多工況下漢源二蠻山滑坡機(jī)理數(shù)值模擬

陶 騫，劉 超，朱志銘，楊 勇，鄒祖銀，2

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，四川 都江堰611830;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都610031)

0 引言

自汶川地震以來(lái)，四川災(zāi)區(qū)最大的威脅來(lái)自于地震后的次生地質(zhì)災(zāi)害——滑坡與泥石流［1～3］。2010年7月27日，雅安市漢源縣萬(wàn)工鄉(xiāng)集鎮(zhèn)境內(nèi)的二蠻山因受汶川大地震的波及，強(qiáng)降雨后巖體土壤吸收大量水分，導(dǎo)致大面積滑坡，致21人死亡，城鎮(zhèn)建筑損毀搬遷，造成了重大人員及財(cái)產(chǎn)損失。二蠻山滑坡區(qū)域?yàn)橐粭l高頻泥石流溝［4］，在不良條件下極易再次滑坡。本文以二蠻山山體滑坡為例，在滑坡特征分析基礎(chǔ)上，開(kāi)展地震和暴雨工況下邊坡穩(wěn)定性分析研究，為震后高邊坡安全性評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及相關(guān)技術(shù)依據(jù)。

近年來(lái)，數(shù)值模擬技術(shù)在邊坡穩(wěn)定性分析中有長(zhǎng)足發(fā)展［5～10］，但其局限性也較明顯。例如，基于剛體極限平衡理論建立的程序SLOPE/W過(guò)于依賴假設(shè)條件的真實(shí)性;采用有限元法的ANSYS軟件有小變形假設(shè)，對(duì)于一般邊坡工程，劃分的單元網(wǎng)格數(shù)量龐大，計(jì)算量非常大。而新興的快速拉格朗日法在邊坡穩(wěn)定性分析中可較好地取長(zhǎng)補(bǔ)短，本文即采用基于該方法的FLAC3D軟件對(duì)二蠻山滑坡的邊坡進(jìn)行分析計(jì)算。

1 研究區(qū)地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

二蠻山位于四川省雅安市漢源縣萬(wàn)工鄉(xiāng)集鎮(zhèn)境內(nèi)，北緯29°18'，東經(jīng)102°42'，高山峽谷地貌。二蠻山西南側(cè)槽狀溝谷呈“V”字型展布，總體走向256°。其山頂海拔1967 m，萬(wàn)工鄉(xiāng)集鎮(zhèn)所在堆積扇海拔800～1000 m，滑坡滑源區(qū)頂部高程約1640 m，滑坡堆物前緣高程約960 m。二蠻山滑坡在溝谷右側(cè)斜坡上留下的三角壁面如圖1所示。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造及地震烈度

二蠻山山體主要由二疊系峨眉山組 (P e)玄武巖和二疊系梁山組—陽(yáng)新組 (P l—P y)灰?guī)r構(gòu)成。此外，在溝谷谷口存在第四系泥石流及崩坡積堆積扇，由泥石流堆積層和崩坡積層構(gòu)成，物質(zhì)組成為碎石土、塊石土及粉質(zhì)黏土。該區(qū)地震基本烈度Ⅶ度，地震分組第三組，加速度0.15 g。

1.3 地層巖性

二疊系峨眉山組玄武巖主要為暗紫色豆?fàn)钚滟|(zhì)凝灰?guī)r或鐵灰色致密塊狀玄武巖，巖體內(nèi)柱狀節(jié)理發(fā)育，斜坡淺表層風(fēng)化嚴(yán)重，呈碎塊狀。梁山組以鈣質(zhì)、炭質(zhì)黏土巖為主;陽(yáng)新組以生物碎屑灰?guī)r、白云巖為主，本研究區(qū)內(nèi)主要是生物碎屑灰?guī)r，灰?guī)r表層風(fēng)化溶蝕強(qiáng)烈，凹凸不平，多發(fā)育溶蝕溝槽。

1.4 水文地質(zhì)條件

二蠻山三面環(huán)水，北西側(cè)有白巖河環(huán)繞，南側(cè)為大渡河，漢源縣萬(wàn)工鄉(xiāng)集鎮(zhèn)位于大渡河中游左岸二級(jí)階地上 (見(jiàn)圖2)。

坡體水文條件具體如下:①孔隙潛水賦存于堆積層 (Q4sef)和崩坡積層 (Q4

c+dl)土壤，有一定保水性;碎石土土層地下水位受季節(jié)影響大，保水性較差，水量大。②基巖風(fēng)化裂隙水賦存于巖石斜坡淺表層風(fēng)化帶中，其保水性和透水性好;大氣降水是地下水的主要來(lái)源。③溝谷平均寬700 m，從源頭至溝口堆積扇頂部長(zhǎng)約1476 m，流域匯水面積約1.3 km2。

2 數(shù)值模型建立

2.1 模型基本信息

邊坡采用三維模型，模型長(zhǎng)300 m，寬300 m，平均高度170 m。坡面用31×31個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)描述地表起伏，每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)距離為10 m。

圖2 二蠻山地形地貌及水文條件Fig.2 Topography and hydrological conditions of Ermanshan Mountain

坡面槽狀溝谷呈“V”字形展布，谷線約從模型右邊界2/3處沿直線延伸到模型的左下角，平均縱坡坡降約0.55。溝谷左側(cè)斜坡是滑體所在，坡度約為40°。為便于分析，沿滑體對(duì)稱軸取剖面1-1，滑體對(duì)稱軸與溝谷谷線呈西偏北14°角 (見(jiàn)圖3)。

圖3 1-1剖面位置圖Fig.3 The location of 1-1 profile

2.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)面劃分

模型內(nèi)有Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)面Ⅰ是梁山組—陽(yáng)新組灰?guī)r與其上的峨眉山組玄武巖及上覆土層分界面，傾向305°，傾角40°;結(jié)構(gòu)面Ⅱ是峨眉山組玄武巖與上覆土層分界面，傾向150°，傾角80°。結(jié)構(gòu)面Ⅰ約從谷底切入模型，而結(jié)構(gòu)面Ⅱ則通過(guò)模型底面左上角點(diǎn)切入模型。兩個(gè)結(jié)構(gòu)面將模型分為3部分，最底層的部分 (group3)是梁山組—陽(yáng)新組灰?guī)r，其上三菱臺(tái)部分 (group2)是峨眉山組玄武巖，頂部大體積部分 (group1)則是上覆碎石土。各部分的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查數(shù)據(jù)設(shè)置 (見(jiàn)表1)，模型各巖層關(guān)系如圖4所示。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rocks

圖4 模型各巖層關(guān)系圖Fig.4 Relationship of different parts of rock model

2.3 網(wǎng)格劃分及邊界設(shè)置

模型采用正四面體自由劃分，并對(duì)近地表部分單元加密約10倍，地表某些畸形區(qū)域采用人工編輯，共劃分了約62000個(gè)單元。

2.4 工況條件

考慮3種工況，即天然工況、降雨工況、地震工況，采用的計(jì)算方法是彈性求解法、強(qiáng)度折減法、非線性動(dòng)力反應(yīng)分析。

2.4.1 彈性求解法

將材料的本構(gòu)模型設(shè)置為彈性模型，并將體積模量與剪切模量設(shè)置為大值，然后求解生成初始地應(yīng)力場(chǎng)。

2.4.2 強(qiáng)度折減法

強(qiáng)度折減法中邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù) (Fs)定義為:

式中:R1——巖土體抗滑力，kN;R2——巖土體下滑力，k N。

強(qiáng)度折減法的要點(diǎn)是利用下述的公式調(diào)整巖土體的強(qiáng)度指標(biāo) (c和φF)，然后不斷地迭加折減系數(shù)，直至其達(dá)到臨界破壞，此時(shí)的折減系數(shù)即為安全系數(shù)Fs。

式中:cF——折減后的粘結(jié)力，kPa;φF——折減后的摩擦角，(°);Ftrial——折減系數(shù)。

2.4.3 非線性動(dòng)力反應(yīng)分析

利用周圍區(qū)域真實(shí)密度得出網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)集中質(zhì)量，求解全部動(dòng)力方程。在進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)，阻尼選擇尤其重要，為減小計(jì)算量并且得到逼真的模擬結(jié)果，采用局部阻尼。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 控制條件設(shè)置

3.1.1 降雨工況

降雨是本案例主要工況，故在對(duì)位移、應(yīng)變等圖形分析的基礎(chǔ)上，加以安全系數(shù)分析。計(jì)算時(shí)先采用彈塑性模型生成初始地應(yīng)力場(chǎng)，再將模型所有非空區(qū)域定義為摩爾庫(kù)倫模型，使用Slove Fos命令求解安全系數(shù)。

3.1.2 地震工況

采用彈塑性模型，為避免變形過(guò)大導(dǎo)致數(shù)據(jù)溢出，設(shè)定體系最大不平衡力為100，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為1-6。采用局部阻尼，阻尼系數(shù)為0.314，模型導(dǎo)入汶川地震波，峰值加速度0.125 g，其動(dòng)力加速度時(shí)程如圖5所示。

圖5 地震動(dòng)力加速度時(shí)程圖Fig.5 Earthquake acceleration velocity-time graph

3.2 各工況坡體變形特征分析

圖6 為各工況邊坡整體位移云圖及1-1剖面位移云圖。天然工況下，模型西北角變形顯著，其位移高值中心在西北角坡脊上，有順坡向下偏移趨勢(shì)，天然工況總位移最大值約23.99 cm;在該脊周圍，總位移量均勻降低 (見(jiàn)圖6a、6 b)。

降雨工況下，滑體集中在北坡中部 (見(jiàn)圖6 c、6 d)，與二蠻山滑坡情況吻合，其位移相對(duì)高值區(qū)分布于高程1549～1650 m范圍內(nèi)，降雨工況總位移最大值約17.15 m。與天然工況相比，高值區(qū)由西北角坡脊轉(zhuǎn)移到西北坡面上，高值區(qū)范圍縮小，但降雨工況滑坡位移增量1.60×101～1.71×101較天然工況位移增量2.25×10-1～2.40×10-1增大明顯，與實(shí)際災(zāi)害情況比較吻合。

地震工況下，邊坡整體在溝谷下端的位移較大，從剖面圖 (見(jiàn)圖6e、6f)可以看出，土層 (深藍(lán)部分)較穩(wěn)定，由土層向外，位移呈弧形擴(kuò)散不斷均勻遞增，1-1剖面位移相對(duì)高值區(qū)主要分布于高程1590～1635 m范圍內(nèi)，在溝谷下端邊沿達(dá)到最大值4.40×10-2。

3.3 各工況坡體穩(wěn)定性分析

大量理論及工程實(shí)例分析結(jié)果表明，判斷滑坡潛在滑動(dòng)面或變形破壞部位，可根據(jù)其剪應(yīng)變?cè)隽看笮?lái)判斷，剪應(yīng)變?cè)隽考袔ǔＪ腔掳l(fā)生深部變形破壞的地帶。

圖6 各工況下邊坡整體及1-1剖面位移云圖Fig.6 Displacement of the whole slope and 1-1 profile under the various conditions

天然工況下，坡體剪應(yīng)變?cè)隽糠逯禐?.40×101～1.45×101，集中在坡體頂部，沿基覆界面擴(kuò)展延伸 (見(jiàn)圖7a、7 b)，這是因?yàn)轫敳炕步缑嫫骄?，造成該處出現(xiàn)剪應(yīng)變?cè)隽繋?。剪?yīng)變?cè)隽考袔鄬?duì)較大的部分不足基覆界面20%，而鎖固段占絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，控制了滑坡整體穩(wěn)定性。

降雨工況下，坡體剪應(yīng)變?cè)隽糠逯禐?.20×101～1.31×101，沿基覆界面延伸，中下部增量集中 (見(jiàn)圖7c、7d)。與天然工況相比，剪應(yīng)變?cè)隽坑忻黠@增大，且位置由頂部變?yōu)橹邢虏?。鎖固段與天然工況相比明顯縮小，表明在降雨工況下，邊坡穩(wěn)定性下降，滑動(dòng)趨勢(shì)明顯。

地震工況下，坡體剪應(yīng)變?cè)隽繛?.25×10-4～2.48×10-4，其分布沿土層與峨眉山組玄武巖的結(jié)構(gòu)面貫通 (見(jiàn)圖7 e、7 f)。鎖固段與天然工況及降雨工況下相比雖有明顯放大，但其值降低為原值的10-4，表明在地震工況下，坡體整體松散，穩(wěn)定性下降，滑動(dòng)趨勢(shì)愈加明顯。

3.4 降雨工況下坡體穩(wěn)定性

二蠻山屬亞熱帶氣候，干熱少雨，雨季 (6—9月)降水量占全年70.6%。2010年7月23—25日，漢源縣連續(xù)遭遇兩次強(qiáng)降雨天氣，累計(jì)降雨量達(dá)163 mm，致二蠻山溝谷內(nèi)發(fā)生沖出量約5×104m3規(guī)模的泥石流災(zāi)害。強(qiáng)降雨過(guò)程中，泥石流對(duì)滑源區(qū)坡腳的掏蝕效應(yīng)、地表水入滲飽水加載效應(yīng)、坡體結(jié)構(gòu)軟化效應(yīng)的迭合，誘發(fā)了滑坡發(fā)生。根據(jù)強(qiáng)降雨2 d后才發(fā)生滑坡的現(xiàn)象推測(cè)，雨水滲入坡體結(jié)構(gòu)，致其物理性質(zhì)軟化可能是滑坡主要因素。

圖7 各工況下邊坡整體及1-1剖面剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig.7 Shear strain increment of the whole slope and 1-1 profile under the various conditions

在模擬中，考慮了10 mm/d、25 mm/d、50 mm/d等3種降雨量情況;對(duì)剪切模量、體積模量等參數(shù)考慮了軟化作用，進(jìn)行了0.75、0.57、0.42倍折減;對(duì)容重考慮入滲飽水加載作用，進(jìn)行了擴(kuò)大，模擬計(jì)算后得到的安全系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 不同強(qiáng)度折減安全系數(shù)Table 2 Safety coefficients under the different strength reductions

不折減時(shí)，邊坡的安全系數(shù)Fs0值為1.88，安全儲(chǔ)備很高，坡體安全，不會(huì)產(chǎn)生滑坡;各物理力學(xué)參數(shù)按第一組取值時(shí)，安全系數(shù)Fs1值為1.24，較折減前降低了34.04%，坡體安全儲(chǔ)備降低，但還不至產(chǎn)生滑坡;各物理力學(xué)參數(shù)按第二組取值時(shí)，安全系數(shù)Fs2值為1.06，較折減前降低了43.62%，安全儲(chǔ)備已所剩無(wú)幾，坡體達(dá)到滑坡啟動(dòng)邊緣，降雨量微增或者輕微震動(dòng)可啟動(dòng)滑坡;各物理力學(xué)參數(shù)按第三組取值時(shí)，安全系數(shù)Fs3值為0.95，較折減前降低了49.47%，安全儲(chǔ)備為0，坡體產(chǎn)生滑坡。分析可知，隨著降雨量的增加，各參數(shù)軟化，得到的坡體安全系數(shù)Fs1、Fs2、Fs3遞減，邊坡漸趨滑動(dòng)。

3.5 地震工況下坡體監(jiān)測(cè)點(diǎn)特征

2010年7月27日，二蠻山曾在第一次滑坡約30 min后，發(fā)生二次滑坡。二蠻山溝谷原為高頻泥石流溝，滑坡區(qū)極易發(fā)生二次滑坡，結(jié)合地震災(zāi)區(qū)至今仍有余震發(fā)生的情況，對(duì)該坡地震工況下的動(dòng)力特性分析尤為重要。

為研究斜坡的動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律，在模型1-1剖面高程1721 m和1623 m處分別設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在高程1589 m處設(shè)置2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其編號(hào)依次為:P1、P2、P3、P4(見(jiàn)圖8)，用以監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)加速度、速度、位移，及單元體的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力等特征值。

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.8 Layout of monitoring points

3.5.1 速度時(shí)程分析

圖9為模擬得到的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)動(dòng)力特征圖，由圖9 a可知，P2、P3點(diǎn)速度時(shí)程相似，0.098 s時(shí)，速度同時(shí)達(dá)最小值，分別為-0.38 m/s、-0.21 m/s，隨后正向增加，0.500 s時(shí)速度達(dá)0.90 m/s，其后緩和增長(zhǎng)至1.20 m/s。

P1點(diǎn)速度時(shí)程與P2、P3點(diǎn)相似，但速度時(shí)程波動(dòng)頻率降低，0.62 s時(shí)，速度絕對(duì)值最大約1.63 m/s，其后發(fā)展趨于平緩。

P4點(diǎn)速度時(shí)程遠(yuǎn)異于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)，2.00 s內(nèi)處于負(fù)值區(qū)，曲線波動(dòng)明顯、離散性大，0.73 s時(shí)，其速度絕對(duì)值達(dá)到最大值，為2.62 m/s。

分析表明，在遠(yuǎn)離地表的前提下，速度時(shí)程隨高程增加產(chǎn)生滯后效應(yīng);隨著距地表距離減少，速度時(shí)程波幅增大，離散性增大。

3.5.2 位移時(shí)程分析

由圖9b可知，P2、P3點(diǎn)豎直位移時(shí)程接近，在0.20 s內(nèi)顯下降趨勢(shì)，隨后呈近似一次函數(shù)上升，P3點(diǎn)豎直位移在整個(gè)持時(shí)中均略高于P2點(diǎn)。

P1點(diǎn)豎直位移時(shí)程與P2、P3點(diǎn)相似，但略滯后于P2、P3點(diǎn)約0.33 s，隨持時(shí)發(fā)展，P2、P3與P1點(diǎn)呈漸遠(yuǎn)趨勢(shì)。

P4點(diǎn)位移時(shí)程遠(yuǎn)異于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)，2.00 s內(nèi)處于負(fù)值區(qū)，呈近似一次函數(shù)下降。2.00 s時(shí)，P1、P2、P3、P4點(diǎn)位移分別達(dá)到0.13 m、0.18 m、0.8 m、-0.33 m。

圖9 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)動(dòng)力特征曲線Fig.9 Dynamic characteristics of the monitoring points

分析表明，位移時(shí)程隨高程增加產(chǎn)生滯后效應(yīng);隨著距地表距離的減少，位移時(shí)程趨于線性;坡腳處的P4位移為負(fù)增長(zhǎng)，表明地震作用使其受壓;而其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移為正增長(zhǎng)，所在區(qū)域均出現(xiàn)拉應(yīng)力，有滑動(dòng)趨勢(shì)。

3.5.3 剪切應(yīng)變?cè)隽繒r(shí)程分析

由圖9c可知，P3點(diǎn)剪切應(yīng)變?cè)隽繒r(shí)程保持在P2點(diǎn)下方約0.30μm，在0.05～0.50 s持時(shí)內(nèi)，曲線減速遞增，0.50 s時(shí)曲線斜率接近于0，其后約0.26 s持時(shí)內(nèi)有一上升臺(tái)階，在1.00 s后近似零增長(zhǎng)趨勢(shì)。

在0.48 s持時(shí)以內(nèi)，P1點(diǎn)剪切應(yīng)變?cè)隽匡@著上升，至0.48 s時(shí)達(dá)到5.79μm，在0.48～1.35 s內(nèi)，剪切應(yīng)變?cè)隽吭?.42～5.79μm范圍波動(dòng)，其后圍繞5.45μm上下波動(dòng)。

P4點(diǎn)剪切應(yīng)變?cè)隽繒r(shí)程與P1點(diǎn)相似，但變化頻率更快，離散性更大，在0.12 s迅速上升至4.49μm，其后，波幅漸小，最終圍繞4.62μm上下波動(dòng)。

分析表明，在一定范圍內(nèi)，隨著高程的增加，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)剪切應(yīng)變?cè)隽侩S之增大且趨勢(shì)相近;隨著與地表距離的減小，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)剪切應(yīng)變?cè)隽坎▌?dòng)頻率加快，波幅增加。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用FLAC3D比較詳細(xì)地對(duì)漢源二蠻山滑坡進(jìn)行建模分析，并模擬了天然、降雨、地震3種不同工況。為使模擬更真實(shí)，采用了不同本構(gòu)模型，得到了相應(yīng)應(yīng)力云圖、應(yīng)變?cè)茍D、位移云圖、系統(tǒng)不平衡力曲線、地震加速度時(shí)程等圖形，并對(duì)坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

通過(guò)降雨工況下坡體穩(wěn)定性分析，得到強(qiáng)度折減安全系數(shù)表，為量化分析降雨量與滑坡啟動(dòng)關(guān)系分析提供基礎(chǔ)。

假設(shè)地震工況得到的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)動(dòng)力特性，模擬了漢源二蠻山二次震發(fā)滑坡的發(fā)生。

本文直觀地反應(yīng)了漢源二蠻山滑坡產(chǎn)生的過(guò)程;詳細(xì)地對(duì)于二蠻山坡體地震工況進(jìn)行模擬，為二次震發(fā)滑坡提供理論依據(jù)和預(yù)警，研究成果也可為龍門山、大小涼山、龍泉山、大巴山、金沙江峽谷、岷江上游段峽谷地區(qū)等其他地震滑坡頻發(fā)區(qū)的滑坡預(yù)警提供借鑒。

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