石碑塬滑坡成因机制及数值模拟初步分析

郭 浪，裴向军

（成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059）

石碑塬滑坡位于宁夏固原市原州区彭堡镇撒门村陕家庄东北侧，营城河右岸，滑坡区地势东高西低、南高北低。石碑塬滑坡主滑方向为270°，原始斜坡坡度为3°～5°［1］。滑坡区东、西两侧均以两侧冲沟为界，南北宽约2.0～2.3km，东西长约1.2km；原始斜坡前缘为一冲沟，沟底高程1 620～1 640m；后缘高程1 705m左右。滑坡全貌见遥感图1。

图1 石碑塬滑坡遥感图

1 滑坡区基本地质条件

1.1 地层岩性

滑坡分布范围内出露的地层主要为中晚更新世黄土层及第四系为残坡积、滑坡堆积层组成。包括Q2离石期黄土地层和Q3马兰期黄土地层。马兰黄土可以分为上部黄土层、第一古土壤层、含砂层段和下部黄土层。

1.2 区域构造及地震

滑坡区距1920年海源地震（Ms＝8.5）断裂带约为1.7km，距离震中70～90km，地震烈度为10°（见图2）。

图2 近场区地质构造图及地震烈度图

1.3 水文地质条件

研究区地面坡度小，相对比较平整开阔，具有良好的汇水条件；含水层主要为晚更新统砂质黄土、粉细中砂土层。滑移区的地下水主要来自大气降水，沿黄土中的大孔隙、垂直节理和落水洞渗入第一古壤层，再沿古壤层的裂隙继续下渗。黄土层中的上部潜水埋藏于第一古壤层以下的砂土层中，水位一般为8～20m。

2 滑坡体结构特征

据现场调查，原始斜坡后缘高程1 705m左右，前缘发育冲沟，沟底高程约1 620～1 640m，前后缘高差约65～85m，斜坡原始坡度为3°～5°，南北宽约2.0～2.3km，东西长约500m，滑坡体平均厚约14m，总体积约154万m3。滑坡前缘推挤淹没冲沟并向前爬坡、中部呈波浪状液化流动、后缘拉裂下陷并发育落水洞，整个滑移区表现为波状起伏、峰谷相间的流滑状态［2］，从滑坡变形特征和运动性质分析来看，该滑坡属于典型低角度地震液化推移式滑坡。

3 滑坡成因机制分析

3.1 滑坡主控因素分析

（1）地震作用力：滑坡区距1920年海源地震（Ms＝8.5）断裂带约为1.7km，距离震中70～90km，地震烈度为10°，巨大的地震波为滑坡区砂质黄土层的液化及滑坡的滑移提供了强大的动力条件。

（2）地层岩性及岩体结构：该滑坡物质主要以黄土状土、粉细砂和含砂黄土组成，第一古壤层以下的饱和砂土层及含砂黄土层在地震作用力下极易液化，上部黄土易沿该层面渐进发展直至整体破坏形成滑坡；上部黄土垂直节理发育，在水的作用下，极易发育成落水洞，而地表水顺落水洞下渗，从而为下部砂土液化提供了条件。

（3）地形条件：石碑塬滑坡的地貌形态前陡后缓，前部冲沟深切，深度15～20m，宽度20～30m，为滑坡的形成提供了空间条件；滑坡区地面坡度小，相对比较平整开阔，后缘落水洞发育，具有良好的汇水条件及下渗条件。

（4）水文地质条件：含水层主要为晚更新统砂质黄土、粉细中砂土层。滑移区的地下水主要来自大气降水，沿黄土中的大孔隙、垂直节理和落水洞渗入第一古壤层，再沿古壤层的裂隙继续下渗。地下水的静水压力使第一层古土壤的有效法向应力降低，从而降低了抗滑力。而且饱和砂土层在地震作用下极易液化，从而使斜坡的稳定条件恶化。

综上所述，石碑塬大规模低角度黄土滑移形成的机理是：海原大地震之前，滑移区表层为马兰黄土，在马兰黄土下部为含粉砂层及砂质黄土层段，地震时，饱和粉砂土层在强大的地震波作用下震动液化后，液化的饱和粉砂土层拖动上部马兰黄土沿低角度滑移。

3.2 滑坡变形破坏过程分析

滑坡的发生大致可分为以下3个阶段（图3～5）。

图3 第一阶段滑坡

第一阶段：伴随滑坡区汇集雨水的冲刷，经过长期地表再造，逐渐形成了前缘冲沟及后缘落水洞。

图4 第二阶段滑坡

第二阶段：地表水通过前缘冲沟及后缘落水洞入渗，滑坡体中部砂质黄土层含水量剧增直至饱和。

图5 第三阶段滑坡

第三阶段：1920年海原大地震时，在强大的地震作用力下，早期饱和的砂质黄土层液化，斜坡沿着液化层终于发生了一次大的滑坡事件。

4 滑前斜坡数值模拟

为了模拟滑前斜坡在地震力作用下的受力情况，采用GEO－StudioE软件中的QUAKE/W 模块来分析滑前斜坡剖面在地震作用下的稳定情况及不同部位的受力和变形情况。

在对滑前斜坡进行模拟计算时，动参数采用地区经验值，岩土常规参数采用室内试验数据，动荷载采用汶川地震加速度时程，其水平方向加速度幅值达0.8g，垂直方向加速度幅值达1g，加速度时程曲线见图6～7。

图6 模拟所用水平方向加速度时程曲线

图7 模拟所用垂直方向加速度时程曲线

4.1 静力计算成果分析

由给出的地震前坡体垂直有效应力场分布云图（图8）可以看出，初始应力场由自重产生，震前坡体应力场分布正常。

4.2 动力计算成果分析

动力计算成果包括如图9～11的云图，从图中可以看出，地震时斜坡的位移变形主要集中在斜坡的中部及后部，滑前斜坡前部位移相对较小；随着坡高的降低，垂直位移逐渐减小。斜坡前部主要以水平位移为主；斜坡地震时最大剪应变出现在斜坡中部、前部；斜坡坡脚处剪切应变集中。

图8 震前坡体垂直有效应力场等值线图

图9 地震时，水平位移等值线图

图10 地震时，垂直位移等值线图

图11 地震时，坡体最大剪应变等值线图

5 结语

（1）石碑塬滑坡原始坡度为3°～5°，南北宽约2.0～2.3km，东西长约500m，滑坡体平均厚约14m，总体积约154万m3，属于典型低角度地震液化推移式滑坡。

（2）石碑塬滑坡成因受海原大地震、地层岩性及岩体结构、地形条件、水文地质条件等因素共同控制；滑坡成因机理为：海原大地震时，饱和粉砂土层在强大的地震波作用下震动液化后，液化的饱和粉砂土层拖动上部马兰黄土沿低角度滑移。

（3）通过数值模拟分析，地震时斜坡的位移变形主要集中在斜坡的中部及后部，斜坡前部主要以水平位移为主；最大剪应变出现在斜坡中部、前部；斜坡坡脚处剪切应变集中。

［1］王家鼎，白学铭，肖树芳.强震作用下低角度黄土斜坡滑移的复合机理研究［J］.岩土工程学报，2001，23（4）：445－448.

［2］白学铭.高烈度地震时黄土层的液化移动［J］.工程勘察，1990（6）：1－5.