，

(1.江蘇省地質(zhì)工程勘察院，江蘇南京211102； 2．山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南250014)

四川梓潼金龍村邊坡地震穩(wěn)定性分析

劉加才1，張戰(zhàn)勝2

(1.江蘇省地質(zhì)工程勘察院，江蘇南京211102； 2．山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南250014)

金龍村邊坡位于四川省梓潼縣境內(nèi)，汶川縣東，距離汶川地震中心約150 km。通過現(xiàn)場調(diào)查，分析了地形、地貌條件和地震等因素對該邊坡穩(wěn)定性的影響。發(fā)現(xiàn)滑動面位于土層與基巖的接觸面，采用極限平衡法和數(shù)值分析法對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了計算，2種計算得到的穩(wěn)定性結(jié)果較為接近。采用動力時程分析法計算得到了邊坡位移與加速度變化的關(guān)系。

穩(wěn)定性評價；地震；變形機(jī)制；FLAC軟件；強(qiáng)度折減；四川梓潼

0 引 言

2008年5月12日，在青藏高原東緣龍門山地區(qū)發(fā)生了汶川8.0級強(qiáng)烈地震，地震破裂時間80s,地震影響范圍超過131 900 km2。金龍村滑坡位于汶川正東側(cè)約150 km處。邊坡前緣有2個約3 500 m3的池塘(圖1)，后緣為街道和民房等重要建筑。2008年5月12日汶川大地震后，研究區(qū)的邊坡體有蠕動變形跡象，坡頂建筑物發(fā)生多處開裂。區(qū)內(nèi)人口密集，滑坡體一旦失穩(wěn)發(fā)生滑坡，將直接威脅數(shù)百戶居民及幼兒園等近700人的生命財產(chǎn)安全，并影響城鎮(zhèn)道路交通、集市、衛(wèi)生所、學(xué)校的正常運(yùn)行。

基于對金龍村滑坡詳細(xì)的工程地質(zhì)調(diào)查，并結(jié)合室內(nèi)巖土體物理力學(xué)性質(zhì)試驗，對該邊坡的地震穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。并采用極限平衡法和時程分析法對邊坡地震條件下的變形和穩(wěn)定性進(jìn)行了計算。

1 地質(zhì)條件

1.1 地形、地貌

場地地貌類型為構(gòu)造剝蝕的低山地貌，山頂海拔高程600 m左右，溝谷切割深度100～150 m，坡度約20°～30°，谷寬100～200 m。金龍村滑坡位于走向45°的山脊西南側(cè)，滑坡坡向234°～254°，走向呈近南北向展布，滑坡坡度10°～25°，場地地形條件見圖1。

圖1 邊坡地形圖

1.2 地層、巖性

勘查階段共布置10個鉆孔，根據(jù)地形圖和鉆探結(jié)果發(fā)現(xiàn)，邊坡地層主要以第四系殘、坡積土及下伏劍閣組泥質(zhì)粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖為主，其中剖面1—1′見圖2。

圖2 勘查剖面圖

(1) 含碎石粉質(zhì)黏土：棕紅色，土體結(jié)構(gòu)稍密-中密，稍濕-干燥，土質(zhì)較均勻，上覆薄層耕植土，灰褐色，見植物根系。鉆孔揭露其厚度為1.50～4.80 m。局部夾該層主要分布于滑坡體表面，碎石巖性為鈣質(zhì)長石砂巖，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為10%～20%；其次為殘坡積黏土層，多為飽和狀態(tài)，可塑—軟塑，抗剪強(qiáng)度低，屬中—高壓縮性土，局部含少量砂巖風(fēng)化顆粒。

(2) 粉砂質(zhì)泥巖：棕紅色粉砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀64°∠2°～5.5°，反傾。泥巖成分主要為黏土，泥質(zhì)膠結(jié)，巖芯多呈短柱狀，強(qiáng)度較低，在區(qū)內(nèi)廣泛分布，是組成滑坡體和基巖的主要巖體，全風(fēng)化—中風(fēng)化。上部為全風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化，巖體破碎，基本呈土狀，厚度5～10 m，平均厚度7 m。下部為中風(fēng)化，巖體內(nèi)節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體較破碎。

(3) 泥質(zhì)粉砂巖：淺灰色厚層-塊狀泥質(zhì)粉砂巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀、塊狀構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀64°∠2°～5.5°，反傾。砂巖主要礦物成分為石英和長石，主要為泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，中等風(fēng)化，巖芯多呈短柱狀，巖體較完整，與泥巖呈互層狀分布。鉆探過程中未見底，區(qū)內(nèi)廣泛分布。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)外試驗得不同巖土層的物理性質(zhì)指標(biāo)(表1)和力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)(表2)。

表1 土的物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 巖土力學(xué)參數(shù)

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

金龍村邊坡場地位于四川盆地北端，金龍場背斜北翼，背斜走向NE 40°～60°，樞紐傾角3°～20°。場地附近未發(fā)現(xiàn)大的斷裂構(gòu)造。場地調(diào)查發(fā)現(xiàn)巖體中發(fā)育2組節(jié)理，第一組走向NE 40°～ 60°，傾角約50°，節(jié)理間距約0.05～0.2 m；另一組走向N 330°～340°W，傾角約60°，節(jié)理間距約0.1～0.3 m。節(jié)理面粗糙，張開度一般小于2 mm，大多閉合。

1.4 水文、氣象

根據(jù)勘查區(qū)內(nèi)地下水含水界質(zhì)的不同，區(qū)內(nèi)地下水類型包括松散層孔隙水和基巖裂隙水2類，地下水位與池塘內(nèi)水位持平。(1) 松散層孔隙水：主要分布在人工填土、黏性土中，結(jié)構(gòu)松散，易于大氣降雨的入滲，地下水主要靠大氣降水補(bǔ)給，其排泄方式為沿斜坡向地勢低洼處排泄。(2) 基巖裂隙水：含水層巖性為白堊系下統(tǒng)的砂、泥巖。地下水的賦存、富集、埋藏及運(yùn)動等條件，受到構(gòu)造裂隙、構(gòu)造部位、巖性、微地貌及降雨等因素的影響，地下水富水性較差，接受坡面徑流和降雨補(bǔ)給，在臺坎坡腳處泄出。

勘查期間，鉆孔水位埋深3.03～12.85 m，相應(yīng)標(biāo)高為471.18～481.99 m。場地屬中國東南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水充足，氣候溫和，日照充沛，四季分明；春早，夏長，秋短，冬暖，多秋綿雨，汛期集中。多年平均氣溫16.5 ℃，最高年均氣溫16.8 ℃，最低年均氣溫15.6 ℃，極端最高氣溫38.9 ℃，最低氣溫為-6.7 ℃?？h境多年平均降雨量902.4 mm，降雨量主要集中在5—9月，占全年降雨量的84%。全年以7月份降雨最多，為258.3 mm，12月最少，幾乎無降雨。

1.5 地震

受汶川地震影響，金龍村邊坡表面多處被發(fā)現(xiàn)有活動跡象，邊坡發(fā)生了蠕動變形，雖未發(fā)生整體滑動，但由于其重要性，必須對穩(wěn)定性進(jìn)行詳細(xì)研究，并采取適當(dāng)?shù)奶幹么胧Ｔ撨吰挛恢门c汶川地震中心位置關(guān)系見圖3(周國良等，2008)，場地地震烈度達(dá)Ⅶ度，所以地震對邊坡的影響不容忽視。

圖3 汶川地震烈度分布圖

2 滑坡特征

2008年5月12日，汶川地震使梓潼縣城內(nèi)建筑物遭受一定的破壞；山體淺表層被松動，出現(xiàn)山體滑塌、崩落破壞。據(jù)了解，金龍村滑坡30多年來多次發(fā)生蠕動變形，并受汶川地震的影響，表層土體局部發(fā)生蠕滑、堡坎鼓脹變形，堡坎上方的房屋產(chǎn)生裂縫。巖土體的滲透性較好，有利于降水的滲入，使巖土體軟化，抗剪強(qiáng)度降低，由于前期蠕滑，造成巖土體臨空條件好，在重力的作用下沿裂縫產(chǎn)生滑動變形。

汶川地震使滑坡區(qū)內(nèi)建筑物等發(fā)生了不同程度的破壞，并伴隨地表出現(xiàn)小裂縫。整個滑坡坡面無系統(tǒng)的降排水系統(tǒng)，城鎮(zhèn)生活廢水及雨水在整個坡面上隨意流淌，不斷地風(fēng)化坡面巖土體，并軟化了強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，誘發(fā)了滑坡，下部基巖(泥巖)中未見有明顯裂縫。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，共發(fā)現(xiàn)坡面有9處大的明顯變形跡象點(diǎn)(圖1)。坡體前緣和后緣房屋產(chǎn)生裂縫，堡坎發(fā)生鼓脹變形，地表局部錯動距離達(dá)40 cm以上。坡面電線桿發(fā)生傾斜，坡體有馬刀樹，前緣池塘亦由于蠕變不斷縮小，個點(diǎn)具體變形特征及趨勢見表3。

表3 滑坡變形特征

通過調(diào)查，結(jié)合鉆探資料和邊坡變形破壞特征及巖層產(chǎn)狀分析，滑動面應(yīng)沿裂縫向下延伸，沿粉質(zhì)黏土與強(qiáng)風(fēng)化泥巖界面產(chǎn)生折線滑動(圖2)?；瑒用嫠幍貙又饕獮槿獜?qiáng)風(fēng)化泥巖，主要成分為黏土礦物，可塑，含少量巖石碎塊，透水性一般。變形破壞是由于表層土體受到風(fēng)化，結(jié)構(gòu)松散，降水易滲入、浸潤，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低，土層與基巖面土體軟化形成軟弱夾層，使巖土體沿軟弱夾層發(fā)生蠕滑變形。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 極限平衡法

邊坡巖土體的特性，需要選擇不同的極限平衡分析法，由于所研究邊坡的滑動面為不規(guī)則的折線形，故采用Janbu法對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計算?？梢钥闯觯撨吰碌姆€(wěn)定性主要受粉質(zhì)黏土控制，粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度參數(shù)對評價邊坡的穩(wěn)定性非常關(guān)鍵?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地震活動過程中，剖面1—1′位置處的滑動特征最為明顯，在地震加速度約為0.1g時，該剖面處的穩(wěn)定性系數(shù)接近于1.0，根據(jù)這一關(guān)系，可根據(jù)Janbu法得到該條件下的滑動面上粉質(zhì)黏土的內(nèi)聚力(c)和摩擦角(φ)的關(guān)系(圖4)。當(dāng)摩擦角為12°時，內(nèi)聚力為18.5 kPa，與表2中的試驗結(jié)果接近，故可認(rèn)為粉質(zhì)黏土的試驗結(jié)果可靠。

圖4 強(qiáng)度參數(shù)反算結(jié)果

計算過程中，考慮不同地震加速度對邊坡穩(wěn)定性的影響，穩(wěn)定性系數(shù)與峰值加速度關(guān)系計算結(jié)果見圖5。3個不同剖面的穩(wěn)定性計算結(jié)果顯示，峰值加速度對穩(wěn)定性影響很大。其中剖面1—1′穩(wěn)定性系數(shù)最低，正常情況下(不考慮地震)其穩(wěn)定性系數(shù)為1.33，當(dāng)?shù)卣鸺铀俣葹?.08g時，邊坡接近臨界狀態(tài)。剖面2—2′位置處穩(wěn)定性受地震影響最大，但該處穩(wěn)定性是3個剖面中最高的，當(dāng)峰值加速度達(dá)到0.24g(相當(dāng)于8°)時，其穩(wěn)定性系數(shù)為1.36，而該地震烈度條件下，剖面3—3′的穩(wěn)定性系數(shù)為1.04，表明在此條件下，邊坡可能發(fā)生破壞?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在剖面1—1′和3—3′附近發(fā)生變形的跡象最為明顯，計算結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果一致。

圖5 穩(wěn)定性系數(shù)隨地震加速度變化結(jié)果

3.2 數(shù)值模擬

3.2.1 靜態(tài)分析 采用有限差分?jǐn)?shù)值分析軟件(FLAC)對金龍村邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計算。由于剖面1—1′處穩(wěn)定性最低，故數(shù)值分析中選取該剖面進(jìn)行計算。有限差分網(wǎng)格見圖6，模型長140 m，高50 m。

圖6 計算網(wǎng)格圖

假設(shè)邊坡巖土體為彈塑性材料，滿足M-C屈服準(zhǔn)則，坡體由粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化粉砂巖組成。計算過程中，模型左、右邊界水平向約束，底部邊界固定，地表自由。簡化起見，材料視為均質(zhì)各向同性，穩(wěn)定性問題被看作2維平面應(yīng)變問題。計算過程中首先對不考慮地震條件(靜態(tài)條件)下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，采用強(qiáng)度折減法(Duncan，1996)計算得邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，強(qiáng)度折減后坡體內(nèi)塑性區(qū)分布結(jié)果見圖7，可以看出，在粉質(zhì)黏土和下伏粉砂質(zhì)泥巖界面上發(fā)生了剪切錯動，所以，滑動位于該接觸面的假設(shè)是合理的。

圖7 計算的塑性區(qū)分布圖

強(qiáng)度折減法計算結(jié)果表明，該邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.42，坡面水平位移大于坡腳處，破壞面由坡趾處向上擴(kuò)展，直至坡頂。邊坡發(fā)生剪切破壞，坡面發(fā)生拉裂破壞，并形成拉裂隙，所以可推斷，如遇到不利條件(如強(qiáng)降雨或較高烈度的地震)，邊坡可能發(fā)生進(jìn)一步變形。坡面拉裂隙與滑動方向近垂直，粉質(zhì)黏土后側(cè)下部泥巖失去支撐，也可能發(fā)生拉裂破壞。3.2.2 動力分析 采用極限平衡法計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)時，往往只考慮水平地震力對邊坡穩(wěn)定性的影響，并且總是認(rèn)為地震力方向一直與滑動方向一致，所以，地震力對滑體的影響總是增大下滑力的同時也減小抗滑力。而在實際地震活動過程中，地震加速度的方向是不斷變化的，所以地震力對邊坡穩(wěn)定性的影響是在有利、不利之間不斷變化，近似成周期性(跟地震波的周期性有關(guān))。在擬靜力極限平衡分析中，垂直的地震力往往被忽略，而只考慮地震過程中加速度最大值對邊坡的影響。數(shù)值分析法在計算過程中，可以通過輸入地震加速度時程來分析整個地震持續(xù)過程中，地震力對巖土體變形和穩(wěn)定性的影響。本次研究采用的數(shù)值分析程序在計算過程中允許材料發(fā)生屈服及大塑性變形，可以模擬巖土的力學(xué)性能，尤其在彈塑性分析、大變形分析方面有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)?？梢酝ㄟ^在模型邊界或內(nèi)部節(jié)點(diǎn)施加動載荷來模擬材料受到外部或內(nèi)部動力作用下的反應(yīng)。程序允許輸入的動力荷載可以是加速度時程、速度時程、應(yīng)力時程和集中力時程。為了盡可能全面反映地震對邊坡穩(wěn)定性影響的效果，數(shù)值分析考慮 2 種情況：(1)只考慮水平地震加速度的影響；(2)水平和垂直地震加速度同時考慮。計算輸入的地震加速度采用汶川地震發(fā)生時記錄的地震加速度時程作為輸入數(shù)據(jù)(圖8)。地震持續(xù)時間40s，時間步為0.02s，峰值加速度為0.3g。垂直加速考慮為水平加速度的2/3倍(Sun et al, 2012)。

圖8 輸入加速度時程

動態(tài)分析時，采用靜態(tài)計算所得應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果作為動態(tài)分析的初始條件。采用自由與邊界以減小反射波的影響。在不同的阻尼形式中，瑞利阻尼理論與常規(guī)動力分析方法類似。實踐證明，瑞利阻尼計算得到的加速度響應(yīng)規(guī)律比較符合實際，所以在計算時采用瑞利阻尼模型，阻尼值選0.05，加速度時程作用于模型底部。當(dāng)施加動力邊界條件后，邊界上原先的靜力邊界條件將被自動去掉，在動力荷載施加期間，程序始終自動計算邊界上的作用力。

采用FLAC軟件進(jìn)行計算過程中，可對整個動力變化過程中巖土體內(nèi)不同位置處的應(yīng)力、位移、孔隙壓力等變量進(jìn)行監(jiān)測，這里僅給出坡趾處的位移時程結(jié)果(圖9)，該位移結(jié)果為整個地震過程中的監(jiān)測點(diǎn)的累積位移結(jié)果。當(dāng)只考慮水平地震時，計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)卣鸪掷m(xù)到2.84s時，由于網(wǎng)格發(fā)生大的變形，地震引起較大的不平衡力，計算停止，表明邊坡已破壞。監(jiān)測點(diǎn)處永久位移超過1.0 m，表明滑坡發(fā)生于地震后2.84s時，對應(yīng)地震加速度為0.78 m/s2，表明當(dāng)計算中僅考慮水平地震力對邊坡穩(wěn)定性的影響，時程分析計算結(jié)果與極限平衡計算結(jié)果較為接近。當(dāng)同時考慮水平和垂直地震加速度的影響時，上述類似現(xiàn)象發(fā)生在6.45s時刻，對應(yīng)地震加速度為1.51 m/s2。動力分析結(jié)果表明，垂直地震加速度對邊坡的變形和穩(wěn)定性有較大的影響。對金龍村邊坡而言，當(dāng)?shù)卣鹆叶葹棰鞫葧r，邊坡極有可能發(fā)生滑動。相較極限平衡法而言，數(shù)值分析法能對整個地震過程進(jìn)行跟蹤，其計算結(jié)果不僅能反應(yīng)巖土體的穩(wěn)定性特性，也能反應(yīng)介質(zhì)中不同點(diǎn)的變形和應(yīng)力變化特性，比極限平衡法只考慮最大地震加速度作用的方法更為接近真實狀態(tài)。

圖9 坡趾處動力位移時程曲線

4 結(jié) 論

(1) 極限平衡法計算結(jié)果表明，金龍村邊坡穩(wěn)定性受地震加速度的影響最大處位于剖面1—1′附近，當(dāng)峰值加速度達(dá)到0.08g時，邊坡達(dá)到臨界狀態(tài)。

(2) 在不利條件(如地震、強(qiáng)降雨)下，金龍村邊坡發(fā)生滑坡的可能性極大，滑動面位于粉質(zhì)黏土與基巖接觸面，發(fā)生滑動后，滑體和后緣巖體內(nèi)可能發(fā)生拉裂破壞。

(3)當(dāng)考慮相同地震條件時，數(shù)值法與極限平衡法關(guān)于穩(wěn)定性的計算結(jié)果比較接近，但數(shù)值法能對整個地震過程進(jìn)行模擬。

(4)建議對該邊坡采取相應(yīng)的監(jiān)測措施，及時了解邊坡的變形跡象，在坡腳處設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)(如擋墻)以阻擋滑坡的發(fā)生，減小災(zāi)害發(fā)生的概率。

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Analysis on slope seismic stability assessment of Jinlong Village in Zitong of Sichuan

LIUJia-cai1,ZHANGZhan-sheng2

(1.Geological Engineering Exploration Institute of Jiangsu Province, Nanjing 211102, China; 2. Shandong Zhengyuan Construction Co Ltd, Jinan 250014, China)

Jinlong Village landslide was located in Zitong County, Sichuan and approximately 150 km east of Wenchuan. Field investigations indicated that the slope deformation was caused by the combined effects of unfavorable topographic and geological conditions and earthquakes. The sliding surface was along a contact between silty clay and mudstone. Wenchuan earthquake accelerated the creep, causing bulging of the ground surface. The factors of safety (FOS) were calculated using the limit equilibrium method (LEM) and the method of fast Lagrangian analysis of continua in 2 dimensions (FLAC). The results using the LEM indicated that the stability was clearly affected by seismic shaking, and when the PGA grew to 0.08 g, the slope reached the limit state. The shear failure surface given by numerical simulation developed on the contact between the clay and silty mudstone, which confirmed the assumed the location of sliding surfaces using LEM.

Stability assessment; Earthquake; Deformation mechanism; FLAC software; Strength reduction; Zitong, Sichuan

10.3969/j.issn.1674-3636.2014.04.687

2013-11-25；

：2014-04-03；編輯：陸李萍

劉加才(1973— )，男，高級工程師，水工環(huán)專業(yè)，主要從事水工環(huán)及地?zé)岬刭|(zhì)研究工作, E-mail：liujc817@163.com

P642

：A

：1674-3636(2014)04-0687-06