引言

地震发生时滑坡是黄土丘陵区的一种主要次生灾害,往往会给人民的生命财产带来巨大的损失。如何避免滑坡造成的危害是地震灾害防御的一项重要工作,也是在工程项目可行性研究阶段的一项不可或缺的评价内容。在现行的评价工作中,对边坡稳定性分析主要遵循以定性分析为主、定量计算为辅的综合性评价原则(中华人民共和国国家标准,2002)。边坡的稳定性分析更多的是考虑自然条件,如水文地质、工程地质、岩体结构特征等因素,并没有考虑边坡在地震力作用下的稳定性。在地震力作用影响下滑坡评价方法非常复杂,目前并无成熟和系统的方法。而在实际评价工作中一般是根据收集、调查和勘测的资料,结合已有的历史资料与历史记录,采用理论计算或经验方法进行判定(中华人民共和国国家标准,2006)。其中更多的是只对滑坡发生的可能性进行讨论,而对滑坡的影响范围并未做出具体的评判(李自红等,2013;2012)。

本文以吕梁市新城作为研究区,通过对研究区地质条件、地貌特征的研究,定量分析地震力(以地震加速度表示)对潜在滑坡体稳定性的影响(潜在滑坡体是否失稳以及失稳滑动产生的范围),旨在为研究区内工程项目选址提供依据,同时为同类工程中滑坡的地震地质灾害定量评价提供参考。

1 研究区的地震地质概况
1.1 地形地貌特征

研究区位于吕梁市现有城区北部,构造上属于吕梁山断块隆起区,该区在间歇性抬升的新构造运动中多发育“V”形谷。区内东部和西部为中、低山丘陵,中部为北川河谷地。地形总体呈东、西两面高,中间低的特征。东、西山区地形切割严重,沟谷发育,斜坡坡度较陡;中部河谷深切,各支流两侧及黄土沟壑边部坡陡峻。这些特殊的地形地貌使得研究区内东、西两侧容易发生滑坡灾害。

1.2 地层岩性

研究区内东、西两侧斜坡地带出露的地层岩性多以粉土、粉质粘土为主。其中粉质粘土呈硬塑-坚硬状态;粉土覆盖于粉质粘土之上,土质单一,垂直节理发育,具有孔隙,湿陷性较大,呈水平层状分布,厚度5—10m。区域内的土体易沿粉土和粉质粘土界面、节理裂隙面产生滑动。

1.3 地震活动

地震是诱发地质灾害的主要动力因素之一。研究区属吕梁山断块隆起区,地震烈度属弱震区,但在场地东南历史上曾发生过1829年离石5½级地震,对研究区的影响烈度为Ⅶ度。根据“吕梁市新城地震小区划”(山西省地震工程勘察研究院,2013)给出的地震小区划,研究区50年超越概率10%的地震峰值加速度为130gal,属于0.10g区,地震基本烈度为Ⅶ度。

2 评价方法简介

评价方法采用离散单元法(DEM),它是由美国的Cundall 于1971年提出的一种岩石力学计算方法(王泳嘉等,1991)。其理论基础为牛顿第二定律,运动方程为:

(1)
m d2u
dt2
(t)+c du
dt
+ku(t)=f(t)

式中,m为单元体的质量;u为位移;t为时间;c为粘性阻尼;k为刚度系数;f为单元体所受的外荷载。

该方法认为,单元体介质是由不同的多边形刚性块体组成,块体之间呈角-角接触、角-边接触、边-边接触(王卫华等,2005),块体之间的运动通过迭合、滑动、分离来实现。当块体所受的作用力和边界约束条件发生改变时,块体之间会产生作用力,根据这个作用力可以求出块体的加速度、速度和位移。这样各块体之间的空间状态会发生新的变化,块体之间产生新的位移。由于位移失量差的存在(刘凯欣等,2003),根据力-位移间的关系,又可以得出块体之间新的作用力,然后求出新的加速度、速度和位移。如此反复迭代,直至整个系统的作用力、位移达到平衡状态,从而将岩体的运动状态过程模拟出来。

离散单元法(DEM)的基本特点是允许有限位移和各离散块体发生平动、转动、甚至相互分离,弥补了有限元法或边界元法对介质连续和小变形的限制。对于具有节理结构的块裂介质的不连续变形及破坏问题的分析具有优势。该方法不但可以考虑块体之间接触面的滑移、分离和倾倒等大变形,还可计算岩体内的变形和应力分布,可以很好地求解非线性大位移和动力稳定性问题(周先齐等,2008)。离散元的二维数值程序,可以模拟地震波在岩体中的传播规律,而且在计算过程中可以自动判别块体之间可能出现的新的接触关系。因此,该方法可以很好地用来模拟地震力作用下边坡节理化岩体渐进破坏以及失稳后的运动过程。

国内外学者利用离散单元法在很多方面进行过研究,如:非连续大位移变形的山体滑坡研究、大坝滑坡体的稳定性研究、黄土坡滑坡与深部地质环境的关系研究等,特别是在边坡稳定性分析中得到了广泛的运用(焦玉勇等,2001)。

通过选取一定数量的剖面进行模拟计算,可以得到每个剖面处滑坡体的影响范围,同时通过分析研究区内其他区段边坡的地层、地形分布特征,采用类比法可综合给出整个研究区滑坡灾害的影响范围。

3 计算剖面和参数的选择
3.1 剖面的选择

研究区大致呈南北走向,东西长约16km,两侧紧邻山区,南北最宽处约2.5km。东西两侧普遍存在较陡斜坡,沿线地形、地层分布相似,部分区域前缘由于沟岸侵蚀或人工开挖形成临空面。通过野外地质调查,研究区内共存在潜在滑坡体40处,各坡体的坡高范围70—180m,坡角范围30—80°。由于潜在滑坡体多,如对每处剖面都进行分析,那么计算工作量将非常庞大,为此本文选取典型的剖面进行分析。典型剖面的选取原则为:①考虑研究区内所有不同的坡度、不同坡高的边坡;②在边坡坡体高差相差10m、坡角相差5°的范围内选取一个典型剖面;③计算剖面在研究区内尽可能均匀分布。

根据以上原则在研究区范围选取控制剖面23条(见图1)。这些剖面基本上能反映区内的所有边坡情况。

3.2 模型建立和参数确定

(1)滑坡影响因子的选择

形成地震滑坡的因素很多,包括地形地貌、地层岩性、地下水、植被条件以及外部动力(如降水、人为因素、地震力)等。笔者对滑坡灾害影响因子的选择,参考了长安大学对黄土崩塌、滑坡研究的成果。如:谷天峰等(2006)选取土的粘聚力c、土的内摩擦角 、坡度、坡高、地震地面运动最大加速度、斜坡结构类型,对甘肃黑方台滑坡进行了评价(单体滑坡);王亚强等(2004)选取地震动峰值加速度、地貌、地层、坡度、天然密度,对黄土高原地震滑坡进行了评价。从以上评价的经验得知,在黄土高原地区进行地震滑坡、崩塌评价时应考虑地震力、地层、坡度等因素是可行的(王兰民等,2003)。

本文在搜集了研究区内大量的勘察资料的基础上,根据具体的地质条件,并结合选取的坡度、高程(后缘至剪出口高差)、内聚力c、内摩擦角 、地震力等参数,采用合适的因子容量,重点突出地震力诱发滑坡的主导因子作用,对边坡的稳定性进行了分析计算。

(2)岩体力学参数的选取

模似计算所采用的岩体力学参数包括:密度、内聚力c、内摩擦角 值、体积模量、剪切模量。其中密度、c、 值采用现场采集土样测试结果,体积模量、剪切模量来自山西省吕梁地区经验值,具体数值如表1所示。

图 1 计算剖面分布图 Fig. 1Map of calculation profile

(3)边界条件

数值模拟计算边界选取原则为:左右侧取自由场边界,底边界垂直向位移约束并为黏滞边界,这样可以减少地震波的反射而损失能量,地震动力荷载加在斜坡底部边界上。

表1 数值模拟岩体物理力学参数 Table 1 Physical parameters of rock in numerical simulation

(4)输入地震力

笔者主要考虑水平地震力的作用,选取50年超越概率10%对应的地震强度作为诱发滑坡地震力的输入。由于水平加速度时程曲线表示的动力荷载不能直接加在黏滞边界上,输入的应力曲线通过以下方法获得:根据50年超越概率10%的水平加速度反应谱合成水平加速度时程(图2);再利用Seismosignal软件对加速度时程曲线进行基线与滤波校正;在此基础上利用数值积分的方法转化为速度时程曲线(图2),再将速度曲线转化为应力曲线,然后加在底部边界上。

图 2 水平加速度时程曲线与速度时程曲线(50a 10%) Fig. 2Horizontal acceleration time history and velocity time history (50a 10%)
4 计算结果分析
4.1 安全系数的选取原则

考虑到不稳定斜坡致灾的重要性及危害性,取一定的安全系数作为边坡稳定性的评价标准。安全系数的选择按《滑坡防治工程设计与施工技术规范(DZ/T0219-2006)》取值(中华人民共和国地质矿产行业标准,2006)。根据单个滑坡体产生失稳时受灾程度少于500人的一般集镇、县级中型工矿企业等因素,确定滑坡防治工程的级别为Ⅲ级,综合滑坡防治工程设计安全系数推荐表中防治工况取Ⅳ类(地震工况下),对应的安全系数取Ks=1.05。当计算潜在滑坡体最小安全系数大于该值时,则潜在滑坡体为稳定,否则为失稳坡体,此时计算坡体失稳时产生的滑移量。

4.2 剖面计算结果分析

在研究区范围内参与计算的剖面有23条。由于篇幅所限,笔者取比较典型的“04剖面”在遭遇地震力的作用下,计算出的滑坡体的稳定性结果进行分析。

“04剖面”位于西属巴中学西侧,地貌上属黄土丘陵边缘,坡体高度约120m,坡角约60º,地层主要为马兰黄土。沿边坡发育小型冲沟,边坡上呈现1—2m台阶状黄土坎,如图3所示。

用上述方法进行计算,在50年超越概率为10%(Amax=130gal)水平地震荷载工况下,该坡体最小安全系数为1.019,小于安全系数Ks=1.05,因此处于不稳定状态。其应变等值线如图4所示,从图中可以看出,坡体(特别是坡脚部位)由内向外,应变逐渐增加,并集中于坡脚部位,这与滑坡剪出口部位相吻合。在这种状况下坡体将会失稳下滑,经模拟计算前缘滑距可达86.01m,如图5所示。

图 3“04剖面”坡体剖面图 Fig. 3The slope section of “04”profile
图 4 地震荷载条件下坡体应变等值线图(50a 10%) Fig. 4Strain contour map of the slope under seismic load condition
图 5 剖面滑移模拟图(50a 10%) Fig. 5Simulation diagram showing slip movement in section
4.3 研究区滑坡影响范围的确定

研究区内23个剖面的计算结果如表2所示。

表2 滑坡体前缘滑动距离汇总表 Table 2 Summary of the sliding distance at the front edge of the landslide

从表2可以看出,在研究区内坡体的稳定性取决于坡角,坡角越大,坡体越不稳定。坡体失稳时前缘的滑动距离与坡角和坡高有关。因此笔者根据区域内潜在滑坡体的坡角、高度、岩层分布,将评价区范围内潜在滑坡体与参与计算的典型滑坡剖面进行了类比,视具有相似地形和地层特点的滑坡体具有相似的失稳特征,并根据这一原则将研究区范围内的各潜在滑坡体在地震力Amax=130gal(50a 10%)作用下的影响范围综合界定,得到了评价区域范围内地震滑坡灾害的影响范围,如图6所示。

5 结语

(1)采用数值模拟方法可以完成崩塌、滑坡评价中的定量分析,可为工程项目的规划选址提供较精确的数据,为更合理地利用土地资源提供有利的参考依据。

(2)当研究区段涉及的范围较大时,在进行滑坡灾害定量评价时,可选取具有典型的剖面进行模拟计算。典型剖面的选择可考虑研究区内的地貌、地层特征,选取剖面应代表区内的不同情况。在此条件下可以采用类比法,得出研究区内所有潜在滑坡体在地震力作用下的滑动特征。

图 6 研究区内地震滑坡的影响范围 Fig. 6Effected range of earthquake induced landslide zones

(3)离散单元法(DEM)作为一种日趋成熟的数值模拟方法,在理论上还存在一些不足,如方法中的法向、切向刚度是人为假设的,节理也是统计分析得出的,由此得到的模拟结果与实际情况有所偏差。在以后的实践中应进一步加强模拟分析结果与实验结果的对比,从而找出该方法的不足,并有针对性地改进。

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