基于GeoStudio 的黄土滑坡危险性分析

赵宇宸

（西交利物浦大学）

1 研究背景

由于处于多组活动断裂带的边缘及交汇带附近，西和县东、西两山区域经常遭受地震及断裂活动的影响，地震及断裂活动造成该区域黄土节理裂隙十分发育，形成水平和垂直纵横上下交织的裂隙网络，利于发生滑坡。另外由于当地构造抬升不均匀，使本区第三系泥岩产状呈一定角度倾斜，黄土后期继承性形成相应倾斜角度的钙质隔水层，这些层面往往成为剪切滑面，为滑坡的发生提供了良好的条件。

西和县城西山东坡中部、西城旅社和县文化馆西侧的滑坡是西山滑坡群中规模最大，危害最严重的大型活动滑坡，且滑坡下部具备临空面条件，坡面与构造面倾向一致易于滑坡的发生。由于滑坡体下部是县城主城区，该滑坡如果再次发生，将会对县城居民的生命财产安全造成巨大的损害；如果滑坡发生并堵截流经县城的河流，将可能形成堰塞湖。

基于该滑坡发生的可能性及潜在的严重后果，本研究将定量分析计算该滑坡在天然状态下的稳定性。另外大量调查研究发现，地震是滑坡活动最主要的触发因素之一，且研究目标滑坡所在地位于强烈隆起的青藏高原东北部及其地壳厚度变异带上，新构造活动强烈，属地震多发地区[1]，所以本次研究工作还将就地震作用下的滑坡稳定性进行定量分析计算。

降雨也是滑坡发生的主要触发因素，由降雨诱发的滑坡称为降雨型滑坡[2]，本研究中目标滑坡所在地属中温带大陆性气候，降水少，年均降水量327mm，极少遇到短时强降雨，故本研究不考虑降雨对该滑坡稳定性的影响。另外大量研究表明，多项滑坡触发因素耦合的概率极低[3]，故本研究也不考虑多项滑坡触发因素耦合对目标滑坡稳定性的影响。

2 滑坡工程地质特征

2.1 滑坡平面特征

目标滑坡长869m，平均宽310m，总面积0.27km2，平均厚度24m，体积约640×104m3，属厚层大型滑坡。滑坡后缘标高为1734m，前缘标高为1550m，相对高差184m。主滑方向为NE70，沿主滑方向地面纵坡降为11°。滑面平均倾角为14°，前缘翘4°～5°。目标滑坡主滑面剖面图见图1。

2.2 地层岩性

1）滑坡体性状

属黄土（黄土状粉土，呈黄褐色），土质较为均匀，有少量钙质粉末在其中出现，滑坡体土层结构较为松散， 可塑。

2）滑带性状

该滑坡接触面由上方粉质粘土和下方泥岩接触而形成，由粉质粘土和泥岩颗粒构成主要的滑带物质。

图1 目标滑坡主滑剖面图

3）滑床性状

砂质泥岩、粘土岩，为新第三系（N2）泥岩，呈青灰色。其垂直节理较为发育，在遇水时易膨胀、软化，在风化后呈碎片状。产状在西山为35°～80°∠10°～40°；在周围山体侵蚀较深的部位较为多见。

3 分析方法

3.1 天然状态

为了分析研究天然状态下目标滑坡的稳定性，本研究将采用GEOSTUDIO软件中SLOPE/W 模块对其进行稳定性分析，不考虑地下水对该滑坡稳定性的影响。分析原理采用极限平衡法，极限平衡法包括瑞典条分法、BISHOP 法、JANBU 法、MORGENSTERN-PRICE 法等，后者能更精确地建立有效应力形式的力平衡和力矩平衡表达式，是目前应用最为广泛的土坡稳定性分析严格法[4]，故本研究采用MORGENSTERN-PRICE法。在建立模型时，首先要绘制模型的轮廓图，这需要根据滑坡体平面特征确定特征点的平面坐标，软件会通过输入的平面坐标自动形成闭合图形，这个闭合图形便为该滑坡模型的轮廓图。在轮廓图绘制完成后，根据目标滑坡的滑坡体、滑带、滑床各自的平面特征及地层岩性，通过坐标输入将滑坡轮廓图分割成三个不同的材料区域，即滑坡体黄土状粉土、滑带泥岩、滑床泥岩，并对这三个材料区域进行赋值，需要输入的岩土力学参数有天然重度、粘聚强度、摩擦角等，本研究根据甲级资质勘察单位对当地编制的岩土资料选取所需的岩土力学参数。在完成目标滑坡模型绘制和岩土力学参数设置后，就可以对该滑坡模型进行计算求解，从而得到该滑坡最危险的滑动面位置及其对应的安全系数。安全系数是指滑动面上的抗滑力与滑动力之比[5]，是评价滑坡稳定性最重要的指标。若安全系数大于1 则表明该滑坡处于稳定状态，数值越大发生滑移的可能性越小；若安全系数小于1 则表明该滑坡不稳定，数值越小发生滑移的可能性越大。

3.2 地震作用

由于在GEOSTUDIO 软件中同一几何模型可以在不同分析模块中互相导出及导入，故将在SLOPE/W 模块中建立的滑坡模型导入QUAKE/W 模块，导入后的滑坡轮廓图和划分的材料区域仍然可以沿用，但是材料需要重新赋值。因为，在动力响应分析中所需的岩土力学参数发生了变化，需要重新输入天然重度、泊松比、阻尼比等，天然重度根据甲级资质勘察单位对当地编制的岩土资料选取，泊松比和阻尼比根据经验取值。完成上述工作后，此时的滑坡模型便是QUAKE/W 模块中的初始应力模型。

为了分析研究地震作用下目标滑坡的稳定性，需要对该滑坡模型输入动力荷载。而动力荷载通常通过质量乘以地震加速度的方式来描述。查阅西和县西山滑坡群150km 范围内的潜在震源区，其中有3 个8.0 级潜源，12 个7.5 级潜源，10 个7.0 级潜源。根据兰州地区震级与震中烈度及峰值加速度的对应关系，分别输入地震动峰值加速度为0.11g（7 度）、0.34g（8 度）、0.58g（9 度）的地震动记录，持续时间均为40s。完成地震动记录输入后，使用QUAKE/W 模块对该滑坡模型在上述三种不同的地震动记录作用下进行动力有限元分析。

动力有限元分析的边界处理：对模型基岩处底部边界施加水平和竖向约束；对模型两侧施加竖向约束；模型顶部边界水平、竖向均自由。

将滑坡模型在三种不同地震动记录下最后一秒（40s）的动力有限元分析结果分别导入SLOPE/W 模块并进行求解从而得到对应的安全系数，分析计算设置与天然状态下滑坡稳定性的分析计算设置相同。

4 计算结果分析

4.1 天然状态

目标滑坡分析模型如图2 所示。

计算参数如表1 所示。所需的参数有天然重度、黏聚强度、摩擦角。

图2 目标滑坡分析计算模型

表1 目标滑坡分析计算所需的岩土力学参数

根据软件分析计算结果，目标滑坡有两处最危险滑面，最危险滑面1 处于坡体中上部，该滑面安全系数为2.161；最危险滑面2 的安全系数为1.993，滑面较为平直，基本沿着基岩面。

4.2 地震作用

计算参数如表1 所示。所需的参数有天然重度、阻尼比、泊松比。

根据软件分析计算结果，最危险滑面1 在7 度、8 度、9 度地震作用下的安全系数分别为1.599、0.940、0.720；最危险滑面2 在7 度、8 度、9 度地震作用下的安全系数分别为1.517、0.946、0.826。

5 结语

①目标滑坡有两个最危险滑面，滑面1 在天然状态下的稳定系数为2.161；滑面2 在天然状态下的稳定系数为1.993。滑坡在天然状态下较为稳定。

②目标滑坡在7 度地震作用时仍然保持稳定，8 度及9 度地震作用下处于不稳定状态，在强震作用下坡体发生滑动的可能性极大。