四川攀枝花机场12#滑坡动力响应数值模拟分析

2018-10-31李玉瑞吴红刚赖天文

中国地质灾害与防治学报 2018年5期

李玉瑞，吴红刚，冯君，赖天文

(1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070；2.中国中铁滑坡工程实验室，甘肃兰州 730000；3.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州 730030； 4.西部环境岩土及场地修复技术工程实验室，甘肃兰州 730000；5.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

我国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间，国内地震相对频繁，对交通运输等基础设施建设影响重大。因此考虑地震作用对工程建设以及灾后防治结构的动力响应，以期评价工程建设质量和灾后防治结构的可靠性等具有重要的意义。

对于震动作用对工程建设的影响，我国众多专家及研究工作者做了大量的研究工作。殷跃平等[1]运用有限差分软件FLAC3D模拟大光包滑坡变形失稳特征，输入距离滑坡约4.3 km的清平台站强震加速度三向记录，结果表明：在水平加速度响应方面，前缘滑坡更为明显，利于前缘的顺层失稳滑动；在竖向加速度响应方面，后缘滑体的振幅更利于拉裂、振碎解体和抛掷失稳；大光包滑坡随高程、坡度放大的趋向性和节律性不明显。言志信等[2]利用有限差分软件FLAC3D对某三级黄土边坡进行了动力反应分析，得到地震作用下黄土边坡剪应变增量由坡脚向周围扩展；黄土边坡对地震波具有临空面放大效应，地震波在坡体内传播过程中还具有滞后效应。徐光兴[3]通过锚杆加固边坡的振动台模型试验得出，地震作用下，锚杆加固模型的加速度放大系数明显小于不加锚杆模型，尤其在中震和大震情况下更为显著。李鹏等[4]结合大岗山水电站坝址区右岸岩质边坡工程实例，建立边坡三维动力分析模型，分析得出由于边坡材料的阻尼作用，边坡动力响应特征相对输入的地震加速度存在明显的“滞后效应”。李波[5]通过对无台阶、一台阶和二台阶黏土边坡地震作用下的动力响应进行了分析对比，总结了边坡速度、加速度、位移的变化规律，指出了每种情况下最危险点的位置，由此为不同情况下边坡锚固提供了理论指导。张文等[6]根据青川地震监测数据分析线型坡及山坳处的地震动力响应特征，揭示在一定高程下线型坡上地震波加速度随高程增加而增大，且垂直山脊方向的地震波峰值加速度放大系数大于沿山脊方向，最大可达3.12倍。张江伟等[7]建立了二维均质边坡有限元模型,模拟计算了其在地震作用下的动力响应，得出在坡顶和坡面处，与输入地震动加速度时程比较，输出加速度峰值出现的时刻有滞后现象。以上的动力响应研究主要集中在边坡坡体的研究，缺少支护结构的动力响应分析。

对于攀枝花机场12#滑坡的滑动机制、支挡结构及坡体静力稳定性，部分专家学者也做了大量的研究[8-12]，但是缺少边坡及支挡结构的动力响应研究。本文依托攀枝花机场12#滑坡治理工程，在前期专家学者的研究基础上，通过对坡体以及支挡结构的动力响应分析，以期得到在地震作用影响下坡体以及支护结构的动力响应规律。

1 工程概况

四川攀枝花机场建筑在地质环境条件较差的缓倾顺向坡地带，该区有多条活动断裂带，但活动性微弱，近年沿断裂带曾发生过多次微震，最大震级2.7级。跑道填筑体边坡最高达128 m，自机场开工建设以来，已经多次出现滑坡、沉降变形等地质灾害，尤其以机场12#滑坡最为严重。滑坡区为一向斜构造，轴向北北西向，向南南东倾覆，并且滑坡存在于喻家坪老滑坡之上，其整体失稳破坏，使喻家坪老滑坡再次复活，严重影响机场的营运安全和当地居民的生产和生活。鉴于特殊的工程条件，经过现场勘察及计算分析，采用预应力锚索抗滑桩、换填、加筋土挡墙以及系统的排水工程等进行了滑坡整治。滑坡治理现状如图1所示。

图1 滑坡治理效果图Fig.1 Photo showing the current prevention effect of the landslide

2 计算模型建立

以攀枝花机场12#滑坡Ⅱ-Ⅱ’断面治理工程为对象，利用有限差分软件FLAC3D建立模型，工程地质模型如图2所示。该工程为多级填方边坡，地层主要包括人工填土及下部砂泥岩互层。根据计算需要，建立几何模型尺寸为长650 m、高175 m。岩土体采用四边形实体单元模拟，锚索、抗滑桩、肋梁等采用结构单元模拟，其网格划分如图3所示。静力计算时，模型边界除顶部自由外，其余周边均采用对称约束条件。动力计算时，模型顶部自由，左、右边界施加吸收边界条件，以减小地震波的反射，底部施加水平地震加速度时程，以模拟地震荷载影响。

图2 工程地质模型图Fig.2 Engineering geological model diagram

图3 计算模型图Fig.3 Calculation model diagram

地震动力计算时参考地震波为美国EL-Centro波，其为人类监测到的第一条完整地震波，被国内外专家学者所公认，该波持续时间为53.72 s，最大加速度0.356 9g，发生在2.14 s(图4)。根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)及2008年5月以后四川省对各地抗震设防的划分规定，攀枝花抗震设防烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速度值为 0.15g。因此实际计算时将EL-Centro波进行调幅处理，即将所有加速度幅值等比缩小，保证最大加速度幅值为0.15g，其频率则保持不变，计算时间只考虑前10 s。

图4 EL-Centro地震波时程曲线Fig.4 EL-Centro time-history curve of the seismic wave

3 模型材料参数

岩土体视为弹性材料，使用实体单元模拟；滑带视为弹塑性材料，服从摩尔库伦强度准则，采用接触单元模拟，主要材料参数如表1所示。

抗滑桩、锚索及肋梁视为线弹性材料，采用结构单元模拟，其中锚索自由段使用杆单元，锚固段采用梁单元模拟，主要材料参数如表2所示。动力计算时，土体及结构的物理阻尼采用瑞雷阻尼，阻尼比设为0.1。

表1 岩土材料参数Table 1 Parameters of the rock or soil materials

表2 结构材料参数Table 2 Structural material parameters

4 计算结果及分析

4.1 坡体动力响应分析

研究表明，坡体的水平加速度时程变化及分布规律是边坡动力响应分析的关键，为此，在坡面上不同高程位置设置5个关键监测点，监测其水平加速度时程变化。从上至下依次为P1～P5，其中P1点为与坡面顶点，P2点位于加筋土挡墙第二级平台，P3点位于加筋土挡墙底部，P4点位于P3点下一级平台，P5点位于坡脚位置(图5)。

图5 边坡加速度分布(t=2.6 s)Fig.5 Slope acceleration distribution (t=2.6 s)

结果表明，t=2.6 s时边坡顶点水平加速度达到峰值，图5也给出了该时刻整个边坡的水平加速度云图。由图可知，加筋土挡墙顶部位置水平加速度最大，然后向下逐渐减小，降至抗滑桩前一级边坡时，加速度反向；另外，外凸边坡处加速度反应较其他位置更为强烈，具有明显的临空面放大效应。

各监测点的水平加速度时程曲线如图6～10所示。由图可知，P1～P5点的峰值加速度出现时间不尽相同，但大致位于2.2～2.6 s，稍微落后于EL-Centro波的峰值时间(2.14s)，而且监测点高程越高，其达到峰值的时刻越靠后；各监测点峰值加速度的量值具有较大差异，P1～P5点的峰值加速度分别为0.38g，0.30g，0.26g，0.35g和0.16g，总体看来，越靠近坡顶峰值加速度越高，具有较明显的加速度放大效应。

图6 P1点水平加速度时程变化曲线Fig.6 P1 horizontal acceleration time-history curve

图7 P2点水平加速度时程变化曲线Fig.7 P2 horizontal acceleration time-history curve

图8 P3点水平加速度时程变化曲线Fig.8 P3 horizontal acceleration time-history curve

图9 P4点水平加速度时程变化曲线Fig.9 P4 horizontal acceleration time-history curve

图10 P5点水平加速度时程变化曲线Fig.10 P5 horizontal acceleration time-history curve

图11 加速度放大系数与监测点高度的关系Fig.11 Relation between the acceleration magnification coefficients and the height of monitoring points

若以坡脚点为基准，P1～P5点的加速度放大系数分别为2.37、1.87、1.62、2.19和1.0(图11)。由图可知，加速度放大系数总体随高程增加而增加，但在P4点有一个突变，原因可能是该处人工填方没有像上部坡体部分那样采用了大量的支挡措施(如抗滑桩、锚索等)，动力响应较为强烈。

4.2 支挡结构动力响应分析

坡体最下部锚索抗滑桩桩身弯矩随时程的变化如图12所示。从计算结果可以看出，抗滑桩的弯矩最大值出现在桩深20 m处。在地震过程中，抗滑桩不可避免地随着坡体发生左右晃动，但弯矩变化幅度较小，弯矩极值在整个地震过程中变化幅度不超过15%，表明该锚索抗滑桩与周围岩土体的整体性较好，这与桩前土体平台宽度较大也有关系。