考虑滑坡冲击破坏和受灾体承灾能力的风险定量评估方法

王 凯 龚宝钐 段雨彤

（重庆科技学院，重庆404100）

1 概述

目前滑坡风险评估的准确度、量化程度低，风险评估多凭经验估计进行损失计算，评估结果往往带有较强的主观性，实际工程中滑坡风险评估的准确度和量化程度亟待提升。

本文从滑坡致灾强度和受灾体抗灾性能这两个决定性因素入手，分别通过离散元模拟及有限元分析两种手段开展研究。滑坡物质组成参照真实坡体建模，相较于传统方法，可提升滑坡运动过程模拟的准确性，进而提升滑坡致灾强度指标的准确性，一定程度上弥补了滑坡风险评估准确度和量化程度不足的现状。

2 车家坝滑坡概况（图1 ）

图1 车家坝滑坡全貌

车家坝2号滑坡位于奉节县公平镇车家坝场镇南侧，渝巴公路从其上经过。滑坡平面形态呈形态不太规则的舌形状，纵向长约195m，前缘横向宽约220米，后部横向宽约60余米，面积约27200m2，体积约442000m3。滑坡后缘高程443m左右，前缘高程约350m左右，前后缘高差约95m，纵向平均坡角26°。纵向上滑面形态呈弧形，滑面倾角从后缘到前缘逐渐变缓，主滑方向338°23。滑坡边界较清晰滑坡边界清晰可见。历史上该滑坡多次活动，最近一次大规模滑动为1993年。据调查显示，车家坝滑坡滑体一旦失稳下滑，将直接冲击滑坡前缘下方的公路、大桥及房屋建筑，甚至堵塞河流，威胁当地居民和单位的安全。

滑体土主要由块碎石土和粉质粘土组成，以块碎石土为主，结构松散。块碎石常见块径为30-100cm，细粒土为粉质粘土，紫红色，呈硬塑-可塑状态。滑体土的结构不均匀，土石比在空间上的变化较大，但从地域上看无明显的变化规律，一般含量为15-30%。在垂向上，碎块石含量的变化也较大，但滑体中碎块石的含量一般也无明显的垂向变化规律。勘查过程中，多个钻孔及山地工程都不同程度地揭露了软弱滑移带，其主要成分为含角砾小碎石的粉质粘土，物质成分较其上下明显更为细腻，粉质粘土呈紫红色，相对较湿，可塑状，粘性普遍较高，常常有滑腻感。滑移带的厚度有明显的差别，经过室内试验，测得滑体土、滑移带土粘聚力分别为23.81 Kpa、8.7 Kpa，内摩擦角分别为18.6 °、10.2 °。

3 模型建立

3.1 岩土体细观参数的标定。岩土体细观参数的确定是进行pfc滑坡模拟试验的前提与关键，实际试验与工程中常用的力学性能参数为宏观参数（如杨氏模量、粘聚力、内摩擦角等），而pfc模拟试验需要颗粒的细观力学参数（如颗粒线性接触刚度、平行粘结接触刚度、粘接强度等），它决定了模拟时材料所体现的宏观力学性能。但各宏、细观力学参数之间并无确切的联系，因此细观力学参数并不能通过已知的宏观力学参数直接计算得到，需要在已知岩土体宏观力学参数的条件下开展pfc模拟双轴试验不断调试细观参数，直至能够体现材料实际宏观参数后方可用于后续模拟。本文所使用的模拟双轴试验模型如图2所示。

细观参数得标定过程主要有以下步骤：（1）建立双轴实验模型。（2）确定初始细观参数并在不同围压下加载，计算其宏观粘聚力、摩擦角。（3）对比实际试验得到的数据调整细观参数，直至与实际相符。

以滑体土的参数标定为例，其100Kpa围压下全应力-应变图如图3所示。最终确定用于模拟滑体土、滑移带土材料的粘聚力和内摩擦角值分别为23.1 KN/m、18.1 KN/m，19.2 °、13.7 °。

3.2 滑坡模型建立。本文基于PFC5.0 软件进行滑坡建模及运动模拟，选用平行粘结模型进行模拟土颗粒接触行为，其余接触类型设置为线行接触。参照实际岩土组成成分，按照一定级配及土石比例生成颗粒簇以模拟土中的块、碎石。滑体、滑带部分分别设置对应其实际抗剪强度的细观参数，整体模型如图2所示。

为了更好地模拟滑坡冲击受灾体的致灾过程，本文采用的方法是通过wall模拟受灾体外轮廓并记录受到的冲击力大小，wall内部生成颗粒堆积体，并参照混凝土赋予其强度参数。若受灾体受到的冲击力低于其极限承载力，则根据冲击力大小定量计算受灾体的破坏程度及损失大小；若高于其极限承载力，则认为该受灾体被完全破坏，并删除外部wall，使滑体推动wall内部颗粒堆积体继续滑动，模拟受灾体倒塌后的滑动过程。滑坡模型如图4所示。

图4 滑坡模型

3.3 受灾体抗灾性能计算。进行受灾体抗灾性能计算的关键在于找到能够反映受灾体整体破坏程度的指标，本文以易损性V作为受灾体的抗灾性能指标。受灾体损失定量计算公式为：

式中：L为受灾体损失值，W为受灾体总价值。

受灾体极限承载力的计算通过SAP2000软件进行有限元分析进行，建立的受灾体框架模型如图5所示，图中绿点为单个塑性，是三层钢筋混凝土框架结构，层高3.5 m，长、宽分别为10m、6m。板材为0.25 m混凝土板，筋材为Q235，混凝土强度等级为C30，柱截面尺寸为600mm×600mm，梁截面尺寸为457mm×457mm。计算得出极限承载力约为6.95 ×105N。

图5 受灾体模型

4 滑坡冲击致灾过程模拟

建模完成并整体达到初始平衡后，开始模拟滑体在重力作用下的滑坡冲击致灾过程。受灾体1很快受滑坡冲击损毁，之后滑坡继续推动受灾体1向前运动直至与受灾体2接触，过程如图6所示。

图6 滑坡冲击致灾过程

如图7所示，最终受灾体2受到的最大侧向推力约为4.7 ×105N，低于其极限承载力6.95 ×105N，因此受灾体2并未因完全破坏而倒塌。

图7 受灾体2所受侧向冲击力变化图

进行受灾体易损性计算时，如图8所示，阴影部分即为受灾体2受到的滑坡冲击能I，绿色曲线包含的面积为受灾体最大抗冲击能Qmax，通过CAD的积查询功能可以得到I与Qmax的比值为0.049 ，即为受灾体2在该滑坡冲击下的易损性。若受灾体2价值20.0 万元，则根据式（1）可得本次滑坡对其造成的损失为0.98 万元。

图8 受灾体承载力曲线图

5 结论

通过滑坡冲击致灾滑坡过程模拟分析可知，该滑坡表现为典型牵引式渐进破坏，滑坡的发生自坡脚而始，并逐步牵引上部滑动。初期以蠕滑为主，软弱滑移带在上部滑体作用逐渐变形、破坏导致强度下降，进而使整体沿滑移带加速滑动后冲击坡底受灾体。当滑坡冲击力到达受灾体极限承载力时认定其被完全破坏，并继续模拟滑坡推动受灾体倒塌主体冲击下一受灾体，定量计算各受灾体的易损性及损失大小，提升了滑坡风险评估的准确性，具有一定的实际工程应用价值。