基于流固耦合理论的巴东黄土坡滑坡地震响应研究

张 洁 曾金明 胡其志,3 游 姗 付小红

1 武昌工学院城市建设学院,武汉市白沙洲大道110号,430065 2 中交第二公路勘察设计研究院有限公司,武汉市创业路18号,430056 3 湖北工业大学土木建筑与环境学院,武汉市南李路28号,430068

水库蓄水诱发滑坡失稳事件在世界范围内被广泛报道,如1963-10-09意大利瓦伊昂水库库首区滑坡[1],库水抬升导致的孔隙水压力增大、库水位下降时滑坡体内部产生的渗透力及降雨导致的坡体基质吸力降低被认为是导致水库滑坡失稳的主要因素[2-3]。同时,地形地貌、坡体结构、地层岩性、路系、地震动等因素均可能对滑坡体的地震稳定性产生影响[4]。

本文以三峡库区巴东黄土坡滑坡体为研究对象,基于流固耦合理论建立二维有限差分数值模型,分析无水及有水条件下滑坡体在2013-12-16巴东M5.1地震作用下的场地地震反应、滑坡体软弱层形变及孔隙水压力差异特征。通过计算滑坡体的安全系数时程,探讨库水沁润对坡体地震稳定性的影响,结合有效应力响应特征,尝试获得蓄水条件下滑坡体地震安全系数降低的成因机理等认识。

1 巴东黄土坡滑坡概况

黄土坡滑坡位于巴东扇形斜坡之上,是一个由多期次、多个崩滑体组成的大型复合滑坡。滑坡面积为135×104m2,体积为6 934×104m3,由临江1号、2号崩滑堆积体、变电站滑坡、园艺场滑坡组成[5],具体见图1。

图1 巴东黄土坡滑坡平面

滑坡表面总体呈凹形缓坡,上陡-中缓-下陡,平均坡度为 28°～32°,斜坡结构类型为顺向坡(图2)。

图2 黄土坡滑坡Ⅰ-Ⅰ′地质剖面

2 基于流固耦合理论的有限差分模型

根据黄土坡滑坡工程地质条件,将Ⅰ-Ⅰ′剖面概化为堆积碎石土和三叠系巴东组基岩2个部分。二维剖面模型平行于滑坡体主轴方向长约为1 600 m,垂直方向最高约为526 m。使用ANSYS前处理模块进行建模后导入FLAC3D,几何模型及网格划分见图3,网格数量约8.2万个,最小尺寸约为1 m。

图3 Ⅰ-Ⅰ′剖面二维有限差分模型网格划分及监测点布置

对模型底部边界施加位移全约束,侧壁施加法向位移约束。坡面在天然状态下为自由边界,有水条件下直接施加库水荷载,考虑到区域构造应力场水平较低,仅考虑重力场作用[6]。

为研究水岩耦合作用下黄土坡滑坡的地震稳定性,将监测点集中布置于软弱层带及其附近区域。模型共布置9个监测点,其中沿软弱层布置3个监测点(编号K1～K3),水平方向间距约为400 m;在软弱层带上下部地层K1～K3监测点对应位置分别布置1个垂直监测点,每处垂直监测点垂向间距约为25 m,记为M1～M3及N1～N3,监测点具体布置情况如图3所示,A、B、C区域分别代表滑坡体的后段、中段及前段。

岩土体采用莫尔-库仑模型,表1为二维有限差分模型的岩土体物理力学参数。有水条件下的初始水头根据175 m库水位沁润线进行设置,采用附加质量法模拟地下水对滑坡体某点处的动水压力。对于沁润线以下的岩土体,采用饱水状态下的岩土体参数,沁润线以上部分采用岩土体天然强度参数。

表1 黄土坡滑坡岩土体物理力学参数

三峡水库蓄水进程中历经了135 m、156 m及175 m等3个蓄水阶段,其中135 m和156 m蓄水阶段内巴东库段虽发生大量微小地震,但考虑到震级较小,对滑坡体地震稳定性影响有限。因此,本文选择175 m蓄水阶段的2013-12-16巴东M5.1地震作为典型地震事件进行输入[7]。

为使地震动输入更加符合实际地震背景,以美国太平洋地震工程中心PEERNGA数据库为基础[8-9],利用2013年巴东M5.1地震部分参数给出设定地震条件(表2)。以此为依据,获得滑坡体安全系数时程分析的地震波形,并将其作为模型的水平向地震动输入,结果见图4。由图可知,水平向输入的地震动峰值加速度约为144 Gal,持时约为20 s。

图4 2013年巴东M5.1地震的设定波形

3 黄土坡滑坡地震响应特征

3.1 加速度响应

在蓄水前的无水条件下,上硬层的地震动峰值加速度约为191 Gal,下硬层约为477 Gal(图5)。与输入的地震动峰值加速度相比,放大系数分别为1.33和3.31,表明在无水条件下,黄土坡滑坡体的地震放大效应显著,且上硬层放大系数明显小于下硬层,其原因可能为底部输入的地震动衰减及软弱夹层的减震作用。

图5 无水条件下地震加速度响应

而在有水条件(175 m)下,上硬层的地震动峰值加速度约为250 Gal,下硬层约为482 Gal(图6)。与输入的地震动峰值加速度相比,放大系数分别为1.74和3.35。进一步与无水条件相比可知,库水位上涨导致的滑坡体上硬层地震动峰值加速度放大效应有所增强,但对下硬层的影响相对较小。另外发现,有水条件下滑坡体地震加速度的高频分量更加丰富,与之对应,蓄水后上硬层地震动峰值加速度也为蓄水前的1.31倍。上下硬层的地震动峰值加速度放大特征与时幸幸等[10]对2008年汶川地震触发大光包滑坡体的研究结果基本一致。

图6 有水条件下地震加速度响应

3.2 位移响应

在蓄水前的无水条件下,上硬层与下硬层的地震动峰值位移分别为7.76×10-4m和1.40×10-3m,下硬层约为上硬层的1.80倍(图7),说明软弱夹层的减震消能作用在地震动峰值位移上亦有所体现。在有水条件(175 m)下,上硬层与下硬层的地震动峰值位移分别为7.95×10-4m及1.60×10-3m(图8)。

图7 无水条件下地震位移响应

图8 有水条件下地震位移响应

与无水条件相比,有水条件下上硬层与下硬层的地震动峰值位移分别放大1.02倍和1.14倍,说明三峡蓄水活动对地震动峰值位移放大效应的影响并不显著。虽然有水条件下地震动位移时程的高频分量明显更丰富,但蓄水活动对其影响小于对峰值加速度的影响。

3.3 水平应力响应

图9和10分别为无水及有水条件下上硬层、软弱层及下硬层的水平向应力响应结果。由图9可知,无水条件下监测点水平向应力为-5.2～-2.1 MPa,整体处于压应力状态,下硬层压应力最大,上硬层压应力最小。

图9 无水条件下水平向应力响应

而在有水条件下,模型监测点的水平应力响应呈现与无水条件相异的状态(图10)。就幅值而言,应力大小波动幅度明显增大,下硬层局部压应力峰值约为-23.2 MPa,约为无水条件的4.46倍。另外,与无水状态的应力响应相比,有水条件下部分时刻上硬层呈拉张状态,与软弱层及下硬层出现拉脱效应[11]。

图10 有水条件下水平向应力响应

3.4 孔隙水压力

为研究蓄水活动对滑坡体孔隙水压力状态的影响,给出有水条件下黄土坡滑坡体孔压对地震作用的响应特征。由图11可见,软弱层孔隙水压力响应幅值远大于上硬层及下硬层,且呈现出阶段性积累上升趋势,并伴随有瞬时放大特征。

图11 地震作用下的坡体孔压响应特征

孔压响应峰值主要集中在软弱层中后段,在上硬层孔压变化幅度较小的情况下,软弱层孔压随地震作用快速上升,随后不断波动并具有阶段累积特征,分别约在第3 s、9 s、14 s 及19 s 时达到阶段峰值18 MPa、26 MPa、27 MPa及45 MPa。考虑其原因主要在于水不可被压缩,在瞬时地震荷载作用下无法快速排出从而导致孔压急剧上升。当软弱层孔压瞬间增大时,上硬层相对向下运动,下硬层相对向上运动,导致软弱层被压缩;而当软弱层孔压降低时,上硬层相对向上运动,下硬层相对向下运动,软弱层被拉张。上下硬层之间的非协调性变形,导致软弱层超孔隙水压力的形成,进而对滑坡体稳定性产生不利影响。

4 滑坡地震稳定性与机理分析

图12为有水和无水条件下的安全系数时程计算结果。由图可见,无水条件下滑坡体的地震安全系数为1.57～2.78,安全系数均值Ka约为2.30;有水条件下滑坡体的地震安全系数为1.40～2.09,安全系数均值Ka约为1.88。

图12 有水和无水条件下的安全系数时程

从图12还可以看出,无水条件下的安全系数时程与有水条件相比更加平稳,后者在5～15 s区间内呈现阶段性下降特征,这与孔压累积增加的趋势一致。值得注意的是,无水及有水条件下的最小安全系数分别为1.57及1.40,约为平均安全系数的68.26%及74.47%,这种安全系数的显著降低值得进一步探讨。有水条件下的地震滑坡体安全系数整体小于无水条件,下降幅度约为18.13%,表明三峡蓄水活动可能对巴东黄土坡滑坡地震稳定性造成一定程度的不利影响。

进一步以9.2～10.2 s时段内有水及无水条件下上硬层、下硬层观测点的位移细节(图13和14)为例对非协调变形进行说明。可以发现,有水及无水条件下上硬层与下硬层位移均出现显著的不一致,即非协调性变形。其中,有水条件下的非协调性变形最大压缩幅值约为1.55×10-3m,最大拉张幅值约为9.74×10-4m;而无水条件下,最大压缩幅值为6.66×10-4m,最大拉张幅值为8.15×10-4m。有水条件下的非协调性变形更加剧烈,软弱层在拉张过程中产生的带内拉应力被放大,将会造成更加严重的张拉损伤破坏;而压缩过程中产生的带内压应力被放大,则将造成更加明显的挤压损伤破坏。

图13 无水条件下的非协调变形

5 结 语

为研究三峡蓄水对湖北巴东黄土坡滑坡地震稳定性的影响,基于流固耦合理论建立二维有限差分数值模型。在计算无水(蓄水前)及有水(175 m实验性蓄水)条件下滑坡体的场地地震动、应力响应及孔隙水压力差异特征基础上,进一步给出滑坡体安全系数时程,探讨蓄水与水库地震共同作用下的滑坡体稳定性及成因机理,得出以下结论:

1)无水条件下滑坡体上硬层与下硬层的地震动峰值加速度放大系数约为1.33及3.31,具显著的场地放大效应及软弱夹层消能减震作用,且在有水条件下高频分量被进一步丰富并放大。

2)瞬时地震荷载下,由于滑坡体上下硬层之间的非协调性变形与非快速排水共同作用,软弱层超孔隙水压力快速形成并呈阶段性积累上升,同时伴有瞬时放大特征,分别在第3 s、9 s、14 s 及19 s 时达到峰值18 MPa、26 MPa、27 MPa及45 MPa。

3)库水位上涨带来的岩土体沁润作用会导致滑坡地震稳定性的安全系数显著降低,无水及有水条件下滑坡体的安全系数均值分别约为2.30及1.88,蓄水活动导致安全系数降低约18.13%。

4)有水条件下地震作用导致的滑坡体非协调性变形更加剧烈,软弱层在拉张与压缩过程中产生的带内拉应力与压应力被急剧放大,对软弱层面产生严重拉张及挤压损伤破坏的同时,超孔隙水压力造成的有效应力快速降低,可能是有水条件下滑坡体地震安全系数降低的成因机理。