云南鲁甸MS6.5地震红石岩滑坡稳定性的数值模拟

陈晓利　常祖峰　王　昆

1）中国地震局地质研究所，活动构造与火山重点实验室，北京　100029

2）云南省地震局，昆明　650041

3）中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，昆明　650041

云南鲁甸MS6.5地震红石岩滑坡稳定性的数值模拟

陈晓利1）常祖峰2）*王昆3）

1）中国地震局地质研究所，活动构造与火山重点实验室，北京100029

2）云南省地震局，昆明650041

3）中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，昆明650041

2014年8月3日鲁甸MS6.5地震触发了大量的滑坡崩塌，其中，位于鲁甸县李家山村和巧家县红石岩村交界处的牛栏江干流北岸的红石岩滑坡规模巨大，与此处位于左岸的红石岩古滑坡体的前缘部分一起堵塞了牛栏江而形成高达120m、体积达1 200×104m3的大型堰塞体。通过震后开展的野外实地调查，获得了红石岩滑坡发生处的地形地貌、地质构造、岩体结构及物质组成等资料。以这些第一手资料为基础，构建了红石岩滑坡的边坡模型，并应用边坡稳定性分析软件GeoStudio中Slope／W模块分别计算了红石岩滑坡体震前坡体安全系数和地震作用下的坡体安全系数。结果表明，红石岩滑坡体发生处的坡体安全系数在地震前为1.450，处于相对稳定状态，而鲁甸地震的地震动作用则使坡体的安全系数降低至0.962，直接导致红石岩坡体的失稳。文中进一步讨论了坡体滑动面的存在与否对坡体稳定性的影响：安全系数计算的结果表明，在中强地震作用下，先存滑动面的存在是导致大型滑坡形成的重要条件；对于高陡岩质边坡，如果没有先存滑动面，只可能形成浅表性滑坡。

鲁甸MS6.5地震红石岩滑坡滑动面安全系数数值模拟

0　引言

2014年8月3日16时30分，云南省鲁甸县发生MS6.5地震，震中位置27.10°N，103.33° E，震源深度12km，宏观震中位于鲁甸县龙头山镇。此次地震波及云南、四川、贵州省等10多个市县，极震区烈度达Ⅸ度。截止到8月8日，鲁甸地震共造成617人死亡，112人失踪（http：∥www．cea．gov．cn／publish／dizhenj／468／553／100821／index．html）。鲁甸MS6.5地震发生在川滇菱形块体东侧的NE向昭通－莲峰断裂带西南段（常祖峰等，2014），该断裂带是以挤压逆冲为主的区域性大断裂，构成了大凉山次级活动块体与相对稳定的华南块体之间的边界带（闻学泽等，2013）。受断层活动影响，该地区地壳应力场较强，岩石挤压破碎，风化强烈。表层以均匀风化为主，在断层带、挤压破碎带部位风化作用更加明显。地貌上，鲁甸地震震区属于云贵高原的一部分，长期的强烈构造抬升作用以及相伴而生的侵蚀、溶蚀等外动力作用，使原来的准平原被雕塑、改造成现代高山峡谷相间的山间凹地景观。自震区东南向西北蜿蜒而过的牛栏江是中国西南地区的主要河流之一，切割深度达1 200～3 300m，形成V字型的峡谷和嶂谷。牛栏江河谷两岸的地势陡峻，是高陡边坡集中的地区（Chang et al．，2015）。

震后的野外实地调查表明，鲁甸MS6.5地震触发了大量的以浅表性滑坡、崩塌、滚石等为主的滑坡崩塌地质灾害，规模一般为数十至数万立方米，较为集中地分布在极震区及其周边地区。其中，位于昭通市鲁甸县李家山村和巧家县红石岩村交界处的牛栏江干流右岸的红石岩滑坡规模巨大（图1），与此处位于左岸的红石岩古滑坡体的前缘部分一起形成高达120m、体积达1 200×104m3的大型堰塞体，堵塞了牛栏江而形成堰塞湖。堰塞湖的形成使库区水位上涨了至少30m，水面面积为正常水位的3倍，淹没了库区民房，对上、下游的居民区及一些沿河而建的水电站工程造成严重威胁（http：∥www．cea．gov．cn／publish／dizhenj／468／553／100821／in-dex．html）。

图1　红石岩堰塞体全貌Fig．1　Air photo of the Hongshiyan Dam．

尽管地震触发崩塌滑坡现象在中国西南地区较为常见（李天池，1979；Chen et al．，2012；Huang，2014），但是一个MS6.5地震就触发了如此特大规模崩滑体的现象还是不多见的。2008年汶川地震触发了上百个规模巨大的滑坡，其中很重要的原因是由于其高达MS8.0的震级所致（黄润秋等，2008；许强等，2010；Qi et al．，2011）。而2013年发生在龙门山断裂带南段的MS7.0芦山地震，虽然触发了大量的滑坡崩塌，但是规模均较小，多为小型滑坡崩塌（许冲等，2013；周庆等，2014；Chen et al．，2014）。已有的研究成果表明，地震滑坡的分布受到震级、地质构造、岩性、地形地貌等条件的影响，而作为地震滑坡的触发因素，地震动起到至关重要的作用，地震动的大小与滑坡的分布范围、规模密切相关（Harp et al．，1981；Keefer，1984；Wang et al．，2003；Meunier et al．，2007；Wang et al．，2007；黄润秋等，2008）。不同学者从不同的角度研究了汶川地震中大型滑坡的分布规律和形成机制，认为除了地震动的作用之外，特殊的地质地貌环境对大型滑坡的形成也具有非常重要的影响（黄润秋等，2009；许强等，2010；Qi et al．，2011；Chen et al．，2012）。以大光包滑坡为例，黄润秋等（2014）对汶川地震触发的最大规模的大光包滑坡进行深入和持续的研究，认为大光包巨型滑坡的形成是由于其经历了强烈的地面震动（由紧邻发震断层的构造位置所决定），而独特的四周沟谷深切形成的相对孤立和自由临空的山脊地貌，为斜坡的动力响应和地震动加速度（PGA）放大效应奠定了有利的地形条件。

文中以鲁甸地震红石岩滑坡实地勘察资料为基础，根据震后的滑坡形态建立了一个已知滑坡面的边坡模型，并应用边坡稳定性分析软件GeoStudio中Slope／W模块对地震前和地震作用下的红石岩边坡的安全系数进行了计算，探讨了岩质边坡在地震作用下的稳定性问题。同时，通过对数值模拟初始设置中红石岩边坡模型有无滑动面条件的改变，并进一步探讨了滑动面对滑坡形成及其规模的影响。希望所获得的认识能够有助于中国西南地区河岸区潜在大型滑坡崩塌体的识别，用以提高水利资源开发时沿河水利电力工程和社区的安全性。

1　红石岩滑坡

震后针对地震诱发滑坡崩塌进行的野外调查表明，鲁甸MS6.5地震触发的滑坡崩塌等地震次生灾害数量较多，但是除了红石岩、天生桥以及震中区龙头镇附近出现的少数规模较大的崩塌滑坡外，其他的滑坡崩塌体规模均较小，以浅表性滑坡、碎屑流、滚石等为主。尽管滑坡崩塌这类边坡破坏现象可以根据其物质组成和运动方式等的不同而划分为不同类型，但是很多时候滑坡崩塌类型难以明确区分，因为一个边坡破坏往往可以出现多种破坏形式的组合（Keefer，1984；Guzzetti et al．，1999；Highland et al．，2008）。红石岩滑坡就是这样：靠近滑坡源区处的破坏方式以崩塌为主，向下则表现出滑坡顺层滑动的特点。为了行文的方便，本文对红石岩堰塞体处的崩滑体称为红石岩滑坡。

1.1红石岩滑坡的几何特征

此次鲁甸MS6.5地震触发的牛栏江右岸红石岩滑坡体的崩滑源区最高处高程为1 680m，崩塌堆积体最高处高程为1 350m，垂直滑动距离约300m。崩滑源区的宽度达200m左右，滑坡发生后留下非常壮观的后缘（图2）。尽管滑坡在垂直方向上的移动量很大，但是由于V型河谷地形条件的限制，并没有形成汶川地震中出现的长距离碎屑流。红石岩滑坡体崩塌物质都堆积在河道中，成为堰塞体的主要组成部分（图2）。

红石岩堰塞体向河道两侧的扩展非常有限，顺河流方向呈长条状分布。滑坡区平面投影面积为8×104m2，堰塞体坝顶高程约1 216m，坝底高程1 100m，坝体高约116m，估计总方量约1 200×104m3，属于特大型滑坡①云南省地震工程勘察院，2014，云南省牛栏江红石岩堰塞湖永久性整治工程场地地震安全性评价报告。（图1）。

1.2红石岩滑坡处的地形地貌

红石岩滑坡体位于昭通市鲁甸县李家山村牛栏江右岸，该河段属构造剥蚀、溶蚀为主的中高山峡谷区，两岸谷深、坡陡，山体与河谷地形高差大，可达800～1 000m。基岩多裸露，左岸原地形坡度为35°～50°，近河床段坡高200～220m；右岸原地形坡度50°～60°，局部为70°以上的陡崖，近河床段边坡高度约600m①同281页①。这种高而陡的地形地貌使滑坡的发生具有必要的地形条件（图2）。

图2　红石岩滑坡全貌Fig．2　The photograph of the Hongshiyan landslide（view toward west）．

1.3红石岩滑坡的物质组成和岩体结构

经现场调查，红石岩堰塞体的滑坡堆积体物质主要来自北岸高处（即本文所研究的红石岩滑坡），南岸亦有老滑坡的崩滑物质汇入。堰塞体以碎块石为主，其成分主要为弱风化、微风化及新鲜的白云质灰岩、白云岩。由震后红石岩滑坡裸露的清晰后缘可以看出：坡体上部为泥盆纪白云质灰岩、白云岩，下部为奥陶纪砂泥岩、页岩，边坡岩体结构为上硬下软的岩质边坡（图3）。现场勘探结果表明，红石岩滑坡体及周边岩体的节理、裂隙都较发育，各类岩石经历了不同程度的风化作用。在红石岩附近以砂、泥岩为主体的地段，牛栏江两岸岩体垂直强风化深度可达20～25m，水平深度左岸达20～25m，右岸达25～30m；灰岩、白云岩分布地段强烈溶蚀风化垂直深度20m左右，弱溶蚀风化垂直深度60m左右①同281页①。。强风化作用为滑坡、崩塌体的发育提供了重要物质来源。

2　红石岩滑坡的边坡稳定性数值模拟

2.1安全系数

不论是自然边坡还是人工边坡，其稳定性分析都是边坡工程研究的核心问题，而确定具有最小安全系数（Factor of Safety，Fs）的最危险滑动面是其中的关键问题。

坡体的安全系数是通过比较阻止坡体滑动的力量与促使坡体滑动的力量之间的大小来获得的，其计算涉及坡体的物质组成及孔隙水压力等参数，可简单地表达如下：分子表示阻止坡体滑动的力的总和，分母表示驱使坡体滑动的力的总和。如果阻止滑动的力小于驱动滑动的力，即Fs＜1，则坡体处于失稳状态，反之，坡体则处于稳定状态。图4为安全系数法中坡体的条块分割及受力示意图。安全系数法自20世纪出现以来，在岩土边坡的稳定性评价中获得了广泛的应用，它通过对边坡潜在滑动面的搜寻来确定出具有最小安全系数的试算滑动面，并把该滑动面作为最危险的滑动面，从而为工程设计和边坡防护提供指导（Fellenius，1936；Janbu，1954；Bishop，1960；Morgenstern et al．，1965；Fredlund et al．，1977）。

图3　红石岩崩滑体的岩体结构Fig．3　Structure of the Hongshiyan landslide．

图4　滑坡体安全系数计算的条块分割及受力分析（引自GEO－SLOPE International Ltd，2010）Fig．4　Slice discretization and slice forces in a sliding mass（after GEO－SLOPE International Ltd，2010）．

目前，基于这样的边坡稳定性评价思想涌现出众多的计算方法和软件（Fellenius，1936；Janbu，1954；Bishop，1960；Morgenstern et al．，1965；Fredlund et al．，1977），本文所采用的GeoStudio软件就是获得广泛应用的边坡稳定性分析软件之一。该软件提供了多种计算安全系数的方法（GEO－SLOPE International Ltd，2010），本文计算采用的是其中的通用极限平衡方法（general limit equilibrium，GLE）。GLE是建立在2个安全系数方程基础之上的计算方法：一个是关于力矩平衡的安全系数方程，另一个是关于水平力平衡的安全系数方程。该方法不仅包含了其他安全系数计算方法的重要原理，而且允许条块间的剪切力－法向力在一定范围内变化。此外，它的安全系数计算也不受滑动面形状的限制。这些优势使其成为边坡稳定性评价的核心方法（GEO－SLOPE International Ltd，2010）。

2.2模型建立

在分析红石岩滑坡体地表形态和物质组成等资料的基础上，建立了如图5所示的边坡分析模型。初始条件设置中，假设边坡有一个已知滑动面，且该滑动面的几何形状是依据实际场地勘测获得。模型中的主体物质是由实际滑坡体岩体结构及物质组成资料所确定（图3），即由白云岩、白云质灰岩等组成，中间夹有相对软弱的砂泥岩、页岩。这两种岩性的差异在模型中由岩石力学参数的差异所体现（表1）。由于红石岩滑坡体的主滑面与牛栏江水面的距离达150多米，库区水位的影响可以忽略，因而计算中没有考虑地下水位的影响。

表1　边坡岩石物理力学参数①同281页①。Table 1　Slope material strength parameters for simulation

图5　红石岩滑坡体计算模型示意图Fig．5　Sketch map of the simulation model．

2.3地震动加载

尽管鲁甸6.5级地震属于中强地震，但震中附近的龙头山地震台却记录到了很高的地震动加速度数值，其中NS向、EW向和垂向三分量值分别达到948.5gal、704.9gal和503.8gal①同281页①。。鲁甸地震极震区地震烈度为Ⅸ，红石岩堰塞体位于极震区南部，距离震中直线距离只有10km，因而受到的地震作用也较强（图6）。红石岩滑坡处没有地震台站，为了获得坡体处的地震动参数，在不考虑场地条件影响下，根据目前广泛使用的中国西部地区的地震动加速度衰减公式（式1）②汪素云，2001，国家地震局“九五”重点项目子专题成果报告：中国分区地震动衰减关系的确定。，对红石岩堰塞体处的地震动加速度值进行了估算，得出此处的地震动加速度值为400gal，并把此值作为计算中水平方向上的地震动加载。

式（1）中：M地震震级；R震中距离（km）；C1～C6系数；Sa地震动加速度。

GeoStudio中Slope／W模块在应用极限平衡法求安全系数时，认为垂向地震作用对安全系数几乎没有影响（GEO－SLOPE International Ltd，2010）。这是因为垂直方向的作用力在改变分析对象（条块）的重量时，对其底部的正应力和剪切力也会产生相应的改变，这两种作用的效果可以相抵消，因而整体上垂直方向的地震作用对安全系数几乎没有影响。因此，本文没有进行垂直方向上地震作用的讨论，仅进行了水平方向地震动作用的讨论。

2.4计算结果

为了探讨地震作用对红石岩滑坡体稳定性安全系数的影响，分别对无地震作用状态和有地震作用下红石岩边坡的安全系数进行了计算，结果如图6所示。图6a表示的是无地震作用状态下红石岩滑坡体的安全系数计算结果，图6b表示的是地震作用下红石岩滑坡体的安全系数计算结果，图中黄色部分为坡体失稳部分。从计算结果可以看出，在没有地震作用时，该处坡体的稳定系数为1.450，处于稳定状态；而加载水平地震作用400gal后，安全系数降低到0.962，处于不稳定状态。从模拟结果可以看出，地震动作用降低了坡体的安全系数，使坡体处于失稳状态，因而鲁甸地震应是红石岩滑坡的直接诱发原因。

图6　红石岩滑坡体在不同状态下的安全系数Fig．6　Fs of the Hongshiyan slope under different conditions．

3　讨论

上文的计算中，把滑坡体的滑动面设置为已知滑动面，斜坡物质沿该面滑动。而实际边坡问题中，潜在滑动面的几何形状和位置都是不确定的，须采用相应的方法计算获得。在滑动面的选择上，边坡稳定性分析软件GeoStudio软件中Slope／W模块提供了指定滑动面（上节计算所用）、指定范围搜索滑动面、自动搜索滑动面等多种方式（GEO－SLOPE International Ltd，2010）。为了便于对比分析有无已知滑动面对坡体稳定性的影响，本文计算在保持红石岩边坡模型大小、物质组成等参数不变的条件下，假设红石岩边坡不存在已知的滑动面，进而选用Slope／W自动搜索滑动面方法对红石岩滑坡体稳定性的安全系数进行计算。计算也分别考虑有地震作用和无地震作用两种状态，计算结果如图7所示。

图7　没有先存滑动面状态下红石岩滑坡体的安全系数Fig．7　Fs of the Hongshiyan slope without existing slip surface．

对比图6和图7可以发现，边坡在有已知滑动面（图6）和没有已知滑动面（图7）条件下，安全系数的计算结果存在非常显著的差异。自动搜索滑动面时，坡体在没有地震作用时的安全系数只有0.405（图7a），处于不稳定状态；有水平地震作用时安全系数更是降为0.115（图7b）。更为显著的是，与具有已知滑动面的边坡稳定性计算结果相比，自动搜索滑动面所获得的不稳定坡体规模要小得多（图7中黄色部分），坡体失稳的范围非常小，只会形成一些浅表性的滑坡，滑动面的形状接近直线，且靠近坡底位置（图7）。这样的对比结果表明了已有滑动面对形成大型深部滑坡的重要性；而没有已知滑动面的坡体，尽管计算获得的安全系数小于稳定值，但是只会发生一些浅表性的小规模边坡失稳，很难形成像此次红石岩滑坡那样规模的边坡破坏。事实上，在红石岩堰塞湖的野外勘察中，可以看到在牛栏江沿岸的高陡边坡出现的数量众多的浅表性滑坡（图8），与图7的模拟结果类似。

总体上，本文对坡体稳定性安全系数分析所获得的认识与其他学者研究强震诱发大型滑坡的影响因素时所获得的认识是一致的：滑动面的存在可能是导致大型滑坡形成的一个重要原因（Hermanns et al．，1999；Chen et al．，2012；Huang，2015）。Huang（2015）对汶川地震中大型滑坡形成机制的研究认为，滑动面的形成是边坡演化的一部分，深大崩滑体的发生是岩石地层持续强烈的弯曲变形的结果。如前所述，红石岩附近的岩体节理发育，存在风化程度较深的裂隙，在强烈地震作用下，这些节理、裂隙贯通后就可能成为滑动面，从而导致大型滑坡的形成。因而，红石岩滑坡体由其特定的区域位置与地形地貌、坡体结构等综合因素控制，鲁甸地震是其发生的触发因素。

图8　红石岩堰塞湖附近的滑坡Fig．8　Photo of the shallow landslides along the Niulan River at the Hongshiyan dammed lake．

需要指出的是，文中采用的GeoStudio中Slope／W分析软件存在一定的局限性：它所依赖的极限平衡公式缺少应力应变关系来保证位移的兼容性，因而可能导致某些条件下分析问题难以收敛；此外，在加载外力时，它采用拟静力分析法来表示地震动动力载荷的效果，因而对地震作用下的边坡反应分析有一定的局限性（GEO－SLOPE International Ltd，2010）。现实中的地震诱发滑坡的形成机制非常复杂，种类繁多（Huang，2014），远远不是单个的力学模型可以反映和描述的。文中的计算模拟仅仅是从安全系数角度来探讨红石岩滑坡体在静力作用下稳定性的变化，而对其形成机制和在地震动作用下的动力响应等问题的认识，还需进行更为细致的研究。

4　结论

中国西南地区具有独特的大地构造环境和发育历史，这使得高山峡谷相间的格局成为主要地貌景观之一，即使在没有地震的情况下，也常常发生一些滑坡和崩塌。但是在中强地震作用下，发生如红石岩滑坡这样大规模的滑坡还是需要一些特定的地质地貌条件，并与地质演化过程密切相关。

采用边坡稳定性分析软件GeoStudio软件中Slope／W模块，基于极限平衡理论对红石岩滑坡体进行的模拟计算结果显示，鲁甸地震是红石岩滑坡的直接触发原因；而坡体有无已知的滑动面对坡体稳定性及可能的滑坡规模有显著的影响，大型滑坡的形成应该以先存滑动面，或地震动中可由节理面、裂隙面贯通的滑动面为基本条件。没有已知滑动面的高而陡的岩质坡体，尽管计算获得的安全系数小于稳定值，也只会发生一些浅表性的规模较小的边坡失稳，不会形成较大规模的滑坡。

本文数值模拟主要是从运动学角度对表示红石岩坡体稳定性的安全系数进行分析，而有关红石岩滑坡体的形成机制和在地震动作用下的动力响应等的认识，还需进行更为细致的研究。

致谢非常感谢云南省地震工程勘察院在红石岩堰塞湖野外勘查和资料共享中提供的帮助！感谢审稿人的意见和建议使本文得以完善。

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Abstract

Although the landslides triggered during earthquake events are common phenomena in the southwest China，the occurrence of the Hongshiyan landslide triggered by the MS6.5 Ludian earthquake in 2014 is attractive for its giant volume which exceeds ten million cubic meters．The Hongshiyan landslide formed a quake lake and inundated a village．Based on the geological and geomophological data obtained through the immediate field investigation after the earthquake，we build the Hongshiyan slope model and at the same time，we apply numerical simulation to study the landslide formation．Result indicates that the Hongshiyan slope was at safe conditions with the Factor of safety（Fs）value greater than 1，but the ground seismic motion during the Ludian earthquake lowered its Fs to a value smaller than 1，which resulted in the occurrence of the landslide．Moreover，this study shows that an existing slip surface is important for generating a giant landslide，and steep slopes without existing slip surfaces are likely to generate shallow landslides with normal volumes．

NUMERICAL SIMULATION STUDY OF HONGSHIYAN LANDSLIDE TRIGGERED BY THE MS6.5 LUDIAN EARTHQUAKE

CHEN Xiao-li1）CHANG Zu-feng2）WANG Kun3）
1）Key Lab of Active Tectonics and Volcano，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing100029，China
2）Earthquake Administration of Yunnan Province，Kunming650041，China
3）Power China Kunming Engineering Corporation Limited，Kunming650041，China

the MS6.5 Ludian earthquake，the Hongshiyan landslide，slip surface，Factor of safety（Fs），numerical simulation

P315．9

A文献标识码：0253－4967（2015）01－0279－12

10．3969／j．issn．0253－4967．2015．01．022

陈晓利，1969年生，副研究员，研究方向为地震地质灾害与工程地质，电话：010－62009056，E－mail：chenxl＠ies．ac．cn。

2014－10－22收稿，2015－01－12改回。

中国地震局地震行业科研专项（201408002）和国家重点基础研究发展计划项目（2013CB733205）共同资助。

常祖峰，男，高级工程师，E－mail：zufch＠163.com。