地震作用下库区堆积层滑坡失稳机制

张 祎, 李 恒, 徐利军, 王林峰, 曾韬睿

(1.中国地震局地震研究所地震预警湖北省重点实验室，武汉 430071； 2.武汉地震工程研究院有限公司，武汉 430071；3.重庆交通大学山区公路水运交通地质减灾重庆市高校市级重点实验室，重庆 400074)

滑坡作为三峡库区主要外动力地质现象之一，也是地质灾害的主要类型。堆积层滑坡作为库区主要的滑坡类型呈现出数量多、危害大的特点。堆积层滑坡表层多为松散岩土，发育在山谷和河岸两侧，滑壁多陡直。库区堆积层滑坡既有一般山地滑坡的共性又有其特殊的一面，即其稳定性与库水位升降有很大的关系。主要体现在水位的上升导致滑坡体浸水体积增加、滑面上有效应力减小或抗滑阻力减小，滑带饱水后的强度降低；水位下降，坡体内的水位下降相对滞后，导致坡体内产生超孔隙水压力。这也是库区许多滑坡失稳和古滑坡“复活”的主要原因。地震作用的“叠加”无疑大大增加了滑坡失稳的可能和风险。

中外学者针对中国近年来发生的地震滑动灾害，展开了大量的研究分析。张倬元等[1]认为地震对边滑坡稳定性的影响主要表现为累积效应和触发效应两方面；郭亚永等[2]针对鲁甸地震甘家寨滑坡的触发因素将滑动过程分为坡体震裂松动、后缘拉裂、整体下滑、减速堆积4个阶段；Eberhardt等[3]和Guglielmi等[4]利用CWFS 本构模型对大型边坡锁固段的破坏过程进行了模拟研究；程谦恭等[5]基于弹塑性与黏弹-黏塑性本构方程，定量地揭示了高边坡岩体破裂、变形、破坏及失稳前后锁固段岩体渐进性破坏的机制和过程。采用数值模拟进行地震对滑坡的影响研究是目前常用和较为可靠的手段。朱庆等[6]、王立纬等[7]和李全明等[8]都采用Geo-Studio分析了滑坡的动力响应；李祥龙等[9]和刘蕾等[10]则运用FLAC/PFC2D耦合计算方法进行模拟不同参数下岩质边坡的动力破坏过程。数值模拟方法既可以得到边坡的稳定系数，又可以模拟地震条件下边坡的响应特征，是定性研究边坡问题的重要方法[11-12]。

图1 鸦鹊湾滑坡位置图Fig.1 Location map of the Yaquewan landslide

综上，目前缺乏对地震作用下库区堆积层滑坡失稳机制的研究。以三峡库区鸦鹊湾滑坡为例，基于Geo-Studio中Quake/W和Slope/W耦合建立数值模型，研究地震和库水位变动耦合作用下堆积层滑坡的稳定性变化和动力响应，探讨堆积层滑坡的失稳机制，为类似滑坡的分析和防治提供有益参考。

1 工程概况与计算模型

1.1 工程概况

鸦鹊湾滑坡位于重庆市巫山县跳石村(图1)，滑坡体积约555×104m3，地形呈上陡下缓，高程600 m以上坡角50°～60°，高程600 m以下坡角25°～30°，属大型堆积层滑坡。滑坡地处长江沿岸，受库水位影响严重，滑坡一旦发生滑动将威胁航道安全，造成居民房屋损坏和人身伤亡。自三峡水库蓄水以来，三峡库区库岸段发生多次与水库蓄水有关的滑坡事件，巫山县大宁河江东寺北岸红岩子滑坡引发巨大涌浪，造成一名8岁男孩死亡，数十户居民受到影响[13]；2017年10月27日上午，受库水位和降雨的影响，秭归县盐关滑坡出现滑动变形，冲毁房屋和道路，造成了巨大的损失[14]。因此，研究鸦鹊湾滑坡在库水位变动和地震耦合作用下的失稳机制很有必要。

1.2 计算模型

根据地形等高线、地质钻孔资料按照滑坡尺寸建立了滑坡地质模型如图2所示。数值模型长478 m，高365 m，地层自下而上依次是：由中风化灰岩组成的基岩，滑坡上部以碎石土为主的堆积体，滑坡中下部碎裂岩体以及常年涉水的页岩。根据现场及室内实验确定各地层岩土力学参数如表1所示。

以《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)7度区第一分组对应的设计地震动反应谱为目标谱，人工合成地震动加速度时程，峰值加速度0.10g(g为重力加速度)，持续时间20.46 s，如图3所示。

图2 滑坡地质模型图Fig.2 Geological model of landslide

图3 地震加速度时程曲线Fig.3 Time history curve of earthquake acceleration

表1 岩土体物理力学参数表

模型分析中有限元网格划分采用四边形和三角形网格相结合的模式，网格划分需满足精度要求，共有5 404个节点，5 196个单元，有限元模型边界条件设置为左右边界X向约束、底部固定约束、坡面无约束。在坡面(PM1～PM6)、滑带(HD1～HD4)和后缘基岩(JY1、JY2)上选取监测点，监测地震过程中滑坡表面的位移、加速度以及应变规律。

2 滑坡动力稳定性分析

2.1 稳定系数分析

利用Geostudio软件中Quake/W模块与Slope/W模块耦合进行计算分析，得到鸦鹊湾滑坡在地震作用下的稳定系数。同时由于滑坡地处三峡库区，库水位变动会导致滑坡静水压力和孔隙水压力不同，因此考虑库水位由175 m变动至145 m时，地震对滑坡的稳定性影响。由计算结果(图4)可知，不考虑地震仅考虑库水位变化时，该滑坡处于稳定状态。利用传递系数法和拟静力法计算地震力认为滑坡不同高程滑动块体同时遭受地震峰值加速度，而各滑块承受地震惯性力的大小等于地震系数和滑块重力的乘积，计算得到的地震滑坡稳定系数是一个常数。得出的结果拟静力法稳定系数更低是因为通过Geostudio计算滑坡稳定性是寻找最差滑移面，而传递系数法是通过指定滑移面计算稳定系数。通过拟静力法计算滑坡的稳定性处于基本稳定状态，通过Geostudio的Quake/W模块和Slope/W模块耦合得出滑坡的稳定性处于欠稳定～不稳定状态，与仅考虑自重和库水位变化的稳定系数相比平均减小37.63%，说明地震对该滑坡稳定性影响较大。当库水位由175 m降到165 m时，滑坡由欠稳定降到不稳定状态，库水位低于165 m时遭受前文人工合成地震动时滑坡将会滑动破坏。鸦鹊湾滑坡表层为碎石土和碎裂岩土，当发生地震时极易发生震动滑塌，因此利用Quake/W模块和Slope/W模块耦合计算出的滑坡稳定系数更加符合实际。

在地震时，由于加速度作用时间较短，稳定系数会随加速度时程发生上下波动，拟静力法仅将地震力简化到滑块上不能体现地震的作用。考虑了地震动频谱特性和岩土体动力特性的时程分析更符合地震影响下滑坡的实际情况。地震动的时程分析可直接得到滑坡体对地震的实时响应，由于地震加速度对滑坡体产生的动应力随时间变化，稳定系数也成为时间的函数。通过计算得出滑坡稳定系数时程曲线如图5所示，可知滑坡稳定系数随时间变化分为三个阶段：第一阶段0.0～0.18 s，地震波尚未到达，稳定系数基本不变；第二阶段0.18～16.8 s，地震波作用于滑坡，稳定系数波动较大并出现极值；第三阶段为16.8～20.0 s，随地震波衰减，稳定系数趋于常数。与加速度和位移对比可知稳定系数的变化与加速度变化一致，当稳定系数为正时，位移为正时，坡体相对向内移动，位移为负时，坡体相对向外移动，稳定系数降低，位移峰值与稳定系数峰值吻合。滑坡稳定系数在1.199～0.859波动，最大值出现在175 m水位12.26 s，最小值出现在145 m水位11.55 s。随着水位降低，稳定系数降低，这是由于库水位下降时地下水向外排泄，产生了指向坡外的渗透压力，从而大幅度降低坡体的稳定性。

图4 地震作用下稳定系数随库水位变化Fig.4 The stability coefficient changes with the reservoir water level under earthquake action

图5 稳定系数时程曲线Fig.5 Stability coefficient-time history curve

从稳定系数时程曲线可以看到最小稳定系数时刻与峰值加速度时刻并不同步。这是因为峰值加速度由基底输入，经过一定的传播路径和作用时间才能到达滑坡体的危险部位，地震荷载下滑坡应力状态也是不断变化的。同时，受滑坡几何特征和岩土体特性的影响，滑坡不同部位表现出对峰值加速度的差异性放大效应。所以，峰值加速度时刻并不是动力响应最大时刻。

2.2 永久位移分析

当滑坡发生地震，部分岩土体经历了强度损伤，应力将会重新调整和分布，就会产生永久变形。利用Slope模块中的Newmark变形分析法，可以计算滑体在经历地震作用后沿滑面产生的永久位移。通过对永久位移大小的研究，可以为滑坡稳定性评价提供依据和参考。由图6滑体速度与时间的关系可知，库水位越低滑体在地震后速度变化越大，145 m水位最高速度为0.267 m/s，发生在12.64 s，与稳定系数最低值发生的时间接近，说明滑体速度越大，越影响滑坡的稳定性，滑坡越有滑移的倾向。

由图7永久位移与时间的关系可知，175 m水位 和170 m水位最大永久位移为0.024 m和0.098 m，165、160、155、150、145 m水位最大永久位移分别为1.057、1.323、1.331、1.555、2.230 m。参考Jibson等[15]对滑坡永久位移量做出的界定(表2)，滑坡在175～170 m水位受到地震作用破坏程度低，165～155 m水位破坏程度高，低于155 m水位破坏程度超高。且当水位低于170 m时，永久变形与地震时间呈线性相关。

图6 滑体速度与时间的关系Fig.6 The relationship between speed and time

图7 永久位移与时间的关系Fig.7 The relationship between permanent displacement and time

表2 永久位移与破坏程度的关系

2.3 动力响应分析

为研究滑坡在地震作用下的动力响应，在坡面(PM1～PM6)、滑带(HD1～HD4)和后缘基岩(JY1、JY2)上选取监测点，分析145 m水位受到地震作用后的水平位移变化和加速度变化如图8、图9所示，由图8(a)可知，滑坡各个部位监测点总体变化趋势类似，可分为三个阶段：第一阶段为0～1.22 s，地震未至位移不变；第二阶段为1.22～13.12 s，地震作用下位移明显增大且出现峰值；第三阶段为13.12～20.46 s，位移随地震波衰减趋于稳定，且该阶段仅出现正向位移。由图9(a)得出坡面中后段位移较大，最大值出现在PM3，为0.035 m；坡脚、滑面和后缘基岩发生的位移较小。可以得出堆积层越厚的部位，受到地震作用后越易发生滑动，滑带和后缘基岩发生的位移较为一致。

图8 145 m水位监测点位移、加速度变化Fig.8 Change of displacement and acceleration of 145 m water level monitoring point

由图8(b)可知，通过与输入的地震波对比，滑坡各监测点加速度峰值比地震动加速度峰值出现的时间较晚，说明X方向加速度响应趋势相较于地震动加速度变化趋势具有一定的滞后性。随着高程的增加，X方向加速度峰值的出现时间也随之滞后。由图9(b)可知，随着高程增加，加速度峰值也随之增加，最大值为JY2监测点的0.188g。滑带峰值加速度随着高程的增加而增加。坡面的峰值加速度不仅受高程的影响，同时也受到坡度变化的影响，监测点坡度没有发生变化时，峰值加速度随高程增加而增加，如PM1、PM2、PM5；当监测点坡度发生较大改变时，峰值加速度会发生突变，如PM3、PM4、PM6。

图9 145 m监测点最大位移、加速度Fig.9 Maximum displacement and acceleration of 145 m monitoring points

图10 地震对滑坡应力-应变的影响Fig.10 The effect of earthquake on landslide stress-strain

3 堆积层滑坡失稳机制

分析鸦鹊湾滑坡在地震作用下的失稳机制，选取稳定系数最低145 m水位，滑坡在动力作用下的应力-应变如图10所示。由图10(a)可知，滑坡后缘与基岩相交面出现峰值动应力集中现象，取值范围为750～800 kPa，基岩由于地震动对滑体产生推力，使得滑坡由后缘开始出现破坏。峰值动应力由基岩向临空面逐渐降低，到滑面处趋于0，说明堆积层滑坡在受到地震动力作用后后缘基岩产生应力集中，推动滑体后缘向临空面滑动，致使滑坡发生滑塌破坏。由图10(b)可知，滑坡峰值动力剪应变主要集中在滑坡后缘碎石土区域，由碎石土区域先产生应变滑动，滑坡下部受库水位影响区域为滑坡剪出口。地震同时对滑带以下基岩也造成了一定的动力损伤，变为潜在滑动面。

分析滑带不同监测点的莫尔应力圆如图11所示。由图11可知，监测点HD2受到X方向应力为549.62 kPa，Y方向应力为810.65 kPa，剪应力为238.89 kPa；监测点HD4受到X方向应力为633.84 kPa，Y方向应力为706.02 kPa，剪应力为449.36 kPa。滑带下部受到的Y方向应力大于上部是由于其上覆土层厚度较大，而由于地震动力作用使得滑坡后缘产生应力集中，因此滑带后缘X方向应力大于滑带下部，产生的剪应力也较大。

图11 滑带监测点莫尔应力圆图Fig.11 Mohr stress circle diagram of monitoring point of sliding belt

图12为滑坡峰值位移云图。图12(a)表明滑坡X峰值位移主要发生在堆积层区域，数值为0.024～0.038 m，位移最大区域为碎石土下部和碎裂岩体上部，且位移分区平行于滑面，说明滑坡由表层逐渐开始发生滑动破坏。由图12(b)可知，Y轴峰值位移为0～0.014 m，也集中在坡面后缘碎石土区域，同时滑坡后缘基岩产生0.002～0.004 m的位移。

图12 滑坡峰值位移云图Fig.12 Cloud image of peak displacement of landslide

图13 滑移面曲线Fig.13 Slip plane curve

通过计算分析得出各个潜在滑移面如图13所示。由图13可知，滑坡标红区域为最不安全区域，滑坡在地震作用后缘出现剪切破坏，表层岩土体沿平行于滑带的滑面滑动，剪出口为库水位淹没的区域。滑坡最终由表层向深部滑动，基岩上覆土体全部滑动破坏，同时滑坡滑移会导致后缘基岩产生临空面，极易发展成为崩塌灾害。

4 结论

为研究地震作用下库区堆积层滑坡的失稳机制，利用Geo-Studio中Slope/W和Quake/W模块耦合计算，得出如下结论。

(1)鸦鹊湾滑坡在地震作用下稳定系数在1.199～0.859波动，最大值出现在175 m水位12.26 s，最小值出现在145 m水位0.859。随着库水位由175 m降低到145 m，滑坡稳定性由欠稳定降为不稳定，已经发生破坏。通过分析滑坡在地震作用下的永久位移量可知滑坡在175～170 m水位受到地震作用破坏程度低，165～155 m水位破坏程度高，低于155 m水位破坏程度超高，且当水位低于170 m时，永久变形与地震时间呈线性相关。

(2)分析滑坡各监测点的动力响应，得出堆积层越厚的部位，受到地震作用后位移越大，滑带和后缘基岩发生的位移较为一致；监测点峰值加速度随高程的增加而增加，且加速度峰值的出现时间也随高程增加而滞后；坡面峰值加速度受到坡度的影响，监测点坡度发生较大改变时，峰值加速度会发生突变。

(3)堆积层滑坡在受到地震动力作用后缘基岩会产生应力集中，推动滑体后缘向临空面滑动；滑坡峰值动力剪应变主要集中在滑坡后缘碎石土区域，由碎石土区域先产生应变滑动。在地震作用后表层岩土体沿平行于滑带的滑面滑动，剪出口为库水位淹没的区域，滑坡由表层向深部滑动，最终基岩上覆土体全部滑动破坏，同时滑坡滑移会导致后缘基岩产生临空面，极易发展成为崩塌灾害。