石碑塬滑坡成因機(jī)制及數(shù)值模擬初步分析

郭 浪，裴向軍

（成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059）

石碑塬滑坡位于寧夏固原市原州區(qū)彭堡鎮(zhèn)撒門村陜家莊東北側(cè)，營城河右岸，滑坡區(qū)地勢東高西低、南高北低。石碑塬滑坡主滑方向為270°，原始斜坡坡度為3°～5°［1］。滑坡區(qū)東、西兩側(cè)均以兩側(cè)沖溝為界，南北寬約2.0～2.3km，東西長約1.2km；原始斜坡前緣為一沖溝，溝底高程1 620～1 640m；后緣高程1 705m左右?；氯惨娺b感圖1。

圖1 石碑塬滑坡遙感圖

1 滑坡區(qū)基本地質(zhì)條件

1.1 地層巖性

滑坡分布范圍內(nèi)出露的地層主要為中晚更新世黃土層及第四系為殘坡積、滑坡堆積層組成。包括Q2離石期黃土地層和Q3馬蘭期黃土地層。馬蘭黃土可以分為上部黃土層、第一古土壤層、含砂層段和下部黃土層。

1.2 區(qū)域構(gòu)造及地震

滑坡區(qū)距1920年海源地震（Ms＝8.5）斷裂帶約為1.7km，距離震中70～90km，地震烈度為10°（見圖2）。

圖2 近場區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖及地震烈度圖

1.3 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地面坡度小，相對比較平整開闊，具有良好的匯水條件；含水層主要為晚更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土、粉細(xì)中砂土層?；茀^(qū)的地下水主要來自大氣降水，沿黃土中的大孔隙、垂直節(jié)理和落水洞滲入第一古壤層，再沿古壤層的裂隙繼續(xù)下滲。黃土層中的上部潛水埋藏于第一古壤層以下的砂土層中，水位一般為8～20m。

2 滑坡體結(jié)構(gòu)特征

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，原始斜坡后緣高程1 705m左右，前緣發(fā)育沖溝，溝底高程約1 620～1 640m，前后緣高差約65～85m，斜坡原始坡度為3°～5°，南北寬約2.0～2.3km，東西長約500m，滑坡體平均厚約14m，總體積約154萬m3?；虑熬壨茢D淹沒沖溝并向前爬坡、中部呈波浪狀液化流動、后緣拉裂下陷并發(fā)育落水洞，整個滑移區(qū)表現(xiàn)為波狀起伏、峰谷相間的流滑狀態(tài)［2］，從滑坡變形特征和運(yùn)動性質(zhì)分析來看，該滑坡屬于典型低角度地震液化推移式滑坡。

3 滑坡成因機(jī)制分析

3.1 滑坡主控因素分析

（1）地震作用力：滑坡區(qū)距1920年海源地震（Ms＝8.5）斷裂帶約為1.7km，距離震中70～90km，地震烈度為10°，巨大的地震波為滑坡區(qū)砂質(zhì)黃土層的液化及滑坡的滑移提供了強(qiáng)大的動力條件。

（2）地層巖性及巖體結(jié)構(gòu)：該滑坡物質(zhì)主要以黃土狀土、粉細(xì)砂和含砂黃土組成，第一古壤層以下的飽和砂土層及含砂黃土層在地震作用力下極易液化，上部黃土易沿該層面漸進(jìn)發(fā)展直至整體破壞形成滑坡；上部黃土垂直節(jié)理發(fā)育，在水的作用下，極易發(fā)育成落水洞，而地表水順落水洞下滲，從而為下部砂土液化提供了條件。

（3）地形條件：石碑塬滑坡的地貌形態(tài)前陡后緩，前部沖溝深切，深度15～20m，寬度20～30m，為滑坡的形成提供了空間條件；滑坡區(qū)地面坡度小，相對比較平整開闊，后緣落水洞發(fā)育，具有良好的匯水條件及下滲條件。

（4）水文地質(zhì)條件：含水層主要為晚更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土、粉細(xì)中砂土層?；茀^(qū)的地下水主要來自大氣降水，沿黃土中的大孔隙、垂直節(jié)理和落水洞滲入第一古壤層，再沿古壤層的裂隙繼續(xù)下滲。地下水的靜水壓力使第一層古土壤的有效法向應(yīng)力降低，從而降低了抗滑力。而且飽和砂土層在地震作用下極易液化，從而使斜坡的穩(wěn)定條件惡化。

綜上所述，石碑塬大規(guī)模低角度黃土滑移形成的機(jī)理是：海原大地震之前，滑移區(qū)表層為馬蘭黃土，在馬蘭黃土下部為含粉砂層及砂質(zhì)黃土層段，地震時，飽和粉砂土層在強(qiáng)大的地震波作用下震動液化后，液化的飽和粉砂土層拖動上部馬蘭黃土沿低角度滑移。

3.2 滑坡變形破壞過程分析

滑坡的發(fā)生大致可分為以下3個階段（圖3～5）。

圖3 第一階段滑坡

第一階段：伴隨滑坡區(qū)匯集雨水的沖刷，經(jīng)過長期地表再造，逐漸形成了前緣沖溝及后緣落水洞。

圖4 第二階段滑坡

第二階段：地表水通過前緣沖溝及后緣落水洞入滲，滑坡體中部砂質(zhì)黃土層含水量劇增直至飽和。

圖5 第三階段滑坡

第三階段：1920年海原大地震時，在強(qiáng)大的地震作用力下，早期飽和的砂質(zhì)黃土層液化，斜坡沿著液化層終于發(fā)生了一次大的滑坡事件。

4 滑前斜坡數(shù)值模擬

為了模擬滑前斜坡在地震力作用下的受力情況，采用GEO－StudioE軟件中的QUAKE/W 模塊來分析滑前斜坡剖面在地震作用下的穩(wěn)定情況及不同部位的受力和變形情況。

在對滑前斜坡進(jìn)行模擬計算時，動參數(shù)采用地區(qū)經(jīng)驗值，巖土常規(guī)參數(shù)采用室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，動荷載采用汶川地震加速度時程，其水平方向加速度幅值達(dá)0.8g，垂直方向加速度幅值達(dá)1g，加速度時程曲線見圖6～7。

圖6 模擬所用水平方向加速度時程曲線

圖7 模擬所用垂直方向加速度時程曲線

4.1 靜力計算成果分析

由給出的地震前坡體垂直有效應(yīng)力場分布云圖（圖8）可以看出，初始應(yīng)力場由自重產(chǎn)生，震前坡體應(yīng)力場分布正常。

4.2 動力計算成果分析

動力計算成果包括如圖9～11的云圖，從圖中可以看出，地震時斜坡的位移變形主要集中在斜坡的中部及后部，滑前斜坡前部位移相對較??；隨著坡高的降低，垂直位移逐漸減小。斜坡前部主要以水平位移為主；斜坡地震時最大剪應(yīng)變出現(xiàn)在斜坡中部、前部；斜坡坡腳處剪切應(yīng)變集中。

圖8 震前坡體垂直有效應(yīng)力場等值線圖

圖9 地震時，水平位移等值線圖

圖10 地震時，垂直位移等值線圖

圖11 地震時，坡體最大剪應(yīng)變等值線圖

5 結(jié)語

（1）石碑塬滑坡原始坡度為3°～5°，南北寬約2.0～2.3km，東西長約500m，滑坡體平均厚約14m，總體積約154萬m3，屬于典型低角度地震液化推移式滑坡。

（2）石碑塬滑坡成因受海原大地震、地層巖性及巖體結(jié)構(gòu)、地形條件、水文地質(zhì)條件等因素共同控制；滑坡成因機(jī)理為：海原大地震時，飽和粉砂土層在強(qiáng)大的地震波作用下震動液化后，液化的飽和粉砂土層拖動上部馬蘭黃土沿低角度滑移。

（3）通過數(shù)值模擬分析，地震時斜坡的位移變形主要集中在斜坡的中部及后部，斜坡前部主要以水平位移為主；最大剪應(yīng)變出現(xiàn)在斜坡中部、前部；斜坡坡腳處剪切應(yīng)變集中。

［1］王家鼎，白學(xué)銘，肖樹芳.強(qiáng)震作用下低角度黃土斜坡滑移的復(fù)合機(jī)理研究［J］.巖土工程學(xué)報，2001，23（4）：445－448.

［2］白學(xué)銘.高烈度地震時黃土層的液化移動［J］.工程勘察，1990（6）：1－5.