小湾滑坡地震稳定性研究

王 可，叶晓冬，潘志成，闫茂林，温一波

（1.云南大学建筑与规划学院，云南昆明650500；2.云南大学资源环境与地球科学学院，云南昆明650500）

小湾滑坡地震稳定性研究

王 可1，叶晓冬1，潘志成1，闫茂林1，温一波2

（1.云南大学建筑与规划学院，云南昆明650500；2.云南大学资源环境与地球科学学院，云南昆明650500）

滑坡灾害破坏性大、治理难度高，特别是地震作用下的稳定性问题十分复杂，是土木工程界的一大难题。以小湾滑坡为研究对象，运用有限元法计算分析小湾滑坡在小震、中震、大震作用下的稳定性，得到小湾滑坡在地震作用下的稳定系数时程曲线，并以此为依据对小湾滑坡的地震稳定性进行评价，研究了小湾滑坡稳定系数与地震强度的关系。

小湾滑坡；地震稳定性；有限元法

我国地震灾害频繁，并且具有震源浅、强度高、破坏性大的特点，而滑坡灾害也是常见的地震次生灾害之一［1］。王秀英等［2］运用隶属函数法对模型累积位移隶属度进行计算，并以此判定滑坡的稳定程度。许冲等［3］将四川省芦山县太平镇东北部一个矩形区作为研究区，统计分析了地震滑坡的密度与地层岩性、地形、地震强度的关系。方薇等［4］在不平衡推力法中引入比例因子以确定条间力倾角，建立力的平衡方程与力矩平衡方程，计算滑坡地震稳定系数并验证了其合理性。顾成壮等［5］研究了滑坡的启动机制，从而推导出滑坡启动速度的公式。毛彦龙等［6］提出累进破坏效应、启程加速效应和启动效应导致滑坡发生的观点。陈晓利等［7］提出以研究区域地形、地质、地貌等为影响因子，综合评价滑坡灾害危险等级的方法，并以此对汶川地震进行了地震危险等级划分并证明其合理性。本文在前人研究的基础上，增添新资料，以小湾滑坡为实例，运用有限元数值模拟法分析小湾滑坡在小震、中震、大震作用下的稳定性。根据计算结果，对小湾滑坡地震稳定性进行了研究分析。

1 资料与方法

1.1 小湾滑坡

小湾滑坡地处云南省临沧市凤庆县，根据《建筑抗震设计规范》［8］（GB50011-2010）规定：凤庆县属抗震设防烈度Ⅷ度区第二组，设计基本地震加速度值为0.20 g，并规定抗震设防烈度为Ⅷ度的地区，多遇地震的地震加速度时程最大值为0.07 g，罕遇地震的地震加速度时程最大值为0.4 g。小湾滑坡区域范围图见图1，图2为小湾滑坡的剖面示意简图。

图1 小湾滑坡区域范围图

图2 小湾滑坡剖面示意简图

《云南省凤庆县小湾镇政府驻地滑坡勘察及防治工程可行性研究报告》中，小湾滑坡长约140 m，平均宽200 m，平面形态近半圆型，主滑方向78°，滑块平均厚约6 m，体积约19.2×104m3，属于浅层中型滑坡。土体类型主要是粉质黏土和弱风化花岗片麻岩。

小湾滑坡动力分析土体参数取值如表1所示。

表1 小湾滑坡动力分析参数取值表

粉质黏土中，土体应力状态是最大动剪切模量的重要影响因素，不能取某一常数值［10-11］，可以根据土体的最大埋深、超固结比、孔隙比等估计最大动剪切模量与Y向有效应力的关系［12］，估算得到的关系曲线如图3所示。

图3 粉质黏土最大动剪切模量-Y向有效应力估算曲线

1.2 相关方法

1.2.1 分析流程

分析小湾滑坡地震稳定性的流程如图4所示。

图4 地震稳定性分析流程图

本次研究涉及到GeoStudio软件中两大板块——QUAKE/W板块和SLOPE/W板块，在研究中应注意边界条件的设置，在初始应力状态分析时，将滑坡模型两侧设置为X向约束，下端设置为X/Y向约束；而在进行动力分析时，两侧约束为Y方向约束。因为滑坡在地震作用下的破坏表现为滑坡体的水平移动，而水平地震作用对滑坡有着较大的破坏［14］。

本次滑坡地震稳定性研究的方法是基于有限元的传递系数法，GeoStudio提供了多种网格划分的方法，本次研究网格划分统一采用Quads&Triangles方式进行划分。单元的尺寸根据滑动面的大小独立设置，不采用统一的单元尺寸［15］。

1.2.2 地震加速峰值的选取

在对小湾滑坡进行动力分析时，输入的峰值加速度分别按大震、中震、小震的加速度时程最大值取值。峰值加速度取值方法见表2、表3。

表2 抗震设防烈度与设计基本加速度值

表3 所用地震加速度时程的最大值

1.2.3 地震波的选取

本次对小湾滑坡的地震稳定性的研究选用唐山波进行分析。

对9例苏醒后颅脑损伤昏迷病人进行访谈，发现病人心理体验主要表现在病人对生命价值认同、对健康状况存在期望、担忧工作生活改变、希望建立社会支持系统等方面，情绪体验可进一步归纳为2种类型：积极情绪体验、消极情绪体验。

唐山波持续时间40 s，时间间隔为0.02 s，峰值加速度为65.94 cm/s2，出现在第19.36 s，其加速度时程曲线如图5所示。

图5 唐山波加速度时程曲线

2 滑坡数值模拟结果与分析

2.1 唐山波动力分析

唐山波为入射地震波，等比例改变其加速度时程曲线中加速度的大小，使其加速度峰值为0.07 g、0.2 g、0.4 g，模拟分析小湾滑坡在小震、中震、大震环境下的稳定性问题，计算得到小湾滑坡稳定系数时程曲线见图6～图8。

图6 小震稳定系数时程曲线（0.07 g）

图7 中震稳定系数时程曲线（0.2 g）

图8 大震稳定系数时程曲线（0.4 g）

以唐山波为入射波时，小湾滑坡稳定系数时程曲线关键数据汇总表见表4。

表4 小湾滑坡稳定系数曲线关键数据汇总表

以唐山波为入射波，分析小湾滑坡在地震作用下的稳定性时：

（1）小震影响下，小湾滑坡在第19.38 s出现首个小于1的稳定系数0.9956，说明滑坡在第19.38 s发生滑动。最小稳定系数0.9556表示滑坡在小震作用下的稳定性较为合理［16］。该值比自然稳定系数降低了22%。

（2）中震影响下，小湾滑坡在第0.22 s出现首个小于1的稳定系数0.8851，说明滑坡在第0.22 s已经开始滑动；出现在第19.38 s的最小稳定系数0.6998仅能从理论上表示滑坡的稳定程度。该值比自然稳定系数降低了45%。

（3）大震影响下，小湾滑坡在第0.22 s出现首个小于1的稳定系数0.6711，说明滑坡在第0.22 s已经开始滑动；出现在第19.38 s的最小稳定系数0.4707仅能从理论上表示滑坡的稳定程度。该值比自然稳定系数降低了63%。

小震、中震、大震时滑坡稳定系数最小的时刻均为第19.38 s，比地震加速度峰值出现的时刻晚0.02 s。

2.2 数值模拟合理性评价

为了验证数值模拟结果的合理性，现运用Janbu法计算滑坡在小震、中震、大震作用下的稳定系数，与数值模拟的结果形成对比，如表5所示。

表5 小湾滑坡数值分析精度评价表

表5显示，Janbu法的计算结果和数值模拟的结果较为接近。可认为本次数值模拟结果基本合理［16］。

3 结 论

本次研究以唐山波作为入射波，运用有限元法对小湾滑坡在小震、中震、大震影响下的稳定性进行了分析，得到了一些初步的结论：

（1）稳定系数时程曲线最低点所对应的时间点，并不会因紧随地震强度的改变而改变，与地震波加速度峰值对应的时刻并不重合，可能会提前或者推迟。

（2）小湾滑坡在小震影响下可以保持整体稳定性，在中震和大震作用下则可能发生剧烈的滑动。

［1］ 黄润秋.20世纪以来中国的大型滑坡及其发生机制［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（3）：434－454.

［2］ 王秀英，聂高众，王 松.利用模糊数学方法建立汶川地震滑坡灾害评判标准［J］.岩土力学，2011，32（2）：403－410.

［3］ 许 冲，肖建章.芦山地震滑坡空间分布分析［J］.地震地质，2013，35（2）：436－451.

［4］ 方 薇，孙正兵，何晓霞，等.考虑整体力矩平衡的改进不平衡推力法［J］.四川大学学报（自然科学版），2012，44（3）：28－32.

［5］ 顾成壮，胡卸文，罗 刚，等.地震滑坡启程动力学机理［J］.西南交通大学报，2012，47（4）：567－572.

［6］ 毛彦龙，胡广韬，赵法锁，等.地震动触发滑坡体滑动的机理［J］.地球科学与环境学报，1998，20（4）：45－48.

［7］ 陈晓利，冉洪流，王明明.潜在地震滑坡危险区区划方法［J］.地球物理学报，2012，55（4）：1267－1277.

［8］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范：GB50011-2010［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［9］ 《工程地质手册》编写委员会.工程地质手册［M］.3版.北京：中国建筑工业出版社，1992.

［10］ 齐文浩，薄景山.土层地震反应等效线性化方法综述［J］.世界地震工程，2007，23（4）：221－226.

［11］ 陈 尧.二种土层地震反应模拟方法的比较研究和昆明市地铁三号线场址土层地震反应分析［D］.昆明：云南大学，2012.

［12］ 温一波，赵洞明，陈 尧.呈贡新区剪切波特征与分布［J］.云南大学学报（自然科学版），2012，34（S2）：221－226.

［13］ 谷德振著.岩体工程地质力学基础［M］.北京：科学出版社，1979.

［14］ 汤 卓，谢建斌，卞荣森，等.材料非饱和对尾矿库三维渗流影响分析［J］.水利与建筑工程学报，2016，14（1）：15－20.

［15］ 钱玉林，刘长林，吕 媛.基于三维数值分析的土钉支护结构研究［J］.水利与建筑工程学报，2016，14（2）：55－60.

［16］ 姚晨辉，魏江波，任光明，等.考虑岩土体参数变异性的滑坡破坏概率分析［J］.水利与建筑工程学报，2016，14（2）：100－103.

Analysis of Xiaowan Landslide Stability in Earthquake

WANG Ke1，YE Xiaodong1，PAN Zhicheng1，YAN Maolin1，WEN Yibo2
（1.College of Architecture and Planning，Yunnan University，Kunming，Yunnan 650500，China；2.College of Resources Environment and Earth Sciences，Yunnan University，Kunming，Yunnan 650500，China）

Landslides as a kind of geological disaster have great destructive power and is very difficult to control.The stability of the landslide under the seismic action is very complicated.It is a multi－discipline research issue and still a big problem for civil engineering.Taking Xiaowan landslide as research objects this paper analyzed its stability under the action of small，medium and strong earthquakes by using finite element method，then the time－histories curves of landslide stability coefficient under the influence of the earthquake was acquired.Finally，the stability of Xiaowan landslide in earthquake was analyzed combining with the data，the relationship between stability coefficient and seismic intensity was also analyzed.

Xiaowan landslides；tearthquake stability；finite element method

P315.9

A

1672—1144（2016）05—0177—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.034

2016－06－17

2016－07－13

云南省自然科学基金资助项目（2009CD001）

王 可（1993—），女，山东菏泽人，硕士研究生，研究方向为地震引发滑坡。E－mail：610762362@qq.com

温一波（1962—），男，四川成都人，教授，主要从事地震衰减特性研究，震波分析，地震勘测等方面的工作。E－mail：1213201943@qq.com