地震作用下西安耶柿村滑坡稳定性模拟评价*

范　磊，刘　聪

(1.长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.西安市城市规划设计研究院，陕西 西安 710082)

2008年汶川8级地震的重灾区14个县(市)主要公路全部瘫痪，主要铁路、通信、水库和城镇遭受严重破坏，特别是北川县城和汶川的映秀镇成为一片废墟，是继1976年唐山7.8级地震之后我国又一个死亡和损失巨大的毁灭性地震[1-2]。以往国内外的震害研究表明：破坏性特大地震，在距震中300 km内和地震烈度VII度区内均能造成大量崩塌滑坡[3]；汶川地震对地质环境造成的影响前所未有，也给中国地学界提出了一系列重大问题[4]。专家们认为,地震不仅激活了部分已存在的崩塌滑坡体，还产生了大量新的地质灾害，对地质环境、生态环境和地下水环境等都带来了一定的影响[1-4]。地震影响区的地质环境将随当地经受的地震动烈度、地质环境条件组合、地表位错量和外在因素干扰等而发生一定的变化，这种影响是十分罕见的。同时，地震对地质环境的影响时间滞后持续效应十分明显[5]。

西安市位于关中盆地，南靠秦岭，以秦岭山脉主脊为界，东有黄土堆积台塬地貌，如白鹿塬等，西以太白山及青化台塬为界，南北最大纵距约100 km，东西最大横距约204 km，总面积9 983 km2。距离汶川地震中央断裂带北段约350 km，属于汶川地震波及区，受汶川地震影响，西安全市发生多起地质灾害，对交通、旅游带来严重影响[6]。西安市地质灾害主要为受断层、地下水开采等因素诱发的地裂缝与地面沉降问题和受河流切割、地貌抬升影响产生的崩塌、滑坡和泥石流问题。特殊的区域特征，使得西安地区地质灾害类型多、分布广，西安地区属于汶川地震Ⅴ～Ⅵ度烈度区，这些地质灾害在汶川地震中均受到一定程度的影响。因此，客观评价汶川地震对西安地质环境影响的程度，有效减轻地质灾害对社会的不利影响，对西安社会经济可持续发展具有十分重要的现实意义。

地震诱发的崩塌滑坡研究在地震次生山地灾害最为广泛和深入，已成为滑坡研究的一个重要领域。Keffer对1989年加利福尼亚6.9级地震诱发的滑坡研究发现，其发生与距断裂带距离呈很强的反相关，而与岩石类型和软硬度的相关性较弱，这表明滑坡与岩石特性的关系较为复杂[7]。Chigira 和Yagi于2006年对日本2004年发生的Mid Niigta县6.8级地震引发的滑坡地貌和地质特征进行了分析，发现深层滑坡中老滑坡和凹形坡受地震影响较大，此外平面滑坡面对形成灾难性的滑坡敏感性较强[8]。针对滑坡区域性评价方面，目前较为流行的是利用NEWMARK模型，对区域性永久位移进行评价，获取区域的永久位移，评价区域边坡的稳定性及地震对区域长期的影响作用[9-11]。对于单体滑坡而言，利用数值模拟评价其对不同烈度下的稳定性是当前较为常用的方法[12-13]。

本文根据西安地区地质环境条件和汶川地震断裂破坏情况，选取西安地区典型滑坡体耶柿村滑坡对其在地震作用下的稳定性进行评价，研究地震对西安地区边坡的长期稳定性的影响。

表1　耶柿村滑坡土层物理力学性质

1　滑坡体概况及研究方法

1.1　耶柿村滑坡体概况

耶柿村滑坡位于西安市长安区魏寨乡耶柿村，109°10′53″E，34°6′10″N，距西安市中心约30 km。该滑坡东西长1.0 km左右，南北宽约0.6 km，体积约900万m3，属大型黄土滑坡(图1)。该滑坡总体呈上小下大阶梯状，滑坡后壁呈圈椅状，坡度约46°。该滑坡由老滑坡和滑体上的次级复活体组成。滑坡体按其性质和特征差异从上至下可分为2层：第一层为黄土状土(粉质粘土)，组成滑体土和滑带土；第二层为第三系粘土岩，组成滑床。土层的物理力学特性见表1。

根据野外调查结果，耶柿村滑坡是一个发生在黄土塬边的老滑坡，由于滑体地形较为平缓，有利于降水的入渗，且滑体的前部有耶柿村分布，农田灌溉，滑体前部削坡建房和修路等人类工程活动，使得老滑坡在强降雨时发生复活。根据记载和调查，该滑坡体在1976年和2003年暴雨后均有大量裂缝产生，并发现前缘缓慢前移现象。该滑坡体处于汶川地震Ⅴ度烈度区，汶川地震对该滑坡的稳定性造城一定影响，地震后在滑坡体后缘出现裂缝。

图1　耶柿村滑坡区域位置与遥感影像图

1.2　GEOSTUDIO数值分析

本文采用GEOSTUDIO中的SLOPE/w和QUAKE/w两个模块，对滑坡体进行有限元数值模拟。QUAKE/W模块用于处理分析系统的动态部分，可用来分析震动前后滑坡体内部应力应变的动态变化特征。当QUAKE/W计算完成后，SLOPE/W模块可调用Quake/w模块的计算结果来分析地震动过程中边坡的稳定性，寻找最危险滑面并求得到安全系数。

1.2.1计算剖面选取

计算剖面的选取将与滑坡主滑方向一致且剖面具有代表性，能反映滑坡的变形、破坏特征，选取的剖面数据基本可靠，能较真实反映岩土体的情况。根据以上剖面选取原则，本次稳定性定量评价选取主剖面线进行力学计算，计算剖面图见图2。

图2　耶柿村滑坡力学计算剖面图

1.2.2计算模型与参数选择

在有限元计算中，网格划分密度应满足计算精度的要求，因此对单元网格进行划分，既要有较高的精度，又要能模拟任意几何形状，符合实际情况。数值模型受周边岩体的约束，故模型采用位移约束，底部位移不变，即约束X、Y两个方向位移，左右边界竖向位移不变，只约束Y方向的位移，坡面无约束，为自由平面。坐标轴选择竖直水平方向，Y轴为竖直，向上为正，X轴为水平，指向临空面为正。数值模拟物理力学参数按表1取值。

数值模拟过程中采用理想弹塑性模型，屈服准则采用Mohr-Coufomb强度准则，屈服函数选用下列莫尔屈服准则验算地震荷载作用下边坡的稳定性[14]。

(1)

式中：F为边坡稳定性强度；φ为内摩擦角，θσ为应力第二洛德角一般取值范围在- 30°≤θσ≤30°之间。I1为应力张量的第一不变量:

I1=σx+σy+σz。

(2)

J2为应力偏量的第二不变量：

(3)

地震波施加在垂直边坡侧的水平方向。如果地震荷载持续时间过长，将导致计算的工程量非常大、而且计算结果的后处理也非常麻烦，根据汶川地震特征及其在西安地区的影响，本次模拟将地震持时间定为50 s，定义时间步长为0.2 s，需计算100步。

2　结果分析

根据汶川地震烈度分布图，西安地区主要位于汶川地震Ⅴ～Ⅵ度烈度区域，因此，为了更好的评价地震对该滑坡的作用过程，主要采用了Ⅵ～Ⅷ度对应的地震加速度进行分析。在采用时程分析法对边坡进行地震反应分析时，需要输入地震动加速度时程。考虑滑坡体地质条件，采用修正后的汶川地震波作为动力响应的输入波，提取前10 s加速度数据进行分析，并认为在地震到达时地震加速度同时施加到边坡每个有限元网格的节点上。由于地震传播方向的不规则性，为了简化，本文假定地震加速度作用与坡体临空面的水平方向一致(图3)。

图3　汶川地震波波形图(假设加速度峰值为0.1)

首先利用GEOSTUDIO中的SLOPE/w模块，对滑坡进行自然状态下的稳定性进行分析，边坡因自重应力形成的水平和竖向应力分布较均匀，整体处于受压状态，基覆界面处水平应力最大值一般在为0.2～0.6 MPa。而剪应力整体受力均匀，表层堆积物其值一般在0.05～0.2 MPa。该滑坡在自然状态下的稳定系数为1.31，说明该滑坡在自然状态下，其整体稳定性较好，发生整体失稳的可能性极小(图4)。

由于滑坡体的阻尼作用，坡体对地震动力响应相对地震波作用有一定的滞后，而坡体各节点的加速度在地震作用的25 s前后达到最大，故提取t=24 s时滑坡在加速度峰值为0.08 g(相当于Ⅵ度烈度区)、0.10 g(相当于Ⅶ度烈度区)和0.20 g(相当于Ⅷ度烈度区)的地震动荷载作用下的位移、应力和剪应变增量分布特征。

地震动荷载作用下坡体的位移、应力和剪应变增量分布特征，从理论上很好地再现了边坡从静态进入动态所发生的变化，充分说明地震对边坡稳定性的影响极其大。

坡体在加速度峰值为0.08 g的地震动荷载作用后，最大水平位移出现在坡体上部，为6.55 cm，水平总应力表现沿坡体深度呈明显增大趋势，但局部不均匀，基覆界面处水平应力最大值为2～2.5 MPa，滑坡体基覆界面处的最大剪应力最大为0.6 MPa。相应剪应变主要发生滑坡体后缘下部滑体与基岩交界内，最大剪应变值为1.2×10-3(图5～图6)，坡体整体处于稳定状态，计算得出此时的安全系数为1.22，由此可见在此地震动荷载作用下，魏寨乡耶柿村滑坡整体上处于较高的稳定状态。

图4　滑体天然状态下自重应力水平x向及最大剪应力云图

图5　地震动荷载作用下滑坡体剖面水平位移云图

图6　地震动荷载作用下滑坡体剖面图水平应力云图

图7　地震动荷载作用下剖面最大剪应力云图

图8　地震动荷载作用下剖面剪应变云图

图9　地震动荷载作用下边坡稳定性系数

在加速度峰值为0.10 g的地震动荷载作用下(相当于Ⅶ度烈度区)，从水平位移云图看，位移较大的地方主要发生在滑体表层，滑坡后缘基岩部位变形不明显，坡体表层覆盖物出现最大水平位移为8.4 cm。由图7可以看出，水平总应力与剪应力随着峰值加速度增加增加，地震时坡体水平应力总体表现沿坡体深度呈明显增大趋势，但局部不均匀，水平总应力最大值出现在基覆界面处，为0.2～1.6 MPa；而坡体最大剪应力出现在坡体与基岩交界内，值为0.8 MPa(图7)。由图可以看出，一条剪应变集中带已明显出现，但剪应变仅出现在滑坡体后缘及坡脚处，且扩展范围较小，最大剪应变值为1.8×10-3。由此可知，坡体在此地震破坏作用下具有小规模失稳的可能，主要发生在坡体前缘，计算得出此时的安全系数为1.12。由此可见，在此地震动荷载作用下，魏寨乡耶柿村滑坡整体上处于稳定状态，只有局部发生失稳的可能。

在加速度峰值为0.20 g的地震动荷载作用下(相当于Ⅷ度烈度区)，随着动峰加速度的增加，水平位移呈明显上升，最大水平位移为13.1 cm，主要发生在滑体表层(图8)。由于基岩倾角相对较缓，上覆堆积体也较薄，此部分堆积体在地震动荷载作用下，剪应变集中带依然没有贯通，最大剪应变也达到2.9×10-3。但是上部坡体的水平应力与剪应变均具有明显增大的趋势，水平总应力最大值出现在基覆界面处，为 2.8 MPa，坡体剪应力值增大为1.3 MPa；由此可见，在此地震动荷载作用下，滑坡上部堆积体边坡位移较大，滑动面具有整体贯通的趋势，计算得出此时的安全系数为1.03。在该震动作用下，坡体处于欠稳定的状态，具有发生整体失稳的可能。

通过对比分析该滑坡在不同状态下的稳定系数可以看出，在天然状态下该滑坡整体稳定性较好，很难发生整体失稳，但是随着地震峰值加速度的增加，该滑坡的稳定系数出现急剧下降的趋势，从天然状态下的1.31下降到1.03的欠稳定状态(图9)。尤其是随着地震峰值加速度的增加，边坡存在部分失稳的可能。

3　耶柿村滑坡防治措施

根据上述数值模拟结果，该滑坡体在地震动作用下均发生位移，尤其是当地震烈度大于Ⅷ度时，该滑坡体具有复活失稳的可能，由此提出该滑坡体的防治措施。

(1)监测措施：首先采取监测措施，以便随时掌握滑坡的变形情况，提出预警预报，并适时启动“耶柿村滑坡防、抢、撤方案”或采取工程治理措施。

(2)避让措施：由于耶柿村滑坡稳定性较差，威胁人口多，危险性大。为了确保耶柿村人民生命财产安全，最大限度地减少人员伤亡和经济损失，应根据经济条件和危险性分区逐批将村民进行搬迁；在提前预警和突发情况下按“耶柿村滑坡防、抢、撤方案”进行紧急撤离。

(3)工程措施：针对该滑坡的特点，为防止滑坡进一步活动，首先应采取简易工程措施，如截排水沟，对裂缝加以填埋等简易工程措施。为了确保居住在滑坡区的人民生命财产安全，建议对该滑坡进行详细的勘察工作，进而进行滑坡防治工程设计，对滑坡进行相应的工程治理。

4　结论

以魏寨乡耶柿村滑坡为例，根据工程地质条件、构造发育特征，通过运用数值模拟动力分析方法，分析边坡的动力变化特性与动力响应规律。利用Geostudio计算安全系数分析稳定性。随着地震动峰值加速度的增大边坡稳定性逐渐降低，安全系数降低到1.06。计算结果表明，魏寨乡耶柿村滑坡仅在大于Ⅷ度地震烈度作用下，滑坡体处于欠稳定状态，具有整体发生失稳的可能；在Ⅶ度地震烈度作用下，在滑坡体前缘具有发生小规模失稳的可能；在Ⅵ度地震烈度作用下，该滑坡体整体稳定性系数为1.22，稳定性较高。但是该滑坡体在地震作用下，边坡内部均出现位移，对坡体内部具有一定的损伤，由此提出了相应的防治对策。本文只是数值模拟，具体的滑坡状态和防治措施，还需进一步深入研究。