某水库新岩滑坡动荷载响应分析

张 颖

某水库新岩滑坡动荷载响应分析

张 颖

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

以在建某水库上的新岩滑坡为例，借助GeoStudio软件中的部分软件模块，探究了地震与交通震动荷载对滑坡的影响。

滑坡稳定性；GeoStudio；动荷载响应；地震；交通荷载

1 研究背景及意义

地震荷载与交通荷载是工程中最常见的两种动荷载作用形式［1］，而由这两种动荷载作用引发的边坡失稳事故已经给人类生命财产安全和国民经济的健康发展造成重大损失与危害［2］。以在建某水库上的新岩滑坡为例，并运用岩土工程数值分析软件GeoStudio建立有限元模型，通过数值模拟分析了地震荷载与交通荷载对其稳定性的影响，并据此提出合理化建议，对实际施工具有一定的指导意义。

2 研究区工程地质

2.1 自然地理

研究区地处低山丘陵区，区内植被较发育。气候属中温带湿润季风气候，该地区水系属图们江一级支流布尔哈通河的二级支流伊兰河，是一条南北向的常年性河流。

2.2 工程地质

新岩滑坡群所属的地貌单元处于延吉盆地北缘的丘陵地带，北侧向低山区过渡，地形波状起伏。地层主要为第三系珲春组沉积岩和第四系松散堆积层，其岩土类型主要为泥岩、砂岩、粉质黏土及填筑土，根据《吉林省区域地质志》，勘察区所处地质构造单元属于天山－兴安地槽褶皱区/吉黑褶皱系/延边优地槽褶皱带/延边复向斜/延吉断陷内，处于延吉断陷的北部边缘上［3］，该地区地下水根据赋存条件和含水介质的不同可划分为第四系和松散岩类孔隙潜水、基岩风化壳孔隙裂隙水。该地区地震动峰值加速度0.05g，对应的地震基本烈度为6°，中软场地，地震动反应谱特征周期值0.35s，设计地震分组为第一组［9］。

2.3 新岩滑坡滑动机理

滑坡体总体积达到16万m3。滑体的岩土类型自上而下为填筑土、粉质黏土、全风化泥岩和强风化泥岩。因此，新岩滑坡按照滑体的物质成分来分类属于中型土质滑坡，从滑坡力学机制来看属于牵引式滑坡。

滑坡形态特征从总体上看，滑坡范围内产生很多地表裂缝，大致呈平行的弧状。从剖面上看，新滑坡形态呈叠瓦状，可见明显的滑坡台坎。滑坡体前舌土体鼓胀、张裂，前缘可见倾倒的高大树木，滑坡特征清晰。

3 地震动响应［4］

3.1 地震动荷载响应研究方法

QUAKE/W软件模块中包含Linear Elastic与Equivalent Linear两个模型，即线弹性模型与等效线性模型，等效线性模型之所以能等同于线性模型，是因为它把不规则的地震动转换成相等的均匀圆周率之内的震动，剪切模量G按照循环剪应变被修改（减少）是非线性，但是G的修改，在每个反复使分析成为非线性之后，每个反复是线性［10］。

3.2 计算模型及参数选取

3.2.1 计算模型

新岩滑坡段在勘查中选择了3条勘测线，所以在文中对A-A′、B-B′和C-C′3个剖面进行有限元分析，使用三角形单元，离散化之后的模型分别如图1。

图1 有限元模型

3.2.2 参数选取

由于输入的是水平地震荷载，且滑坡体足够大，动力边界条件取底边为固定边界，左右两侧施加Y方向的约束以限制Y方向的位移，而X方向无约束可以自由移动。

通过勘察的室内试验和查阅相关文献资料，确定出相关物理力学参数及动力分析参数，如表1～表2。

表1 滑坡稳定性验算参数选取

表2 滑坡动力分析控制参数

3.3 初始静力

首先进行静力分析，即模块中的Initial Static分析类型，计算得到其Y方向的总应力如图2。

图2 静力状态下Y方向的总应力

分别选择Morgenstern-Price法、Janbu法和Bishop法，令软件自动搜索最危险滑面如图3，并计算得到最小安全系数。

图3 静力状态下最危险滑动面

3.4 动力响应

下面选择在地震动力分析中最常用的ELCentro地震波作为输入地震荷载。为研究不同地震烈度对滑坡的影响，分别调整地震的峰值加速度PGA至0.05g，0.1g，0.2g，相当于地震基本烈度6°，7°，8°。此处仅以A-A′剖面为例，进行地震动力响应分析。

3.4.1 峰值加速度PGA=0.05g的情况

图4 A-A′剖面PGA=0.05g

3.4.2 峰值加速度0.1g的情况

图5 A-A′剖面PGA=0.1g

3.4.3 峰值加速度PGA=0.2g的情况

图6 A-A′剖面PGA=0.2g

A-A′剖面在施加上峰值加速度分别为0.05g，0.1g，0.2g的水平地震加速度之后，其位移、应力分布分别如图6。由各图中可以看出，X方向的最大位移发生在坡体前方部位，Y方向的最大位移发生在坡体后部，这与实际中滑坡体向前滑移的运动相符。应力集中的部位主要在坡脚和坡顶转折处，剪应力最大值基本都分布在滑坡体的上部，最大剪应变分布在坡体内部，与实际滑动面的位置大致重合。

4 交通荷载动力响应分析

4.1 交通荷载的模拟

文中选用半波正线荷载来模拟交通荷载对斜坡岩土体的作用。参考根据文献［13］中提出的半波正弦荷载公式：

式中P为静荷载，大小取轴载；T为交通荷载作用周期；v为车辆行驶速度；L为轮胎接触面积等效半径，一般取15cm。

4.2 动力响应

经过SIGMA/W软件模块的有限元分析计算之后，可以得到各剖面上的位移、应力应变云图如图7～图9。

图7 A-A′剖面交通荷载分析结果

图8 B-B′剖面交通荷载分析结果

图9 C-C′剖面交通荷载分析结果

从各剖面的有限元分析结果可以看出，由于路面上受到交通荷载的作用，道路下部的应力明显高于其他部位，X方向的最大位移均发生在道路下方偏向坡下的部位，从整体位移来看，道路通过的部位发生Y方向的位移最大，C-C′剖面位移最大达到0.5m以上，其他部位位移较小。并且受到交通震动荷载的作用后，最危险滑动面的安全系数明显降低，远远小于未受交通荷载影响的情况，C-C′剖面的安全系数最小为0.239，由此可见交通震动荷载对该滑坡的影响较大。

5 结语

（1）水平地震荷载作用下，滑坡体X方向最大位移发生在靠近坡脚处，Y方向的最大位移发生在坡体后部及在建公路下方较浅的部位，总体来看这与滑坡体的实际滑动形态相符合。

（2）坡体内部X-Y剪应力最大值基本上都分布在坡体表层，最大剪应变与坡体内已有的滑动面位置基本一致。

（3）受到交通震动荷载的作用后，路面下方的土体内应力显著增高，并且该部位的位移变形，特别是Y方向的变形量最大。

（4）受到交通震动荷载作用后，滑坡最危险滑动面的安全系数显著降低，说明在已经产生滑动面的情况下，交通震动荷载对其稳定性影响较大。

（5）根据上面的分析结果，为该滑坡的治理提出以下几条合理化建议：①对于坡体内部已有的滑动面，建议采用锚索或抗滑桩进行加固处理；②做好路面排水，防止地表水下渗；加强斜坡内部排水，修筑支撑盲沟或地下排水通道排除地下水；③由于受交通震动荷载的影响较大，要加强交通管理，严谨超载超重车辆上路；④进行长期监测，监测滑坡的活动性发展趋势，为滑坡预报提供依据，以防止滑坡突然发生带来严重灾害。

［1］李海波，肖克强，刘亚群.地震荷载作用下顺层岩质边坡安全系数分析［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（12）：2385-2394.

［2］肖克强，李海波，刘亚群，等.地震荷载作用下顺层岩体边坡变形特征分析［J］.岩土力学，2007，28（8）：1557-1563.

［3］吉林省地质矿产局.吉林省区域地质志［K］.北京：地质出版社，1988.

［4］李忠生.地震动作用下滑坡稳定性分析［J］.水文地质工程地质，2004（2）：4-8.

In a reservoir rock landslide dynamic load response analysis

ZHANG Ying
（Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy Hydropower，Tianjin 300250，China）

With the help of GeoStudio，a discussion about the influence over the landslide of earthquake and traffic vibration load is made based on the XinYan landslide on one reservoir.

stability of landslide；GeoStudio；dynamic response；earthquake；traffic loads

P641

B

1672-9900（2016）04-0085-06

2016-08-10

张颖（1989-），女（汉族），河北衡水人，助理工程师，主要从事水利水电工程设计工作，（Tel）18202502833。