地震誘發(fā)滑坡穩(wěn)定性分析及監(jiān)測預(yù)警方法研究*

陶志剛 曹 輝 秦秀山 劉光生 于世波

(1.北京礦冶研究總院;2.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室)

2008年5月12日，四川省汶川8.0級地震發(fā)生于青藏高原東緣的龍門山斷裂帶。龍門山斷裂帶主要由汶川—茂汶、北川—映秀、安縣—灌縣平行斷裂構(gòu)成，主震發(fā)生在其中央斷裂［1］，屬于單向破裂，余震在3條斷裂上皆有發(fā)生，由SW向NE方向推移。次生災(zāi)害沿破裂帶及兩側(cè)密集分布，并隨著距破裂帶的距離增大而急劇減少［2］。

陜西廣坪鎮(zhèn)距離汶川震中的直線距離約140 km，地震發(fā)生時該地區(qū)震感強烈，大部分房屋開裂、倒塌。受地震、降雨等因素的綜合影響，鳳凰山坡體上出現(xiàn)多處與邊坡走向一致的裂縫，局部出現(xiàn)蠕變、滑塌等險情，威脅坡下鳳凰街37戶150人的生命安全。

1 基本特征與影響因素分析

1.1 基本特征

鳳凰山西臨廣坪河，東側(cè)和南側(cè)為曹家溝，北側(cè)以斷層谷與主山體相隔，為相對獨立的低山。山體呈EW向展布，山脊高程640～680 m，最高點高程683 m，坡腳高程603～605 m，相對高差40～80 m。平面形態(tài)呈曲線形，坡向為128°～165°［3］。該地區(qū)的裂縫發(fā)育特征如圖1所示，擋土墻變形情況如圖2所示。

圖1 裂縫發(fā)育特征

圖2 擋土墻變形

從現(xiàn)場調(diào)查情況看，山體南坡發(fā)生過錯動，即緊鄰鳳凰街坡體，其坡面較緩，坡度上部25°～40°，下部10°～25°。坡體后緣出現(xiàn)多條沿著邊坡走向的張裂縫，裂縫長約140 m，寬約1.2 m，深度不詳，內(nèi)充填第四系黏土、碎石和雜草。且受地震波的擾動，坡面表層第四系黏土結(jié)構(gòu)松散，大小裂縫貫穿其中。坡腳處居民后院擋墻沿著滑動方向產(chǎn)生變形外凸，確定為滑坡剪出舌部推擠所致?；潞土芽p產(chǎn)生后，由于暴雨頻發(fā)，當(dāng)?shù)卣途用衽R時利用防水帆布對裂縫和坡面進(jìn)行掩蓋，避免雨水入滲加劇滑坡的發(fā)生。

1.2 地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造

(1)地層巖性。根據(jù)勘察資料，滑坡區(qū)域地層主要由中上元古界和第四系組成，詳見表1所示。

表1 地層巖性統(tǒng)計表

(2)地質(zhì)構(gòu)造。鳳凰山滑坡位于區(qū)域大斷裂金山寺—廣坪—陽平關(guān)斷裂的上盤和斷裂帶。金山寺—廣坪—陽平關(guān)斷裂為區(qū)域性逆斷層，斷層上盤巖性為中上元古界口群(Pt2－3bk)淺灰綠色細(xì)碧質(zhì)凝灰?guī)r。下盤為志留系黃綠色絹云千枚巖、板巖、變質(zhì)砂巖。

1.3 滑坡特征及成因分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，鳳凰山滑坡周界呈圓弧形，滑體平面呈舌狀，近南北向展布。滑坡后緣沿山脊延伸，西邊界為坡體邊緣，東邊界以沖溝為界，前緣呈弧形沿河谷分布?；w南北向100～150 m，東西寬380 m，坡向128°～165°?；潞缶壐叱?40～660 m，前緣高程603～604 m，高差40～60 m，如圖3所示。

圖3 滑坡體平面

根據(jù)調(diào)查，1970年以前，滑坡前緣位于公路以南。由于移民搬遷建房、修路，滑體前部已挖掉40～60 cm，現(xiàn)今滑坡前緣多為人工切坡陡坎，并修建擋墻支護(hù)?？哺?～10 m，擋墻支護(hù)長度約220 m。鳳凰山滑坡體的形成，由內(nèi)外兩種因素控制。

(1)內(nèi)在因素。①地形特征:滑坡區(qū)為斜坡地形，前后緣高差30～40 m;②巖性特征:邊坡巖土體以粉質(zhì)黏土為主，滲透性差，不利于雨水和地下水的滲出。

(2)外在因素。①降水:當(dāng)?shù)貙俦眮啛釒釒瘽駳夂?，年降水?60～1 600 mm。降水使滑體容重增加，降低滑帶土的抗剪強度;②人類工程活動:當(dāng)?shù)毓芳熬用穹课萁ㄔO(shè)過度開挖坡腳，形成高陡臨空面，破壞巖體原始應(yīng)力狀態(tài);③地震:汶川地震產(chǎn)生震動響應(yīng)，促使滑坡體產(chǎn)生多處裂縫，坡體下錯，巖土體松散。

1.4 地震動參數(shù)

根據(jù)GB 18306—2001，鳳凰山滑坡區(qū)地震動峰值加速度為0.15g，地震基本烈度VII度。

2 邊坡穩(wěn)定性計算

鳳凰山滑坡體以第四系滑坡為主，因此本次計算采用Geo－slope軟件中的SLOPE/W模塊，SLOPE/W可以對滑移面形狀改變、孔隙水壓力狀況、土體性質(zhì)、不同的加載方式等巖土工程問題進(jìn)行分析。

2.1 模型建立

根據(jù)現(xiàn)場實測地形及簡化工程地質(zhì)剖面(如圖4所示)，結(jié)合邊坡的實際狀況和破壞特征，對現(xiàn)實邊坡進(jìn)行適當(dāng)?shù)母呕⒘锁P凰山滑坡體穩(wěn)定性計算模型。

圖4 工程地質(zhì)剖面

2.2 參數(shù)設(shè)置

鳳凰山邊坡穩(wěn)定性計算參數(shù)，如表2所示。

表2 參數(shù)設(shè)置

2.3 動力條件

由于距離震源點的距離和位置的不同，地震波到達(dá)時通常以一定的角度入射，坡體的動力響應(yīng)過程是縱橫波耦合作用的結(jié)果［4］，造成相同震源距情況下兩者達(dá)到的時間存在先后關(guān)系。因此，地震對邊坡的穩(wěn)態(tài)影響具有很多不確定性。為了簡化計算，本次考慮縱橫波耦合作用，假設(shè)地震發(fā)生后其能量主要通過縱波和橫波形式傳播，并以一定角度作用于邊坡。

汶川地震震源深度約14 km，研究區(qū)距離震源深度水平距離140 km，縱波傳播波速Vp=6 km/s，橫波傳播速度Vs=3.5 km/s，可計算出震動開始之初，縱波先期到達(dá)邊坡，約16.75 s后橫波達(dá)到，因此鳳凰山邊坡是在縱波橫波共同的拉壓和剪切作用下發(fā)生的耦合變形破壞。

2.4 計算結(jié)果及分析

根據(jù)鳳凰山滑坡體實際工程地質(zhì)條件、降雨和坡體正常含水量特征，運用SLOPE計算軟件計算出地震前后邊坡的安全系數(shù)，從而判斷地震動力響應(yīng)對邊坡穩(wěn)態(tài)的影響機制。

(1)無地震力作用下邊坡的穩(wěn)態(tài)分析。當(dāng)不考慮地震力作用，通過數(shù)值計算，確定邊坡的安全系數(shù)為Fs=1.177，屬于相對穩(wěn)定邊坡，計算斷面如圖5所示。

圖5 無地震力影響的邊坡穩(wěn)定性分析

(2)有地震力作用下邊坡的穩(wěn)態(tài)分析。當(dāng)充分考慮縱橫波聯(lián)合作用力對邊坡穩(wěn)態(tài)的影響，通過數(shù)值計算，確定邊坡的安全系數(shù)為Fs=0.985＜1，屬于不穩(wěn)定邊坡，計算斷面如圖6所示。

圖6 考慮地震力影響的邊坡穩(wěn)定性分析

分析結(jié)果顯示，鳳凰山在自然條件下處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)受到地震、人工開挖擾動等外界動力條件的影響下，安全系數(shù)Fs＜1，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，安全系數(shù)降低16.3%。因此為了確保下方人員和房屋的安全，必須采取有效的防震措施，并且加強邊坡動態(tài)監(jiān)測。

3 滑坡監(jiān)測點設(shè)計方案

3.1 監(jiān)測原理

以滑動力大于抗剪強度是滑坡產(chǎn)生的充要條件作為滑坡體滑動的主要判據(jù)，提出滑動面上抗滑力和下滑力之間的平衡關(guān)系是滑坡體內(nèi)各種因素包括巖性、構(gòu)造、位移、巖層傾斜、地下水水位變化以及降雨共同作用的結(jié)果，決定了邊坡穩(wěn)定狀態(tài)［5-6］。

3.2 監(jiān)測設(shè)備

地震作用條件下鳳凰山滑坡體穩(wěn)定性監(jiān)測采用中國礦業(yè)大學(xué)(北京)自主研發(fā)的SPRM－01型滑坡遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種測量滑動面上下滑力演變特征的監(jiān)測儀器，由3部分組成:①力學(xué)傳感裝置由恒阻通信纜索和作用力傳感器組成;②作用力信號采集－發(fā)射裝置是整個系統(tǒng)的核心部分，設(shè)備內(nèi)嵌數(shù)據(jù)采集模塊、儲存模塊、發(fā)射模塊和電源管理模塊;③數(shù)據(jù)接收－分析終端，由基于北斗衛(wèi)星通訊平臺，根據(jù)力學(xué)模型開發(fā)了數(shù)據(jù)自動接收和處理軟件。

3.3 監(jiān)測點布置方案

2008年8月，在鳳凰山滑坡體上共設(shè)計并安裝3個滑動力監(jiān)測點，監(jiān)測點間隔20 m(如圖7所示)，編號由坡腳到坡頂順次編號:“廣坪1”、“廣坪2”和“廣坪3”。

圖7 鳳凰山滑坡體監(jiān)測點分布

3.4 監(jiān)測結(jié)果與分析

鳳凰山滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)于2008年9月1日正式投入運行，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)定為24條/d。經(jīng)過近25個月的現(xiàn)場監(jiān)測，共采集到5.4萬條監(jiān)測數(shù)據(jù)。監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，發(fā)現(xiàn)廣坪3個監(jiān)測點總體上處于平穩(wěn)狀態(tài)，滑動力隨時間沒有發(fā)生突變現(xiàn)象。監(jiān)測曲線顯示鳳凰山巖土體內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到新的平衡，3個監(jiān)測點下滑力分別保持在150、190和280 kN，潛在滑動面上的下滑力隨時間變化趨勢平穩(wěn)，具有豐富的安全儲備，滑坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 廣坪監(jiān)測曲線

4 結(jié)論

(1)鳳凰山第四系邊坡在強烈的震動效應(yīng)和顯著地形放大效應(yīng)的作用下，致使第四系坡體震裂、松弛，局部區(qū)域解體破壞。

(2)地震波的輸入對第四系邊坡的穩(wěn)定性影響顯著，隨著水平地震系數(shù)的引入，邊坡巖體穩(wěn)定性系數(shù)明顯下降。因此，在邊坡穩(wěn)態(tài)分析過程中，要充分考慮地震動效應(yīng)的影響。

(3)鳳凰山滑坡體目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是通過SLOPE數(shù)值模擬計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)邊坡遇到地震等擾動后，這類型的邊坡巖體強度會立刻降低，因此，建議開展刷坡、噴錨、擋墻加固、掛網(wǎng)、截排水溝等治理措施，避免潛在滑坡隱患。

［1］ 唐益群，呂西林，李建中，等.地震引發(fā)青川縣地區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害淺析［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2008，24(3):20-23.

［2］ 崔 鵬，韋方強，陳曉清，等.汶川地震次生山地災(zāi)害及其減災(zāi)對策［J］.科技賑災(zāi)，2008，23(4):317-323.

［3］ 董瑞朝，陳孝剛，陶志剛.陜西鳳凰山滑坡體穩(wěn)定性評價及敏感性分析［J］.地下空間與工程學(xué)報，2012，8(S2):1737-1742.

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［5］ 陶志剛，何滿潮，張 斌.地震作用條件下滑坡體遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究［C］∥第十一次全國巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會論文集.北京:中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會，2010:206-211.

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