汉中市宁强县凤凰街滑坡运动特征及冲击强度的数值研究

陈 兴，魏江波，赵 洲

(西安科技大学地质与环境学院，西安 710054)

0 引言

斜坡受各种自然和人为因素的作用会发生多种形式的变形和破坏，其中滑坡是普遍的破坏方式，滑坡会给工程建筑和生命安全造成难以避免的巨大损失[1]。因此，滑坡风险定量预测研究对滑坡灾害防灾减灾具有重要的理论和实际意义。

随着计算机技术的迅猛发展，数值方法已成为模拟和分析滑坡致灾过程的重要研究途径，研究人员基于不同理论与本构模型开发了可用于模拟滑坡变形、失稳破坏、运动、堆积等过程的数值方法，常见的有限元法[2]、离散元法[3]、拉格朗日法[4]、物质点法[5]及光滑粒子流体动力学法[6]等。其中，离散元法(如颗粒流离散元法)不仅适用于模拟大变形、大位移和裂隙扩展等现象，更是模拟真实材料力学响应特性的有力工具，因此非常适用于滑坡失稳后的运动模拟[7-10]。

随着无人机(UAV)技术的日趋成熟，大范围高精度数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)的构建及其在滑坡三维数值模型研究中应用越来越广泛，而基于高精度DEM的滑坡冲击强度模拟和应用研究较少。为此，本文基于PFC3D数值方法，结合现场调查，建立真实滑坡三维数值模型，对凤凰山滑坡失稳后运动进行动态模拟，预测分析滑坡失稳后的运动特征及冲击强度。

1 滑坡概况

凤凰街滑坡位于陕西省汉中市宁强县广坪镇，北靠凤凰山，西临广坪河，东侧及南侧为曹家沟。滑坡体主要为粉质黏土，含少量砾石。滑坡面后陡前缓，坡向165°，南北长约150m，东西长约380m，最大厚度约10m，体积约为1.2×105m3，属中型堆积层滑坡。

2 滑坡三维模型构建

2.1 滑体细观参数的确定

PFC模型中的参数包括颗粒的细观强度和颗粒间的接触，如：法向刚度、剪切刚度、黏结强度等，这些细观参数可用来表征滑坡土体的宏观力学性质，因此，需要对这些参数进行标定。本次三轴数值试验模型由2986个颗粒、两个压缩板和一个圆柱墙面构成，模型采用线性接触和平行黏结方式，并通过程序伺服控制对刚性面施加轴压及围压(图1a)。三轴数值试验参考赵洲等人[3]所设定的细观参数值，通过参数调整及大量试算，最终选择符合滑坡土体宏观力学特征的那一套细观参数，判定依据为测定的偏应力-应变曲线与室内三轴试验曲线相一致(图1b)。

根据不同围压下(100、200、300、400kPa)偏应力-应变曲线绘制了莫尔应力圆和莫尔-库仑强度包络线(图1c)，得到饱水工况下滑体土的内摩擦角(14.2°)和内聚力(21.5kPa)。数值模拟三轴试验模型的细观参数如表1所示。

图1 三轴试验及参数标定

表1 滑坡模型细观参数取值

2.2 滑坡模型的构建

以研究区DEM为基础数据，借助CAD、Arcgis、Surfer、Rhinoceros等数据处理软件和PFC3D建模软件构建滑坡三维数值模型。通过滑前地表与滑坡勘察剖面获取的滑床地表进行空间作差生成滑体模型，在其内部生成刚性球体颗粒，并赋予表1颗粒模型细观强度参数。建模步骤及建成模型如图2、图3所示。为进一步分析滑坡各部位的运动特征，在滑体的前中后不同位置处设置了监测点颗粒(图3)。

图2 模型制作流程

图3 滑坡三维模型

3 滑动过程模拟及结果分析

3.1 运动过程模拟

通过对滑坡失稳-运动-堆积的全程模拟，如图4所示，可知滑坡主滑时间约30s。在运动初期，滑坡体后缘在自重作用下先发生破坏，前缘锁固段未出现明显位移(图 4(a))。失稳后约5s时，随着滑坡中后部土体向前推挤作用滑体左侧、中侧前缘剪出口土体产生位移，而右侧由于前缘滑面角度平缓且土体堆积较厚，运动响应相对较晚(图 4(b))。滑坡发生5s后，滑动面整体贯通，滑体中前部土体运动速度增大，后部土体速度减小，此过程呈出“后推前”的运动特征，属典型的推移式滑坡(图4(a-c))。在滑动10s 后由于前缘地表的摩擦阻碍，大部分滑体开始做减速运动，逐步堆积于斜坡坡脚(图 4(d-f))。

图4 滑坡运动过程速度云图

3.2 滑坡速度位移

为研究滑坡体各部位的运动特征，如图3所示，模拟选取了滑体后缘、中部和前缘各位置处的特征颗粒进行实时监测。根据数值计算结果(图 5)，滑坡后缘速度峰值为4.2～5.3m/s，位移为41～52m；中段速度峰值为2.6～3.7m/s，位移为27～52m；前缘速度峰值为 1.7～3.6m/s，位移为16～34m。模拟结果显示滑坡体前缘速度峰值较迟于后缘速度峰值，且滑坡前缘速度达到峰值与相对停止运动时间均较晚于后缘，该过程表现为前缘运动的滞后性。此外，监测点6和9速度位移均较小(图5(c-f))，原因为右侧中前部滑面较缓，滑体较厚，进而运动较慢。在滑坡相对静止阶段，部分土体仍存在较小的运动速度。

图5 不同滑坡监测点速度位移曲线

通过自编 FISH 函数对滑坡体整体运动的速度及位移进行实时监测，由图6可知，滑坡在前期属于整体快速运动，势能主要转换为动能，所以速度快速增大，速度峰值后由于土体之间碰撞、摩擦和冲击更加严重，使得该部分作用耗能更多，进而导致峰后速度先快速减小、后缓慢减小的特征。滑坡运动过程整体表现为 0～7.8s的加速运动阶段和 7.8s之后的减速运动阶段阶段。采用文献 10 中的Scheidegor法对滑坡速度进行理论计算，滑坡速度峰值为3.86m/s，与模拟结果3.30m/s较为接近，但由于理论计算并未充分考虑滑坡运动期间岩石块体间的摩擦、碰撞及冲击耗能，导致理论计算结果稍高于模拟结果。

图6 滑坡平均速度位移曲线

3.3 滑坡能量

滑坡运动伴随着能量的转化。通过对滑坡运动过程中重力势能、碰撞耗能、摩擦耗能和动能的监测，得出了四种能量的转化关系(图 7)。在滑动约7.8s时，滑坡体整体脱离山体，滑动速度最大，动能最大为1.75×109J，此时重力势能转换为动能约占重力势能减小量的 17.5%。随后在坡面及坡脚的阻碍冲击作用下，坡体破碎严重，颗粒间碰撞和摩擦作用不断加强，之后滑坡动能逐渐减小，碰撞耗能和摩擦耗能逐渐增多，分别约占重力势能减小量的 42%和 21%，其余能量主要为滑坡体运动过程中颗粒间线弹性相互作用的弹性势能、颗粒间黏结断裂耗能、阻尼耗能以及少量的动能。通过能量监测曲线可知，动能占能量转化的一小部分，重力势能以碰撞、摩擦等其他形式耗散为主。

图7 滑坡运动过程能量转化

3.4 滑坡冲击力

根据滑坡速度及位移曲线可知，左、中、右部滑坡体的运动特征存在差异，其后果可能会造成不同的冲击强度。为此，本次模型试验采用单位厚度的墙体代替构筑物，在滑坡前缘左中右侧分别建立宽60m，高10m刚性墙(图8)。在PFC程序中通过命令监测坡脚挡墙上的水平冲击力，其结果可为为房屋易损性分析提供一定参考。

图8 滑坡冲击力监测模型

滑坡冲击结果如图9所示，造成了10m下的挡墙被掩埋。滑坡冲击时程曲线如图10所示，从图10可以看出，土体对墙体的冲击作用可分为三个阶段。第一阶段为自由下滑阶段，此阶段中，滑坡体局部发生变形破坏，并逐渐形成贯通滑动面，坡体前缘未接触到刚性墙。第二阶段为碰撞冲击阶段，随着坡体速度的增大，滑坡对墙体的挤压冲击作用增加，冲击力逐渐增至最大。第三个阶段为相对静止阶段，滑坡体碰撞耗能及地面摩擦，坡体对挡墙的冲击作用又逐渐开始减弱，动能消耗完后，滑坡体堆积在挡墙处，其数值保持恒定。

图9 滑坡冲击刚性墙

图10 冲击力监测曲线

根据冲击力监测曲线可知(图10)，刚性墙1、2、3上的最大水平冲击力分别为7.6×107N(单位宽度下为1.27×106N)，5.1×107N(单位宽度下为8.5×105N)，2.8×107N(单位宽度下为4.67×105N)。然而，陕南滑坡区承灾体在单位宽度所能承受极限荷载值仅为2.04×103N[11]，其值远小于凤凰街滑坡在单位宽度所造成的冲击强度。因此，滑坡发生后，墙体因不能承受滑坡所带来的冲击而毁坏，将会造成严重后果，应对坡体进行加固处理。

4 结论

1)通过PFC3D三轴试验的参数标定方法，获取了滑坡岩土体的摩擦角、黏聚力等强度参数，并与室内三轴试验结果进行了对比，其结果满足模拟要求。

2)滑坡后缘最先发生变形破坏，并逐步在自重作用下推挤前方土体，待前缘锁骨段贯通，滑坡整体下滑，此运动方式属典型的推移式滑坡。

3)滑坡前缘的速度、位移及启滑时间均较低于或晚于中后部，且在运动阶段滑坡的重力势能主要以摩擦、碰撞等形式损耗。

4)滑坡失稳将对坡脚承载体造成毁坏，为防止山体滑坡对下部村落造成巨大危害，应对坡体进行加固处理。