地震誘發滑坡穩定性分析及監測預警方法研究*

陶志剛 曹 輝 秦秀山 劉光生 于世波

(1.北京礦冶研究總院;2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室)

2008年5月12日，四川省汶川8.0級地震發生于青藏高原東緣的龍門山斷裂帶。龍門山斷裂帶主要由汶川—茂汶、北川—映秀、安縣—灌縣平行斷裂構成，主震發生在其中央斷裂［1］，屬于單向破裂，余震在3條斷裂上皆有發生，由SW向NE方向推移。次生災害沿破裂帶及兩側密集分布，并隨著距破裂帶的距離增大而急劇減少［2］。

陜西廣坪鎮距離汶川震中的直線距離約140 km，地震發生時該地區震感強烈，大部分房屋開裂、倒塌。受地震、降雨等因素的綜合影響，鳳凰山坡體上出現多處與邊坡走向一致的裂縫，局部出現蠕變、滑塌等險情，威脅坡下鳳凰街37戶150人的生命安全。

1 基本特征與影響因素分析

1.1 基本特征

鳳凰山西臨廣坪河，東側和南側為曹家溝，北側以斷層谷與主山體相隔，為相對獨立的低山。山體呈EW向展布，山脊高程640～680 m，最高點高程683 m，坡腳高程603～605 m，相對高差40～80 m。平面形態呈曲線形，坡向為128°～165°［3］。該地區的裂縫發育特征如圖1所示，擋土墻變形情況如圖2所示。

圖1 裂縫發育特征

圖2 擋土墻變形

從現場調查情況看，山體南坡發生過錯動，即緊鄰鳳凰街坡體，其坡面較緩，坡度上部25°～40°，下部10°～25°。坡體后緣出現多條沿著邊坡走向的張裂縫，裂縫長約140 m，寬約1.2 m，深度不詳，內充填第四系黏土、碎石和雜草。且受地震波的擾動，坡面表層第四系黏土結構松散，大小裂縫貫穿其中。坡腳處居民后院擋墻沿著滑動方向產生變形外凸，確定為滑坡剪出舌部推擠所致。滑坡和裂縫產生后，由于暴雨頻發，當地政府和居民臨時利用防水帆布對裂縫和坡面進行掩蓋，避免雨水入滲加劇滑坡的發生。

1.2 地層巖性與地質構造

(1)地層巖性。根據勘察資料，滑坡區域地層主要由中上元古界和第四系組成，詳見表1所示。

表1 地層巖性統計表

(2)地質構造。鳳凰山滑坡位于區域大斷裂金山寺—廣坪—陽平關斷裂的上盤和斷裂帶。金山寺—廣坪—陽平關斷裂為區域性逆斷層，斷層上盤巖性為中上元古界口群(Pt2－3bk)淺灰綠色細碧質凝灰巖。下盤為志留系黃綠色絹云千枚巖、板巖、變質砂巖。

1.3 滑坡特征及成因分析

根據現場調研，鳳凰山滑坡周界呈圓弧形，滑體平面呈舌狀，近南北向展布。滑坡后緣沿山脊延伸，西邊界為坡體邊緣，東邊界以沖溝為界，前緣呈弧形沿河谷分布。滑體南北向100～150 m，東西寬380 m，坡向128°～165°。滑坡后緣高程640～660 m，前緣高程603～604 m，高差40～60 m，如圖3所示。

圖3 滑坡體平面

根據調查，1970年以前，滑坡前緣位于公路以南。由于移民搬遷建房、修路，滑體前部已挖掉40～60 cm，現今滑坡前緣多為人工切坡陡坎，并修建擋墻支護。坎高6～10 m，擋墻支護長度約220 m。鳳凰山滑坡體的形成，由內外兩種因素控制。

(1)內在因素。①地形特征:滑坡區為斜坡地形，前后緣高差30～40 m;②巖性特征:邊坡巖土體以粉質黏土為主，滲透性差，不利于雨水和地下水的滲出。

(2)外在因素。①降水:當地屬北亞熱帶熱帶暖濕氣候，年降水量960～1 600 mm。降水使滑體容重增加，降低滑帶土的抗剪強度;②人類工程活動:當地公路及居民房屋建設過度開挖坡腳，形成高陡臨空面，破壞巖體原始應力狀態;③地震:汶川地震產生震動響應，促使滑坡體產生多處裂縫，坡體下錯，巖土體松散。

1.4 地震動參數

根據GB 18306—2001，鳳凰山滑坡區地震動峰值加速度為0.15g，地震基本烈度VII度。

2 邊坡穩定性計算

鳳凰山滑坡體以第四系滑坡為主，因此本次計算采用Geo－slope軟件中的SLOPE/W模塊，SLOPE/W可以對滑移面形狀改變、孔隙水壓力狀況、土體性質、不同的加載方式等巖土工程問題進行分析。

2.1 模型建立

根據現場實測地形及簡化工程地質剖面(如圖4所示)，結合邊坡的實際狀況和破壞特征，對現實邊坡進行適當的概化，建立了鳳凰山滑坡體穩定性計算模型。

圖4 工程地質剖面

2.2 參數設置

鳳凰山邊坡穩定性計算參數，如表2所示。

表2 參數設置

2.3 動力條件

由于距離震源點的距離和位置的不同，地震波到達時通常以一定的角度入射，坡體的動力響應過程是縱橫波耦合作用的結果［4］，造成相同震源距情況下兩者達到的時間存在先后關系。因此，地震對邊坡的穩態影響具有很多不確定性。為了簡化計算，本次考慮縱橫波耦合作用，假設地震發生后其能量主要通過縱波和橫波形式傳播，并以一定角度作用于邊坡。

汶川地震震源深度約14 km，研究區距離震源深度水平距離140 km，縱波傳播波速Vp=6 km/s，橫波傳播速度Vs=3.5 km/s，可計算出震動開始之初，縱波先期到達邊坡，約16.75 s后橫波達到，因此鳳凰山邊坡是在縱波橫波共同的拉壓和剪切作用下發生的耦合變形破壞。

2.4 計算結果及分析

根據鳳凰山滑坡體實際工程地質條件、降雨和坡體正常含水量特征，運用SLOPE計算軟件計算出地震前后邊坡的安全系數，從而判斷地震動力響應對邊坡穩態的影響機制。

(1)無地震力作用下邊坡的穩態分析。當不考慮地震力作用，通過數值計算，確定邊坡的安全系數為Fs=1.177，屬于相對穩定邊坡，計算斷面如圖5所示。

圖5 無地震力影響的邊坡穩定性分析

(2)有地震力作用下邊坡的穩態分析。當充分考慮縱橫波聯合作用力對邊坡穩態的影響，通過數值計算，確定邊坡的安全系數為Fs=0.985＜1，屬于不穩定邊坡，計算斷面如圖6所示。

圖6 考慮地震力影響的邊坡穩定性分析

分析結果顯示，鳳凰山在自然條件下處于臨界穩定狀態，當受到地震、人工開挖擾動等外界動力條件的影響下，安全系數Fs＜1，處于不穩定狀態，安全系數降低16.3%。因此為了確保下方人員和房屋的安全，必須采取有效的防震措施，并且加強邊坡動態監測。

3 滑坡監測點設計方案

3.1 監測原理

以滑動力大于抗剪強度是滑坡產生的充要條件作為滑坡體滑動的主要判據，提出滑動面上抗滑力和下滑力之間的平衡關系是滑坡體內各種因素包括巖性、構造、位移、巖層傾斜、地下水水位變化以及降雨共同作用的結果，決定了邊坡穩定狀態［5-6］。

3.2 監測設備

地震作用條件下鳳凰山滑坡體穩定性監測采用中國礦業大學(北京)自主研發的SPRM－01型滑坡遠程監測預警系統，該系統是一種測量滑動面上下滑力演變特征的監測儀器，由3部分組成:①力學傳感裝置由恒阻通信纜索和作用力傳感器組成;②作用力信號采集－發射裝置是整個系統的核心部分，設備內嵌數據采集模塊、儲存模塊、發射模塊和電源管理模塊;③數據接收－分析終端，由基于北斗衛星通訊平臺，根據力學模型開發了數據自動接收和處理軟件。

3.3 監測點布置方案

2008年8月，在鳳凰山滑坡體上共設計并安裝3個滑動力監測點，監測點間隔20 m(如圖7所示)，編號由坡腳到坡頂順次編號:“廣坪1”、“廣坪2”和“廣坪3”。

圖7 鳳凰山滑坡體監測點分布

3.4 監測結果與分析

鳳凰山滑坡監測預警系統于2008年9月1日正式投入運行，數據采集頻率設定為24條/d。經過近25個月的現場監測，共采集到5.4萬條監測數據。監測結果如圖8所示。

通過對監測數據進行后期處理，發現廣坪3個監測點總體上處于平穩狀態，滑動力隨時間沒有發生突變現象。監測曲線顯示鳳凰山巖土體內部應力達到新的平衡，3個監測點下滑力分別保持在150、190和280 kN，潛在滑動面上的下滑力隨時間變化趨勢平穩，具有豐富的安全儲備，滑坡體處于穩定狀態。

圖8 廣坪監測曲線

4 結論

(1)鳳凰山第四系邊坡在強烈的震動效應和顯著地形放大效應的作用下，致使第四系坡體震裂、松弛，局部區域解體破壞。

(2)地震波的輸入對第四系邊坡的穩定性影響顯著，隨著水平地震系數的引入，邊坡巖體穩定性系數明顯下降。因此，在邊坡穩態分析過程中，要充分考慮地震動效應的影響。

(3)鳳凰山滑坡體目前處于穩定狀態，但是通過SLOPE數值模擬計算發現，當邊坡遇到地震等擾動后，這類型的邊坡巖體強度會立刻降低，因此，建議開展刷坡、噴錨、擋墻加固、掛網、截排水溝等治理措施，避免潛在滑坡隱患。

［1］ 唐益群，呂西林，李建中，等.地震引發青川縣地區主要地質災害淺析［J］.結構工程師，2008，24(3):20-23.

［2］ 崔 鵬，韋方強，陳曉清，等.汶川地震次生山地災害及其減災對策［J］.科技賑災，2008，23(4):317-323.

［3］ 董瑞朝，陳孝剛，陶志剛.陜西鳳凰山滑坡體穩定性評價及敏感性分析［J］.地下空間與工程學報，2012，8(S2):1737-1742.

［4］ 殷鑫銘，劉云鵬，王 銳.地震波作用下崩塌影響因素及破壞機制分析［J］.工程地質學報，2012，2(2):213-221.

［5］ 陶志剛，何滿潮，張 斌.地震作用條件下滑坡體遠程監測預警技術研究［C］∥第十一次全國巖石力學與工程學術大會論文集.北京:中國巖石力學與工程學會，2010:206-211.

［6］ 陶志剛，張永軍，張 輝，等.某礦山小區邊坡穩定性評價及影響因素敏感性分析［J］.金屬礦山，2012，(3):141-144.