基于GeoStudio 的黃土滑坡危險性分析

趙宇宸

（西交利物浦大學(xué)）

1 研究背景

由于處于多組活動斷裂帶的邊緣及交匯帶附近，西和縣東、西兩山區(qū)域經(jīng)常遭受地震及斷裂活動的影響，地震及斷裂活動造成該區(qū)域黃土節(jié)理裂隙十分發(fā)育，形成水平和垂直縱橫上下交織的裂隙網(wǎng)絡(luò)，利于發(fā)生滑坡。另外由于當(dāng)?shù)貥?gòu)造抬升不均勻，使本區(qū)第三系泥巖產(chǎn)狀呈一定角度傾斜，黃土后期繼承性形成相應(yīng)傾斜角度的鈣質(zhì)隔水層，這些層面往往成為剪切滑面，為滑坡的發(fā)生提供了良好的條件。

西和縣城西山東坡中部、西城旅社和縣文化館西側(cè)的滑坡是西山滑坡群中規(guī)模最大，危害最嚴(yán)重的大型活動滑坡，且滑坡下部具備臨空面條件，坡面與構(gòu)造面傾向一致易于滑坡的發(fā)生。由于滑坡體下部是縣城主城區(qū)，該滑坡如果再次發(fā)生，將會對縣城居民的生命財產(chǎn)安全造成巨大的損害；如果滑坡發(fā)生并堵截流經(jīng)縣城的河流，將可能形成堰塞湖。

基于該滑坡發(fā)生的可能性及潛在的嚴(yán)重后果，本研究將定量分析計算該滑坡在天然狀態(tài)下的穩(wěn)定性。另外大量調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，地震是滑坡活動最主要的觸發(fā)因素之一，且研究目標(biāo)滑坡所在地位于強烈隆起的青藏高原東北部及其地殼厚度變異帶上，新構(gòu)造活動強烈，屬地震多發(fā)地區(qū)[1]，所以本次研究工作還將就地震作用下的滑坡穩(wěn)定性進行定量分析計算。

降雨也是滑坡發(fā)生的主要觸發(fā)因素，由降雨誘發(fā)的滑坡稱為降雨型滑坡[2]，本研究中目標(biāo)滑坡所在地屬中溫帶大陸性氣候，降水少，年均降水量327mm，極少遇到短時強降雨，故本研究不考慮降雨對該滑坡穩(wěn)定性的影響。另外大量研究表明，多項滑坡觸發(fā)因素耦合的概率極低[3]，故本研究也不考慮多項滑坡觸發(fā)因素耦合對目標(biāo)滑坡穩(wěn)定性的影響。

2 滑坡工程地質(zhì)特征

2.1 滑坡平面特征

目標(biāo)滑坡長869m，平均寬310m，總面積0.27km2，平均厚度24m，體積約640×104m3，屬厚層大型滑坡。滑坡后緣標(biāo)高為1734m，前緣標(biāo)高為1550m，相對高差184m。主滑方向為NE70，沿主滑方向地面縱坡降為11°。滑面平均傾角為14°，前緣翹4°～5°。目標(biāo)滑坡主滑面剖面圖見圖1。

2.2 地層巖性

1）滑坡體性狀

屬黃土（黃土狀粉土，呈黃褐色），土質(zhì)較為均勻，有少量鈣質(zhì)粉末在其中出現(xiàn)，滑坡體土層結(jié)構(gòu)較為松散， 可塑。

2）滑帶性狀

該滑坡接觸面由上方粉質(zhì)粘土和下方泥巖接觸而形成，由粉質(zhì)粘土和泥巖顆粒構(gòu)成主要的滑帶物質(zhì)。

圖1 目標(biāo)滑坡主滑剖面圖

3）滑床性狀

砂質(zhì)泥巖、粘土巖，為新第三系（N2）泥巖，呈青灰色。其垂直節(jié)理較為發(fā)育，在遇水時易膨脹、軟化，在風(fēng)化后呈碎片狀。產(chǎn)狀在西山為35°～80°∠10°～40°；在周圍山體侵蝕較深的部位較為多見。

3 分析方法

3.1 天然狀態(tài)

為了分析研究天然狀態(tài)下目標(biāo)滑坡的穩(wěn)定性，本研究將采用GEOSTUDIO軟件中SLOPE/W 模塊對其進行穩(wěn)定性分析，不考慮地下水對該滑坡穩(wěn)定性的影響。分析原理采用極限平衡法，極限平衡法包括瑞典條分法、BISHOP 法、JANBU 法、MORGENSTERN-PRICE 法等，后者能更精確地建立有效應(yīng)力形式的力平衡和力矩平衡表達(dá)式，是目前應(yīng)用最為廣泛的土坡穩(wěn)定性分析嚴(yán)格法[4]，故本研究采用MORGENSTERN-PRICE法。在建立模型時，首先要繪制模型的輪廓圖，這需要根據(jù)滑坡體平面特征確定特征點的平面坐標(biāo)，軟件會通過輸入的平面坐標(biāo)自動形成閉合圖形，這個閉合圖形便為該滑坡模型的輪廓圖。在輪廓圖繪制完成后，根據(jù)目標(biāo)滑坡的滑坡體、滑帶、滑床各自的平面特征及地層巖性，通過坐標(biāo)輸入將滑坡輪廓圖分割成三個不同的材料區(qū)域，即滑坡體黃土狀粉土、滑帶泥巖、滑床泥巖，并對這三個材料區(qū)域進行賦值，需要輸入的巖土力學(xué)參數(shù)有天然重度、粘聚強度、摩擦角等，本研究根據(jù)甲級資質(zhì)勘察單位對當(dāng)?shù)鼐幹频膸r土資料選取所需的巖土力學(xué)參數(shù)。在完成目標(biāo)滑坡模型繪制和巖土力學(xué)參數(shù)設(shè)置后，就可以對該滑坡模型進行計算求解，從而得到該滑坡最危險的滑動面位置及其對應(yīng)的安全系數(shù)。安全系數(shù)是指滑動面上的抗滑力與滑動力之比[5]，是評價滑坡穩(wěn)定性最重要的指標(biāo)。若安全系數(shù)大于1 則表明該滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，數(shù)值越大發(fā)生滑移的可能性越小；若安全系數(shù)小于1 則表明該滑坡不穩(wěn)定，數(shù)值越小發(fā)生滑移的可能性越大。

3.2 地震作用

由于在GEOSTUDIO 軟件中同一幾何模型可以在不同分析模塊中互相導(dǎo)出及導(dǎo)入，故將在SLOPE/W 模塊中建立的滑坡模型導(dǎo)入QUAKE/W 模塊，導(dǎo)入后的滑坡輪廓圖和劃分的材料區(qū)域仍然可以沿用，但是材料需要重新賦值。因為，在動力響應(yīng)分析中所需的巖土力學(xué)參數(shù)發(fā)生了變化，需要重新輸入天然重度、泊松比、阻尼比等，天然重度根據(jù)甲級資質(zhì)勘察單位對當(dāng)?shù)鼐幹频膸r土資料選取，泊松比和阻尼比根據(jù)經(jīng)驗取值。完成上述工作后，此時的滑坡模型便是QUAKE/W 模塊中的初始應(yīng)力模型。

為了分析研究地震作用下目標(biāo)滑坡的穩(wěn)定性，需要對該滑坡模型輸入動力荷載。而動力荷載通常通過質(zhì)量乘以地震加速度的方式來描述。查閱西和縣西山滑坡群150km 范圍內(nèi)的潛在震源區(qū)，其中有3 個8.0 級潛源，12 個7.5 級潛源，10 個7.0 級潛源。根據(jù)蘭州地區(qū)震級與震中烈度及峰值加速度的對應(yīng)關(guān)系，分別輸入地震動峰值加速度為0.11g（7 度）、0.34g（8 度）、0.58g（9 度）的地震動記錄，持續(xù)時間均為40s。完成地震動記錄輸入后，使用QUAKE/W 模塊對該滑坡模型在上述三種不同的地震動記錄作用下進行動力有限元分析。

動力有限元分析的邊界處理：對模型基巖處底部邊界施加水平和豎向約束；對模型兩側(cè)施加豎向約束；模型頂部邊界水平、豎向均自由。

將滑坡模型在三種不同地震動記錄下最后一秒（40s）的動力有限元分析結(jié)果分別導(dǎo)入SLOPE/W 模塊并進行求解從而得到對應(yīng)的安全系數(shù)，分析計算設(shè)置與天然狀態(tài)下滑坡穩(wěn)定性的分析計算設(shè)置相同。

4 計算結(jié)果分析

4.1 天然狀態(tài)

目標(biāo)滑坡分析模型如圖2 所示。

計算參數(shù)如表1 所示。所需的參數(shù)有天然重度、黏聚強度、摩擦角。

圖2 目標(biāo)滑坡分析計算模型

表1 目標(biāo)滑坡分析計算所需的巖土力學(xué)參數(shù)

根據(jù)軟件分析計算結(jié)果，目標(biāo)滑坡有兩處最危險滑面，最危險滑面1 處于坡體中上部，該滑面安全系數(shù)為2.161；最危險滑面2 的安全系數(shù)為1.993，滑面較為平直，基本沿著基巖面。

4.2 地震作用

計算參數(shù)如表1 所示。所需的參數(shù)有天然重度、阻尼比、泊松比。

根據(jù)軟件分析計算結(jié)果，最危險滑面1 在7 度、8 度、9 度地震作用下的安全系數(shù)分別為1.599、0.940、0.720；最危險滑面2 在7 度、8 度、9 度地震作用下的安全系數(shù)分別為1.517、0.946、0.826。

5 結(jié)語

①目標(biāo)滑坡有兩個最危險滑面，滑面1 在天然狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)為2.161；滑面2 在天然狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)為1.993。滑坡在天然狀態(tài)下較為穩(wěn)定。

②目標(biāo)滑坡在7 度地震作用時仍然保持穩(wěn)定，8 度及9 度地震作用下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在強震作用下坡體發(fā)生滑動的可能性極大。