某水庫新巖滑坡動荷載響應(yīng)分析

張 穎

某水庫新巖滑坡動荷載響應(yīng)分析

張 穎

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津300250）

以在建某水庫上的新巖滑坡為例，借助GeoStudio軟件中的部分軟件模塊，探究了地震與交通震動荷載對滑坡的影響。

滑坡穩(wěn)定性；GeoStudio；動荷載響應(yīng)；地震；交通荷載

1 研究背景及意義

地震荷載與交通荷載是工程中最常見的兩種動荷載作用形式［1］，而由這兩種動荷載作用引發(fā)的邊坡失穩(wěn)事故已經(jīng)給人類生命財產(chǎn)安全和國民經(jīng)濟的健康發(fā)展造成重大損失與危害［2］。以在建某水庫上的新巖滑坡為例，并運用巖土工程數(shù)值分析軟件GeoStudio建立有限元模型，通過數(shù)值模擬分析了地震荷載與交通荷載對其穩(wěn)定性的影響，并據(jù)此提出合理化建議，對實際施工具有一定的指導(dǎo)意義。

2 研究區(qū)工程地質(zhì)

2.1 自然地理

研究區(qū)地處低山丘陵區(qū)，區(qū)內(nèi)植被較發(fā)育。氣候?qū)僦袦貛駶櫦撅L(fēng)氣候，該地區(qū)水系屬圖們江一級支流布爾哈通河的二級支流伊蘭河，是一條南北向的常年性河流。

2.2 工程地質(zhì)

新巖滑坡群所屬的地貌單元處于延吉盆地北緣的丘陵地帶，北側(cè)向低山區(qū)過渡，地形波狀起伏。地層主要為第三系琿春組沉積巖和第四系松散堆積層，其巖土類型主要為泥巖、砂巖、粉質(zhì)黏土及填筑土，根據(jù)《吉林省區(qū)域地質(zhì)志》，勘察區(qū)所處地質(zhì)構(gòu)造單元屬于天山－興安地槽褶皺區(qū)/吉黑褶皺系/延邊優(yōu)地槽褶皺帶/延邊復(fù)向斜/延吉斷陷內(nèi)，處于延吉斷陷的北部邊緣上［3］，該地區(qū)地下水根據(jù)賦存條件和含水介質(zhì)的不同可劃分為第四系和松散巖類孔隙潛水、基巖風(fēng)化殼孔隙裂隙水。該地區(qū)地震動峰值加速度0.05g，對應(yīng)的地震基本烈度為6°，中軟場地，地震動反應(yīng)譜特征周期值0.35s，設(shè)計地震分組為第一組［9］。

2.3 新巖滑坡滑動機理

滑坡體總體積達(dá)到16萬m3。滑體的巖土類型自上而下為填筑土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化泥巖和強風(fēng)化泥巖。因此，新巖滑坡按照滑體的物質(zhì)成分來分類屬于中型土質(zhì)滑坡，從滑坡力學(xué)機制來看屬于牽引式滑坡。

滑坡形態(tài)特征從總體上看，滑坡范圍內(nèi)產(chǎn)生很多地表裂縫，大致呈平行的弧狀。從剖面上看，新滑坡形態(tài)呈疊瓦狀，可見明顯的滑坡臺坎?；麦w前舌土體鼓脹、張裂，前緣可見傾倒的高大樹木，滑坡特征清晰。

3 地震動響應(yīng)［4］

3.1 地震動荷載響應(yīng)研究方法

QUAKE/W軟件模塊中包含Linear Elastic與Equivalent Linear兩個模型，即線彈性模型與等效線性模型，等效線性模型之所以能等同于線性模型，是因為它把不規(guī)則的地震動轉(zhuǎn)換成相等的均勻圓周率之內(nèi)的震動，剪切模量G按照循環(huán)剪應(yīng)變被修改（減少）是非線性，但是G的修改，在每個反復(fù)使分析成為非線性之后，每個反復(fù)是線性［10］。

3.2 計算模型及參數(shù)選取

3.2.1 計算模型

新巖滑坡段在勘查中選擇了3條勘測線，所以在文中對A-A′、B-B′和C-C′3個剖面進(jìn)行有限元分析，使用三角形單元，離散化之后的模型分別如圖1。

圖1 有限元模型

3.2.2 參數(shù)選取

由于輸入的是水平地震荷載，且滑坡體足夠大，動力邊界條件取底邊為固定邊界，左右兩側(cè)施加Y方向的約束以限制Y方向的位移，而X方向無約束可以自由移動。

通過勘察的室內(nèi)試驗和查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，確定出相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)及動力分析參數(shù)，如表1～表2。

表1 滑坡穩(wěn)定性驗算參數(shù)選取

表2 滑坡動力分析控制參數(shù)

3.3 初始靜力

首先進(jìn)行靜力分析，即模塊中的Initial Static分析類型，計算得到其Y方向的總應(yīng)力如圖2。

圖2 靜力狀態(tài)下Y方向的總應(yīng)力

分別選擇Morgenstern-Price法、Janbu法和Bishop法，令軟件自動搜索最危險滑面如圖3，并計算得到最小安全系數(shù)。

圖3 靜力狀態(tài)下最危險滑動面

3.4 動力響應(yīng)

下面選擇在地震動力分析中最常用的ELCentro地震波作為輸入地震荷載。為研究不同地震烈度對滑坡的影響，分別調(diào)整地震的峰值加速度PGA至0.05g，0.1g，0.2g，相當(dāng)于地震基本烈度6°，7°，8°。此處僅以A-A′剖面為例，進(jìn)行地震動力響應(yīng)分析。

3.4.1 峰值加速度PGA=0.05g的情況

圖4 A-A′剖面PGA=0.05g

3.4.2 峰值加速度0.1g的情況

圖5 A-A′剖面PGA=0.1g

3.4.3 峰值加速度PGA=0.2g的情況

圖6 A-A′剖面PGA=0.2g

A-A′剖面在施加上峰值加速度分別為0.05g，0.1g，0.2g的水平地震加速度之后，其位移、應(yīng)力分布分別如圖6。由各圖中可以看出，X方向的最大位移發(fā)生在坡體前方部位，Y方向的最大位移發(fā)生在坡體后部，這與實際中滑坡體向前滑移的運動相符。應(yīng)力集中的部位主要在坡腳和坡頂轉(zhuǎn)折處，剪應(yīng)力最大值基本都分布在滑坡體的上部，最大剪應(yīng)變分布在坡體內(nèi)部，與實際滑動面的位置大致重合。

4 交通荷載動力響應(yīng)分析

4.1 交通荷載的模擬

文中選用半波正線荷載來模擬交通荷載對斜坡巖土體的作用。參考根據(jù)文獻(xiàn)［13］中提出的半波正弦荷載公式：

式中P為靜荷載，大小取軸載；T為交通荷載作用周期；v為車輛行駛速度；L為輪胎接觸面積等效半徑，一般取15cm。

4.2 動力響應(yīng)

經(jīng)過SIGMA/W軟件模塊的有限元分析計算之后，可以得到各剖面上的位移、應(yīng)力應(yīng)變云圖如圖7～圖9。

圖7 A-A′剖面交通荷載分析結(jié)果

圖8 B-B′剖面交通荷載分析結(jié)果

圖9 C-C′剖面交通荷載分析結(jié)果

從各剖面的有限元分析結(jié)果可以看出，由于路面上受到交通荷載的作用，道路下部的應(yīng)力明顯高于其他部位，X方向的最大位移均發(fā)生在道路下方偏向坡下的部位，從整體位移來看，道路通過的部位發(fā)生Y方向的位移最大，C-C′剖面位移最大達(dá)到0.5m以上，其他部位位移較小。并且受到交通震動荷載的作用后，最危險滑動面的安全系數(shù)明顯降低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于未受交通荷載影響的情況，C-C′剖面的安全系數(shù)最小為0.239，由此可見交通震動荷載對該滑坡的影響較大。

5 結(jié)語

（1）水平地震荷載作用下，滑坡體X方向最大位移發(fā)生在靠近坡腳處，Y方向的最大位移發(fā)生在坡體后部及在建公路下方較淺的部位，總體來看這與滑坡體的實際滑動形態(tài)相符合。

（2）坡體內(nèi)部X-Y剪應(yīng)力最大值基本上都分布在坡體表層，最大剪應(yīng)變與坡體內(nèi)已有的滑動面位置基本一致。

（3）受到交通震動荷載的作用后，路面下方的土體內(nèi)應(yīng)力顯著增高，并且該部位的位移變形，特別是Y方向的變形量最大。

（4）受到交通震動荷載作用后，滑坡最危險滑動面的安全系數(shù)顯著降低，說明在已經(jīng)產(chǎn)生滑動面的情況下，交通震動荷載對其穩(wěn)定性影響較大。

（5）根據(jù)上面的分析結(jié)果，為該滑坡的治理提出以下幾條合理化建議：①對于坡體內(nèi)部已有的滑動面，建議采用錨索或抗滑樁進(jìn)行加固處理；②做好路面排水，防止地表水下滲；加強斜坡內(nèi)部排水，修筑支撐盲溝或地下排水通道排除地下水；③由于受交通震動荷載的影響較大，要加強交通管理，嚴(yán)謹(jǐn)超載超重車輛上路；④進(jìn)行長期監(jiān)測，監(jiān)測滑坡的活動性發(fā)展趨勢，為滑坡預(yù)報提供依據(jù)，以防止滑坡突然發(fā)生帶來嚴(yán)重災(zāi)害。

［1］李海波，肖克強，劉亞群.地震荷載作用下順層巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26（12）：2385-2394.

［2］肖克強，李海波，劉亞群，等.地震荷載作用下順層巖體邊坡變形特征分析［J］.巖土力學(xué)，2007，28（8）：1557-1563.

［3］吉林省地質(zhì)礦產(chǎn)局.吉林省區(qū)域地質(zhì)志［K］.北京：地質(zhì)出版社，1988.

［4］李忠生.地震動作用下滑坡穩(wěn)定性分析［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2004（2）：4-8.

In a reservoir rock landslide dynamic load response analysis

ZHANG Ying
（Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy Hydropower，Tianjin 300250，China）

With the help of GeoStudio，a discussion about the influence over the landslide of earthquake and traffic vibration load is made based on the XinYan landslide on one reservoir.

stability of landslide；GeoStudio；dynamic response；earthquake；traffic loads

P641

B

1672-9900（2016）04-0085-06

2016-08-10

張穎（1989-），女（漢族），河北衡水人，助理工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計工作，（Tel）18202502833。