基于流固耦合理論的巴東黃土坡滑坡地震響應研究

張 潔 曾金明 胡其志,3 游 姍 付小紅

1 武昌工學院城市建設學院,武漢市白沙洲大道110號,430065 2 中交第二公路勘察設計研究院有限公司,武漢市創業路18號,430056 3 湖北工業大學土木建筑與環境學院,武漢市南李路28號,430068

水庫蓄水誘發滑坡失穩事件在世界范圍內被廣泛報道,如1963-10-09意大利瓦伊昂水庫庫首區滑坡[1],庫水抬升導致的孔隙水壓力增大、庫水位下降時滑坡體內部產生的滲透力及降雨導致的坡體基質吸力降低被認為是導致水庫滑坡失穩的主要因素[2-3]。同時,地形地貌、坡體結構、地層巖性、路系、地震動等因素均可能對滑坡體的地震穩定性產生影響[4]。

本文以三峽庫區巴東黃土坡滑坡體為研究對象,基于流固耦合理論建立二維有限差分數值模型,分析無水及有水條件下滑坡體在2013-12-16巴東M5.1地震作用下的場地地震反應、滑坡體軟弱層形變及孔隙水壓力差異特征。通過計算滑坡體的安全系數時程,探討庫水沁潤對坡體地震穩定性的影響,結合有效應力響應特征,嘗試獲得蓄水條件下滑坡體地震安全系數降低的成因機理等認識。

1 巴東黃土坡滑坡概況

黃土坡滑坡位于巴東扇形斜坡之上,是一個由多期次、多個崩滑體組成的大型復合滑坡。滑坡面積為135×104m2,體積為6 934×104m3,由臨江1號、2號崩滑堆積體、變電站滑坡、園藝場滑坡組成[5],具體見圖1。

圖1 巴東黃土坡滑坡平面

滑坡表面總體呈凹形緩坡,上陡-中緩-下陡,平均坡度為 28°～32°,斜坡結構類型為順向坡(圖2)。

圖2 黃土坡滑坡Ⅰ-Ⅰ′地質剖面

2 基于流固耦合理論的有限差分模型

根據黃土坡滑坡工程地質條件,將Ⅰ-Ⅰ′剖面概化為堆積碎石土和三疊系巴東組基巖2個部分。二維剖面模型平行于滑坡體主軸方向長約為1 600 m,垂直方向最高約為526 m。使用ANSYS前處理模塊進行建模后導入FLAC3D,幾何模型及網格劃分見圖3,網格數量約8.2萬個,最小尺寸約為1 m。

圖3 Ⅰ-Ⅰ′剖面二維有限差分模型網格劃分及監測點布置

對模型底部邊界施加位移全約束,側壁施加法向位移約束。坡面在天然狀態下為自由邊界,有水條件下直接施加庫水荷載,考慮到區域構造應力場水平較低,僅考慮重力場作用[6]。

為研究水巖耦合作用下黃土坡滑坡的地震穩定性,將監測點集中布置于軟弱層帶及其附近區域。模型共布置9個監測點,其中沿軟弱層布置3個監測點(編號K1～K3),水平方向間距約為400 m;在軟弱層帶上下部地層K1～K3監測點對應位置分別布置1個垂直監測點,每處垂直監測點垂向間距約為25 m,記為M1～M3及N1～N3,監測點具體布置情況如圖3所示,A、B、C區域分別代表滑坡體的后段、中段及前段。

巖土體采用莫爾-庫侖模型,表1為二維有限差分模型的巖土體物理力學參數。有水條件下的初始水頭根據175 m庫水位沁潤線進行設置,采用附加質量法模擬地下水對滑坡體某點處的動水壓力。對于沁潤線以下的巖土體,采用飽水狀態下的巖土體參數,沁潤線以上部分采用巖土體天然強度參數。

表1 黃土坡滑坡巖土體物理力學參數

三峽水庫蓄水進程中歷經了135 m、156 m及175 m等3個蓄水階段,其中135 m和156 m蓄水階段內巴東庫段雖發生大量微小地震,但考慮到震級較小,對滑坡體地震穩定性影響有限。因此,本文選擇175 m蓄水階段的2013-12-16巴東M5.1地震作為典型地震事件進行輸入[7]。

為使地震動輸入更加符合實際地震背景,以美國太平洋地震工程中心PEERNGA數據庫為基礎[8-9],利用2013年巴東M5.1地震部分參數給出設定地震條件(表2)。以此為依據,獲得滑坡體安全系數時程分析的地震波形,并將其作為模型的水平向地震動輸入,結果見圖4。由圖可知,水平向輸入的地震動峰值加速度約為144 Gal,持時約為20 s。

圖4 2013年巴東M5.1地震的設定波形

3 黃土坡滑坡地震響應特征

3.1 加速度響應

在蓄水前的無水條件下,上硬層的地震動峰值加速度約為191 Gal,下硬層約為477 Gal(圖5)。與輸入的地震動峰值加速度相比,放大系數分別為1.33和3.31,表明在無水條件下,黃土坡滑坡體的地震放大效應顯著,且上硬層放大系數明顯小于下硬層,其原因可能為底部輸入的地震動衰減及軟弱夾層的減震作用。

圖5 無水條件下地震加速度響應

而在有水條件(175 m)下,上硬層的地震動峰值加速度約為250 Gal,下硬層約為482 Gal(圖6)。與輸入的地震動峰值加速度相比,放大系數分別為1.74和3.35。進一步與無水條件相比可知,庫水位上漲導致的滑坡體上硬層地震動峰值加速度放大效應有所增強,但對下硬層的影響相對較小。另外發現,有水條件下滑坡體地震加速度的高頻分量更加豐富,與之對應,蓄水后上硬層地震動峰值加速度也為蓄水前的1.31倍。上下硬層的地震動峰值加速度放大特征與時幸幸等[10]對2008年汶川地震觸發大光包滑坡體的研究結果基本一致。

圖6 有水條件下地震加速度響應

3.2 位移響應

在蓄水前的無水條件下,上硬層與下硬層的地震動峰值位移分別為7.76×10-4m和1.40×10-3m,下硬層約為上硬層的1.80倍(圖7),說明軟弱夾層的減震消能作用在地震動峰值位移上亦有所體現。在有水條件(175 m)下,上硬層與下硬層的地震動峰值位移分別為7.95×10-4m及1.60×10-3m(圖8)。

圖7 無水條件下地震位移響應

圖8 有水條件下地震位移響應

與無水條件相比,有水條件下上硬層與下硬層的地震動峰值位移分別放大1.02倍和1.14倍,說明三峽蓄水活動對地震動峰值位移放大效應的影響并不顯著。雖然有水條件下地震動位移時程的高頻分量明顯更豐富,但蓄水活動對其影響小于對峰值加速度的影響。

3.3 水平應力響應

圖9和10分別為無水及有水條件下上硬層、軟弱層及下硬層的水平向應力響應結果。由圖9可知,無水條件下監測點水平向應力為-5.2～-2.1 MPa,整體處于壓應力狀態,下硬層壓應力最大,上硬層壓應力最小。

圖9 無水條件下水平向應力響應

而在有水條件下,模型監測點的水平應力響應呈現與無水條件相異的狀態(圖10)。就幅值而言,應力大小波動幅度明顯增大,下硬層局部壓應力峰值約為-23.2 MPa,約為無水條件的4.46倍。另外,與無水狀態的應力響應相比,有水條件下部分時刻上硬層呈拉張狀態,與軟弱層及下硬層出現拉脫效應[11]。

圖10 有水條件下水平向應力響應

3.4 孔隙水壓力

為研究蓄水活動對滑坡體孔隙水壓力狀態的影響,給出有水條件下黃土坡滑坡體孔壓對地震作用的響應特征。由圖11可見,軟弱層孔隙水壓力響應幅值遠大于上硬層及下硬層,且呈現出階段性積累上升趨勢,并伴隨有瞬時放大特征。

圖11 地震作用下的坡體孔壓響應特征

孔壓響應峰值主要集中在軟弱層中后段,在上硬層孔壓變化幅度較小的情況下,軟弱層孔壓隨地震作用快速上升,隨后不斷波動并具有階段累積特征,分別約在第3 s、9 s、14 s 及19 s 時達到階段峰值18 MPa、26 MPa、27 MPa及45 MPa。考慮其原因主要在于水不可被壓縮,在瞬時地震荷載作用下無法快速排出從而導致孔壓急劇上升。當軟弱層孔壓瞬間增大時,上硬層相對向下運動,下硬層相對向上運動,導致軟弱層被壓縮;而當軟弱層孔壓降低時,上硬層相對向上運動,下硬層相對向下運動,軟弱層被拉張。上下硬層之間的非協調性變形,導致軟弱層超孔隙水壓力的形成,進而對滑坡體穩定性產生不利影響。

4 滑坡地震穩定性與機理分析

圖12為有水和無水條件下的安全系數時程計算結果。由圖可見,無水條件下滑坡體的地震安全系數為1.57～2.78,安全系數均值Ka約為2.30;有水條件下滑坡體的地震安全系數為1.40～2.09,安全系數均值Ka約為1.88。

圖12 有水和無水條件下的安全系數時程

從圖12還可以看出,無水條件下的安全系數時程與有水條件相比更加平穩,后者在5～15 s區間內呈現階段性下降特征,這與孔壓累積增加的趨勢一致。值得注意的是,無水及有水條件下的最小安全系數分別為1.57及1.40,約為平均安全系數的68.26%及74.47%,這種安全系數的顯著降低值得進一步探討。有水條件下的地震滑坡體安全系數整體小于無水條件,下降幅度約為18.13%,表明三峽蓄水活動可能對巴東黃土坡滑坡地震穩定性造成一定程度的不利影響。

進一步以9.2～10.2 s時段內有水及無水條件下上硬層、下硬層觀測點的位移細節(圖13和14)為例對非協調變形進行說明。可以發現,有水及無水條件下上硬層與下硬層位移均出現顯著的不一致,即非協調性變形。其中,有水條件下的非協調性變形最大壓縮幅值約為1.55×10-3m,最大拉張幅值約為9.74×10-4m;而無水條件下,最大壓縮幅值為6.66×10-4m,最大拉張幅值為8.15×10-4m。有水條件下的非協調性變形更加劇烈,軟弱層在拉張過程中產生的帶內拉應力被放大,將會造成更加嚴重的張拉損傷破壞;而壓縮過程中產生的帶內壓應力被放大,則將造成更加明顯的擠壓損傷破壞。

圖13 無水條件下的非協調變形

5 結 語

為研究三峽蓄水對湖北巴東黃土坡滑坡地震穩定性的影響,基于流固耦合理論建立二維有限差分數值模型。在計算無水(蓄水前)及有水(175 m實驗性蓄水)條件下滑坡體的場地地震動、應力響應及孔隙水壓力差異特征基礎上,進一步給出滑坡體安全系數時程,探討蓄水與水庫地震共同作用下的滑坡體穩定性及成因機理,得出以下結論:

1)無水條件下滑坡體上硬層與下硬層的地震動峰值加速度放大系數約為1.33及3.31,具顯著的場地放大效應及軟弱夾層消能減震作用,且在有水條件下高頻分量被進一步豐富并放大。

2)瞬時地震荷載下,由于滑坡體上下硬層之間的非協調性變形與非快速排水共同作用,軟弱層超孔隙水壓力快速形成并呈階段性積累上升,同時伴有瞬時放大特征,分別在第3 s、9 s、14 s 及19 s 時達到峰值18 MPa、26 MPa、27 MPa及45 MPa。

3)庫水位上漲帶來的巖土體沁潤作用會導致滑坡地震穩定性的安全系數顯著降低,無水及有水條件下滑坡體的安全系數均值分別約為2.30及1.88,蓄水活動導致安全系數降低約18.13%。

4)有水條件下地震作用導致的滑坡體非協調性變形更加劇烈,軟弱層在拉張與壓縮過程中產生的帶內拉應力與壓應力被急劇放大,對軟弱層面產生嚴重拉張及擠壓損傷破壞的同時,超孔隙水壓力造成的有效應力快速降低,可能是有水條件下滑坡體地震安全系數降低的成因機理。