥質(zhì)為主，擠壓緊密，弱膠結(jié)，人工開挖極為困難，多夾滑坡角礫及大塊石透鏡體。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，滑帶土天然狀態(tài)下濕密度為2.20～2.30 g/cm3，干密度為1.98～2.08 g/cm3，滲透系數(shù)0.2×10-6～5.2×10-6cm/s。天然狀態(tài)下C值25.8～58.3 kPa，平均為39.7 kPa，ψ值31.5°～34.0°，平均為32.8°；飽和狀態(tài)下C值21.5～52.6 kPa，平均為34.5 kPa，ψ值30.5°～32.5°，平均為31.4°。根據(jù)原位試驗(yàn)結(jié)果，天然狀體C值27.7～103.1 kPa，平均60.2 kPa，小值平均值為45.6 kPa，ψ值26.0°～30.0°，平均27.7°，小值平均值為26.3°；飽和狀態(tài)C值38.5～39.2 kPa，平均值38.9 kPa，ψ值23.0°～24.0°，平均值23.5°。

圖2 滑坡軸線地質(zhì)剖面圖

滑床巖性為二云母石英片巖，巖體節(jié)理裂隙不發(fā)育，風(fēng)化輕微，新鮮完整。根據(jù)室內(nèi)巖塊試驗(yàn)結(jié)果：巖樣天然密度2.71～2.79 g/cm3，飽和密度2.72～2.80 g/cm3；自然吸水率0.18%～0.24%，飽和吸水率0.21%～0.27%；單軸干抗壓強(qiáng)度53.8～65.7 MPa，飽和抗壓強(qiáng)度37.4～46.3 MPa；干抗剪強(qiáng)度C值1.6～2.7 MPa，ψ值45.5°～46.0°，飽和抗剪強(qiáng)度C值1.1～1.6 MPa，ψ值43.0°～44.5°。

3 地震條件下滑坡體應(yīng)力變形分析

3.1 計(jì)算模型與計(jì)算條件

3.1.1 計(jì)算模型

為了全面了解地震作用下滑坡體的應(yīng)力變形情況，了解斷層、底滑面等控制邊界對(duì)滑坡體的影響，根據(jù)實(shí)際勘察滑坡基礎(chǔ)資料，建立能夠較為真實(shí)模擬滑坡體地質(zhì)情況的三維模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖3。

圖3 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

分析模型所選用的坐標(biāo)系遵照右手正交法則：以東西方向?yàn)閄軸，指向東為正；南北方向?yàn)閅軸，指向北為正；以豎直方向?yàn)閆軸，指向上為正。模型由102 400個(gè)單元和20 454個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。

3.1.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)滑坡勘探中獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合滑坡各巖土材料的結(jié)構(gòu)、顆分、密度等特性，綜合確定本次滑坡體應(yīng)力變形分析計(jì)算參數(shù)(表1)。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)表

3.1.3 地震動(dòng)輸入

直接時(shí)程法地震動(dòng)輸入按極限安全地震震動(dòng)峰值加速度0.210 4 g輸入。因此，本次水平加速度峰值取0.210 2 g，豎向取水平地震加速度峰值的2/3，即0.140 1 g。3向輸入地震加速度時(shí)程曲線見圖4。

圖4 輸入加速度時(shí)程

3.1.4 分析剖面與監(jiān)測(cè)點(diǎn)

為進(jìn)一步了解該滑坡體應(yīng)力變形情況，設(shè)置3個(gè)剖面進(jìn)行分析，分析剖面位置見圖5。為更好了解地震作用下斷層、滑床等關(guān)鍵部位的變形特征，布置4對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別位于軟弱層的兩側(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置見圖6。

圖5 分析剖面位置示意圖

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

為較為準(zhǔn)確地模擬地震條件下滑坡體應(yīng)力變形分布情況，主要開展以下數(shù)值模擬工作。

1)自重應(yīng)力場(chǎng)模擬。

2)通過(guò)直接時(shí)程法地震動(dòng)輸入模擬滑坡體在地震作用下響應(yīng)規(guī)律，并截取1、2、3、4、5、10、15、20和40.96 s共9個(gè)時(shí)刻進(jìn)行分析。

3.2.1 自重應(yīng)力模擬分析

根據(jù)靜力法的方式對(duì)滑坡體自重應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬，為后續(xù)動(dòng)力分析提供初始滑坡體應(yīng)力條件。自重作用下，滑坡體應(yīng)力場(chǎng)分布見圖7。

圖7 自重應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果

由圖7中可知，滑坡體自重應(yīng)力主要表現(xiàn)為上覆巖土層越厚應(yīng)力值越大，符合一般規(guī)律；在斷層附近出現(xiàn)了明顯應(yīng)力間斷現(xiàn)象，說(shuō)明斷層分布對(duì)滑坡體整體應(yīng)力分布型式有一定影響。

3.2.2 直接時(shí)程法應(yīng)力響應(yīng)特征分析

不同時(shí)刻滑坡體應(yīng)力分布情況見圖8。由圖8中可知：①在地震作用下滑坡體應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，整體表現(xiàn)為上覆巖土層越厚應(yīng)力值越大，符合一般規(guī)律；在斷層附近出現(xiàn)了明顯應(yīng)力間斷現(xiàn)象，說(shuō)明斷層分布對(duì)滑坡體整體應(yīng)力分布型式有一定影響。②隨著地震波的持續(xù)輸入，最大最小主應(yīng)力量值略有變化，變化幅度很小。③地震波輸入對(duì)滑坡體整體應(yīng)力分布影響不大。

圖8 滑坡體應(yīng)力分布圖

3.2.3 直接時(shí)程法位移響應(yīng)特征分析

本次模擬不同時(shí)刻滑坡體位移分布情況，通過(guò)典型監(jiān)測(cè)剖面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)滑坡從1～40.96 s的變形、速度、加速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，得出以下結(jié)論：①在地震作用下，滑坡體位移隨地震加速度變化而變化(圖9)，5和10 s時(shí)滑坡體位移最大，15 s后基本趨于平衡；②位移主要集中在滑體前緣位置，向后緣遞減(圖10)，且以Y和Z向變形為主，10 s時(shí)Y向最大(圖11)；③地震對(duì)滑坡體變形有一定影響，在Ⅷ度烈度地震作用下，滑體位置出現(xiàn)了最大約30 cm的變形，但地震波輸入后期，滑坡體沒有發(fā)生持續(xù)變形，滑坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移響應(yīng)過(guò)程曲線

圖10 縱1剖面滑坡體位移分布圖

圖11 10 s時(shí)滑坡體位移分布圖

3.2.4 直接時(shí)程法塑性區(qū)響應(yīng)特征分析

模擬不同時(shí)刻滑坡體塑性區(qū)分布情況，通過(guò)典型監(jiān)測(cè)剖面對(duì)滑坡從1～40.96 s的塑性區(qū)分布變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，得出以下結(jié)論：①與位移變化情況對(duì)應(yīng)，在地震作用下，滑坡體塑性區(qū)分布隨地震加速度變化而變化，5和10 s時(shí)滑坡體塑性區(qū)范圍最大，15 s后基本趨于平衡(圖12)；②塑性區(qū)主要為滑體、斷層和底滑面附近的剪切破壞區(qū)以及滑坡體近表面部位的局部張拉破壞區(qū)，符合一般規(guī)律。

圖12 滑坡體塑性區(qū)分布圖

4 結(jié) 語(yǔ)

1)地震波輸入對(duì)滑坡體整體應(yīng)力影響不大，隨著地震波的持續(xù)輸入，最大最小主應(yīng)力量值略有變化，變化幅度很小。

2)地震對(duì)滑坡體變形有一定影響，在Ⅷ度烈度地震作用下，滑體位置出現(xiàn)了最大約30cm的變形，主要集中在滑坡前緣，且隨著地震波輸入至后期，滑坡體沒有發(fā)生持續(xù)變形，滑坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3)在地震作用下，滑坡體塑性區(qū)分布隨地震加速度變化而變化，主要為滑體、斷層和底滑面附近的剪切破壞區(qū)以及滑坡體近表面部位的局部張拉破壞區(qū)，5和10 s時(shí)滑坡體塑性區(qū)范圍最大，15 s后基本趨于平衡。

4)整體而言，在地震作用下，古滑坡體會(huì)產(chǎn)生一些變形、塑性破壞區(qū)，地震結(jié)束后仍有參與變形和破壞區(qū)域，但地震過(guò)程中沒有出現(xiàn)滑坡整體失穩(wěn)現(xiàn)象，滑坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。