陳 興，魏江波，趙 洲

(西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，西安 710054)

0 引言

斜坡受各種自然和人為因素的作用會(huì)發(fā)生多種形式的變形和破壞，其中滑坡是普遍的破壞方式，滑坡會(huì)給工程建筑和生命安全造成難以避免的巨大損失[1]。因此，滑坡風(fēng)險(xiǎn)定量預(yù)測(cè)研究對(duì)滑坡災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)具有重要的理論和實(shí)際意義。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)值方法已成為模擬和分析滑坡致災(zāi)過(guò)程的重要研究途徑，研究人員基于不同理論與本構(gòu)模型開發(fā)了可用于模擬滑坡變形、失穩(wěn)破壞、運(yùn)動(dòng)、堆積等過(guò)程的數(shù)值方法，常見的有限元法[2]、離散元法[3]、拉格朗日法[4]、物質(zhì)點(diǎn)法[5]及光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)法[6]等。其中，離散元法(如顆粒流離散元法)不僅適用于模擬大變形、大位移和裂隙擴(kuò)展等現(xiàn)象，更是模擬真實(shí)材料力學(xué)響應(yīng)特性的有力工具，因此非常適用于滑坡失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)模擬[7-10]。

隨著無(wú)人機(jī)(UAV)技術(shù)的日趨成熟，大范圍高精度數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)的構(gòu)建及其在滑坡三維數(shù)值模型研究中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而基于高精度DEM的滑坡沖擊強(qiáng)度模擬和應(yīng)用研究較少。為此，本文基于PFC3D數(shù)值方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，建立真實(shí)滑坡三維數(shù)值模型，對(duì)鳳凰山滑坡失穩(wěn)后運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，預(yù)測(cè)分析滑坡失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)特征及沖擊強(qiáng)度。

1 滑坡概況

鳳凰街滑坡位于陜西省漢中市寧強(qiáng)縣廣坪鎮(zhèn)，北靠鳳凰山，西臨廣坪河，東側(cè)及南側(cè)為曹家溝。滑坡體主要為粉質(zhì)黏土，含少量礫石?；旅婧蠖盖熬?，坡向165°，南北長(zhǎng)約150m，東西長(zhǎng)約380m，最大厚度約10m，體積約為1.2×105m3，屬中型堆積層滑坡。

2 滑坡三維模型構(gòu)建

2.1 滑體細(xì)觀參數(shù)的確定

PFC模型中的參數(shù)包括顆粒的細(xì)觀強(qiáng)度和顆粒間的接觸，如：法向剛度、剪切剛度、黏結(jié)強(qiáng)度等，這些細(xì)觀參數(shù)可用來(lái)表征滑坡土體的宏觀力學(xué)性質(zhì)，因此，需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。本次三軸數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?986個(gè)顆粒、兩個(gè)壓縮板和一個(gè)圓柱墻面構(gòu)成，模型采用線性接觸和平行黏結(jié)方式，并通過(guò)程序伺服控制對(duì)剛性面施加軸壓及圍壓(圖1a)。三軸數(shù)值試驗(yàn)參考趙洲等人[3]所設(shè)定的細(xì)觀參數(shù)值，通過(guò)參數(shù)調(diào)整及大量試算，最終選擇符合滑坡土體宏觀力學(xué)特征的那一套細(xì)觀參數(shù)，判定依據(jù)為測(cè)定的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線與室內(nèi)三軸試驗(yàn)曲線相一致(圖1b)。

根據(jù)不同圍壓下(100、200、300、400kPa)偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線繪制了莫爾應(yīng)力圓和莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度包絡(luò)線(圖1c)，得到飽水工況下滑體土的內(nèi)摩擦角(14.2°)和內(nèi)聚力(21.5kPa)。數(shù)值模擬三軸試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷募?xì)觀參數(shù)如表1所示。

圖1 三軸試驗(yàn)及參數(shù)標(biāo)定

表1 滑坡模型細(xì)觀參數(shù)取值

2.2 滑坡模型的構(gòu)建

以研究區(qū)DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，借助CAD、Arcgis、Surfer、Rhinoceros等數(shù)據(jù)處理軟件和PFC3D建模軟件構(gòu)建滑坡三維數(shù)值模型。通過(guò)滑前地表與滑坡勘察剖面獲取的滑床地表進(jìn)行空間作差生成滑體模型，在其內(nèi)部生成剛性球體顆粒，并賦予表1顆粒模型細(xì)觀強(qiáng)度參數(shù)。建模步驟及建成模型如圖2、圖3所示。為進(jìn)一步分析滑坡各部位的運(yùn)動(dòng)特征，在滑體的前中后不同位置處設(shè)置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)顆粒(圖3)。

圖2 模型制作流程

圖3 滑坡三維模型

3 滑動(dòng)過(guò)程模擬及結(jié)果分析

3.1 運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬

通過(guò)對(duì)滑坡失穩(wěn)-運(yùn)動(dòng)-堆積的全程模擬，如圖4所示，可知滑坡主滑時(shí)間約30s。在運(yùn)動(dòng)初期，滑坡體后緣在自重作用下先發(fā)生破壞，前緣鎖固段未出現(xiàn)明顯位移(圖 4(a))。失穩(wěn)后約5s時(shí)，隨著滑坡中后部土體向前推擠作用滑體左側(cè)、中側(cè)前緣剪出口土體產(chǎn)生位移，而右側(cè)由于前緣滑面角度平緩且土體堆積較厚，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)相對(duì)較晚(圖 4(b))。滑坡發(fā)生5s后，滑動(dòng)面整體貫通，滑體中前部土體運(yùn)動(dòng)速度增大，后部土體速度減小，此過(guò)程呈出“后推前”的運(yùn)動(dòng)特征，屬典型的推移式滑坡(圖4(a-c))。在滑動(dòng)10s 后由于前緣地表的摩擦阻礙，大部分滑體開始做減速運(yùn)動(dòng)，逐步堆積于斜坡坡腳(圖 4(d-f))。

圖4 滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程速度云圖

3.2 滑坡速度位移

為研究滑坡體各部位的運(yùn)動(dòng)特征，如圖3所示，模擬選取了滑體后緣、中部和前緣各位置處的特征顆粒進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果(圖 5)，滑坡后緣速度峰值為4.2～5.3m/s，位移為41～52m；中段速度峰值為2.6～3.7m/s，位移為27～52m；前緣速度峰值為 1.7～3.6m/s，位移為16～34m。模擬結(jié)果顯示滑坡體前緣速度峰值較遲于后緣速度峰值，且滑坡前緣速度達(dá)到峰值與相對(duì)停止運(yùn)動(dòng)時(shí)間均較晚于后緣，該過(guò)程表現(xiàn)為前緣運(yùn)動(dòng)的滯后性。此外，監(jiān)測(cè)點(diǎn)6和9速度位移均較小(圖5(c-f))，原因?yàn)橛覀?cè)中前部滑面較緩，滑體較厚，進(jìn)而運(yùn)動(dòng)較慢。在滑坡相對(duì)靜止階段，部分土體仍存在較小的運(yùn)動(dòng)速度。

圖5 不同滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度位移曲線

通過(guò)自編 FISH 函數(shù)對(duì)滑坡體整體運(yùn)動(dòng)的速度及位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由圖6可知，滑坡在前期屬于整體快速運(yùn)動(dòng)，勢(shì)能主要轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，所以速度快速增大，速度峰值后由于土體之間碰撞、摩擦和沖擊更加嚴(yán)重，使得該部分作用耗能更多，進(jìn)而導(dǎo)致峰后速度先快速減小、后緩慢減小的特征?；逻\(yùn)動(dòng)過(guò)程整體表現(xiàn)為 0～7.8s的加速運(yùn)動(dòng)階段和 7.8s之后的減速運(yùn)動(dòng)階段階段。采用文獻(xiàn) 10 中的Scheidegor法對(duì)滑坡速度進(jìn)行理論計(jì)算，滑坡速度峰值為3.86m/s，與模擬結(jié)果3.30m/s較為接近，但由于理論計(jì)算并未充分考慮滑坡運(yùn)動(dòng)期間巖石塊體間的摩擦、碰撞及沖擊耗能，導(dǎo)致理論計(jì)算結(jié)果稍高于模擬結(jié)果。

圖6 滑坡平均速度位移曲線

3.3 滑坡能量

滑坡運(yùn)動(dòng)伴隨著能量的轉(zhuǎn)化。通過(guò)對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中重力勢(shì)能、碰撞耗能、摩擦耗能和動(dòng)能的監(jiān)測(cè)，得出了四種能量的轉(zhuǎn)化關(guān)系(圖 7)。在滑動(dòng)約7.8s時(shí)，滑坡體整體脫離山體，滑動(dòng)速度最大，動(dòng)能最大為1.75×109J，此時(shí)重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能約占重力勢(shì)能減小量的 17.5%。隨后在坡面及坡腳的阻礙沖擊作用下，坡體破碎嚴(yán)重，顆粒間碰撞和摩擦作用不斷加強(qiáng)，之后滑坡動(dòng)能逐漸減小，碰撞耗能和摩擦耗能逐漸增多，分別約占重力勢(shì)能減小量的 42%和 21%，其余能量主要為滑坡體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中顆粒間線彈性相互作用的彈性勢(shì)能、顆粒間黏結(jié)斷裂耗能、阻尼耗能以及少量的動(dòng)能。通過(guò)能量監(jiān)測(cè)曲線可知，動(dòng)能占能量轉(zhuǎn)化的一小部分，重力勢(shì)能以碰撞、摩擦等其他形式耗散為主。

圖7 滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程能量轉(zhuǎn)化

3.4 滑坡沖擊力

根據(jù)滑坡速度及位移曲線可知，左、中、右部滑坡體的運(yùn)動(dòng)特征存在差異，其后果可能會(huì)造成不同的沖擊強(qiáng)度。為此，本次模型試驗(yàn)采用單位厚度的墻體代替構(gòu)筑物，在滑坡前緣左中右側(cè)分別建立寬60m，高10m剛性墻(圖8)。在PFC程序中通過(guò)命令監(jiān)測(cè)坡腳擋墻上的水平?jīng)_擊力，其結(jié)果可為為房屋易損性分析提供一定參考。

圖8 滑坡沖擊力監(jiān)測(cè)模型

滑坡沖擊結(jié)果如圖9所示，造成了10m下的擋墻被掩埋?；聸_擊時(shí)程曲線如圖10所示，從圖10可以看出，土體對(duì)墻體的沖擊作用可分為三個(gè)階段。第一階段為自由下滑階段，此階段中，滑坡體局部發(fā)生變形破壞，并逐漸形成貫通滑動(dòng)面，坡體前緣未接觸到剛性墻。第二階段為碰撞沖擊階段，隨著坡體速度的增大，滑坡對(duì)墻體的擠壓沖擊作用增加，沖擊力逐漸增至最大。第三個(gè)階段為相對(duì)靜止階段，滑坡體碰撞耗能及地面摩擦，坡體對(duì)擋墻的沖擊作用又逐漸開始減弱，動(dòng)能消耗完后，滑坡體堆積在擋墻處，其數(shù)值保持恒定。

圖9 滑坡沖擊剛性墻

圖10 沖擊力監(jiān)測(cè)曲線

根據(jù)沖擊力監(jiān)測(cè)曲線可知(圖10)，剛性墻1、2、3上的最大水平?jīng)_擊力分別為7.6×107N(單位寬度下為1.27×106N)，5.1×107N(單位寬度下為8.5×105N)，2.8×107N(單位寬度下為4.67×105N)。然而，陜南滑坡區(qū)承災(zāi)體在單位寬度所能承受極限荷載值僅為2.04×103N[11]，其值遠(yuǎn)小于鳳凰街滑坡在單位寬度所造成的沖擊強(qiáng)度。因此，滑坡發(fā)生后，墻體因不能承受滑坡所帶來(lái)的沖擊而毀壞，將會(huì)造成嚴(yán)重后果，應(yīng)對(duì)坡體進(jìn)行加固處理。

4 結(jié)論

1)通過(guò)PFC3D三軸試驗(yàn)的參數(shù)標(biāo)定方法，獲取了滑坡巖土體的摩擦角、黏聚力等強(qiáng)度參數(shù)，并與室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，其結(jié)果滿足模擬要求。

2)滑坡后緣最先發(fā)生變形破壞，并逐步在自重作用下推擠前方土體，待前緣鎖骨段貫通，滑坡整體下滑，此運(yùn)動(dòng)方式屬典型的推移式滑坡。

3)滑坡前緣的速度、位移及啟滑時(shí)間均較低于或晚于中后部，且在運(yùn)動(dòng)階段滑坡的重力勢(shì)能主要以摩擦、碰撞等形式損耗。

4)滑坡失穩(wěn)將對(duì)坡腳承載體造成毀壞，為防止山體滑坡對(duì)下部村落造成巨大危害，應(yīng)對(duì)坡體進(jìn)行加固處理。