地震作用下陳莊黃土－泥巖接觸面滑坡失穩(wěn)機理及穩(wěn)定性研究

馬紫娟　張有龍　劉小豐　鄭龍　高中南

摘要： 以甘肅禮縣陳莊黃土－泥巖接觸面滑坡為研究對象，在對該滑坡的地震地質(zhì)環(huán)境、基本特征等調(diào)查的基礎(chǔ)上，運用數(shù)值分析對陳莊黃土－泥巖接觸面滑坡在各人工計算場地基巖地震動時程作用下的失穩(wěn)機理及穩(wěn)定性進行動態(tài)模擬研究。結(jié)果表明，陳莊滑坡在地震誘發(fā)下變形破壞模式為受拉和受剪的復(fù)合破壞模式。失穩(wěn)機理過程可概括為：地震作用→底部巖體受張拉→潛在滑面主滑段上部剪應(yīng)力增大→剪應(yīng)變集中帶出現(xiàn)→剪應(yīng)變集中帶延伸擴展貫通→滑坡失穩(wěn);滑坡穩(wěn)定性方面，隨著輸入地震動的增大，陳莊黃土－泥巖接觸面滑坡穩(wěn)定性降低，其中在50年超越概率2%的基巖地震動時程作用下滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

關(guān)鍵詞： 黃土－泥巖接觸面滑坡; 陳莊滑坡; 失穩(wěn)機理; 穩(wěn)定性

中圖分類號： P642.22文獻標(biāo)志碼：A 文章編號： 1000－0844（2023）04-0810-09

DOI：10.20000/j.1000－0844.20201009001

Instability mechanism and stability analysis of Chenzhuangloess－mudstone interface landslide under seismic action

MA Zijuan， ZHANG Youlong， LIU Xiaofeng， ZHENG Long， GAO Zhongnan

Abstract：? The loess－mudstone interface landslide in Chenzhuang Village， Lixian County， Gansu Province， was investigated in this study. A dynamic numerical simulation of the instability mechanism and stability of the landslide subjected to ground motion at various artificial calculation sites was conducted based on an analysis of the seismic geological environment and basic characteristics of the landslide. Results show that the deformation and failure of the Chenzhuang landslide are associated with a composite failure mode of tension and shear when subjected to ground motion. The process of instability can be summarized as follows： ground motion due to an earthquake → tension at the bottom of rock mass → increase in shear stress at the upper part of the main slip section of the potential slip surface → emergence of a shear strain concentration zone → extension and penetration of the shear strain concentration zone → landslide instability. The stability of the Chenzhuang loess－mudstone interface landslide decreases with an increase in the ground motion， and the landslide is in an unstable state when subjected to bedrock ground motion with a exceeding probability of 2% in 50 years.

Keywords： loess－mudstone interface landslide; Chenzhuang landslide; instability mechanism; stability

0 引言

黃土－新近紀(jì)紅色泥巖接觸面滑坡是黃土地區(qū)分布最廣、發(fā)生最頻繁的滑坡類型之一［1］。此類滑坡由于 “雙層異質(zhì)”的結(jié)構(gòu)，在地震等外因作用下破壞力強，災(zāi)害損失慘重，影響力巨大。目前盡管眾多學(xué)者對黃土滑坡機理做了大量的研究，但針對黃土－泥巖接觸面滑坡失穩(wěn)機理的研究還較少：文寶萍等［1］提出了牽引、累進式變形和沿接觸面的解體式塊體滑移并伴隨沿古土壤層的局部滑移的失穩(wěn)方式;李媛等［2］提出天水市孟家山滑坡為蠕動－拉裂－滑帶擴展－剪出口形成－突滑的變形破壞機理;石瑞紅［3］應(yīng)用工程地質(zhì)成因法對黃土－泥巖（紅層）接觸面滑坡的變形特征和機理進行了探討;鄭程波［4］分析了坡角、降雨以及人為活動引起的黃土泥巖接觸面滑移機理;馬健［5］應(yīng)用Geostudio分析了池溝滑坡穩(wěn)定性，探討了其形成演化機理;朱建東等［6］分析了兩種典型降雨模式下黃土－泥巖接觸面滑坡的失穩(wěn)模式等。上述研究大都是在降雨、開挖等誘因下的機理，地震作用下的研究目前主要集中在黃土震陷和液化失穩(wěn)機理方面：如陳永明等［7］運用黃土震陷對蘭州永登地震產(chǎn)生的黃土滑坡機理進行了解釋;石玉成等［8］通過黃土的微結(jié)構(gòu)來研究震陷機理，解釋黃土地震滑坡的形成機理;王蘭民［9］用土動力學(xué)方法探討了黃土層的液化機理。但應(yīng)用數(shù)值模擬動態(tài)來研究黃土－泥巖接觸面滑坡在地震作用下的失穩(wěn)機理卻不多。

為此本文以甘肅禮縣陳莊黃土－泥巖接觸面滑坡為例，對其地震地質(zhì)條件、地形地貌和地層結(jié)構(gòu)等進行調(diào)查，在此基礎(chǔ)上對該滑坡在地震作用下的逐步變形失穩(wěn)過程進行動態(tài)數(shù)值模擬，分析其在不同人工計算場地基巖地震動時程工況下的瞬時動態(tài)應(yīng)力、變形和穩(wěn)定系數(shù)等參數(shù)，從而展開對黃土－泥巖接觸面滑坡在地震作用下的失穩(wěn)機理和穩(wěn)定性研究。

1 滑坡體地震地質(zhì)條件

陳莊滑坡所處禮縣位于青藏高原東緣西—禮盆地東部，即西漢水及其支流河谷地帶，大地構(gòu)造單元為青藏高原東北緣西秦嶺北部褶皺帶。新構(gòu)造運動強烈，境內(nèi)及周邊25 km范圍內(nèi)發(fā)育了規(guī)模不等，性質(zhì)各異的15條斷裂，其中洮坪—鹽官斷裂為禮縣—羅家堡斷裂的一部分，是晚更新世－全新世活動斷裂，該斷裂帶上地震時有發(fā)生，震級可達6～8級，其中1654年天水南8級地震就發(fā)生在該斷裂帶上。目前研究區(qū)及外圍150 km范圍內(nèi)共發(fā)生中強地震92次，其中6.0～6.9級地震20次，7.0～7.9級地震5次，8.0～8.9級地震2次，這些地震的烈度幾乎都大于Ⅵ度。研究認(rèn)為，產(chǎn)生滑坡的地震烈度黃土區(qū)約為Ⅵ度，石質(zhì)山區(qū)Ⅶ度［10］，可見在禮縣能產(chǎn)生這類滑坡的地震是比較常見的。

2 滑坡基本特征

2.1 滑坡概況

陳莊滑坡（圖1）位于禮縣城關(guān)鎮(zhèn)石碑村陳莊組與土山村之間。該滑坡所處位置宏觀地貌為中山地貌，微觀地貌為陡坡，滑坡位于斜坡的下部，河流的左岸，為順向坡，形狀為凹形。

該滑坡屬特大型滑坡，長約1 250 m，寬約1 300 m，厚約30 m，體積約4.875×107 m3，前后緣相對高差約444 m。滑坡主滑方向為155°，坡度30°?；麦w內(nèi)發(fā)育了多個次級滑坡和潛在滑坡，其中沿主滑方向分布了2個滑坡。

2.2 滑坡的形貌特征

（1） 平面形態(tài)

該滑坡整體呈似簸箕形的不規(guī)則平面形態(tài)，滑坡側(cè)壁以東西部山脊為界，兩側(cè)山脊向北延伸并與北側(cè)的陡坡相連形成平均高差為15 m（最大不足20 m）的黃土陡壁為滑坡后緣，前緣以西漢水河谷西北側(cè)田地村莊為界。

（2） 后壁和側(cè)壁

該滑坡后壁大致呈長弧形圈椅狀。除后部突出山脊處的后壁略緩?fù)猓w較陡，后壁傾角約為60°～80°，局部近直立，高10～20 m（圖2）。后壁整體為黃土覆蓋，底部局部出露紅層。此外后壁表面有較明顯的滑動擦痕，局部有規(guī)模較小的崩塌和裂縫（圖3）。

滑坡兩側(cè)壁處分布著經(jīng)過長時間風(fēng)化等作用后不明顯的雁形排列羽狀張裂縫。

（3） 前部及剪出口

滑坡前部剪出口已被農(nóng)耕修整，黃土堆積物覆蓋未找到明顯的剪出口，滑坡舌呈小范圍“平原”向谷地外延伸的形態(tài)，滑坡前緣后部局部可見由次級滑坡滑動造成的陡坎（圖4）。

2.3 滑坡微地貌特征

（1） 平臺及陡坎

滑坡后壁前存在平臺，未被夷為平地，靠近側(cè)壁和后壁處較陡。平臺上覆黃土疏松，節(jié)理裂隙較發(fā)育。

在滑坡后緣和次級滑坡的后壁上發(fā)育有高約5～15 m的陡坎，傾角50°～70°，物質(zhì)組成為黃土和紅層，其中后部有紅層出露（圖5）。

（2） 沖溝

坡體中沖溝發(fā)育，長20～300 m不等，形狀為“V”型（圖6），溝口處于滑坡前部，深度隨兩側(cè)地形不等，兩側(cè)有小崩塌，溝內(nèi)黃土層垂直節(jié)理和裂縫發(fā)育。局部溝底黃土與棕紅色泥巖接觸面清晰，為厚約10～25 cm的褐紅色滑帶土。部分溝中有徑流沖刷侵蝕而成的黃土橋連接沖溝兩側(cè)。

（3） 落水洞與裂縫

落水洞與裂縫主要分布在后壁下方、平臺后部、陡坎前部和沖溝尾部。落水洞呈圓形，大小深度各不相等，直徑0.5～1.5 m，深度1～3 m（圖7）。此外坡體內(nèi)發(fā)育多條縱向裂縫，排列位置大致呈放射狀，貫通性好，長度在5～20 m間，張開度4～30 cm間，裂縫內(nèi)均有少量風(fēng)化土充填。

2.4 滑坡地層結(jié)構(gòu)

該滑坡上覆第四系風(fēng)成黃土，下伏第三系紅色泥巖（圖8）。

滑體為第四系風(fēng)成黃土，結(jié)構(gòu)松散零亂，滑體中碎石含量約5%，碎石大小為30 cm（長）×20 cm（寬）×10 cm（高）。垂直節(jié)理發(fā)育，承載力較差，屬低承載力、高壓縮性土。

滑面為弧形，后緣較陡，埋深約30 m?；瑤翆佘泿r滑帶土，為粉質(zhì)黏土，其中黏粒含量較高，厚度約0.25 m，濕，呈軟塑狀。

滑床為第三系泥巖，局部為砂質(zhì)泥巖，基巖產(chǎn)狀為190°∠5°，棕紅色，表面風(fēng)化破碎，風(fēng)化帶厚度約0.3 m，具層理，成巖作用較弱，屬極軟巖，在原狀結(jié)構(gòu)條件下，力學(xué)性質(zhì)較差。

3 滑坡失穩(wěn)機理及穩(wěn)定性分析

3.1 模型建立

地震作用考慮為在基巖底部輸入水平地震加速度時程（不考慮豎向地震力），并認(rèn)為在地震到達時地震加速度同時作用在模型的每一個單元節(jié)點上。

模擬時首先采用線彈性土體模型進行靜力計算獲得初始應(yīng)力，將其作為動力分析的初始條件，采用等效線性材料模式進行有限元動力分析，得到不同時刻地震力作用下的應(yīng)力、應(yīng)變;同時采用Morgenstern－Price法和Newmark永久位移法［11］得出滑坡沿指定滑面的安全系數(shù)和永久位移時程曲線。

選取陳莊滑坡典型剖面（圖8）作為研究對象，綜合考慮計算速度與精度要求，共劃分4 773個有限元網(wǎng)格單元，4 879個節(jié)點。邊界條件采用位移約束：靜力計算時，左、右邊界約束水平向位移，底部雙向位移約束;動力計算時，左、右邊界為豎向約束，底部邊界保持雙向約束不變。

3.2 計算參數(shù)

地層力學(xué)參數(shù)方面，通過室內(nèi)試驗和工程類比，該滑坡體主要組成地層的力學(xué)參數(shù)指標(biāo)列于表1。

地震參數(shù)設(shè)置方面，本次模擬選取《禮縣縣城及鹽官鎮(zhèn)地震小區(qū)劃項目報告》禮縣縣城及鹽官鎮(zhèn)地震小區(qū)劃項目報告.蘭州：甘肅省地震工程研究院，2013.所提供的禮縣縣城50年超越概率63%、10%、2%的人工計算場地基巖地震動時程分別作為輸入地震動（簡稱為工況一、工況二、工況三），其地震動加速度峰值分別為0.069? 97g、0.287 14g、0.518 72g。在保證計算精度的情況下，為方便求解，本次模擬選取0～20 s的數(shù)據(jù)，定義時間步長為0.02 s。數(shù)值模擬采用的地震波時程曲線見圖9。

3.3 結(jié)果分析

（1） 應(yīng)力和變形分析

以工況三為例研究滑坡在地震作用下的應(yīng)力和變形特征，將滑坡在天然自重作用下的變形歸零后，施加地震動加速度時程曲線。

地震作用后，滑坡體應(yīng)力最大值和整個應(yīng)力場（圖10）均發(fā)生了變化，滑坡體應(yīng)力較震前有明顯的增加，并出現(xiàn)了應(yīng)力集中帶。坡面上，由于底層巖體受到張拉力的作用，沿著坡面一定深度范圍內(nèi)的應(yīng)力值減小。潛在滑面上，由于主滑段上X向拉應(yīng)力集中帶導(dǎo)致其上部剪應(yīng)力有明顯的增加。

最大剪應(yīng)變方面（圖11），在地震作用下，坡體產(chǎn)生了剪切變形。隨著地震動的作用，沿滑帶中上部出現(xiàn)剪應(yīng)變集中帶，相對地震前應(yīng)變值明顯增大，貫通率也顯著增大，地震初期（5 s、10 s）時伴隨著剪應(yīng)變值在潛在滑帶和滑體內(nèi)增大的同時，剪應(yīng)變集中帶分布范圍沿著主滑段延伸，地震作用后期（15 s、20 s）剪應(yīng)變值繼續(xù)在滑面和滑體內(nèi)增大;主滑段最大剪應(yīng)變集中帶繼續(xù)擴展，同時下部抗滑段上也出現(xiàn)了剪應(yīng)變集中帶，最后基本貫通了整個滑面。

從位移分布（圖12～13）可以看出，滑坡的位移最大值為3.059 m，水平向位移分量最大值為2.726 m，出現(xiàn)在坡面中后部地形陡緩過渡處，即次級滑面和前緣潛在滑面后緣處。此外滑坡的后緣位移較前緣大，這與滑坡在變形破壞中后緣易出現(xiàn)拉裂縫變形現(xiàn)象相吻合。下覆基巖整體穩(wěn)定，位移變化不大，上覆滑體位移較下伏基巖位移大一些，潛在滑面上主滑段和牽引段基本都出現(xiàn)了一定的位移，可見該滑坡會發(fā)生整體滑動。

（2） 穩(wěn)定性評價

陳莊滑坡在地震動作用下沿現(xiàn)場勘探確定的推測主滑面和前緣潛在滑面（圖8）的安全系數(shù)時程曲線和Newmark永久位移時程曲線見圖14～16。

滑坡在工況一：50年超越概率63%，加速度峰值為0.069 97g地震動作用下（圖14），沿主滑面的安全系數(shù)最小值為1.139 984，發(fā)生在4.8 s時，永久位移為0;沿前緣潛在滑面的安全系數(shù)最小值為1.132 197，發(fā)生在16.8 s時，永久位移為0?？梢娀略诠r一下雖按最小安全系數(shù)判定處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但沿主滑面和前緣潛在滑面都沒有滑動，是穩(wěn)定的。

滑坡在工況二：50年超越概率10%，加速度峰值為0.287 14g的地震動荷載作用下（圖15），沿主滑面的安全系數(shù)最小值為1.028 769，發(fā)生在18.6 s時，永久位移為0;沿前緣潛在滑面的安全系數(shù)最小值為0.979 481，發(fā)生在7.4 s時，永久位移為0.000 91 m。可見該滑坡在工況二下沿主滑面按最小安全系數(shù)判定處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，沒發(fā)生位移;沿前緣潛在滑面按最小安全系數(shù)判定處于不穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生了很小的位移。

滑坡在工況三：50年超越概率2%，加速度峰值為0.518 72g的地震動荷載作用下（圖16），沿主滑面的安全系數(shù)最小值為0.692 95，發(fā)生在18.6 s時，永久位移為0.681 55 m;沿前緣潛在滑面的安全系數(shù)最小值為0.740 833，發(fā)生在7.4 s時，永久位移為1.189 13 m。可見滑坡在工況三下沿主滑面和前緣滑面都處于不穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生了滑動。

在地震荷載作用下，選用整個地震歷時中的最小安全系數(shù)評價滑坡的穩(wěn)定性沒有考慮地震荷載作用的過程和邊坡破壞的積累性是不合理的［12］。本文采用文獻［12］提出的最小平均安全系數(shù)［式（1）］作為評價指標(biāo)：

Fsmin=Fso-0.65（Fso-Fsmin）（1）

式中：Fso為邊坡在靜力作用下的安全系數(shù);Fsmin為地震作用下安全系數(shù)隨震動過程而波動的最小值。

采用上述方法沿指定滑動面下所計算的最小平均安全系數(shù)列于表2，與上述Newmark永久位移結(jié)合最小安全系數(shù)判定的穩(wěn)定性結(jié)論基本一致。同時隨著輸入地震動的增大，最小平均安全系數(shù)逐漸減小，滑坡穩(wěn)定性降低，其中在50年超越概率2%的基巖地震動時程作用下陳莊滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文以禮縣陳莊黃土－泥巖接觸面滑坡為例，在對其發(fā)育特征調(diào)查的基礎(chǔ)上，對其在地震作用下的動力響應(yīng)進行了數(shù)值分析，從而對地震作用下黃土－泥巖接觸面滑坡的失穩(wěn)機理和穩(wěn)定性進行了動態(tài)分析研究。結(jié)果表明：

（1） 陳莊黃土－泥巖接觸面滑坡長約1 250 m，寬約1 300 m，高約330 m，厚約30 m，體積約4.875×107 m3，坡度為30°，屬巨型滑坡。該滑坡呈現(xiàn)出如下特征：簸箕形的平面形態(tài)，陡峭的后壁，兩側(cè)分布著雁形排列的羽狀張裂縫，前緣大量黃土堆積，坡內(nèi)發(fā)育著眾多沖溝，落水洞及裂縫，黃土上覆于第三系泥巖的地層結(jié)構(gòu)。這些特征為陳莊黃土－泥巖接觸面滑坡失穩(wěn)機理的探討提供了研究基礎(chǔ)。

（2） 陳莊滑坡在地震誘發(fā)作用下失穩(wěn)機理過程為：地震作用下，首先由于底層巖體的張拉作用，導(dǎo)致潛在滑面主滑段中上部剪應(yīng)力較地震前有明顯的增加，出現(xiàn)了剪應(yīng)變集中帶;隨著地震動的作用，剪應(yīng)變集中帶從主滑段中上部向兩端延伸擴展，直至在潛在滑面中形成一個貫通的滑動區(qū)域?qū)е禄率Х€(wěn)破壞，是受拉和受剪的復(fù)合破壞作用，即地震作用→底部巖體受張拉→潛在滑面主滑段上部剪應(yīng)力增大→剪應(yīng)變集中帶出現(xiàn)→剪應(yīng)變集中帶延伸擴展貫通→滑坡失穩(wěn)。

（3） 隨著輸入地震動的增大，滑坡穩(wěn)定性降低：陳莊滑坡在50年超越概率63%的基巖地震動作用下沿主滑面處于穩(wěn)定狀態(tài)，沿前緣潛在滑面處于基本穩(wěn)定狀態(tài);在50年超越概率10%的基巖地震動作用下沿主滑面處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，沿前緣潛在滑面處于欠穩(wěn)定狀態(tài);在50年超越概率2%的基巖地震動作用下沿主滑面和前緣潛在滑面都處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

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（本文編輯：張向紅）

收稿日期：2020-10-09

基金項目：甘肅省地震局地震科技發(fā)展基金項目（2021M7，2016M04）

第一作者簡介：馬紫娟（1983- ），女，碩士，高級工程師，主要從事地震地質(zhì)災(zāi)害方面的研究。E－mail：65052042@qq.com。

通信作者：張有龍（1968-），男，碩士，高級工程師，主要從事地震地質(zhì)和工程地震方面的研究和應(yīng)用。E－mail：Ljxx1968＠163.com。