地震条件下滑坡体应力变形分析

2021-12-04姬永尚

水利科技与经济 2021年11期

姬永尚

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

0 引言

在建水利枢纽工程位于新疆维吾尔自治区南疆山区，是一项具有生态、防洪、灌溉、发电等综合利用任务的水利工程，是河流山区河段的控制性水利枢纽工程，属大(Ⅱ)型Ⅱ等工程[1]。

在大坝下游距坝轴线直线距离约780 m处右岸岸坡中部分布一古滑坡。根据现场地质条件及枢纽区工程布置，滑坡区域没有开挖扰动，同时由于古滑坡体所处高程较高，泄洪雾化对其影响有限，且可通过工程措施进行控制。因此，地震是可能造成该滑坡体变形的主要影响因素。本文采用有限差分软件FLAC3D，通过直接时程法对地震条件下滑坡体应力变形进行分析。

1 区域构造稳定性

滑坡所在区域处于SN向强烈挤压的构造应力场环境之中，场区在新构造分区上位于两个二级新构造单元交汇的地区，新构造运动强烈，发育多条深大断裂，具备发生7级地震的构造条件。近场区无区域性断裂，对近场区影响较大的主要地震构造是铁克里克断裂和柯岗断裂，距离滑坡体最近分别为31和32 km。

近场区25 km范围及其附近发生的地震均属浅源地震，场地的地震危险性主要是来自浅源地震的影响。近场区1970年以前未记录到4.7级以上的地震，1970年以来共记录M≥3.0地震60次，其中6.0～6.9级地震2次，5.0～5.9级地震1次，4.0～4.9级地震16次，3.0～3.9级地震41次。最大地震为1975年两次6.1级地震，其中1975年6月4日和田南地震距离场区21 km左右，1975年4月28日和田东南地震距离场区38 km左右。

本区50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.210 g，地震基本烈度为Ⅷ度，区域内有记载的破坏性地震对场地的最大影响烈度为Ⅵ度。

2 滑坡基本特征

该古滑坡体分布高程2 090～2 410 m，地表面积约28.5×104m2，滑体最大厚度约108 m，平均厚度约45.7 m，体积约1 302×104m3，为特大型深层岩质滑坡。滑坡轴线长约550 m，前缘宽约610 m，中部宽约575 m，后缘宽约380 m，在平面展布上整体呈扁平的舌形，轴线方向相对较短，垂直轴线方向较宽[2](图1)。

图1 滑坡平面示意图

该滑坡体边界主要受构造控制。滑坡后缘边界主要受顺河向断层f16控制，后缘陡壁即为断层面，产状50°NW∠65°，破碎带宽度0.1～0.5 m，带内主要为构造角砾岩、糜棱岩等，碎裂结构，充填密实；左侧边界的主要是f12和f15断层控制。f12断层产状310°NE∠70°，断层带宽度0.4～0.6 m，带内主要为碎裂岩、糜棱岩及断层泥，充填密实；f15断层产状325°NE∠70°，断层带宽度0.3～0.5 m，带内主要为挤压片理、灰绿色的千糜岩、糜棱岩及断层泥，碎裂结构，充填密实；下游边界为凹岸临空面。滑坡前缘剪出口高程2 090 m左右，位于高阶地(>Ⅵ级)平台后缘，清晰可见。

滑体从地表向滑面主要分4个层次，即①粉土层；②块裂结构的松动岩体及大块石；③完整、连续岩体；④滑坡角砾。其中，滑坡角砾层与滑带土直接接触，厚度1.6～22.5 m，平均10.4 m，母岩为二云母石英片岩，原岩结构基本被破坏，层状结构不明显，呈碎块石状，棱角状，大小石块与挤压碎末、细粒混杂，结构密实。滑坡角砾层天然状态下，湿密度为2.23～2.29 g/cm3，干密度为2.15～2.19 g/cm3，渗透系数4.6×10-4～2.5×10-3cm/s，饱和状态下C值18.5～26.1 kPa，ψ值37.0°～38.5°。

滑面(带)主要受两组结构面控制，即顺层软弱结构面和NE走向陡倾结构面。两组结构面组合形成以顺层面为主的阶梯形滑面形态(图2)。滑带土厚度一般0.5 m左右，岩性为含砾低液限黏土夹黏土质砾。深灰～灰绿色，以碎石、泥质为主，挤压紧密，弱胶结，人工开挖极为困难，多夹滑坡角砾及大块石透镜体。根据室内试验结果，滑带土天然状态下湿密度为2.20～2.30 g/cm3，干密度为1.98～2.08 g/cm3，渗透系数0.2×10-6～5.2×10-6cm/s。天然状态下C值25.8～58.3 kPa，平均为39.7 kPa，ψ值31.5°～34.0°，平均为32.8°；饱和状态下C值21.5～52.6 kPa，平均为34.5 kPa，ψ值30.5°～32.5°，平均为31.4°。根据原位试验结果，天然状体C值27.7～103.1 kPa，平均60.2 kPa，小值平均值为45.6 kPa，ψ值26.0°～30.0°，平均27.7°，小值平均值为26.3°；饱和状态C值38.5～39.2 kPa，平均值38.9 kPa，ψ值23.0°～24.0°，平均值23.5°。

图2 滑坡轴线地质剖面图

滑床岩性为二云母石英片岩，岩体节理裂隙不发育，风化轻微，新鲜完整。根据室内岩块试验结果：岩样天然密度2.71～2.79 g/cm3，饱和密度2.72～2.80 g/cm3；自然吸水率0.18%～0.24%，饱和吸水率0.21%～0.27%；单轴干抗压强度53.8～65.7 MPa，饱和抗压强度37.4～46.3 MPa；干抗剪强度C值1.6～2.7 MPa，ψ值45.5°～46.0°，饱和抗剪强度C值1.1～1.6 MPa，ψ值43.0°～44.5°。

3 地震条件下滑坡体应力变形分析

3.1 计算模型与计算条件

3.1.1 计算模型

为了全面了解地震作用下滑坡体的应力变形情况，了解断层、底滑面等控制边界对滑坡体的影响，根据实际勘察滑坡基础资料，建立能够较为真实模拟滑坡体地质情况的三维模型，并进行网格划分，见图3。

图3 计算模型及网格划分

分析模型所选用的坐标系遵照右手正交法则：以东西方向为X轴，指向东为正；南北方向为Y轴，指向北为正；以竖直方向为Z轴，指向上为正。模型由102 400个单元和20 454个节点组成。

3.1.2 计算参数

根据滑坡勘探中获得的试验数据，结合滑坡各岩土材料的结构、颗分、密度等特性，综合确定本次滑坡体应力变形分析计算参数(表1)。

表1 岩体力学参数表

3.1.3 地震动输入

直接时程法地震动输入按极限安全地震震动峰值加速度0.210 4 g输入。因此，本次水平加速度峰值取0.210 2 g，竖向取水平地震加速度峰值的2/3，即0.140 1 g。3向输入地震加速度时程曲线见图4。

图4 输入加速度时程

3.1.4 分析剖面与监测点

为进一步了解该滑坡体应力变形情况，设置3个剖面进行分析，分析剖面位置见图5。为更好了解地震作用下断层、滑床等关键部位的变形特征，布置4对监测点，每对监测点分别位于软弱层的两侧，监测点位置见图6。

图5 分析剖面位置示意图

图6 监测点位置示意图

3.2 计算结果分析

为较为准确地模拟地震条件下滑坡体应力变形分布情况，主要开展以下数值模拟工作。

1)自重应力场模拟。

2)通过直接时程法地震动输入模拟滑坡体在地震作用下响应规律，并截取1、2、3、4、5、10、15、20和40.96 s共9个时刻进行分析。

3.2.1 自重应力模拟分析

根据静力法的方式对滑坡体自重应力场进行模拟，为后续动力分析提供初始滑坡体应力条件。自重作用下，滑坡体应力场分布见图7。

图7 自重应力场模拟结果

由图7中可知，滑坡体自重应力主要表现为上覆岩土层越厚应力值越大，符合一般规律；在断层附近出现了明显应力间断现象，说明断层分布对滑坡体整体应力分布型式有一定影响。

3.2.2 直接时程法应力响应特征分析

不同时刻滑坡体应力分布情况见图8。由图8中可知：①在地震作用下滑坡体应力分布规律基本一致，整体表现为上覆岩土层越厚应力值越大，符合一般规律；在断层附近出现了明显应力间断现象，说明断层分布对滑坡体整体应力分布型式有一定影响。②随着地震波的持续输入，最大最小主应力量值略有变化，变化幅度很小。③地震波输入对滑坡体整体应力分布影响不大。

图8 滑坡体应力分布图

3.2.3 直接时程法位移响应特征分析

本次模拟不同时刻滑坡体位移分布情况，通过典型监测剖面及监测点对滑坡从1～40.96 s的变形、速度、加速度进行监测分析，得出以下结论：①在地震作用下，滑坡体位移随地震加速度变化而变化(图9)，5和10 s时滑坡体位移最大，15 s后基本趋于平衡；②位移主要集中在滑体前缘位置，向后缘递减(图10)，且以Y和Z向变形为主，10 s时Y向最大(图11)；③地震对滑坡体变形有一定影响，在Ⅷ度烈度地震作用下，滑体位置出现了最大约30 cm的变形，但地震波输入后期，滑坡体没有发生持续变形，滑坡体处于稳定状态。

图9 滑坡监测点位移响应过程曲线

图10 纵1剖面滑坡体位移分布图

图11 10 s时滑坡体位移分布图

3.2.4 直接时程法塑性区响应特征分析

模拟不同时刻滑坡体塑性区分布情况，通过典型监测剖面对滑坡从1～40.96 s的塑性区分布变化进行监测分析，得出以下结论：①与位移变化情况对应，在地震作用下，滑坡体塑性区分布随地震加速度变化而变化，5和10 s时滑坡体塑性区范围最大，15 s后基本趋于平衡(图12)；②塑性区主要为滑体、断层和底滑面附近的剪切破坏区以及滑坡体近表面部位的局部张拉破坏区，符合一般规律。