基于流固耦合的強震大型滑坡水力激發(fā)效應(yīng)研究

周先強

（福建省水投勘測設(shè)計有限公司，福州 350001）

為研究地震作用下滑坡的動力響應(yīng)規(guī)律，本文通過有限元法實現(xiàn)動力和滲流的耦合，建立滑坡數(shù)值模型。通過前人試驗研究驗證模型參數(shù)的正確性，對是否考慮地下水工況下的滑坡加速度和位移響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行計算，研究孔隙水壓力的分布情況，并對軟弱層帶的有效應(yīng)力和孔壓響應(yīng)進(jìn)行分析。

1 流固耦合模型

1.1 基本理論

本文基于完全非線性的有限差分法，通過有限元法實現(xiàn)動力和滲流的耦合進(jìn)行分析。邊坡土體模型選用Finn 模型，在動力作用下，相對于摩爾-庫倫模型而言，F(xiàn)inn 模型增加動態(tài)孔隙水壓力程序，能夠模擬材料孔隙水壓力的積累及超孔隙水壓力的形成［5］。

本文在進(jìn)行非完全流固耦合分析時考慮到力學(xué)時標(biāo)與擴(kuò)散時間之間的聯(lián)系和流體的擾動屬性，對流固剛度比進(jìn)行合理選擇。在地震作用下，相對總體計算過程而言其力學(xué)計算時間較短，因此強震作用下可不考慮邊坡滲流的作用，進(jìn)行不排水計算分析。當(dāng)模型整體失衡時，在耦合計算時需要流固剛度比。本文研究的滑坡類型屬于剛性骨架，即流固剛度比小于1，固體剛度遠(yuǎn)大于流體剛度，因此可以對流體與固體的完全耦合進(jìn)行忽略。

1.2 模型尺寸和監(jiān)測點布置

本文通過有限元法建立滑坡數(shù)值模型，該模型長度設(shè)置為4500 m，傾角18°，高度為2400 m，其中，滑坡的軟弱層帶的厚度約5 m。根據(jù)相關(guān)地質(zhì)勘察報告，該滑坡主要土體為白云巖，因此，將白云巖作為滑坡數(shù)值模型的整體。通過孔隙介質(zhì)體來對軟弱層帶進(jìn)行簡化，該孔隙介質(zhì)體僅需要設(shè)定角礫巖帶參數(shù)，對下部地層的水文條件進(jìn)行忽略。而軟弱層帶與地下水位線之間的坡體區(qū)域認(rèn)為均達(dá)到飽和狀態(tài)。根據(jù)實際滑坡情況，并參考相關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)置模型底部為固定端，模型兩側(cè)為法向固定，模型上部為自由端，地震波由模型底部進(jìn)行輸入。此外，為在流固耦合分析過程中保證計算精度的前提下兼顧計算效率，在網(wǎng)格劃分時對軟弱層帶及坡面位置進(jìn)行局部加密，共劃分出34551 個10 節(jié)點的有限元網(wǎng)格。

為了更好地觀測地震作用下滑坡的動力響應(yīng)規(guī)律和變形特性，在模型中總共布置有15 個監(jiān)測點進(jìn)行監(jiān)測。其中，監(jiān)測點J1～J6 共6 個監(jiān)測點設(shè)置在沿軟弱層帶分布，相鄰監(jiān)測點間距設(shè)置為500 m，對J1、J3 和J6 監(jiān)測點位置每個位置處再布置有3 個垂直監(jiān)測點，垂直間距為20 m，即K1～K9。此外，將觀測點分為3 個區(qū)，以便更好地觀測軟弱層帶的孔隙水壓力變化情況。

1.3 模型參數(shù)設(shè)定與驗證

模型上下硬層的泥質(zhì)砂巖本構(gòu)模型為彈性模型，彈性模量為5.8×104MPa。滲流計算過程中的材料顆粒通常認(rèn)為是不可壓縮的，并假設(shè)坡體為各向同性材料模型。通過下式可計算出材料的剪切模量和體積模量：

式中G 為泥巖的剪切模量；K 為泥巖的體積模量。

依據(jù)相關(guān)模擬方案的參數(shù)設(shè)定［6］和實際工程經(jīng)驗，本文采用的主要材料泥質(zhì)砂巖和軟弱層帶的模型輸入?yún)?shù)如表1。

表1 軟弱層帶和白云巖數(shù)值模型輸入?yún)?shù)

通過利用表1 數(shù)據(jù)進(jìn)行動三軸試驗的模擬，圍壓和循環(huán)偏應(yīng)力均選擇為100 kPa，與室內(nèi)試驗條件完全相同，將模擬結(jié)果與前人試驗結(jié) 果［7］進(jìn) 行 對 比，圖1 展示數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗的孔壓比曲線對比情況。從圖1 可看出，本文數(shù)值模擬結(jié)果與前人試驗研究結(jié)果趨勢和數(shù)值都較為接近，隨著動力持續(xù)時間的增加，并未出現(xiàn)明顯差異，進(jìn)而證明本文在參數(shù)選取和本構(gòu)模型選擇方面合理、正確。

圖1 動三軸試驗孔壓比曲線

利用上述模型對地震荷載施加前的豎向應(yīng)力和孔壓進(jìn)行計算，計算結(jié)果顯示，豎向應(yīng)力分布主要受高度影響，主要分布在滑坡底部，未出現(xiàn)明顯波動，在坡腳處存在少量的應(yīng)力集中現(xiàn)象，軟弱層帶的應(yīng)力約在13～17 MPa 之間。由于軟弱層帶下方設(shè)置為不排水條件，因此不存在孔壓，而在軟弱層帶上方，孔壓亦隨水位以下的深度分布。

1.4 加載方案制定

地震作用下，地震波的吸收是通過模型四周的自由場邊界來完成的。局部阻尼系數(shù)取0.015，局部阻尼可消耗模型中的地震能量。模型的自振頻率為0.25 Hz，在地震作用下可能會發(fā)生共振。

動荷載施加位置位于模型底部，輸入荷載為加速度時程?？赏ㄟ^下式對滑坡滑動方向地震波進(jìn)行換算：

式中aH（t）為滑坡滑動方向的水平加速度；aEW（t）為清平波東西加速度分量；aEW（t）為清平波南北加速度分量。

為了對地震作用下模型進(jìn)行優(yōu)化，減小計算時間提高計算效率，截取天然波主震部分為模型輸入地震波，即13～33 s 段的地震波進(jìn)行輸入分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 滑坡動力響應(yīng)

無水位工況下滑坡加速度響應(yīng)情況如圖2。圖2（a）為垂直波作用下的響應(yīng)曲線，圖2（b）為水平波作用下的響應(yīng)曲線。從圖2可看出，相較于上硬層，滑坡下硬層在地震作用下的加速度響應(yīng)更為強烈，變化幅值更大，最大幅度在動力時間15 s 左右。對比圖2（a）和圖2（b），同一動力持續(xù)時間和位置處，水平波造成的坡體加速度變化相較于垂直波更甚。

圖2 無水位工況下加速度響應(yīng)曲線

有水位工況下滑坡加速度響應(yīng)情況如圖3。圖3（a）為垂直波作用下的響應(yīng)曲線，圖3（b）為水平波作用下的響應(yīng)曲線。從圖3可看出，在兩種地震波作用下，其上硬層的加速度振幅和峰值均大于下硬層，這一點與無水位工況下的現(xiàn)象恰好相反。對比圖3 和圖4 發(fā)現(xiàn)，水位對滑坡加速度響應(yīng)的主要影響在上硬層，有水位工況下的上硬層峰值相較于無水位工況提高3 倍之多，可見地下水對坡體動力響應(yīng)影響程度之巨。此外，地下水的存在，使得水平波和垂直波之間的差異減小，滑坡對垂直波更為敏感。

圖3 有水位工況下加速度響應(yīng)曲線

圖4 無水位工況下瞬時位移相應(yīng)曲線

圖4 和圖5展示有無水位工況下滑坡在兩種方向地震波作用下的瞬時位移情況。從圖4 可看出，無論是垂直波還是水平波，下硬層的位移變化幅度和峰值均大于上硬層。對比圖4(a)和圖4(b)發(fā)現(xiàn)，水平波造成的滑坡瞬時位移相較于垂直波而言更大。從圖5 中可看出，亦呈現(xiàn)出上文規(guī)律，即存在地下水時，上硬層對地震波的響應(yīng)更為劇烈，上硬層的位移變化幅值和峰值均大于下硬層。此外，無地下水存在時，滑坡位移對水平波更為敏感，而存在地下水時，滑坡對垂直波更為敏感。

圖5 有水位工況下瞬時位移相應(yīng)曲線

2.2 超空隙水壓力積累與激發(fā)

從上節(jié)可看出，在有水位工況下，滑坡對垂直地震波更為敏感，因此，選用垂直地震波作為輸入波，對孔隙水壓力分布情況進(jìn)行分析。

孔壓主要分布在軟弱層帶附近位置，最大孔壓在B 區(qū)域監(jiān)測點J3 附近，相較于無震工況下的孔壓分布，最大孔壓位置并未發(fā)生改變。隨著動力持續(xù)時間的增加，孔壓持續(xù)增大，最大增加到約30 MPa，相較于為施加地震荷載作用前的4 MPa，地震無疑大大增加滑坡孔壓的大小。

圖6 展示地震荷載作用下軟弱層帶孔壓響應(yīng)隨動力持續(xù)時間的變化情況。從圖6 可看出，上下硬層的應(yīng)力較為接近，且隨動力持續(xù)時間的增加變化趨勢亦未出現(xiàn)明顯差異。

圖6 軟弱層帶孔壓響應(yīng)

隨著動力持續(xù)時間的增加，軟弱層孔壓不斷波動，較大的兩次波動發(fā)生在4 s 和12 s 時刻，在4 s左右時，由于振動張拉導(dǎo)致孔壓出現(xiàn)下降，而在12 s時刻附近，由于振動沖壓導(dǎo)致孔壓出現(xiàn)上升，此時軟弱層孔壓達(dá)到峰值，接近于上下硬層的孔壓。

2.3 有效應(yīng)力

為進(jìn)一步研究地震作用下的滑坡動力響應(yīng)規(guī)律，更為真實地模擬地震動環(huán)境，進(jìn)行雙向地震動模擬。

圖7 展示了雙向地震動作用下軟弱層帶有效應(yīng)力的相應(yīng)情況。從圖7 可看出，在地震荷載施加初期，軟弱層帶有效應(yīng)力數(shù)值較小且起伏不大，表現(xiàn)較為穩(wěn)定，出現(xiàn)緩慢降低趨勢，在7.5 s 之后開始發(fā)生較大波動，主要表現(xiàn)在中前段監(jiān)測點J5 位置處，中后段即監(jiān)測點J1 位置處在12 s 時刻左右發(fā)生較大突變，有效應(yīng)力大小出現(xiàn)較大增加。在動力施加時段內(nèi)，有效應(yīng)力峰值最大的為軟弱層帶中前段即J5 監(jiān)測點位置處。在J1 位置處孔隙水壓力大于上覆應(yīng)力，因此數(shù)值表現(xiàn)為負(fù)，而軟弱層帶中后段有效應(yīng)力絕對值最小，有效應(yīng)力較低。此外，從數(shù)值上看，滑坡中后段有效應(yīng)力為負(fù)，超孔壓會引起方向向上的內(nèi)力，對滑坡造成托頂效應(yīng)，有可能導(dǎo)致滑坡災(zāi)害發(fā)生，存在一定安全隱患。

圖7 軟弱層帶有效應(yīng)力響應(yīng)

3 結(jié)語

為研究地震作用下滑坡的動力響應(yīng)規(guī)律，本文通過有限元法實現(xiàn)動力和滲流的耦合，建立滑坡數(shù)值模型。對是否考慮地下水工況下的滑坡加速度和位移響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究，計算孔隙水壓力的分布情況，并對軟弱層帶的有效應(yīng)力和孔壓響應(yīng)進(jìn)行分析。得出主要結(jié)論如下：

（1）考慮地下水情況下，上硬層的加速度振幅和峰值均大于下硬層。水位對滑坡加速度響應(yīng)的主要影響在上硬層，有水位工況下的上硬層加速度峰值相較于無水位工況下的提高3 倍多，地下水的存在，使得水平波和垂直波之間的差異減小，滑坡對垂直波更為敏感。

（2）存在地下水時，上硬層對地震波的響應(yīng)更為劇烈，上硬層的位移變化幅值和峰值均大于下硬層。

（3）孔壓主要分布在軟弱層帶附近位置，施加地震未改變最大孔壓位置?；驴讐悍逯导s30 MPa，相較于為施加地震荷載作用前的4 MPa，地震無疑大大增加滑坡孔壓的大小。

（4）在地震荷載施加初期，軟弱層帶有效應(yīng)力出現(xiàn)緩慢降低趨勢。有效應(yīng)力峰值最大的為軟弱層帶中前段，中后段孔隙水壓力大于上覆應(yīng)力，超孔壓會引起方向向上的內(nèi)力，對滑坡造成托頂效應(yīng)，存在一定安全隱患。