考慮滑坡沖擊破壞和受災體承災能力的風險定量評估方法

王 凱 龔寶釤 段雨彤

（重慶科技學院，重慶404100）

1 概述

目前滑坡風險評估的準確度、量化程度低，風險評估多憑經驗估計進行損失計算，評估結果往往帶有較強的主觀性，實際工程中滑坡風險評估的準確度和量化程度亟待提升。

本文從滑坡致災強度和受災體抗災性能這兩個決定性因素入手，分別通過離散元模擬及有限元分析兩種手段開展研究。滑坡物質組成參照真實坡體建模，相較于傳統方法，可提升滑坡運動過程模擬的準確性，進而提升滑坡致災強度指標的準確性，一定程度上彌補了滑坡風險評估準確度和量化程度不足的現狀。

2 車家壩滑坡概況（圖1 ）

圖1 車家壩滑坡全貌

車家壩2號滑坡位于奉節縣公平鎮車家壩場鎮南側，渝巴公路從其上經過。滑坡平面形態呈形態不太規則的舌形狀，縱向長約195m，前緣橫向寬約220米，后部橫向寬約60余米，面積約27200m2，體積約442000m3。滑坡后緣高程443m左右，前緣高程約350m左右，前后緣高差約95m，縱向平均坡角26°。縱向上滑面形態呈弧形，滑面傾角從后緣到前緣逐漸變緩，主滑方向338°23。滑坡邊界較清晰滑坡邊界清晰可見。歷史上該滑坡多次活動，最近一次大規模滑動為1993年。據調查顯示，車家壩滑坡滑體一旦失穩下滑，將直接沖擊滑坡前緣下方的公路、大橋及房屋建筑，甚至堵塞河流，威脅當地居民和單位的安全。

滑體土主要由塊碎石土和粉質粘土組成，以塊碎石土為主，結構松散。塊碎石常見塊徑為30-100cm，細粒土為粉質粘土，紫紅色，呈硬塑-可塑狀態。滑體土的結構不均勻，土石比在空間上的變化較大，但從地域上看無明顯的變化規律，一般含量為15-30%。在垂向上，碎塊石含量的變化也較大，但滑體中碎塊石的含量一般也無明顯的垂向變化規律。勘查過程中，多個鉆孔及山地工程都不同程度地揭露了軟弱滑移帶，其主要成分為含角礫小碎石的粉質粘土，物質成分較其上下明顯更為細膩，粉質粘土呈紫紅色，相對較濕，可塑狀，粘性普遍較高，常常有滑膩感。滑移帶的厚度有明顯的差別，經過室內試驗，測得滑體土、滑移帶土粘聚力分別為23.81 Kpa、8.7 Kpa，內摩擦角分別為18.6 °、10.2 °。

3 模型建立

3.1 巖土體細觀參數的標定。巖土體細觀參數的確定是進行pfc滑坡模擬試驗的前提與關鍵，實際試驗與工程中常用的力學性能參數為宏觀參數（如楊氏模量、粘聚力、內摩擦角等），而pfc模擬試驗需要顆粒的細觀力學參數（如顆粒線性接觸剛度、平行粘結接觸剛度、粘接強度等），它決定了模擬時材料所體現的宏觀力學性能。但各宏、細觀力學參數之間并無確切的聯系，因此細觀力學參數并不能通過已知的宏觀力學參數直接計算得到，需要在已知巖土體宏觀力學參數的條件下開展pfc模擬雙軸試驗不斷調試細觀參數，直至能夠體現材料實際宏觀參數后方可用于后續模擬。本文所使用的模擬雙軸試驗模型如圖2所示。

細觀參數得標定過程主要有以下步驟：（1）建立雙軸實驗模型。（2）確定初始細觀參數并在不同圍壓下加載，計算其宏觀粘聚力、摩擦角。（3）對比實際試驗得到的數據調整細觀參數，直至與實際相符。

以滑體土的參數標定為例，其100Kpa圍壓下全應力-應變圖如圖3所示。最終確定用于模擬滑體土、滑移帶土材料的粘聚力和內摩擦角值分別為23.1 KN/m、18.1 KN/m，19.2 °、13.7 °。

3.2 滑坡模型建立。本文基于PFC5.0 軟件進行滑坡建模及運動模擬，選用平行粘結模型進行模擬土顆粒接觸行為，其余接觸類型設置為線行接觸。參照實際巖土組成成分，按照一定級配及土石比例生成顆粒簇以模擬土中的塊、碎石。滑體、滑帶部分分別設置對應其實際抗剪強度的細觀參數，整體模型如圖2所示。

為了更好地模擬滑坡沖擊受災體的致災過程，本文采用的方法是通過wall模擬受災體外輪廓并記錄受到的沖擊力大小，wall內部生成顆粒堆積體，并參照混凝土賦予其強度參數。若受災體受到的沖擊力低于其極限承載力，則根據沖擊力大小定量計算受災體的破壞程度及損失大小；若高于其極限承載力，則認為該受災體被完全破壞，并刪除外部wall，使滑體推動wall內部顆粒堆積體繼續滑動，模擬受災體倒塌后的滑動過程。滑坡模型如圖4所示。

圖4 滑坡模型

3.3 受災體抗災性能計算。進行受災體抗災性能計算的關鍵在于找到能夠反映受災體整體破壞程度的指標，本文以易損性V作為受災體的抗災性能指標。受災體損失定量計算公式為：

式中：L為受災體損失值，W為受災體總價值。

受災體極限承載力的計算通過SAP2000軟件進行有限元分析進行，建立的受災體框架模型如圖5所示，圖中綠點為單個塑性，是三層鋼筋混凝土框架結構，層高3.5 m，長、寬分別為10m、6m。板材為0.25 m混凝土板，筋材為Q235，混凝土強度等級為C30，柱截面尺寸為600mm×600mm，梁截面尺寸為457mm×457mm。計算得出極限承載力約為6.95 ×105N。

圖5 受災體模型

4 滑坡沖擊致災過程模擬

建模完成并整體達到初始平衡后，開始模擬滑體在重力作用下的滑坡沖擊致災過程。受災體1很快受滑坡沖擊損毀，之后滑坡繼續推動受災體1向前運動直至與受災體2接觸，過程如圖6所示。

圖6 滑坡沖擊致災過程

如圖7所示，最終受災體2受到的最大側向推力約為4.7 ×105N，低于其極限承載力6.95 ×105N，因此受災體2并未因完全破壞而倒塌。

圖7 受災體2所受側向沖擊力變化圖

進行受災體易損性計算時，如圖8所示，陰影部分即為受災體2受到的滑坡沖擊能I，綠色曲線包含的面積為受災體最大抗沖擊能Qmax，通過CAD的積查詢功能可以得到I與Qmax的比值為0.049 ，即為受災體2在該滑坡沖擊下的易損性。若受災體2價值20.0 萬元，則根據式（1）可得本次滑坡對其造成的損失為0.98 萬元。

圖8 受災體承載力曲線圖

5 結論

通過滑坡沖擊致災滑坡過程模擬分析可知，該滑坡表現為典型牽引式漸進破壞，滑坡的發生自坡腳而始，并逐步牽引上部滑動。初期以蠕滑為主，軟弱滑移帶在上部滑體作用逐漸變形、破壞導致強度下降，進而使整體沿滑移帶加速滑動后沖擊坡底受災體。當滑坡沖擊力到達受災體極限承載力時認定其被完全破壞，并繼續模擬滑坡推動受災體倒塌主體沖擊下一受災體，定量計算各受災體的易損性及損失大小，提升了滑坡風險評估的準確性，具有一定的實際工程應用價值。