地震條件下滑坡體應力變形分析

姬永尚

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

在建水利樞紐工程位于新疆維吾爾自治區南疆山區，是一項具有生態、防洪、灌溉、發電等綜合利用任務的水利工程，是河流山區河段的控制性水利樞紐工程，屬大(Ⅱ)型Ⅱ等工程[1]。

在大壩下游距壩軸線直線距離約780 m處右岸岸坡中部分布一古滑坡。根據現場地質條件及樞紐區工程布置，滑坡區域沒有開挖擾動，同時由于古滑坡體所處高程較高，泄洪霧化對其影響有限，且可通過工程措施進行控制。因此，地震是可能造成該滑坡體變形的主要影響因素。本文采用有限差分軟件FLAC3D，通過直接時程法對地震條件下滑坡體應力變形進行分析。

1 區域構造穩定性

滑坡所在區域處于SN向強烈擠壓的構造應力場環境之中，場區在新構造分區上位于兩個二級新構造單元交匯的地區，新構造運動強烈，發育多條深大斷裂，具備發生7級地震的構造條件。近場區無區域性斷裂，對近場區影響較大的主要地震構造是鐵克里克斷裂和柯崗斷裂，距離滑坡體最近分別為31和32 km。

近場區25 km范圍及其附近發生的地震均屬淺源地震，場地的地震危險性主要是來自淺源地震的影響。近場區1970年以前未記錄到4.7級以上的地震，1970年以來共記錄M≥3.0地震60次，其中6.0～6.9級地震2次，5.0～5.9級地震1次，4.0～4.9級地震16次，3.0～3.9級地震41次。最大地震為1975年兩次6.1級地震，其中1975年6月4日和田南地震距離場區21 km左右，1975年4月28日和田東南地震距離場區38 km左右。

本區50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.210 g，地震基本烈度為Ⅷ度，區域內有記載的破壞性地震對場地的最大影響烈度為Ⅵ度。

2 滑坡基本特征

該古滑坡體分布高程2 090～2 410 m，地表面積約28.5×104m2，滑體最大厚度約108 m，平均厚度約45.7 m，體積約1 302×104m3，為特大型深層巖質滑坡。滑坡軸線長約550 m，前緣寬約610 m，中部寬約575 m，后緣寬約380 m，在平面展布上整體呈扁平的舌形，軸線方向相對較短，垂直軸線方向較寬[2](圖1)。

圖1 滑坡平面示意圖

該滑坡體邊界主要受構造控制?；潞缶夁吔缰饕茼樅酉驍鄬觙16控制，后緣陡壁即為斷層面，產狀50°NW∠65°，破碎帶寬度0.1～0.5 m，帶內主要為構造角礫巖、糜棱巖等，碎裂結構，充填密實；左側邊界的主要是f12和f15斷層控制。f12斷層產狀310°NE∠70°，斷層帶寬度0.4～0.6 m，帶內主要為碎裂巖、糜棱巖及斷層泥，充填密實；f15斷層產狀325°NE∠70°，斷層帶寬度0.3～0.5 m，帶內主要為擠壓片理、灰綠色的千糜巖、糜棱巖及斷層泥，碎裂結構，充填密實；下游邊界為凹岸臨空面?；虑熬壖舫隹诟叱? 090 m左右，位于高階地(>Ⅵ級)平臺后緣，清晰可見。

滑體從地表向滑面主要分4個層次，即①粉土層；②塊裂結構的松動巖體及大塊石；③完整、連續巖體；④滑坡角礫。其中，滑坡角礫層與滑帶土直接接觸，厚度1.6～22.5 m，平均10.4 m，母巖為二云母石英片巖，原巖結構基本被破壞，層狀結構不明顯，呈碎塊石狀，棱角狀，大小石塊與擠壓碎末、細?；祀s，結構密實?；陆堑[層天然狀態下，濕密度為2.23～2.29 g/cm3，干密度為2.15～2.19 g/cm3，滲透系數4.6×10-4～2.5×10-3cm/s，飽和狀態下C值18.5～26.1 kPa，ψ值37.0°～38.5°。

滑面(帶)主要受兩組結構面控制，即順層軟弱結構面和NE走向陡傾結構面。兩組結構面組合形成以順層面為主的階梯形滑面形態(圖2)?；瑤梁穸纫话?.5 m左右，巖性為含礫低液限黏土夾黏土質礫。深灰～灰綠色，以碎石、泥質為主，擠壓緊密，弱膠結，人工開挖極為困難，多夾滑坡角礫及大塊石透鏡體。根據室內試驗結果，滑帶土天然狀態下濕密度為2.20～2.30 g/cm3，干密度為1.98～2.08 g/cm3，滲透系數0.2×10-6～5.2×10-6cm/s。天然狀態下C值25.8～58.3 kPa，平均為39.7 kPa，ψ值31.5°～34.0°，平均為32.8°；飽和狀態下C值21.5～52.6 kPa，平均為34.5 kPa，ψ值30.5°～32.5°，平均為31.4°。根據原位試驗結果，天然狀體C值27.7～103.1 kPa，平均60.2 kPa，小值平均值為45.6 kPa，ψ值26.0°～30.0°，平均27.7°，小值平均值為26.3°；飽和狀態C值38.5～39.2 kPa，平均值38.9 kPa，ψ值23.0°～24.0°，平均值23.5°。

圖2 滑坡軸線地質剖面圖

滑床巖性為二云母石英片巖，巖體節理裂隙不發育，風化輕微，新鮮完整。根據室內巖塊試驗結果：巖樣天然密度2.71～2.79 g/cm3，飽和密度2.72～2.80 g/cm3；自然吸水率0.18%～0.24%，飽和吸水率0.21%～0.27%；單軸干抗壓強度53.8～65.7 MPa，飽和抗壓強度37.4～46.3 MPa；干抗剪強度C值1.6～2.7 MPa，ψ值45.5°～46.0°，飽和抗剪強度C值1.1～1.6 MPa，ψ值43.0°～44.5°。

3 地震條件下滑坡體應力變形分析

3.1 計算模型與計算條件

3.1.1 計算模型

為了全面了解地震作用下滑坡體的應力變形情況，了解斷層、底滑面等控制邊界對滑坡體的影響，根據實際勘察滑坡基礎資料，建立能夠較為真實模擬滑坡體地質情況的三維模型，并進行網格劃分，見圖3。

圖3 計算模型及網格劃分

分析模型所選用的坐標系遵照右手正交法則：以東西方向為X軸，指向東為正；南北方向為Y軸，指向北為正；以豎直方向為Z軸，指向上為正。模型由102 400個單元和20 454個節點組成。

3.1.2 計算參數

根據滑坡勘探中獲得的試驗數據，結合滑坡各巖土材料的結構、顆分、密度等特性，綜合確定本次滑坡體應力變形分析計算參數(表1)。

表1 巖體力學參數表

3.1.3 地震動輸入

直接時程法地震動輸入按極限安全地震震動峰值加速度0.210 4 g輸入。因此，本次水平加速度峰值取0.210 2 g，豎向取水平地震加速度峰值的2/3，即0.140 1 g。3向輸入地震加速度時程曲線見圖4。

圖4 輸入加速度時程

3.1.4 分析剖面與監測點

為進一步了解該滑坡體應力變形情況，設置3個剖面進行分析，分析剖面位置見圖5。為更好了解地震作用下斷層、滑床等關鍵部位的變形特征，布置4對監測點，每對監測點分別位于軟弱層的兩側，監測點位置見圖6。

圖5 分析剖面位置示意圖

圖6 監測點位置示意圖

3.2 計算結果分析

為較為準確地模擬地震條件下滑坡體應力變形分布情況，主要開展以下數值模擬工作。

1)自重應力場模擬。

2)通過直接時程法地震動輸入模擬滑坡體在地震作用下響應規律，并截取1、2、3、4、5、10、15、20和40.96 s共9個時刻進行分析。

3.2.1 自重應力模擬分析

根據靜力法的方式對滑坡體自重應力場進行模擬，為后續動力分析提供初始滑坡體應力條件。自重作用下，滑坡體應力場分布見圖7。

圖7 自重應力場模擬結果

由圖7中可知，滑坡體自重應力主要表現為上覆巖土層越厚應力值越大，符合一般規律；在斷層附近出現了明顯應力間斷現象，說明斷層分布對滑坡體整體應力分布型式有一定影響。

3.2.2 直接時程法應力響應特征分析

不同時刻滑坡體應力分布情況見圖8。由圖8中可知：①在地震作用下滑坡體應力分布規律基本一致，整體表現為上覆巖土層越厚應力值越大，符合一般規律；在斷層附近出現了明顯應力間斷現象，說明斷層分布對滑坡體整體應力分布型式有一定影響。②隨著地震波的持續輸入，最大最小主應力量值略有變化，變化幅度很小。③地震波輸入對滑坡體整體應力分布影響不大。

圖8 滑坡體應力分布圖

3.2.3 直接時程法位移響應特征分析

本次模擬不同時刻滑坡體位移分布情況，通過典型監測剖面及監測點對滑坡從1～40.96 s的變形、速度、加速度進行監測分析，得出以下結論：①在地震作用下，滑坡體位移隨地震加速度變化而變化(圖9)，5和10 s時滑坡體位移最大，15 s后基本趨于平衡；②位移主要集中在滑體前緣位置，向后緣遞減(圖10)，且以Y和Z向變形為主，10 s時Y向最大(圖11)；③地震對滑坡體變形有一定影響，在Ⅷ度烈度地震作用下，滑體位置出現了最大約30 cm的變形，但地震波輸入后期，滑坡體沒有發生持續變形，滑坡體處于穩定狀態。

圖9 滑坡監測點位移響應過程曲線

圖10 縱1剖面滑坡體位移分布圖

圖11 10 s時滑坡體位移分布圖

3.2.4 直接時程法塑性區響應特征分析

模擬不同時刻滑坡體塑性區分布情況，通過典型監測剖面對滑坡從1～40.96 s的塑性區分布變化進行監測分析，得出以下結論：①與位移變化情況對應，在地震作用下，滑坡體塑性區分布隨地震加速度變化而變化，5和10 s時滑坡體塑性區范圍最大，15 s后基本趨于平衡(圖12)；②塑性區主要為滑體、斷層和底滑面附近的剪切破壞區以及滑坡體近表面部位的局部張拉破壞區，符合一般規律。

圖12 滑坡體塑性區分布圖

4 結 語

1)地震波輸入對滑坡體整體應力影響不大，隨著地震波的持續輸入，最大最小主應力量值略有變化，變化幅度很小。

2)地震對滑坡體變形有一定影響，在Ⅷ度烈度地震作用下，滑體位置出現了最大約30cm的變形，主要集中在滑坡前緣，且隨著地震波輸入至后期，滑坡體沒有發生持續變形，滑坡體處于穩定狀態。

3)在地震作用下，滑坡體塑性區分布隨地震加速度變化而變化，主要為滑體、斷層和底滑面附近的剪切破壞區以及滑坡體近表面部位的局部張拉破壞區，5和10 s時滑坡體塑性區范圍最大，15 s后基本趨于平衡。

4)整體而言，在地震作用下，古滑坡體會產生一些變形、塑性破壞區，地震結束后仍有參與變形和破壞區域，但地震過程中沒有出現滑坡整體失穩現象，滑坡體處于穩定狀態。