基于流固耦合理論的巴東黃土坡滑坡地震響應(yīng)研究

張 潔 曾金明 胡其志,3 游 姍 付小紅

1 武昌工學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院,武漢市白沙洲大道110號,430065 2 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,武漢市創(chuàng)業(yè)路18號,430056 3 湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院,武漢市南李路28號,430068

水庫蓄水誘發(fā)滑坡失穩(wěn)事件在世界范圍內(nèi)被廣泛報道,如1963-10-09意大利瓦伊昂水庫庫首區(qū)滑坡[1],庫水抬升導(dǎo)致的孔隙水壓力增大、庫水位下降時滑坡體內(nèi)部產(chǎn)生的滲透力及降雨導(dǎo)致的坡體基質(zhì)吸力降低被認(rèn)為是導(dǎo)致水庫滑坡失穩(wěn)的主要因素[2-3]。同時,地形地貌、坡體結(jié)構(gòu)、地層巖性、路系、地震動等因素均可能對滑坡體的地震穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[4]。

本文以三峽庫區(qū)巴東黃土坡滑坡體為研究對象,基于流固耦合理論建立二維有限差分?jǐn)?shù)值模型,分析無水及有水條件下滑坡體在2013-12-16巴東M5.1地震作用下的場地地震反應(yīng)、滑坡體軟弱層形變及孔隙水壓力差異特征。通過計(jì)算滑坡體的安全系數(shù)時程,探討庫水沁潤對坡體地震穩(wěn)定性的影響,結(jié)合有效應(yīng)力響應(yīng)特征,嘗試獲得蓄水條件下滑坡體地震安全系數(shù)降低的成因機(jī)理等認(rèn)識。

1 巴東黃土坡滑坡概況

黃土坡滑坡位于巴東扇形斜坡之上,是一個由多期次、多個崩滑體組成的大型復(fù)合滑坡?；旅娣e為135×104m2,體積為6 934×104m3,由臨江1號、2號崩滑堆積體、變電站滑坡、園藝場滑坡組成[5],具體見圖1。

圖1 巴東黃土坡滑坡平面

滑坡表面總體呈凹形緩坡,上陡-中緩-下陡,平均坡度為 28°～32°,斜坡結(jié)構(gòu)類型為順向坡(圖2)。

圖2 黃土坡滑坡Ⅰ-Ⅰ′地質(zhì)剖面

2 基于流固耦合理論的有限差分模型

根據(jù)黃土坡滑坡工程地質(zhì)條件,將Ⅰ-Ⅰ′剖面概化為堆積碎石土和三疊系巴東組基巖2個部分。二維剖面模型平行于滑坡體主軸方向長約為1 600 m,垂直方向最高約為526 m。使用ANSYS前處理模塊進(jìn)行建模后導(dǎo)入FLAC3D,幾何模型及網(wǎng)格劃分見圖3,網(wǎng)格數(shù)量約8.2萬個,最小尺寸約為1 m。

圖3 Ⅰ-Ⅰ′剖面二維有限差分模型網(wǎng)格劃分及監(jiān)測點(diǎn)布置

對模型底部邊界施加位移全約束,側(cè)壁施加法向位移約束。坡面在天然狀態(tài)下為自由邊界,有水條件下直接施加庫水荷載,考慮到區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場水平較低,僅考慮重力場作用[6]。

為研究水巖耦合作用下黃土坡滑坡的地震穩(wěn)定性,將監(jiān)測點(diǎn)集中布置于軟弱層帶及其附近區(qū)域。模型共布置9個監(jiān)測點(diǎn),其中沿軟弱層布置3個監(jiān)測點(diǎn)(編號K1～K3),水平方向間距約為400 m;在軟弱層帶上下部地層K1～K3監(jiān)測點(diǎn)對應(yīng)位置分別布置1個垂直監(jiān)測點(diǎn),每處垂直監(jiān)測點(diǎn)垂向間距約為25 m,記為M1～M3及N1～N3,監(jiān)測點(diǎn)具體布置情況如圖3所示,A、B、C區(qū)域分別代表滑坡體的后段、中段及前段。

巖土體采用莫爾-庫侖模型,表1為二維有限差分模型的巖土體物理力學(xué)參數(shù)。有水條件下的初始水頭根據(jù)175 m庫水位沁潤線進(jìn)行設(shè)置,采用附加質(zhì)量法模擬地下水對滑坡體某點(diǎn)處的動水壓力。對于沁潤線以下的巖土體,采用飽水狀態(tài)下的巖土體參數(shù),沁潤線以上部分采用巖土體天然強(qiáng)度參數(shù)。

表1 黃土坡滑坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

三峽水庫蓄水進(jìn)程中歷經(jīng)了135 m、156 m及175 m等3個蓄水階段,其中135 m和156 m蓄水階段內(nèi)巴東庫段雖發(fā)生大量微小地震,但考慮到震級較小,對滑坡體地震穩(wěn)定性影響有限。因此,本文選擇175 m蓄水階段的2013-12-16巴東M5.1地震作為典型地震事件進(jìn)行輸入[7]。

為使地震動輸入更加符合實(shí)際地震背景,以美國太平洋地震工程中心PEERNGA數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)[8-9],利用2013年巴東M5.1地震部分參數(shù)給出設(shè)定地震條件(表2)。以此為依據(jù),獲得滑坡體安全系數(shù)時程分析的地震波形,并將其作為模型的水平向地震動輸入,結(jié)果見圖4。由圖可知,水平向輸入的地震動峰值加速度約為144 Gal,持時約為20 s。

圖4 2013年巴東M5.1地震的設(shè)定波形

3 黃土坡滑坡地震響應(yīng)特征

3.1 加速度響應(yīng)

在蓄水前的無水條件下,上硬層的地震動峰值加速度約為191 Gal,下硬層約為477 Gal(圖5)。與輸入的地震動峰值加速度相比,放大系數(shù)分別為1.33和3.31,表明在無水條件下,黃土坡滑坡體的地震放大效應(yīng)顯著,且上硬層放大系數(shù)明顯小于下硬層,其原因可能為底部輸入的地震動衰減及軟弱夾層的減震作用。

圖5 無水條件下地震加速度響應(yīng)

而在有水條件(175 m)下,上硬層的地震動峰值加速度約為250 Gal,下硬層約為482 Gal(圖6)。與輸入的地震動峰值加速度相比,放大系數(shù)分別為1.74和3.35。進(jìn)一步與無水條件相比可知,庫水位上漲導(dǎo)致的滑坡體上硬層地震動峰值加速度放大效應(yīng)有所增強(qiáng),但對下硬層的影響相對較小。另外發(fā)現(xiàn),有水條件下滑坡體地震加速度的高頻分量更加豐富,與之對應(yīng),蓄水后上硬層地震動峰值加速度也為蓄水前的1.31倍。上下硬層的地震動峰值加速度放大特征與時幸幸等[10]對2008年汶川地震觸發(fā)大光包滑坡體的研究結(jié)果基本一致。

圖6 有水條件下地震加速度響應(yīng)

3.2 位移響應(yīng)

在蓄水前的無水條件下,上硬層與下硬層的地震動峰值位移分別為7.76×10-4m和1.40×10-3m,下硬層約為上硬層的1.80倍(圖7),說明軟弱夾層的減震消能作用在地震動峰值位移上亦有所體現(xiàn)。在有水條件(175 m)下,上硬層與下硬層的地震動峰值位移分別為7.95×10-4m及1.60×10-3m(圖8)。

圖7 無水條件下地震位移響應(yīng)

圖8 有水條件下地震位移響應(yīng)

與無水條件相比,有水條件下上硬層與下硬層的地震動峰值位移分別放大1.02倍和1.14倍,說明三峽蓄水活動對地震動峰值位移放大效應(yīng)的影響并不顯著。雖然有水條件下地震動位移時程的高頻分量明顯更豐富,但蓄水活動對其影響小于對峰值加速度的影響。

3.3 水平應(yīng)力響應(yīng)

圖9和10分別為無水及有水條件下上硬層、軟弱層及下硬層的水平向應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果。由圖9可知,無水條件下監(jiān)測點(diǎn)水平向應(yīng)力為-5.2～-2.1 MPa,整體處于壓應(yīng)力狀態(tài),下硬層壓應(yīng)力最大,上硬層壓應(yīng)力最小。

圖9 無水條件下水平向應(yīng)力響應(yīng)

而在有水條件下,模型監(jiān)測點(diǎn)的水平應(yīng)力響應(yīng)呈現(xiàn)與無水條件相異的狀態(tài)(圖10)。就幅值而言,應(yīng)力大小波動幅度明顯增大,下硬層局部壓應(yīng)力峰值約為-23.2 MPa,約為無水條件的4.46倍。另外,與無水狀態(tài)的應(yīng)力響應(yīng)相比,有水條件下部分時刻上硬層呈拉張狀態(tài),與軟弱層及下硬層出現(xiàn)拉脫效應(yīng)[11]。

圖10 有水條件下水平向應(yīng)力響應(yīng)

3.4 孔隙水壓力

為研究蓄水活動對滑坡體孔隙水壓力狀態(tài)的影響,給出有水條件下黃土坡滑坡體孔壓對地震作用的響應(yīng)特征。由圖11可見,軟弱層孔隙水壓力響應(yīng)幅值遠(yuǎn)大于上硬層及下硬層,且呈現(xiàn)出階段性積累上升趨勢,并伴隨有瞬時放大特征。

圖11 地震作用下的坡體孔壓響應(yīng)特征

孔壓響應(yīng)峰值主要集中在軟弱層中后段,在上硬層孔壓變化幅度較小的情況下,軟弱層孔壓隨地震作用快速上升,隨后不斷波動并具有階段累積特征,分別約在第3 s、9 s、14 s 及19 s 時達(dá)到階段峰值18 MPa、26 MPa、27 MPa及45 MPa?？紤]其原因主要在于水不可被壓縮,在瞬時地震荷載作用下無法快速排出從而導(dǎo)致孔壓急劇上升。當(dāng)軟弱層孔壓瞬間增大時,上硬層相對向下運(yùn)動,下硬層相對向上運(yùn)動,導(dǎo)致軟弱層被壓縮;而當(dāng)軟弱層孔壓降低時,上硬層相對向上運(yùn)動,下硬層相對向下運(yùn)動,軟弱層被拉張。上下硬層之間的非協(xié)調(diào)性變形,導(dǎo)致軟弱層超孔隙水壓力的形成,進(jìn)而對滑坡體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

4 滑坡地震穩(wěn)定性與機(jī)理分析

圖12為有水和無水條件下的安全系數(shù)時程計(jì)算結(jié)果。由圖可見,無水條件下滑坡體的地震安全系數(shù)為1.57～2.78,安全系數(shù)均值Ka約為2.30;有水條件下滑坡體的地震安全系數(shù)為1.40～2.09,安全系數(shù)均值Ka約為1.88。

圖12 有水和無水條件下的安全系數(shù)時程

從圖12還可以看出,無水條件下的安全系數(shù)時程與有水條件相比更加平穩(wěn),后者在5～15 s區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)階段性下降特征,這與孔壓累積增加的趨勢一致。值得注意的是,無水及有水條件下的最小安全系數(shù)分別為1.57及1.40,約為平均安全系數(shù)的68.26%及74.47%,這種安全系數(shù)的顯著降低值得進(jìn)一步探討。有水條件下的地震滑坡體安全系數(shù)整體小于無水條件,下降幅度約為18.13%,表明三峽蓄水活動可能對巴東黃土坡滑坡地震穩(wěn)定性造成一定程度的不利影響。

進(jìn)一步以9.2～10.2 s時段內(nèi)有水及無水條件下上硬層、下硬層觀測點(diǎn)的位移細(xì)節(jié)(圖13和14)為例對非協(xié)調(diào)變形進(jìn)行說明?？梢园l(fā)現(xiàn),有水及無水條件下上硬層與下硬層位移均出現(xiàn)顯著的不一致,即非協(xié)調(diào)性變形。其中,有水條件下的非協(xié)調(diào)性變形最大壓縮幅值約為1.55×10-3m,最大拉張幅值約為9.74×10-4m;而無水條件下,最大壓縮幅值為6.66×10-4m,最大拉張幅值為8.15×10-4m。有水條件下的非協(xié)調(diào)性變形更加劇烈,軟弱層在拉張過程中產(chǎn)生的帶內(nèi)拉應(yīng)力被放大,將會造成更加嚴(yán)重的張拉損傷破壞;而壓縮過程中產(chǎn)生的帶內(nèi)壓應(yīng)力被放大,則將造成更加明顯的擠壓損傷破壞。

圖13 無水條件下的非協(xié)調(diào)變形

5 結(jié) 語

為研究三峽蓄水對湖北巴東黃土坡滑坡地震穩(wěn)定性的影響,基于流固耦合理論建立二維有限差分?jǐn)?shù)值模型。在計(jì)算無水(蓄水前)及有水(175 m實(shí)驗(yàn)性蓄水)條件下滑坡體的場地地震動、應(yīng)力響應(yīng)及孔隙水壓力差異特征基礎(chǔ)上,進(jìn)一步給出滑坡體安全系數(shù)時程,探討蓄水與水庫地震共同作用下的滑坡體穩(wěn)定性及成因機(jī)理,得出以下結(jié)論:

1)無水條件下滑坡體上硬層與下硬層的地震動峰值加速度放大系數(shù)約為1.33及3.31,具顯著的場地放大效應(yīng)及軟弱夾層消能減震作用,且在有水條件下高頻分量被進(jìn)一步豐富并放大。

2)瞬時地震荷載下,由于滑坡體上下硬層之間的非協(xié)調(diào)性變形與非快速排水共同作用,軟弱層超孔隙水壓力快速形成并呈階段性積累上升,同時伴有瞬時放大特征,分別在第3 s、9 s、14 s 及19 s 時達(dá)到峰值18 MPa、26 MPa、27 MPa及45 MPa。

3)庫水位上漲帶來的巖土體沁潤作用會導(dǎo)致滑坡地震穩(wěn)定性的安全系數(shù)顯著降低,無水及有水條件下滑坡體的安全系數(shù)均值分別約為2.30及1.88,蓄水活動導(dǎo)致安全系數(shù)降低約18.13%。

4)有水條件下地震作用導(dǎo)致的滑坡體非協(xié)調(diào)性變形更加劇烈,軟弱層在拉張與壓縮過程中產(chǎn)生的帶內(nèi)拉應(yīng)力與壓應(yīng)力被急劇放大,對軟弱層面產(chǎn)生嚴(yán)重拉張及擠壓損傷破壞的同時,超孔隙水壓力造成的有效應(yīng)力快速降低,可能是有水條件下滑坡體地震安全系數(shù)降低的成因機(jī)理。