數值模擬在地震小區劃滑坡災害評價中的應用

曾金艷 陳 文 扈桂讓 莊明芳

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數值模擬在地震小區劃滑坡災害評價中的應用

曾金艷1，2）陳 文3）扈桂讓1，2）莊明芳1，2）

1）山西省地震局，太原030002?2）太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，太原030025?3）北京美辰建筑抗震工程有限公司，北京100027

工程場地地震安全性評價、特別是在地震小區劃工作中，對地震滑坡的評價通常采用定性分析方法，因此，對其影響范圍未給出定量的評價結果。本文以呂梁新城地震小區劃滑坡評價為例，通過對該區的地質條件、地貌特征的研究，針對具有典型特征的剖面，選取地震力、內聚力、摩擦角作為影響因子，采用離散單元法（DEM）對潛在滑坡體的穩定性進行了數值模擬計算，得到了可能失穩的滑坡體潛在滑動的影響范圍。并在此基礎上通過對已知滑坡與潛在滑坡剖面結構特征的類比，對整個研究區內滑坡體的影響范圍進行了評價。研究結果可為呂梁新城的規劃提供依據，也可為同類工程中地震滑坡災害的定量評價提供參考。

地震小區劃 滑坡 定量分析 類比法

引言

地震發生時滑坡是黃土丘陵區的一種主要次生災害，往往會給人民的生命財產帶來巨大的損失。如何避免滑坡造成的危害是地震災害防御的一項重要工作，也是在工程項目可行性研究階段的一項不可或缺的評價內容。在現行的評價工作中，對邊坡穩定性分析主要遵循以定性分析為主、定量計算為輔的綜合性評價原則（中華人民共和國國家標準，2002）。邊坡的穩定性分析更多的是考慮自然條件，如水文地質、工程地質、巖體結構特征等因素，并沒有考慮邊坡在地震力作用下的穩定性。在地震力作用影響下滑坡評價方法非常復雜，目前并無成熟和系統的方法。而在實際評價工作中一般是根據收集、調查和勘測的資料，結合已有的歷史資料與歷史記錄，采用理論計算或經驗方法進行判定（中華人民共和國國家標準，2006）。其中更多的是只對滑坡發生的可能性進行討論，而對滑坡的影響范圍并未做出具體的評判（李自紅等，2013；2012）。

本文以呂梁市新城作為研究區，通過對研究區地質條件、地貌特征的研究，定量分析地震力（以地震加速度表示）對潛在滑坡體穩定性的影響（潛在滑坡體是否失穩以及失穩滑動產生的范圍），旨在為研究區內工程項目選址提供依據，同時為同類工程中滑坡的地震地質災害定量評價提供參考。

1 研究區的地震地質概況

1.1 地形地貌特征

研究區位于呂梁市現有城區北部，構造上屬于呂梁山斷塊隆起區，該區在間歇性抬升的新構造運動中多發育“V”形谷。區內東部和西部為中、低山丘陵，中部為北川河谷地。地形總體呈東、西兩面高，中間低的特征。東、西山區地形切割嚴重，溝谷發育，斜坡坡度較陡；中部河谷深切，各支流兩側及黃土溝壑邊部坡陡峻。這些特殊的地形地貌使得研究區內東、西兩側容易發生滑坡災害。

1.2 地層巖性

研究區內東、西兩側斜坡地帶出露的地層巖性多以粉土、粉質粘土為主。其中粉質粘土呈硬塑-堅硬狀態；粉土覆蓋于粉質粘土之上，土質單一，垂直節理發育，具有孔隙，濕陷性較大，呈水平層狀分布，厚度5—10m。區域內的土體易沿粉土和粉質粘土界面、節理裂隙面產生滑動。

1.3 地震活動

地震是誘發地質災害的主要動力因素之一。研究區屬呂梁山斷塊隆起區，地震烈度屬弱震區，但在場地東南歷史上曾發生過1829年離石5?級地震，對研究區的影響烈度為Ⅶ度。根據“呂梁市新城地震小區劃”（山西省地震工程勘察研究院，2013）給出的地震小區劃，研究區50年超越概率10%的地震峰值加速度為130gal，屬于0.10g區，地震基本烈度為Ⅶ度。

2 評價方法簡介

評價方法采用離散單元法（DEM），它是由美國的Cundall 于1971年提出的一種巖石力學計算方法（王泳嘉等，1991）。其理論基礎為牛頓第二定律，運動方程為：

式中，為單元體的質量；為位移；為時間；為粘性阻尼；為剛度系數；為單元體所受的外荷載。

該方法認為，單元體介質是由不同的多邊形剛性塊體組成，塊體之間呈角-角接觸、角-邊接觸、邊-邊接觸（王衛華等，2005），塊體之間的運動通過迭合、滑動、分離來實現。當塊體所受的作用力和邊界約束條件發生改變時，塊體之間會產生作用力，根據這個作用力可以求出塊體的加速度、速度和位移。這樣各塊體之間的空間狀態會發生新的變化，塊體之間產生新的位移。由于位移失量差的存在（劉凱欣等，2003），根據力-位移間的關系，又可以得出塊體之間新的作用力，然后求出新的加速度、速度和位移。如此反復迭代，直至整個系統的作用力、位移達到平衡狀態，從而將巖體的運動狀態過程模擬出來。

離散單元法（DEM）的基本特點是允許有限位移和各離散塊體發生平動、轉動、甚至相互分離，彌補了有限元法或邊界元法對介質連續和小變形的限制。對于具有節理結構的塊裂介質的不連續變形及破壞問題的分析具有優勢。該方法不但可以考慮塊體之間接觸面的滑移、分離和傾倒等大變形，還可計算巖體內的變形和應力分布，可以很好地求解非線性大位移和動力穩定性問題（周先齊等，2008）。離散元的二維數值程序，可以模擬地震波在巖體中的傳播規律，而且在計算過程中可以自動判別塊體之間可能出現的新的接觸關系。因此，該方法可以很好地用來模擬地震力作用下邊坡節理化巖體漸進破壞以及失穩后的運動過程。

國內外學者利用離散單元法在很多方面進行過研究，如：非連續大位移變形的山體滑坡研究、大壩滑坡體的穩定性研究、黃土坡滑坡與深部地質環境的關系研究等，特別是在邊坡穩定性分析中得到了廣泛的運用（焦玉勇等，2001）。

通過選取一定數量的剖面進行模擬計算，可以得到每個剖面處滑坡體的影響范圍，同時通過分析研究區內其他區段邊坡的地層、地形分布特征，采用類比法可綜合給出整個研究區滑坡災害的影響范圍。

3 計算剖面和參數的選擇

3.1 剖面的選擇

研究區大致呈南北走向，東西長約16km，兩側緊鄰山區，南北最寬處約2.5km。東西兩側普遍存在較陡斜坡，沿線地形、地層分布相似，部分區域前緣由于溝岸侵蝕或人工開挖形成臨空面。通過野外地質調查，研究區內共存在潛在滑坡體40處，各坡體的坡高范圍70—180m，坡角范圍30—80°。由于潛在滑坡體多，如對每處剖面都進行分析，那么計算工作量將非常龐大，為此本文選取典型的剖面進行分析。典型剖面的選取原則為：①考慮研究區內所有不同的坡度、不同坡高的邊坡；②在邊坡坡體高差相差10m、坡角相差5°的范圍內選取一個典型剖面；③計算剖面在研究區內盡可能均勻分布。

根據以上原則在研究區范圍選取控制剖面23條（見圖1）。這些剖面基本上能反映區內的所有邊坡情況。

3.2 模型建立和參數確定

（1）滑坡影響因子的選擇

形成地震滑坡的因素很多，包括地形地貌、地層巖性、地下水、植被條件以及外部動力（如降水、人為因素、地震力）等。筆者對滑坡災害影響因子的選擇，參考了長安大學對黃土崩塌、滑坡研究的成果。如：谷天峰等（2006）選取土的粘聚力、土的內摩擦角、坡度、坡高、地震地面運動最大加速度、斜坡結構類型，對甘肅黑方臺滑坡進行了評價（單體滑坡）；王亞強等（2004）選取地震動峰值加速度、地貌、地層、坡度、天然密度，對黃土高原地震滑坡進行了評價。從以上評價的經驗得知，在黃土高原地區進行地震滑坡、崩塌評價時應考慮地震力、地層、坡度等因素是可行的（王蘭民等，2003）。

本文在搜集了研究區內大量的勘察資料的基礎上，根據具體的地質條件，并結合選取的坡度、高程（后緣至剪出口高差）、內聚力、內摩擦角、地震力等參數，采用合適的因子容量，重點突出地震力誘發滑坡的主導因子作用，對邊坡的穩定性進行了分析計算。

（2）巖體力學參數的選取

模似計算所采用的巖體力學參數包括：密度、內聚力、內摩擦角值、體積模量、剪切模量。其中密度、、值采用現場采集土樣測試結果，體積模量、剪切模量來自山西省呂梁地區經驗值，具體數值如表1所示。

（3）邊界條件

數值模擬計算邊界選取原則為：左右側取自由場邊界，底邊界垂直向位移約束并為黏滯邊界，這樣可以減少地震波的反射而損失能量，地震動力荷載加在斜坡底部邊界上。

表1 數值模擬巖體物理力學參數

（4）輸入地震力

筆者主要考慮水平地震力的作用，選取50年超越概率10%對應的地震強度作為誘發滑坡地震力的輸入。由于水平加速度時程曲線表示的動力荷載不能直接加在黏滯邊界上，輸入的應力曲線通過以下方法獲得：根據50年超越概率10%的水平加速度反應譜合成水平加速度時程（圖2）；再利用Seismosignal軟件對加速度時程曲線進行基線與濾波校正；在此基礎上利用數值積分的方法轉化為速度時程曲線（圖2），再將速度曲線轉化為應力曲線，然后加在底部邊界上。

4 計算結果分析

4.1 安全系數的選取原則

考慮到不穩定斜坡致災的重要性及危害性，取一定的安全系數作為邊坡穩定性的評價標準。安全系數的選擇按《滑坡防治工程設計與施工技術規范（DZ/T0219-2006）》取值（中華人民共和國地質礦產行業標準，2006）。根據單個滑坡體產生失穩時受災程度少于500人的一般集鎮、縣級中型工礦企業等因素，確定滑坡防治工程的級別為Ⅲ級，綜合滑坡防治工程設計安全系數推薦表中防治工況取Ⅳ類（地震工況下），對應的安全系數取s=1.05。當計算潛在滑坡體最小安全系數大于該值時，則潛在滑坡體為穩定，否則為失穩坡體，此時計算坡體失穩時產生的滑移量。

4.2 剖面計算結果分析

在研究區范圍內參與計算的剖面有23條。由于篇幅所限，筆者取比較典型的“04剖面”在遭遇地震力的作用下，計算出的滑坡體的穩定性結果進行分析。

“04剖面”位于西屬巴中學西側，地貌上屬黃土丘陵邊緣，坡體高度約120m，坡角約60o，地層主要為馬蘭黃土。沿邊坡發育小型沖溝，邊坡上呈現1—2m臺階狀黃土坎，如圖3所示。

用上述方法進行計算，在50年超越概率為10%（max=130gal）水平地震荷載工況下，該坡體最小安全系數為1.019，小于安全系數s=1.05，因此處于不穩定狀態。其應變等值線如圖4所示，從圖中可以看出，坡體（特別是坡腳部位）由內向外，應變逐漸增加，并集中于坡腳部位，這與滑坡剪出口部位相吻合。在這種狀況下坡體將會失穩下滑，經模擬計算前緣滑距可達86.01m，如圖5所示。

4.3 研究區滑坡影響范圍的確定

研究區內23個剖面的計算結果如表2所示。

表2 滑坡體前緣滑動距離匯總表

從表2可以看出，在研究區內坡體的穩定性取決于坡角，坡角越大，坡體越不穩定。坡體失穩時前緣的滑動距離與坡角和坡高有關。因此筆者根據區域內潛在滑坡體的坡角、高度、巖層分布，將評價區范圍內潛在滑坡體與參與計算的典型滑坡剖面進行了類比，視具有相似地形和地層特點的滑坡體具有相似的失穩特征，并根據這一原則將研究區范圍內的各潛在滑坡體在地震力max=130gal（50a 10%）作用下的影響范圍綜合界定，得到了評價區域范圍內地震滑坡災害的影響范圍，如圖6所示。

5 結語

（1）采用數值模擬方法可以完成崩塌、滑坡評價中的定量分析，可為工程項目的規劃選址提供較精確的數據，為更合理地利用土地資源提供有利的參考依據。

（2）當研究區段涉及的范圍較大時，在進行滑坡災害定量評價時，可選取具有典型的剖面進行模擬計算。典型剖面的選擇可考慮研究區內的地貌、地層特征，選取剖面應代表區內的不同情況。在此條件下可以采用類比法，得出研究區內所有潛在滑坡體在地震力作用下的滑動特征。

（3）離散單元法（DEM）作為一種日趨成熟的數值模擬方法，在理論上還存在一些不足，如方法中的法向、切向剛度是人為假設的，節理也是統計分析得出的，由此得到的模擬結果與實際情況有所偏差。在以后的實踐中應進一步加強模擬分析結果與實驗結果的對比，從而找出該方法的不足，并有針對性地改進。

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Application of Numerical Simulation in the Landslide Hazard Assessment of Seismic Micro-zonation

Zeng Jinyan1,2), Chen Wen3), Hu Guirang1,2)and Zhuang Mingfang1,2)

1) Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan 030002, China?2) Continental Rift Valley Dynamics State Observatory of Taiyuan, Taiyuan 030021, China?3) Meichen Building Seismic Engineering Co., Ltd. of Beijing, Beijing 100027, China

In seismic safety evaluation seismic landslide assessment is commonly conducted by qualitative analysis, especially in the seismic micro-zonation work, so quantitative evaluation result of the scope of such hazard is not given. In the paper, taking Lvliang new town as the case study, we selected profiles with typical features through analyzing the geological conditions of the study area. Potential stability of landslides is calculated by the discrete element method, with seismic force, cohesion, friction angle as factors, getting the sliding sphere of influence of the possible instability of the landslides. Considering the potential landslides with the same structural features having the same instability, we inferred the influence scope of the entire study area by analogy the profile characteristics and structural characteristics of the known landslides and the potential landslides. The results provide basis for the planning and sitting of Lvliang new town, and also provide a reference method for quantitatively evaluating the seismic landslide geological hazard in similar projects.

Seismic micro-zonation; Landslide; Quantitative evaluation; Analogy method

2014-04-28

曾金艷，女，生于1970年。1993年畢業于中南工業大學地質系，2011年取得太原理工大學研究生學歷，高級工程師。主要從事工程物探、工程地震等相關方面的研究。E-mail：chenwen-yan@163.com