汶川地震背后山滑坡稳定性与动力响应分析

门　妮

(中国地震局工程力学研究所, 哈尔滨150080)



汶川地震背后山滑坡稳定性与动力响应分析

门妮

(中国地震局工程力学研究所, 哈尔滨150080)

2008年5月12日， 四川汶川发生了8.0级特大地震， 这是新中国成立以来破坏性最强、 波及范围最广、 诱发地质灾害最严重的一次强烈地震。 此次地震震撼了整个中国， 引起了全世界的关注。 在距离震中约250 km， 坐落于背后山古滑坡体前缘堆积体之上的汉源老县城， 出现了比周边地区高出两度的烈度异常现象。 如此高的烈度异常现象引起了广大科研人员和政府相关部门的高度关注。 为了科学合理地解释汉源老县城高烈度异常的原因是否与背后山滑坡有关， 并进一步探讨地震作用下边坡的稳定性及动力响应等问题， 本文对背后山滑坡开展了与地震相关的一系列研究。 本文的研究对推动这一领域的研究工作具有重要的理论和工程意义。

本文系统地归纳、 总结和评述了边坡稳定性的研究进展， 对背后山滑坡的工程地质条件进行了详细的调查， 整理和分析了汶川特大地震背后山滑坡科学考察的全部资料。 在此基础上， 通过有限元数值模拟， 对背后山滑坡的共振特性， 静、 动力稳定性以及动力响应等进行了计算和分析研究， 得到了若干有意义的结论， 主要研究成果如下：

(1) 对汉源县的震害及背后山古滑坡进行了科学考察。 在汶川特大地震发生后， 防灾科技学院科考组在中国地震局的统一指挥下， 负责汉源和北川的科考工作， 对汉源县城背后山滑坡进行了野外调查， 获得了地形地貌、 地层岩性、 地质构造等详细资料， 揭示了背后山有古滑坡存在， 圈定了古滑坡的边界范围， 明确了古滑坡的活动期次、 特征及现今稳定性状况。 调查分析结果显示， 汉源老县城位于背后山古滑坡体的前缘， 但并未发现古滑坡整体复活的迹象， 只在坡体后部出现了几条张性裂缝。

(2) 建立了背后山滑坡的地质模型、 力学模型和有限元计算模型。 选取典型的地质剖面， 建立滑坡的地质模型、 力学模型和计算模型， 并制定了计算方案。 提出4种安全系数的计算方法， 对背后山滑坡的静力稳定性进行了计算和分析， 得到静力安全系数为4.09。 结果表明， 在静力条件下， 背后山滑坡是稳定的， 同时为滑坡的地震稳定性分析提供了初始的静应力场。

(3) 分析了背后山滑坡的共振特性。 分别通过ANSYS有限元模态分析和谐响应分析， 得到了边坡体固有频率和振型， 以及位移与频率的关系(共振曲线)。 对比分析汉源县附近强震台站记录到的地震动卓越周期， 我们发现， 滑坡的固有周期与其基本相近。 现场考察发现， 汉源老县城坐落于背后山滑坡体前缘之上， 由此分析认为， 可能是由于滑坡体发生共振而导致了汶川地震时汉源老县城的高烈度异常。

(4) 计算和分析了背后山滑坡的地震稳定性。 分别用拟静力法和有限元动力时程分析法计算了地震作用下滑坡的安全系数， 重点是运用后一种方法进行计算、 分析和评价。 通过有限元动力时程分析， 得到滑坡在地震作用下的安全系数时程曲线， 通过分析给出了滑坡最小动力安全系数值为1.1， 由此判断， 滑坡整体是稳定的。 对于边坡稳定性评价， 本文提出可以根据安全系数最小值是否大于1， 边坡关键点速度时程末段是否趋于零， 以及在地震动时程末段位移、 应力矢量场大小几个方面来判断滑坡的稳定性。 在判断滑坡整体稳定的情况下， 针对坡肩、 坡脚等关键部位， 提出从受力情况和振动速度两方面对其进行局部稳定性的分析和判断， 并计算了关键点处的安全系数。 计算和分析的结果表明， 汶川地震中汉源县高烈度异常现象与滑坡滑动无关， 但在坡肩附近以及坡体上部小范围内有轻度的拉张开裂， 这与实际调查现象基本符合。

(5) 分析和讨论了背后山滑坡的动力响应， 以及地震动三要素对边坡动力响应的影响。 具体计算分析中， 本文在坡面上、 滑体内、 滑面上、 坡体内设置了32个监测点进行计算和分析。 计算结果发现： 在坡面附近， 动力响应加速度峰值相较于输入地震动加速度峰值达到3倍以上， 即PGA放大系数达到3以上。 并且边坡体各点PGA放大系数在竖向上随高程增加而增大； 沿坡体坡面方向从左至右， PGA放大系数逐渐增大后缓慢减小。 坡体水平位移在竖向上随高程增加而增大； 沿坡体坡面方向从左至右， 位移逐渐减小。 坡面陡坎对加速度、 位移响应的突变效应很明显。 分析地震动三要素对坡体动力响应的影响可以看出， 加速度、 位移动力响应的绝对量随输入地震波振幅增大呈明显的线性增长关系， 但位移、 加速度放大系数保持不变， 它们不受振幅的影响， 只取决于岩土体材料以及频谱特性。 随着输入地震波频率的增大， 坡面上各点的PGA放大系数减小， 位移峰值随输入地震波频率的增大而减小。 持时对坡体加速度峰值响应的影响不明显。

综上所述， 本文在背后山古滑坡工程地质条件调查的基础上， 建立了地质模型、 力学模型和计算模型。 采用有限单元法对背后山滑坡进行静、 动力稳定性分析、 共振特性分析、 动力响应分析等方面的研究是可行并且有效的。 本文研究结果表明， 背后山滑坡在汶川特大地震中并没有发生整体滑动， 只是在坡肩附近小范围内产生轻微的拉张开裂。 汉源县老县城高两度的烈度异常现象与背后山滑坡整体稳定性无关， 与滑坡体共振产生剧烈振动有关， 坡面的加速度放大效应非常明显。 此外， 本文认为， 对于避免地震作用下边坡的失稳问题， 可以通过分析边坡响应变化趋势、 响应最明显的位置以及产生共振反应的频率段等相关特征给出相应的抗震措施。

关键词汶川地震； 背后山滑坡； 动力分析； 安全系数； 共振

(作者电子信箱， 门妮： niar1982@126.com)

中图分类号：P642.22；

文献标识码：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.04.013