曾金艷 陳 文 扈桂讓 莊明芳

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數(shù)值模擬在地震小區(qū)劃滑坡災(zāi)害評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

曾金艷1，2）陳 文3）扈桂讓1，2）莊明芳1，2）

1）山西省地震局，太原030002?2）太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，太原030025?3）北京美辰建筑抗震工程有限公司，北京100027

工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)、特別是在地震小區(qū)劃工作中，對(duì)地震滑坡的評(píng)價(jià)通常采用定性分析方法，因此，對(duì)其影響范圍未給出定量的評(píng)價(jià)結(jié)果。本文以呂梁新城地震小區(qū)劃滑坡評(píng)價(jià)為例，通過(guò)對(duì)該區(qū)的地質(zhì)條件、地貌特征的研究，針對(duì)具有典型特征的剖面，選取地震力、內(nèi)聚力、摩擦角作為影響因子，采用離散單元法（DEM）對(duì)潛在滑坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，得到了可能失穩(wěn)的滑坡體潛在滑動(dòng)的影響范圍。并在此基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)已知滑坡與潛在滑坡剖面結(jié)構(gòu)特征的類比，對(duì)整個(gè)研究區(qū)內(nèi)滑坡體的影響范圍進(jìn)行了評(píng)價(jià)。研究結(jié)果可為呂梁新城的規(guī)劃提供依據(jù)，也可為同類工程中地震滑坡災(zāi)害的定量評(píng)價(jià)提供參考。

地震小區(qū)劃 滑坡 定量分析 類比法

引言

地震發(fā)生時(shí)滑坡是黃土丘陵區(qū)的一種主要次生災(zāi)害，往往會(huì)給人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大的損失。如何避免滑坡造成的危害是地震災(zāi)害防御的一項(xiàng)重要工作，也是在工程項(xiàng)目可行性研究階段的一項(xiàng)不可或缺的評(píng)價(jià)內(nèi)容。在現(xiàn)行的評(píng)價(jià)工作中，對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析主要遵循以定性分析為主、定量計(jì)算為輔的綜合性評(píng)價(jià)原則（中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2002）。邊坡的穩(wěn)定性分析更多的是考慮自然條件，如水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)特征等因素，并沒(méi)有考慮邊坡在地震力作用下的穩(wěn)定性。在地震力作用影響下滑坡評(píng)價(jià)方法非常復(fù)雜，目前并無(wú)成熟和系統(tǒng)的方法。而在實(shí)際評(píng)價(jià)工作中一般是根據(jù)收集、調(diào)查和勘測(cè)的資料，結(jié)合已有的歷史資料與歷史記錄，采用理論計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行判定（中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2006）。其中更多的是只對(duì)滑坡發(fā)生的可能性進(jìn)行討論，而對(duì)滑坡的影響范圍并未做出具體的評(píng)判（李自紅等，2013；2012）。

本文以呂梁市新城作為研究區(qū)，通過(guò)對(duì)研究區(qū)地質(zhì)條件、地貌特征的研究，定量分析地震力（以地震加速度表示）對(duì)潛在滑坡體穩(wěn)定性的影響（潛在滑坡體是否失穩(wěn)以及失穩(wěn)滑動(dòng)產(chǎn)生的范圍），旨在為研究區(qū)內(nèi)工程項(xiàng)目選址提供依據(jù)，同時(shí)為同類工程中滑坡的地震地質(zhì)災(zāi)害定量評(píng)價(jià)提供參考。

1 研究區(qū)的地震地質(zhì)概況

1.1 地形地貌特征

研究區(qū)位于呂梁市現(xiàn)有城區(qū)北部，構(gòu)造上屬于呂梁山斷塊隆起區(qū)，該區(qū)在間歇性抬升的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中多發(fā)育“V”形谷。區(qū)內(nèi)東部和西部為中、低山丘陵，中部為北川河谷地。地形總體呈東、西兩面高，中間低的特征。東、西山區(qū)地形切割嚴(yán)重，溝谷發(fā)育，斜坡坡度較陡；中部河谷深切，各支流兩側(cè)及黃土溝壑邊部坡陡峻。這些特殊的地形地貌使得研究區(qū)內(nèi)東、西兩側(cè)容易發(fā)生滑坡災(zāi)害。

1.2 地層巖性

研究區(qū)內(nèi)東、西兩側(cè)斜坡地帶出露的地層巖性多以粉土、粉質(zhì)粘土為主。其中粉質(zhì)粘土呈硬塑-堅(jiān)硬狀態(tài)；粉土覆蓋于粉質(zhì)粘土之上，土質(zhì)單一，垂直節(jié)理發(fā)育，具有孔隙，濕陷性較大，呈水平層狀分布，厚度5—10m。區(qū)域內(nèi)的土體易沿粉土和粉質(zhì)粘土界面、節(jié)理裂隙面產(chǎn)生滑動(dòng)。

1.3 地震活動(dòng)

地震是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要?jiǎng)恿σ蛩刂弧Ｑ芯繀^(qū)屬呂梁山斷塊隆起區(qū)，地震烈度屬弱震區(qū)，但在場(chǎng)地東南歷史上曾發(fā)生過(guò)1829年離石5?級(jí)地震，對(duì)研究區(qū)的影響烈度為Ⅶ度。根據(jù)“呂梁市新城地震小區(qū)劃”（山西省地震工程勘察研究院，2013）給出的地震小區(qū)劃，研究區(qū)50年超越概率10%的地震峰值加速度為130gal，屬于0.10g區(qū)，地震基本烈度為Ⅶ度。

2 評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)介

評(píng)價(jià)方法采用離散單元法（DEM），它是由美國(guó)的Cundall 于1971年提出的一種巖石力學(xué)計(jì)算方法（王泳嘉等，1991）。其理論基礎(chǔ)為牛頓第二定律，運(yùn)動(dòng)方程為：

式中，為單元體的質(zhì)量；為位移；為時(shí)間；為粘性阻尼；為剛度系數(shù)；為單元體所受的外荷載。

該方法認(rèn)為，單元體介質(zhì)是由不同的多邊形剛性塊體組成，塊體之間呈角-角接觸、角-邊接觸、邊-邊接觸（王衛(wèi)華等，2005），塊體之間的運(yùn)動(dòng)通過(guò)迭合、滑動(dòng)、分離來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)塊體所受的作用力和邊界約束條件發(fā)生改變時(shí)，塊體之間會(huì)產(chǎn)生作用力，根據(jù)這個(gè)作用力可以求出塊體的加速度、速度和位移。這樣各塊體之間的空間狀態(tài)會(huì)發(fā)生新的變化，塊體之間產(chǎn)生新的位移。由于位移失量差的存在（劉凱欣等，2003），根據(jù)力-位移間的關(guān)系，又可以得出塊體之間新的作用力，然后求出新的加速度、速度和位移。如此反復(fù)迭代，直至整個(gè)系統(tǒng)的作用力、位移達(dá)到平衡狀態(tài)，從而將巖體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)過(guò)程模擬出來(lái)。

離散單元法（DEM）的基本特點(diǎn)是允許有限位移和各離散塊體發(fā)生平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、甚至相互分離，彌補(bǔ)了有限元法或邊界元法對(duì)介質(zhì)連續(xù)和小變形的限制。對(duì)于具有節(jié)理結(jié)構(gòu)的塊裂介質(zhì)的不連續(xù)變形及破壞問(wèn)題的分析具有優(yōu)勢(shì)。該方法不但可以考慮塊體之間接觸面的滑移、分離和傾倒等大變形，還可計(jì)算巖體內(nèi)的變形和應(yīng)力分布，可以很好地求解非線性大位移和動(dòng)力穩(wěn)定性問(wèn)題（周先齊等，2008）。離散元的二維數(shù)值程序，可以模擬地震波在巖體中的傳播規(guī)律，而且在計(jì)算過(guò)程中可以自動(dòng)判別塊體之間可能出現(xiàn)的新的接觸關(guān)系。因此，該方法可以很好地用來(lái)模擬地震力作用下邊坡節(jié)理化巖體漸進(jìn)破壞以及失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用離散單元法在很多方面進(jìn)行過(guò)研究，如：非連續(xù)大位移變形的山體滑坡研究、大壩滑坡體的穩(wěn)定性研究、黃土坡滑坡與深部地質(zhì)環(huán)境的關(guān)系研究等，特別是在邊坡穩(wěn)定性分析中得到了廣泛的運(yùn)用（焦玉勇等，2001）。

通過(guò)選取一定數(shù)量的剖面進(jìn)行模擬計(jì)算，可以得到每個(gè)剖面處滑坡體的影響范圍，同時(shí)通過(guò)分析研究區(qū)內(nèi)其他區(qū)段邊坡的地層、地形分布特征，采用類比法可綜合給出整個(gè)研究區(qū)滑坡災(zāi)害的影響范圍。

3 計(jì)算剖面和參數(shù)的選擇

3.1 剖面的選擇

研究區(qū)大致呈南北走向，東西長(zhǎng)約16km，兩側(cè)緊鄰山區(qū)，南北最寬處約2.5km。東西兩側(cè)普遍存在較陡斜坡，沿線地形、地層分布相似，部分區(qū)域前緣由于溝岸侵蝕或人工開挖形成臨空面。通過(guò)野外地質(zhì)調(diào)查，研究區(qū)內(nèi)共存在潛在滑坡體40處，各坡體的坡高范圍70—180m，坡角范圍30—80°。由于潛在滑坡體多，如對(duì)每處剖面都進(jìn)行分析，那么計(jì)算工作量將非常龐大，為此本文選取典型的剖面進(jìn)行分析。典型剖面的選取原則為：①考慮研究區(qū)內(nèi)所有不同的坡度、不同坡高的邊坡；②在邊坡坡體高差相差10m、坡角相差5°的范圍內(nèi)選取一個(gè)典型剖面；③計(jì)算剖面在研究區(qū)內(nèi)盡可能均勻分布。

根據(jù)以上原則在研究區(qū)范圍選取控制剖面23條（見(jiàn)圖1）。這些剖面基本上能反映區(qū)內(nèi)的所有邊坡情況。

3.2 模型建立和參數(shù)確定

（1）滑坡影響因子的選擇

形成地震滑坡的因素很多，包括地形地貌、地層巖性、地下水、植被條件以及外部動(dòng)力（如降水、人為因素、地震力）等。筆者對(duì)滑坡災(zāi)害影響因子的選擇，參考了長(zhǎng)安大學(xué)對(duì)黃土崩塌、滑坡研究的成果。如：谷天峰等（2006）選取土的粘聚力、土的內(nèi)摩擦角、坡度、坡高、地震地面運(yùn)動(dòng)最大加速度、斜坡結(jié)構(gòu)類型，對(duì)甘肅黑方臺(tái)滑坡進(jìn)行了評(píng)價(jià)（單體滑坡）；王亞強(qiáng)等（2004）選取地震動(dòng)峰值加速度、地貌、地層、坡度、天然密度，對(duì)黃土高原地震滑坡進(jìn)行了評(píng)價(jià)。從以上評(píng)價(jià)的經(jīng)驗(yàn)得知，在黃土高原地區(qū)進(jìn)行地震滑坡、崩塌評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)考慮地震力、地層、坡度等因素是可行的（王蘭民等，2003）。

本文在搜集了研究區(qū)內(nèi)大量的勘察資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體的地質(zhì)條件，并結(jié)合選取的坡度、高程（后緣至剪出口高差）、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、地震力等參數(shù)，采用合適的因子容量，重點(diǎn)突出地震力誘發(fā)滑坡的主導(dǎo)因子作用，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析計(jì)算。

（2）巖體力學(xué)參數(shù)的選取

模似計(jì)算所采用的巖體力學(xué)參數(shù)包括：密度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角值、體積模量、剪切模量。其中密度、、值采用現(xiàn)場(chǎng)采集土樣測(cè)試結(jié)果，體積模量、剪切模量來(lái)自山西省呂梁地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值，具體數(shù)值如表1所示。

（3）邊界條件

數(shù)值模擬計(jì)算邊界選取原則為：左右側(cè)取自由場(chǎng)邊界，底邊界垂直向位移約束并為黏滯邊界，這樣可以減少地震波的反射而損失能量，地震動(dòng)力荷載加在斜坡底部邊界上。

表1 數(shù)值模擬巖體物理力學(xué)參數(shù)

（4）輸入地震力

筆者主要考慮水平地震力的作用，選取50年超越概率10%對(duì)應(yīng)的地震強(qiáng)度作為誘發(fā)滑坡地震力的輸入。由于水平加速度時(shí)程曲線表示的動(dòng)力荷載不能直接加在黏滯邊界上，輸入的應(yīng)力曲線通過(guò)以下方法獲得：根據(jù)50年超越概率10%的水平加速度反應(yīng)譜合成水平加速度時(shí)程（圖2）；再利用Seismosignal軟件對(duì)加速度時(shí)程曲線進(jìn)行基線與濾波校正；在此基礎(chǔ)上利用數(shù)值積分的方法轉(zhuǎn)化為速度時(shí)程曲線（圖2），再將速度曲線轉(zhuǎn)化為應(yīng)力曲線，然后加在底部邊界上。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 安全系數(shù)的選取原則

考慮到不穩(wěn)定斜坡致災(zāi)的重要性及危害性，取一定的安全系數(shù)作為邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。安全系數(shù)的選擇按《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范（DZ/T0219-2006）》取值（中華人民共和國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2006）。根據(jù)單個(gè)滑坡體產(chǎn)生失穩(wěn)時(shí)受災(zāi)程度少于500人的一般集鎮(zhèn)、縣級(jí)中型工礦企業(yè)等因素，確定滑坡防治工程的級(jí)別為Ⅲ級(jí)，綜合滑坡防治工程設(shè)計(jì)安全系數(shù)推薦表中防治工況取Ⅳ類（地震工況下），對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)取s=1.05。當(dāng)計(jì)算潛在滑坡體最小安全系數(shù)大于該值時(shí)，則潛在滑坡體為穩(wěn)定，否則為失穩(wěn)坡體，此時(shí)計(jì)算坡體失穩(wěn)時(shí)產(chǎn)生的滑移量。

4.2 剖面計(jì)算結(jié)果分析

在研究區(qū)范圍內(nèi)參與計(jì)算的剖面有23條。由于篇幅所限，筆者取比較典型的“04剖面”在遭遇地震力的作用下，計(jì)算出的滑坡體的穩(wěn)定性結(jié)果進(jìn)行分析。

“04剖面”位于西屬巴中學(xué)西側(cè)，地貌上屬黃土丘陵邊緣，坡體高度約120m，坡角約60o，地層主要為馬蘭黃土。沿邊坡發(fā)育小型沖溝，邊坡上呈現(xiàn)1—2m臺(tái)階狀黃土坎，如圖3所示。

用上述方法進(jìn)行計(jì)算，在50年超越概率為10%（max=130gal）水平地震荷載工況下，該坡體最小安全系數(shù)為1.019，小于安全系數(shù)s=1.05，因此處于不穩(wěn)定狀態(tài)。其應(yīng)變等值線如圖4所示，從圖中可以看出，坡體（特別是坡腳部位）由內(nèi)向外，應(yīng)變逐漸增加，并集中于坡腳部位，這與滑坡剪出口部位相吻合。在這種狀況下坡體將會(huì)失穩(wěn)下滑，經(jīng)模擬計(jì)算前緣滑距可達(dá)86.01m，如圖5所示。

4.3 研究區(qū)滑坡影響范圍的確定

研究區(qū)內(nèi)23個(gè)剖面的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 滑坡體前緣滑動(dòng)距離匯總表

從表2可以看出，在研究區(qū)內(nèi)坡體的穩(wěn)定性取決于坡角，坡角越大，坡體越不穩(wěn)定。坡體失穩(wěn)時(shí)前緣的滑動(dòng)距離與坡角和坡高有關(guān)。因此筆者根據(jù)區(qū)域內(nèi)潛在滑坡體的坡角、高度、巖層分布，將評(píng)價(jià)區(qū)范圍內(nèi)潛在滑坡體與參與計(jì)算的典型滑坡剖面進(jìn)行了類比，視具有相似地形和地層特點(diǎn)的滑坡體具有相似的失穩(wěn)特征，并根據(jù)這一原則將研究區(qū)范圍內(nèi)的各潛在滑坡體在地震力max=130gal（50a 10%）作用下的影響范圍綜合界定，得到了評(píng)價(jià)區(qū)域范圍內(nèi)地震滑坡災(zāi)害的影響范圍，如圖6所示。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）采用數(shù)值模擬方法可以完成崩塌、滑坡評(píng)價(jià)中的定量分析，可為工程項(xiàng)目的規(guī)劃選址提供較精確的數(shù)據(jù)，為更合理地利用土地資源提供有利的參考依據(jù)。

（2）當(dāng)研究區(qū)段涉及的范圍較大時(shí)，在進(jìn)行滑坡災(zāi)害定量評(píng)價(jià)時(shí)，可選取具有典型的剖面進(jìn)行模擬計(jì)算。典型剖面的選擇可考慮研究區(qū)內(nèi)的地貌、地層特征，選取剖面應(yīng)代表區(qū)內(nèi)的不同情況。在此條件下可以采用類比法，得出研究區(qū)內(nèi)所有潛在滑坡體在地震力作用下的滑動(dòng)特征。

（3）離散單元法（DEM）作為一種日趨成熟的數(shù)值模擬方法，在理論上還存在一些不足，如方法中的法向、切向剛度是人為假設(shè)的，節(jié)理也是統(tǒng)計(jì)分析得出的，由此得到的模擬結(jié)果與實(shí)際情況有所偏差。在以后的實(shí)踐中應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)模擬分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，從而找出該方法的不足，并有針對(duì)性地改進(jìn)。

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Application of Numerical Simulation in the Landslide Hazard Assessment of Seismic Micro-zonation

Zeng Jinyan1,2), Chen Wen3), Hu Guirang1,2)and Zhuang Mingfang1,2)

1) Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan 030002, China?2) Continental Rift Valley Dynamics State Observatory of Taiyuan, Taiyuan 030021, China?3) Meichen Building Seismic Engineering Co., Ltd. of Beijing, Beijing 100027, China

In seismic safety evaluation seismic landslide assessment is commonly conducted by qualitative analysis, especially in the seismic micro-zonation work, so quantitative evaluation result of the scope of such hazard is not given. In the paper, taking Lvliang new town as the case study, we selected profiles with typical features through analyzing the geological conditions of the study area. Potential stability of landslides is calculated by the discrete element method, with seismic force, cohesion, friction angle as factors, getting the sliding sphere of influence of the possible instability of the landslides. Considering the potential landslides with the same structural features having the same instability, we inferred the influence scope of the entire study area by analogy the profile characteristics and structural characteristics of the known landslides and the potential landslides. The results provide basis for the planning and sitting of Lvliang new town, and also provide a reference method for quantitatively evaluating the seismic landslide geological hazard in similar projects.

Seismic micro-zonation; Landslide; Quantitative evaluation; Analogy method

2014-04-28

曾金艷，女，生于1970年。1993年畢業(yè)于中南工業(yè)大學(xué)地質(zhì)系，2011年取得太原理工大學(xué)研究生學(xué)歷，高級(jí)工程師。主要從事工程物探、工程地震等相關(guān)方面的研究。E-mail：chenwen-yan@163.com