陳 鑫，趙 洲，楊 鵬

(1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院有限公司，陜西 西安 710100；3.中國有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引 言

滑坡是指由于受到地層巖性、水、地震及人類工程活動(dòng)等因素影響，坡體沿貫通的剪切破壞面或帶，以一定加速度下滑移動(dòng)的不良地質(zhì)現(xiàn)象[1]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)向城市臨近的山區(qū)不斷拓展，滑坡問題越顯突出，對(duì)人類生命和財(cái)產(chǎn)安全造成極大危害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國平均每年地質(zhì)災(zāi)害直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)200多億元，其中滑坡造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2/3。因此，滑坡研究和防治工作一直以來是國家關(guān)注的重點(diǎn)。近年來，關(guān)于滑坡破壞運(yùn)動(dòng)過程及沖擊致災(zāi)研究受到許多國內(nèi)外專家學(xué)者的普遍關(guān)注[2- 6]。黃潤秋等[7]采用有限元數(shù)值模擬方法，對(duì)膨脹土滑坡的特點(diǎn)和發(fā)生機(jī)理分別從強(qiáng)度分層、裂隙影響和蠕變效應(yīng)進(jìn)行的研究得出，膨脹土路塹邊坡滑坡受上述3種因素共同作用，具體表現(xiàn)為淺層、小規(guī)模、漸進(jìn)性和滑坡后緣通常出現(xiàn)在坡腰部位。亓星等[8]通過對(duì)甘肅黑方臺(tái)滑坡野外調(diào)查和位移監(jiān)測(cè)，探討了滑坡變形破壞過程，并對(duì)滑坡的發(fā)生機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)解釋。吳越等[9]利用光傳感器和計(jì)時(shí)器組合而成的摩擦系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，根據(jù)相似原理建立滑坡滑體下滑沖擊模型，探討了滑體下滑和沖擊致災(zāi)全過程中的能量耗散規(guī)律，為準(zhǔn)確計(jì)算滑體沖擊能奠定了基礎(chǔ)。薛強(qiáng)等[10]采用三維數(shù)字高程，提出了滑坡強(qiáng)度定量評(píng)估技術(shù)方法，并對(duì)黑方臺(tái)南緣區(qū)32處滑坡強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)估，為滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了新思路。黨杰等[11]根據(jù)物理學(xué)中內(nèi)能轉(zhuǎn)化原理，以地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)釋放的能量作為強(qiáng)度評(píng)估的依據(jù)，建立了滑坡強(qiáng)度與能量關(guān)系，提出了單體滑坡強(qiáng)度評(píng)估的指標(biāo)和方法。以上滑坡研究方法大多處于定性或半定量研究，而定量研究方法仍然處于緩慢發(fā)展階段。

“5·12”地震后，受地震影響，樓子溝滑坡土體產(chǎn)生松動(dòng)變形，地面隆起，房屋裂縫變形加劇，少數(shù)房屋即將倒塌，滑坡后部出現(xiàn)弧形裂縫，醉漢林密布，嚴(yán)重影響21戶、90人、100余間房及百余畝良田的安全，可造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)400萬元以上。為此，本文采用PFC2D數(shù)值模擬方法，以樓子溝滑坡為研究對(duì)象，仿真動(dòng)態(tài)模擬滑坡發(fā)生全過程，對(duì)滑坡沖擊速度、沖擊距離、沖擊力大小等指標(biāo)進(jìn)行定量分析，同時(shí)對(duì)滑坡沖擊致災(zāi)程度進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)。

1 滑坡概況

樓子溝滑坡位于陜西省漢中市勉縣老道寺鎮(zhèn)樓子溝村一組，屬北部山區(qū)南緣丘陵區(qū)?；缕矫娉室欢ɑ￠L的長條形，主滑方向90°，滑坡體長約120 m，前緣寬度約360 m，后緣寬度約300 m，平均厚度約5 m，體積約2.16×105m3，屬中型膨脹土滑坡。滑坡后緣以陡坡為界，陡坎高度約5～8 m；滑坡左、右兩側(cè)以小沖溝為界；滑坡前緣為村民水田，在邊界外側(cè)未發(fā)現(xiàn)變形跡象，為原始地貌；滑坡中后部地表可見明顯下挫，邊界清晰；滑坡后緣有泉水出露，且有一灌溉渠，渠中常年有水，水量較小。滑坡平面見圖1。

根據(jù)收集已有資料和勘查結(jié)果，地層自上而下為第四紀(jì)堆積粉質(zhì)粘土、下更新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)粘土、第三系泥巖?；w物質(zhì)主要為滑坡堆積粉質(zhì)粘土，黃褐色，土體結(jié)構(gòu)松散，節(jié)理裂隙十分發(fā)育，土質(zhì)呈斑塊狀，掰開后形如石榴粒，可見明顯的灰褐色膨脹土礦物，網(wǎng)格狀裂縫十分發(fā)育，最大寬度3 mm，灰色粘土薄膜附于裂隙表面，表面擦痕明顯，裂隙面光滑，手捻有滑感?；瑤劣苫液稚圪|(zhì)粘土組成，呈可塑狀，滑膩感很強(qiáng)，滑面光滑，可見擦痕。

圖1 滑坡平面

2 滑坡模型構(gòu)建

2.1 滑坡巖土體宏細(xì)觀力學(xué)參數(shù)標(biāo)定

顆粒流(PFC)方法采用中心差分法，把虎克定律和牛頓第二定律遍歷整個(gè)顆粒集合體，模擬顆粒間的運(yùn)動(dòng)及相互作用，運(yùn)用軟件特定的粘結(jié)接觸模型將其集合起來模擬巖土體的完整性，不受變形量的限制，可以方便地處理非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問題，有效地模擬介質(zhì)開裂、分離等現(xiàn)象[12]。在實(shí)際工程中，通過室內(nèi)物理試驗(yàn)得到的宏觀力學(xué)參數(shù)(如變形模量、內(nèi)摩擦角、粘聚力等)可以直接在工程實(shí)際中運(yùn)用計(jì)算，而在顆粒流數(shù)值模擬方法中，巖土體材料的宏觀力學(xué)性質(zhì)是通過顆?？傮w的運(yùn)動(dòng)軌跡來反映的，而其運(yùn)動(dòng)受顆粒細(xì)觀力學(xué)參數(shù)(如顆粒接觸剛度、顆粒粘結(jié)強(qiáng)度、顆粒粘結(jié)剛度等)的影響。因此，細(xì)觀力學(xué)參數(shù)的確定是顆粒流數(shù)值模擬分析的關(guān)鍵。鑒于關(guān)于顆粒細(xì)觀力學(xué)參數(shù)和材料宏觀力學(xué)參數(shù)之間的定量關(guān)系還沒有確定的公式[13]，故PDC2D中需要采用雙軸壓縮試驗(yàn)?zāi)M室內(nèi)物理試驗(yàn)，以此得到細(xì)觀力學(xué)參數(shù)與宏觀力學(xué)參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[14]。

本文采用的雙軸壓縮試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D2。模型尺寸為10 m×5 m，顆粒粒徑為0.1～0.15 m，生成顆?？倲?shù)為885個(gè)?；聨r土體顆粒細(xì)觀力學(xué)參數(shù)見表1。在表1的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)下，施加圍壓分別為50、100 kPa和150 kPa，得到應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(見圖3)，再根據(jù)M-C理論繪制M-C包絡(luò)線(見圖4)，最后通過計(jì)算得到雙軸壓縮試驗(yàn)中材料的宏觀力學(xué)參數(shù)。綜上，通過數(shù)值模擬得到的巖土體宏觀力學(xué)參數(shù)粘聚力c=13.3 kPa，內(nèi)摩擦角φ=12°，與室內(nèi)物理試驗(yàn)中c=11.5～14.7 kPa，φ=11.0°～15.3°對(duì)比可知，數(shù)值模擬所得細(xì)觀力學(xué)參數(shù)符合要求。

表1 滑坡巖土體顆粒細(xì)觀力學(xué)參數(shù)

圖2 雙軸試驗(yàn)?zāi)Ｐ?單位：m)

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖4 M-C包絡(luò)線

2.2 滑坡PFC2D模型構(gòu)建

PFC中提供了10種內(nèi)嵌的接觸模型，本次數(shù)值模擬采用平行粘結(jié)模型，因?yàn)槠浼瓤梢詡鬟f顆粒間的作用力，也可以傳遞顆粒間的作用力矩，從而更好的模擬顆粒間粘結(jié)破壞。本文采用PFC中ball-ball方法建立滑坡模型[15]，具體步驟如下：①根據(jù)滑坡主剖面圖，按1∶1在PFC中建立矩形區(qū)域并生成顆粒；②通過命令導(dǎo)入AutoCAD中建立的滑坡剖面圖并生成滑坡邊界墻體使顆粒分組(見圖5)；③利用PFC中ball delete range geometry命令刪除削坡部位顆粒；④根據(jù)表1中顆粒細(xì)觀力學(xué)參數(shù)對(duì)顆粒進(jìn)行賦值，同時(shí)對(duì)顆粒施加重力作用使滑坡在重力作用下達(dá)到初始應(yīng)力平衡狀態(tài)。

圖5 未削坡前滑坡模型

根據(jù)上述步驟得到樓子溝滑坡PFC2D模型，見圖6。模型長165 m，高18.5 m，顆粒總數(shù)28 270個(gè)。其中，滑體顆?？倲?shù)7 058個(gè)，滑床顆?？倲?shù)21 212個(gè)。

圖6 滑坡PFC2D模型

3 滑坡災(zāi)變過程及沖擊致災(zāi)預(yù)測(cè)

3.1 滑坡災(zāi)變過程分析

為了更好地分析樓子溝滑坡變形特征及運(yùn)動(dòng)過程，根據(jù)滑坡模型尺寸及測(cè)量圓設(shè)置原則[16]，共建立4個(gè)測(cè)量圓，以此來監(jiān)測(cè)滑坡滑體部位應(yīng)力變化情況。滑坡位移見圖7。從圖7可知，當(dāng)運(yùn)行至4 500步時(shí)，滑坡坡腳出現(xiàn)剪切破壞，滑坡后緣出現(xiàn)拉張破壞，這主要是由于降雨導(dǎo)致滑體自重不斷增加，當(dāng)其超過鎖固段強(qiáng)度時(shí)，滑坡發(fā)生剪出破壞；當(dāng)運(yùn)行至180 000步時(shí)，由于顆粒間相互摩擦碰撞消耗能量，滑坡動(dòng)能逐漸減少，最終停止運(yùn)動(dòng)堆積在坡腳處。通過測(cè)量，模擬中顆粒最大位移為58.8 m，滑坡實(shí)際位移為36.9 m。

圖7 滑坡位移

滑坡開始發(fā)生時(shí)，坡腳處剪切破壞。應(yīng)力變化見圖8。從圖8可知， 0～13 s內(nèi)1號(hào)測(cè)量圓中應(yīng)力持續(xù)增大，由于滑坡體坡度較緩，故x方向的應(yīng)力增量大于y方向，且近似為2倍；20 s后滑坡運(yùn)動(dòng)停止，應(yīng)力達(dá)到平衡。12 s時(shí)2號(hào)測(cè)量圓內(nèi)x方向應(yīng)力達(dá)到峰值110 kPa，約為y方向應(yīng)力的2.5倍，此時(shí)y方向應(yīng)力來源主要為上部滑體下滑堆積擠壓產(chǎn)生；3號(hào)和4號(hào)測(cè)量圓內(nèi)應(yīng)力逐漸減小，最終在11 s和4 s時(shí)分別歸0，這是由于滑坡整體發(fā)生破壞，3號(hào)和4號(hào)測(cè)量圓位置處滑體部位由滑床滑出，故應(yīng)力為0。

圖8 應(yīng)力變化

滑坡速度及位移分析是研究滑坡破壞運(yùn)動(dòng)過程的重要途徑。樓子溝滑坡全長約120 m，本文以30 m為1段監(jiān)測(cè)部位，每個(gè)部位分上、中、下3排，每排設(shè)置監(jiān)測(cè)顆粒5個(gè)，對(duì)滑坡速度及位移進(jìn)行定量描述，以加深對(duì)樓子溝滑坡破壞運(yùn)動(dòng)過程的認(rèn)識(shí)?；卤O(jiān)測(cè)結(jié)果見圖9。從圖9可知：

圖9 滑坡監(jiān)測(cè)結(jié)果

(1)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)主要分為加速階段、過渡階段、減速階段?；麻_始破壞時(shí)發(fā)生整體同等加速運(yùn)動(dòng)，滑坡體0～30 m內(nèi)顆粒最大速度為3.6 m/s，隨著滑坡前端剪出破壞，30～120 m范圍內(nèi)滑體由于前部失去支撐而向下運(yùn)動(dòng)，顆粒速度逐漸增大，最大速度達(dá)6.6 m/s?；麦w0～30 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)顆粒減速階段的歷時(shí)遠(yuǎn)大于其他范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這是由于前部顆粒不僅受30～90 m范圍內(nèi)顆粒的推動(dòng)獲得能量，同時(shí)還傳遞90～120 m范圍內(nèi)顆粒的能量，而90～120 m范圍內(nèi)顆粒由于沒有后續(xù)能量補(bǔ)給，無法維持遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)，故在減速階段迅速停止運(yùn)動(dòng)。

(2)滑坡體0～30 m范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)顆粒最大位移為34.8 m；30～120 m范圍內(nèi)顆粒位移呈現(xiàn)依次增大特點(diǎn)，最大顆粒位移為58.8 m。該運(yùn)動(dòng)特征符合滑坡下部剪出破壞，逐級(jí)牽引滑坡體上部向下滑動(dòng)的復(fù)合式滑坡規(guī)律。

綜上所述，樓子溝滑坡運(yùn)動(dòng)過程可分為0～4 s等速變形階段、4～15 s加速變形階段、15 s之后堆積靜止階段3個(gè)階段?；缕茐某跗谥饕匀浠冃螢橹鳎S著形變量的增加，滑坡鎖固段破壞，滑坡下部剪出，逐級(jí)牽引上部滑體順破裂面下滑，最終堆積于坡腳處，滑坡全過程符合典型牽引式滑坡的運(yùn)動(dòng)特征。

3.2 滑坡沖擊致災(zāi)預(yù)測(cè)

滑坡沖擊致災(zāi)研究是滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[17]，沖擊力的大小直接反映了建筑物等承載體損毀的嚴(yán)重程度。因此，本文通過在滑坡不同坡腳距位置設(shè)置剛性擋墻代替建筑物，建立滑坡沖擊模型(見圖10)，以此統(tǒng)計(jì)滑坡下滑時(shí)對(duì)擋墻的沖擊力，為滑坡沖擊致災(zāi)分析提供依據(jù)。

圖10 滑坡沖擊模型

滑坡沖擊力見圖11。從圖11可知，滑坡沖擊擋墻過程可分為3個(gè)階段：①自由下滑階段?；聠?dòng)但未接觸擋墻。②沖擊階段?；虏粩鄾_擊擋墻，滑體顆粒間及顆粒于擋墻相互碰撞耗能使滑坡能量逐漸減小。③沖擊靜止階段。此時(shí)滑坡運(yùn)動(dòng)基本停止，滑體堆積于坡腳和擋墻之間，沖擊力來自滑體堆積后對(duì)擋墻的靜止土壓力，為恒定值。

圖11 滑坡典型沖擊力

滑坡在沖擊階段內(nèi)的沖量E可以根據(jù)沖擊曲線和時(shí)間軸的面積得出，再根據(jù)等效力在相同時(shí)間內(nèi)沖量相等的原理求出等效沖擊力F，具體關(guān)系如下

(1)

對(duì)滑坡破壞全過程模擬分析可知，滑坡最大位移為36.9 m，37 m處沖擊力為0。故從坡腳開始，每隔2 m設(shè)置剛性擋墻，共建立滑坡沖擊模型19個(gè)，以此監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)滑坡下滑對(duì)不同坡腳距處擋墻的沖擊力。利用Origin數(shù)據(jù)分析軟件計(jì)算得到不同坡腳距處等效沖擊力數(shù)據(jù)，最后線性擬合繪制出滑坡坡腳距-沖擊力關(guān)系(見圖12)。由圖12可知，滑坡等效沖擊力隨坡腳距的增大而逐漸遞減，具體關(guān)系為F=-15 188.608 96x+543 387.274 59(R2=0.969 99)?；聦?duì)建筑物等承災(zāi)體的損毀程度隨坡腳距增大而逐漸減弱。

圖12 滑坡坡腳距-沖擊力關(guān)系

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查資料，滑坡區(qū)內(nèi)房屋大多以磚混結(jié)構(gòu)為主，由于砌體結(jié)構(gòu)主要發(fā)生脆性變形，故建筑物等承災(zāi)體不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)認(rèn)為是失效狀態(tài)，等效沖擊力作用位置由滑坡沖擊結(jié)束時(shí)沖擊高度及墻體所受荷載分布形式共同決定，由此建立建筑物失效模型，參考吳越等[18]承災(zāi)體易損性研究可定義滑坡沖擊致災(zāi)指標(biāo)R，具體關(guān)系如下

(2)

式中，F(xiàn)′為建筑物所能承受的極限荷載值。

由GB 50003—2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，受彎構(gòu)件承載力及受剪承載力，應(yīng)按下列公式計(jì)算

M≤ftmW

(3)

V≤fvbz

(4)

Z=I/S

(5)

式中，M為彎矩設(shè)計(jì)值；ftm為砌體彎曲抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；W為截面抵抗矩；V為剪力設(shè)計(jì)值；fv為砌體結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；b為截面寬度；Z為內(nèi)力臂；I為截面慣性矩；S為截面面積矩。

本文取單面墻寬，分別計(jì)算墻體受彎矩控制的荷載值F彎和剪力控制的荷載值F剪并取其中最小值作為建筑物所能承受的極限荷載值F′，即F′=min(F彎，F(xiàn)剪)。設(shè)置墻體距離坡腳20 m，根據(jù)圖11方法計(jì)算得到此時(shí)滑坡等效沖擊力F=2.45×105N，根據(jù)勘察資料，墻體材料為MU10普通燒結(jié)磚和M7.5水泥混合砂漿，墻體采用“三七墻”方式砌筑，墻體厚度365 mm，由式(3)、(4)、(5)計(jì)算得到墻體所能承受極限荷載值F′=min(F彎，F(xiàn)剪)=F彎=2.04×103N，將F、F′代入式(2)計(jì)算得到滑坡沖擊致災(zāi)指標(biāo)R=120.1。根據(jù)致災(zāi)程度分析可知，滑坡發(fā)生時(shí)墻體無法承受沖擊損毀，會(huì)造成嚴(yán)重后果，對(duì)該滑坡應(yīng)進(jìn)行加固治理。

4 結(jié) 語

本文以漢中市勉縣老道寺鎮(zhèn)樓子溝滑坡為研究對(duì)象，利用PFC2D數(shù)值模擬方法對(duì)滑坡破壞運(yùn)動(dòng)災(zāi)變?nèi)^程進(jìn)行了仿真模擬，得出以下結(jié)論：

(1)滑坡破壞初期主要以蠕滑變形為主，隨著形變量的增加，滑坡鎖固段破壞，逐級(jí)牽引上部滑體順破裂面下滑，表現(xiàn)為典型牽引式滑坡的運(yùn)動(dòng)特征。

(2)滑坡體最大致災(zāi)位移為36.9 m，最大運(yùn)動(dòng)速度為6.6 m/s，等效沖擊力隨坡腳距增大呈線性遞減特征，該特征可為滑坡沖擊致災(zāi)定量研究提供參考。

(3)在滑坡致災(zāi)范圍內(nèi)，坡腳距離為20 m時(shí)，滑坡沖擊致災(zāi)指標(biāo)R=120.1，滑坡變形破壞對(duì)下方建筑物必然造成損毀，應(yīng)對(duì)滑坡體進(jìn)行加固治理，防止滑坡下滑造成嚴(yán)重的人員傷亡事故。