三峡库区某滑坡地震动力响应机理分析

赵能浩，易庆林，3

(1.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北宜昌 443002;2.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北宜昌 443002;3.三峡大学湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站，湖北宜昌 443002)

0 引言

在山区，地震滑坡是破坏性极强的地震次生灾害。据统计，地震震级(ML)大于4.0时便可触发滑坡灾害，而在强震(ML≥6.0)活动，尤其是大地震(ML≥7.0)活动中，地震诱发的滑坡灾害更加突出和显著［1-2］。2008年汶川里氏8.0级大地震中，共发生50000余处滑坡，导致约20000人死亡，约占地震死亡人员总数的1/4［3］。汶川地震后，我国已进入了地震活跃期，地震滑坡的研究成为滑坡灾害研究的重要课题。

研究地震滑坡的核心内容主要包括地震动力作用下滑坡的稳定性评价和动力响应机制［4］。对于地震滑坡稳定性评价方法，国内外学者做了大量研究。这些稳定性评价方法可分为基于拟静力法或有限位移法的确定性分析方法，和以确定性方法为基础并考虑不确定因素的概率分析法，包括有限元、有限差分、离散元等数值计算方法和模型试验法［5-12］。针对土石坝边坡，Newmark在1965年提出了著名的有限位移法(即Newmark法)，祈生文等［9］结合块体极限平衡法和数值计算法对此方法进行了改进，并逐步推广应用。目前，Newmark法已成为研究分析地震作用下斜坡稳定性最为基础和重要的方法之一。另外，国内外学者在滑坡地震动力响应机制方面也有较为深入的研究。1971年美国地质学家Davis在对San Femando地震余震的监测中首次发现了斜坡坡顶的地震动峰值加速度具有明显的放大效应［13］。1988 年 Hutchinson［14］基于现场滑坡模拟试验及室内试验，提出了结构破坏致使孔压上升从而导致土体发生液化形成滑坡的认识。张倬元［15］认为地震对边坡稳定性的影响表现为累积效应和触发效应两个方面。祁生文等［16］则认为，地震边坡的失稳是由于地震惯性力的作用以及地震产生的超孔隙水压力迅速增大和累积作用两个原因造成的。郑颖人等［17］认为，边坡在地震作用下的破坏机制表现为边坡体上部拉破坏和下部剪切破坏。

前人关于地震滑坡的研究已做了大量的探索工作，但有些问题由于其复杂性及不确定性，仍存在诸多争议。如在地震过程中出现的惯性力、超孔隙水压力、土体抗剪强度的衰减对滑坡稳定性的影响，震后超孔隙水压力的重分布和土体的应变软化等。另外，对于库岸涉水边坡的震动响应机制的研究相对较少，特别是国内三峡库区一带的库岸边坡。因此本文以三峡库区秭归县某滑坡为例，通过数值模拟的方法，研究了其地震动力响应机理，为三峡库区库岸边坡的地震动力稳定性评价提供了一定的参考价值。

1 滑坡地震动力模型

本文利用 Geo-studio软件中的 quake/w、slope/w和sigma/w等程序，基于三峡库区某滑坡建立地震动力模型。

1.1 地震动力加速度

纵向地震波对边坡的破坏程度相对较小，本文主要考虑水平地震波对滑坡的影响。采用人工合成的地震动力加速度，设计烈度为7，峰值加速度为0.12 g，震动过程历时10 s(图1)。

图1 地震水平加速度时程曲线Fig．1 Earthquake horizontal acceleration time curve

1.2 滑坡地质模型

本文采用的滑坡模型源于三峡库区秭归县某滑坡，该滑坡为土质滑坡，后缘高程约为410 m，前缘高程约为70 m，剪出口已没入库水位以下，滑体平均厚度约30 m，体积1260×104m3。模型主要分为滑体、滑带、滑床三部分(图2)。滑体主要由崩、坡积物及滑坡堆积物组成，其主要成分为碎石，角砾及粉质黏土。滑带厚度大小不等，0.20～1.30 m，平均厚度0.7 m，主要由粉质黏土组成。滑床地层为侏罗系下统香溪组(J1x)深灰色薄至中厚层粉砂岩。图中A、B、C均为历史记录点，记录滑体表层及滑带前、后缘在地震过程中的动力响应规律。

图2 滑坡地质模型Fig．2 Landslide model

1.3 计算参数

本文中滑坡模型材料的物理力学参数来自于野外直剪试验、室内剪切试验、地质类比及反演分析等方法的综合取值(表1)。模型材料的阻尼系数、剪切模量及剪切模量衰减函数均根据材料的物理性质而通过函数来设定，充分考虑其在震动过程中因材料性质的改变而发生的变化。

表1 模型材料物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of the model material

1.4 边界条件及模拟方案

(1)首先用quake中的初始静力分析法，分析模型的初始静应力。模型两侧约束其水平位移不变，库水位为145 m，坡内初始地下水位由实地监测数据赋值。材料模型为等效线性本构模型。

(2)以1中的静应力为初始条件，采用quake中的动力分析法，输入峰值为0.12g的水平动力加速度，历时10 s，计算滑坡动力响应过程。约束模型的纵向位移不变，计算在外界地震动力作用下，滑坡的变形特征，坡体震动加速度响应，坡内的超孔隙水压力，有效应力变化及震动液化的产生。

(3)以2中的结果为初始条件，采用slope程序中的Newmark分析法，计算在只考虑地震惯性力的作用下滑坡的永久位移及稳定性系数。

(4)以2中的结果为初始条件，采用slope程序中的有限元分析法，令震动液化区的土体强度不变，计算在地震惯性力和超孔隙水压力作用下滑坡的稳定性。

(5)以2中的结果为初始条件，采用slope程序中的有限元分析法，令震动液化区的土体强度折减为残余强度，计算在地震惯性力、超孔隙水压力和土体强度折减等因素的共同影响下滑坡的稳定性。

(6)以2中的结果为初始条件，采用sigma程序中的应力重分布分析法，分析在地震动力结束后滑坡内部应力重分布规律。

2 地震动力响应规律

2.1 加速度变化规律

外界地震动力加速度作用于滑坡，滑坡体内各点因此而产生不同的反应加速度。有研究表明［18-20］，该反应加速度峰值的大小与观察点处的埋深、覆盖层厚度及土质类型相关。在一定土层厚度内，反应加速度峰值随土层厚度的增加而增大，超过这个厚度，则随其增加而减小。此外，土质类型也对反应加速度峰值有较大影响，较软的土质对地震波具有消能的作用，故软质土层的反应峰值加速度在同等情况下较硬质土层低［21］。

本文模拟结果表明，滑体表层加速度较外动力加速度的幅度有较为明显的增大(图3)，且滑体表层A点处的加速度明显大于滑带C点处(图4a)，说明滑体表层震动加强了。对比滑体前缘A点和后缘B点的加速度-时程曲线(图4b)可知，滑坡前部的震动强度大于后部，其原因主要为，随着地表高程的增加，地震波的能量有所耗损，故震动强度稍有减弱。

图3 输入加速度与反应加速度时程曲线Fig．3 Time curve of input and response acceleration

2.2 变形规律

2.2.1 整体变形特征

图4 历史记录点反应加速度时程曲线Fig．4 Response acceleration-time curve of history points

在地震过程中，滑坡的变形是其稳定性的直接反映，因此其变形规律的研究尤为重要。本文的变形模拟结果如图5，从图5a-c可知，变形首先发生在底部，然后传递到中部，再到顶部，即在外动力作用的初始阶段，滑坡的变形具有依次向上传递性;在第3.4秒时刻(图5d)，滑坡基本恢复原状;之后滑坡前部和后部同时发生变形(图5e)，但变形方向正好相反，前部向坡体内侧变形，后部向坡体外侧变形，此时中部未发生明显变形;之后，前部和后部恢复至原状，而中部发生向上隆起变形(图5f)，随后滑坡整体有恢复至原状(图5g);从7.6秒时刻之后，又开始了相反方向的循环变形(图5g-i)，最终滑坡后部出现了不可逆转的塑性变形，而前部及中部均大体恢复至原状(图5j)。从整个过程来看，该滑坡的整体变形有3个明显的特点:1、初始阶段滑坡的变形具有依次向上传递性;2、在整个滑坡体受到变形扰动之后，滑坡前部和后部同时发生变形，方向相反，且与中部变形不同步;3、最终后部土体发生了不可逆转的塑性变形。

Newmark分析法可以计算出滑体沿滑面的永久变形。对于本文所研究的滑坡，当加速度大于0.03时，其稳定性系数小于1(图6)，即加速度超过0.03的部分将会使滑坡发生变形破坏。将滑面平均加速度(图7)超过0.03的部分转化为速度-时间曲线并将其积分，即可得到滑坡体沿滑面的永久变形(图8)，本例中滑体的永久变形约为0.16 m。

2.2.2 局部变形特征

相应于A、B、C三点处的加速度-时程曲线，该三点处的变形-时程曲线与之具有相似性(图9a-b)。滑坡前部的变形早于后部，且变形幅度亦大于后部;坡体表层的变形幅度大于底层。从图9(a)可看出最终坡体后部发生了不可逆转的塑性变形。

2.3 孔压及有效应力变化规律

在地震过程中，土体内的有效应力和孔隙水压力均会发生不同程度的变化。对于饱和土体而言，在震动过程中会产生超孔隙水压力，使得有效应力降低，从而降低土体的强度。膨胀性砂土较粘性土的孔隙率大，在震动过程中容易发生固结压缩，从而能产生较大的超孔隙水压力;而粘性土的孔隙率较小，土体的整体性较强，震动过程中产生的超孔隙水压力较小。如图10的模拟结果表明，位于滑带C点处的孔隙水压力在震动过程中变化不明显，即没有产生较大的超孔隙水压力;而有效应力相较而言发生了较大的波动，但最终恢复到与初始值近似的状态。由此可见，对于粘性土质滑坡，在地震过程中所产生的超孔隙水压力较小。

2.4 震动液化及土体强度的变化

土体在强震作用下，颗粒随之紊乱移动，孔隙水压力急剧升高，颗粒间有效应力随之降低，土体中的应力主要由孔隙水压力承担，从而产生震动液化现象。滑坡体上一旦出现震动液化区，其滑动的可能性相当大。本文模拟结果表明，在该滑坡前缘、中部及后缘均可能出现震动液化现象(图11)。从图中可以看出，滑体较薄的区域易出现震动液化。土体一旦发生液化，其强度将迅速降低至残余值。

2.5 震后应力重分布

当土体的应力状态高于土体的强度时，则土体存在超载应力。这种超载应力一方面可能是因超孔隙水压力的产生而引起的，另一方面则是因土体强度的降低而导致的。图12是在地震动力结束后的一秒内滑坡体内的应力重分布矢量图。从图12中可以看出，在滑坡后缘上方的堆积体内的超载应力主要沿着滑面方向移动，滑坡中部堆积体内的超载应力主要沿着垂直于滑面方向移动，而滑体前缘所产生的超载应力较小，移动不明显。从图中还可得知，自滑坡体后缘到前缘，其内部的超载应力是依次减小的。由此，不难预测，经此地震动力后，滑坡后缘上方堆积体极易沿滑面崩塌，滑体中部堆积体很可能向上隆起而发生破坏。

3 地震致滑机理分析

3.1 致滑因素

图5 滑坡变形过程Fig．5 Landslide deformation process

地震对滑坡的破坏方式表现在三个方面:其一，在地震惯性力的作用下，滑体发生变形;其二，在震动过程中产生的超孔隙水压力致使坡体内部有效应力减小，从而减低其抗剪强度;其三，在震动过程中土体的结构遭到破坏，其物理力学强度降低。上述三个因素在地震动过程中同时作用于滑坡，相互影响，关系复杂，且各自对滑坡的破坏程度不一，视具体滑坡而定。

就本文所研究的滑坡而言，在地震动过程中影响滑坡稳定性的主要因素为地震惯性力的作用以及土体强度的降低，超孔隙水压力对其影响相对较小。在没有外动力作用下，其它条件均相同的情况下，该滑坡的稳定性系数为1.26，在只考虑地震惯性力作用下，其稳定性系数在0.85～1.63范围内波动，部分时段小于1(图13)，说明地震惯性力对其有较大影响。在同时考虑地震惯性力和孔隙水压力的情况下，其稳定性系数较前者相差不大(图13)，说明该滑坡在此外动力条件下受超孔隙水压力的影响较小，前文图10中几乎不变的孔隙水压力-时程曲线即可说明该问题。其根本原因是该滑坡的滑体及滑带土的大部分物质为粉质黏土，其孔隙率较小，整体性较强，在震动过程中不易产生较大的超孔隙水压力。在同时考虑地震惯性力、孔隙水压力及强度折减的情况下，其稳定性系数有较大幅度的降低，在整个震动过程中几乎全部小于1(图13)。由此可见，地震惯性力的作用及土体强度的降低是该滑坡在地震动力条件下发生变形破坏的主导因素。

图6 稳定性系数与动力加速度关系图Fig．6 Stability factor and acceleration

图7 滑面平均加速度时程曲线Fig．7 Slip surface average acceleration time curve

图8 滑体沿滑面永久变形Fig．8 Permanent deformation of landslide

3.2 破坏方式

图9 历史记录点水平位移时程曲线Fig．9 Horizontal displacement-time curve of history points

图10 A点孔隙水压力及有效应力时程曲线Fig．10 Pore water pressure and effective stress-time curve of point A

图11 震动液化区Fig．11 Seismic liquefaction area

图12 震后应力重分布Fig．12 Stress redistribution after earthquake

图13 三种致滑因素影响下的稳定性系数Fig．13 Stability coefficient under three influence factors

根据本文的模拟结果，从图(11)中可知，该滑坡受外动力条件作用下，其前缘、中部及后缘均可能出现震动液化现象，即出现土体结构的破坏。在观察图(5)的变形情况和图(12)的震后应力重分布情况可知，在震动过程中滑坡后缘上方堆积体极易向下坍塌，滑坡中部土体可能出现向上隆起现象。在滑坡中后部土体遭到破坏后，滑面抗剪强度减小，会产生沿滑面向下的推力，加之坡体前缘部分土体液化，结构破坏，强度降低，很有可能在前缘剪切口处发生剪切破坏。

4 结论

本文通过对三峡库区某滑坡在地震动力作用条件下的数值模拟，得出如下结论:

(1)地震动力加速度作用于滑坡体后，滑坡体的表层土体加速度振幅有所扩大，且越靠近表层，加速度振幅越大。

(2)在震动初始阶段，滑坡变形表现为依次向上传递性，之后滑坡前部和后部发生方向相反的同步变形，且与中部步调不一致，表现为此起彼伏的特征。

(3)在地震动力作用过程中，坡体较厚部分表现出较强的弹性，即产生较大变形后可恢复原状，而坡体较薄部分表现出较强的塑性，即容易出现不可恢复的永久变形。

(4)对于粘性土质滑坡，在地震动力作用下，影响其稳定性的主导因素为地震惯性力和土体强度的降低，超孔隙水压力的影响不明显。

(5)在本文所设计的烈度为7的地震动力加速度的作用下，该滑坡的破坏方式为:坡体后缘上方堆积体向下崩塌，中部土体向上隆起破坏，前缘滑带处发生剪切破坏。

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