地震作用下黃土滑坡離散元數(shù)值模擬研究

關(guān)曉迪

(西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

黃土因其形成環(huán)境的特殊性，表現(xiàn)出大孔隙、水敏性、弱膠結(jié)、力學(xué)強(qiáng)度低、濕陷性強(qiáng)等特點(diǎn)，使得黃土地區(qū)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，形成機(jī)理復(fù)雜，嚴(yán)重制約了黃土地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。據(jù)調(diào)查，自20世紀(jì)60年代以來(lái)，在陜西省范圍內(nèi)發(fā)生的滑坡就多達(dá)1 131處[1]，甘肅東部新老滑坡有4萬(wàn)余處[2]。作為黃土滑坡代表，甘肅黑方臺(tái)滑坡一直備受關(guān)注，對(duì)于黑方臺(tái)黃土滑坡的形成機(jī)理、滑坡類型、分布規(guī)律、監(jiān)測(cè)預(yù)警及時(shí)間預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等方面，學(xué)者們做了大量的研究[3-6]，為該滑坡周圍的人們生產(chǎn)生活及區(qū)域規(guī)劃等提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

數(shù)值技術(shù)克服了傳統(tǒng)方法不能對(duì)幾何形態(tài)復(fù)雜的邊坡進(jìn)行計(jì)算，不能體現(xiàn)材料的各向異性等缺陷，可更加全面地考慮影響滑坡運(yùn)動(dòng)破壞的各種因素。近些年來(lái)由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟及軟件的不斷完善，數(shù)值模擬方法在滑坡領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，模擬效果逐步趨于實(shí)際，已成為滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析中的重要手段。胡煒等[7]以黑方臺(tái)焦家崖頭黃土滑坡為研究對(duì)象，采用有限差分?jǐn)?shù)值模型模擬了滑坡的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，證明了此類灌溉滲透型黃土滑坡具有高速遠(yuǎn)程滑動(dòng)的特征。賈俊等[8]采用離散元數(shù)值方法，對(duì)黑方臺(tái)地區(qū)飽水黃土軟弱層誘發(fā)滑坡的形成過(guò)程和滑體的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征進(jìn)行了研究，分析了滑體高速運(yùn)動(dòng)及穩(wěn)定堆積過(guò)程中的相關(guān)特征。王念秦等[9]采用PFC2D軟件模擬了涇陽(yáng)南塬滑坡滑體的沖擊過(guò)程，分析了滑體的刮鏟堆積及其速度場(chǎng)的變化情況。通過(guò)掃描巖土體顆粒輪廓進(jìn)行建模以及FLAC3D耦合PFC3D的真實(shí)三維地形建模已經(jīng)成為了多數(shù)學(xué)者常用的研究方法[10-12]，滑坡模擬的研究方向也擴(kuò)展到了滑體能量分析、滑帶摩擦熱研究等更多領(lǐng)域[13-16]。對(duì)于邊坡地震動(dòng)力分析的離散元模擬工作，石崇等[17-18]、李祥龍等[19-20]、胡訓(xùn)健等[21]、卞康等[22]學(xué)者做了較多研究。施鳳根[23]運(yùn)用PFC3D對(duì)文家溝滑坡的高速遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了研究，通過(guò)數(shù)值分析與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，揭示了文家溝滑坡的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。

當(dāng)下，盡管國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)黃土滑坡的破壞過(guò)程、運(yùn)動(dòng)機(jī)理等方面做了大量的工作，取得了豐富的研究成果，但仍有一些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究，如地震荷載作用下黃土滑坡的運(yùn)動(dòng)滑移特征等。本文主要以甘肅黑方臺(tái)滑坡為例，對(duì)不同地震荷載下以及滑源區(qū)不同位置顆粒的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行分析，找出地震荷載作用下滑源區(qū)顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為黃土地區(qū)地震滑坡的防治和規(guī)劃提供一定的參考。

1 模型建立

黑方臺(tái)位于中國(guó)甘肅省中部的臨夏永靖縣，是祁呂賀山字型構(gòu)造與隴西旋卷構(gòu)造的復(fù)合部位，區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，以差異性上升為主要特征，由于受黃河侵蝕，形成了多級(jí)階地地貌。黑方臺(tái)屬黃河Ⅳ級(jí)基座階地。黑方臺(tái)發(fā)育的滑坡多達(dá)77處，結(jié)合黑方臺(tái)滑坡所處的地質(zhì)環(huán)境條件，該地區(qū)的滑坡大致分為6個(gè)區(qū)段，分別為新源端、黨川段、黃茨段、焦家崖段、焦家段和陳家段。本文以2019年2月發(fā)生的甘肅黑方臺(tái)焦家6號(hào)滑坡為例展開研究，圖1為焦家6號(hào)滑坡的無(wú)人機(jī)影像，根據(jù)AA′剖面做出滑坡的縱剖面見圖2。然后利用PFC2D程序，建立滑坡的二維模型(圖3)，模型底部寬540 m，高140 m，模型中共包含顆粒8 005個(gè)，分為滑源區(qū)顆粒(黃色)和非滑源區(qū)顆粒(藍(lán)色)。由于滑坡處于黃土地區(qū)，黃土顆粒之間的接觸與PFC中自帶的接觸黏結(jié)接觸模型較為接近，故而選取接觸黏結(jié)模型作為本次模擬的接觸模型。通過(guò)試錯(cuò)法以及大量的數(shù)值試驗(yàn)來(lái)對(duì)細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行修改，最終得到模型的模擬參數(shù)，見表1。

圖2 焦家6號(hào)滑坡縱剖面(m)

圖3 焦家6號(hào)滑坡PFC2D模型

表1 模擬參數(shù)

2 模型邊界以及動(dòng)荷載設(shè)置

自然界中的邊坡均為半無(wú)限介質(zhì)，但受限于計(jì)算負(fù)荷，數(shù)值模型的計(jì)算區(qū)域只能是有限的，因此對(duì)滑坡模型的底部、左側(cè)和右側(cè)的邊界顆粒進(jìn)行設(shè)定，對(duì)邊界顆粒固定位移，圖4所示，在滑源區(qū)對(duì)12個(gè)點(diǎn)的顆粒進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從左向右、從上向下依次編號(hào)為1—12號(hào)，監(jiān)測(cè)顆粒的位移、速度以及運(yùn)行軌跡，其中1、2、5、8、11、12號(hào)點(diǎn)為近坡面點(diǎn)，其中1號(hào)點(diǎn)位于滑坡后緣，11、12號(hào)點(diǎn)位于滑坡前緣，12號(hào)點(diǎn)相比于11號(hào)點(diǎn)位置更靠前，滑源區(qū)中部有三列點(diǎn)，每一列又有3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每一列點(diǎn)的x坐標(biāo)是一致的，主要目的是監(jiān)測(cè)滑源區(qū)顆粒隨深度增加，對(duì)地震動(dòng)荷載的響應(yīng)規(guī)律。綠色顆粒為邊界顆粒，可傳遞地震荷載，地震荷載為汶川地震時(shí)的加速度時(shí)程曲線，峰值加速度1.0g，振動(dòng)持時(shí)50 s，見圖5。

圖4 模型邊界以及監(jiān)測(cè)顆粒設(shè)置

圖5 地震波加速度時(shí)程曲線

3 初始加速度下模擬結(jié)果

3.1 滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程力鏈分布

滑坡滑動(dòng)過(guò)程主要是滑源區(qū)顆粒的運(yùn)動(dòng)，也體現(xiàn)在滑源區(qū)顆粒間接觸的破壞。圖6所示，不同時(shí)刻滑坡的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，0 s時(shí)，滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；30 s時(shí)，滑坡已經(jīng)開始滑動(dòng)，在地震波的影響下，滑源區(qū)顆粒經(jīng)過(guò)流通區(qū)，向下滑移并開始堆積，可以看到，在滑坡滑動(dòng)過(guò)程中，滑源區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)都有顆粒，60 s時(shí)，滑坡運(yùn)動(dòng)已經(jīng)結(jié)束，可以看到，此時(shí)流通區(qū)基本上沒(méi)有顆粒，顆粒主要在堆積區(qū)，滑源區(qū)也有一些殘積土，但是殘留在滑源區(qū)的土體從力鏈結(jié)構(gòu)分布上看，較為松散，堆積區(qū)的土體也重新形成新的結(jié)構(gòu)連接，但是力鏈結(jié)構(gòu)也較為松散。

a)0 s時(shí)滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)

3.2 滑源區(qū)顆粒位移分析

通過(guò)對(duì)滑源區(qū)不同位置顆粒位移的分析可以獲得整體滑源區(qū)顆粒的位移情況，見圖7。由圖7a可以看出，滑源區(qū)最外層顆粒的位移也是有很大差異性的，12號(hào)點(diǎn)顆粒，即滑坡體最前緣顆粒的位移量是最小的，位移量基本為0；而1號(hào)點(diǎn)顆粒作為滑坡體后緣顆粒，其位移量也是非常小的?？梢钥闯觯诨禄瑒?dòng)過(guò)程中并非是整個(gè)滑坡體整體下滑，滑坡體前緣和后緣都會(huì)有部分土體存在殘留的情況。而11號(hào)點(diǎn)顆粒，作為滑坡體前緣顆粒，在整個(gè)滑坡體的推動(dòng)下，位移量最大為392 m，其次是位于滑坡體中部位置的5號(hào)點(diǎn)顆粒位移量為345 m，兩者相差13.6%，而且在最開始的滑坡過(guò)程中，5號(hào)點(diǎn)顆粒的位移量要高于11號(hào)點(diǎn)顆粒的位移量，說(shuō)明在地震荷載加載過(guò)程中，滑坡體中部位置的顆粒最先滑動(dòng)，隨即帶動(dòng)滑坡前緣的顆粒進(jìn)行滑動(dòng)，進(jìn)而整個(gè)滑坡體開始滑動(dòng)。由圖7b可以看出，位于滑坡體中部位置的5、6、7號(hào)點(diǎn)的初始位移是不一樣的，說(shuō)明滑源區(qū)不同深度的顆粒對(duì)地震荷載的響應(yīng)程度也不一樣，近滑坡面的顆粒對(duì)于地震荷載的響應(yīng)程度更大，而且隨著地震持時(shí)的增加，7號(hào)點(diǎn)的位移量基本不變，6號(hào)點(diǎn)顆粒的位移量是緩慢增加，然后逐漸平穩(wěn)，而5號(hào)點(diǎn)顆粒的位移量是急劇增加，然后在30 s后開始逐漸趨于平穩(wěn)。

a)滑源區(qū)近坡面顆粒

3.3 滑源區(qū)顆粒速度分析

對(duì)滑源區(qū)不同位置顆粒速度進(jìn)行分析可以看到整個(gè)滑坡體在滑動(dòng)過(guò)程中各個(gè)位置顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，見圖8。由圖8a可以看出，12號(hào)點(diǎn)顆粒(滑坡體最前緣的顆粒)以及1號(hào)點(diǎn)顆粒(滑坡體最后緣的顆粒)的速度都是較小的，在滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，速度也變化不大，而其他近坡面位置顆粒的速度較大，而且速度變化也比較大，和位移變化規(guī)律類似，11號(hào)點(diǎn)顆粒的速度變化幅度是最大的，速度峰值達(dá)到28 m/s，其次是5、8號(hào)點(diǎn)。由圖8b可以看出，滑源區(qū)不同深度的顆粒速度時(shí)程曲線差異性較大，7號(hào)點(diǎn)的速度時(shí)程曲線在0附近波動(dòng)，而6號(hào)點(diǎn)的速度變化不大，其速度峰值為6.5 m/s，但是要大于7號(hào)點(diǎn)顆粒的速度，而位于近坡面位置的5號(hào)點(diǎn)顆粒速度最大為25 m/s，其速度峰值是6號(hào)點(diǎn)速度峰值的3.8倍，表明隨著深度的增加，顆粒所受到的限制和約束越多，進(jìn)而導(dǎo)致其速度變化越小，而近坡面的顆粒由于所受的限制和約束較少，速度波動(dòng)較大。

a)滑源區(qū)近坡面顆粒

4 結(jié)論

采用離散單元法對(duì)地震動(dòng)荷載下黃土滑坡進(jìn)行數(shù)值模擬，分析地震荷載作用下滑源區(qū)黃土運(yùn)動(dòng)特征，主要結(jié)論如下：①地震荷載作用下的黃土滑坡存在滑源區(qū)、流通區(qū)以及堆積區(qū)3個(gè)部分，滑源區(qū)仍然會(huì)有一定黃土滑坡的殘積土存在，但是結(jié)構(gòu)相較于未滑動(dòng)前更加松散；②滑源區(qū)顆粒的位移差異性較大，處于滑源區(qū)前端的顆粒的位移量最大，隨著深度的增加，顆粒的位移量逐漸減小，且差異性較大。