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【研究概述】

地震引起的滑坡的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測和災(zāi)難控制對防災(zāi)減災(zāi)具有重要的意義。河海大學(xué)Huanling Wang等研究了魯?shù)榈卣穑∕W6.5）于2014年8月3日在中國云南省的魯?shù)榭h誘導(dǎo)的紅石巖滑坡。通過使用顆粒流代碼（PFC）數(shù)值模擬方法研究了滑坡滑動(dòng)過程和失穩(wěn)機(jī)制。還研究了速度和位移的特征以及堆積物的特征。發(fā)現(xiàn)在滑坡發(fā)生滑動(dòng)后7.11 s時(shí)所有顆粒的最大平均速度為23.43 m/s。最大位移與高程密切相關(guān)，滑動(dòng)主體后邊緣的滑動(dòng)時(shí)間最長。高116.1 m、長1001.1 m的滑坡壩堆積物形態(tài)的數(shù)值結(jié)果與野外調(diào)查結(jié)果吻合較好。還進(jìn)行了一系列有關(guān)參數(shù)靈敏度的數(shù)值實(shí)驗(yàn)，以研究放大因子和摩擦系數(shù)對堆積物特征的影響。

【研究區(qū)域概況】

2014年8月3日，云南省昭通市魯?shù)榭h發(fā)生魯?shù)榈卣鹫T發(fā)的紅石巖滑坡（Mw6.5），如圖1（a）和（b）所示?；掳l(fā)生在牛欄江右側(cè)高巖岸（圖1（c） 和（d）），形成了約 1200萬立方米的滑坡堆積物。堆積物堵塞了牛欄江，地震后工程設(shè)計(jì)師通過加固成為滑坡壩，如圖1（d）所示。滑坡壩位于紅石巖水電站進(jìn)水壩下游約600 m處。大壩長約為1000 m，高120 m。滑坡壩右岸坡坍塌高度為 600 m，地震后殘坡傾斜角度為70°–85°。相比之下，原來的紅石巖山在地震前的坡度相對較小，為54°–61°。根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查，地震后右岸斜坡表面背面 60 m 的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了許多拉伸和卸載裂縫。裂縫寬度和深度分別可達(dá)30 cm和 60 cm，如圖2所示。

圖1.（a）紅石巖滑坡的位置。（b）研究區(qū)域的遙感圖像（來自 Google Earth）。（c）地震后地形的 DEM 等值線。（d）滑坡壩

圖2. 現(xiàn)場測量的裂紋寬度（a）和深度（b）

地質(zhì)平面圖如圖3a所示。震中和前緣剪切出口的海拔分別約為1400 m 和1200 m?；旅娲怪备叨燃s為700 m，海拔為1100至1800 m。地震引起的滑坡運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間約為120 s?；侣窂降乃骄嚯x（從滑坡頂部至坍塌體的遠(yuǎn)端邊界）約為1274 m。此外，可以看出，對岸存在著一除沒有記錄的古滑坡。在2014 年魯?shù)榈卣鹌陂g，這塊古滑坡穩(wěn)定，起到了阻礙坍塌體運(yùn)動(dòng)的作用。圖3b–e展示了地震后紅石巖滑坡的四幅地質(zhì)剖面圖。根據(jù)實(shí)地調(diào)查與地質(zhì)勘察結(jié)果，該區(qū)域自上而下的主要地層為二疊系（P）、泥盆系（D）和奧陶系（O）?；轮黧w主要由二疊系巖體構(gòu)成，其上部為堅(jiān)硬石灰?guī)r，下部為粉質(zhì)泥巖，反映出原始邊坡具有“上硬下軟”的結(jié)構(gòu)特征。由于粉質(zhì)泥巖強(qiáng)度較低，在上覆石灰?guī)r的巨大壓應(yīng)力作用下，其變形能力較強(qiáng)。地震過程中，軟弱的泥巖難以抵抗上覆剛性石灰?guī)r的持續(xù)加載，導(dǎo)致滑坡發(fā)生。此外，相較于弱風(fēng)化的石灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r更易發(fā)生破壞。F5斷層為一條控制斷層，主要由巖石與斷層泥組成，大致沿滑坡方向延伸。

圖3. a工程地質(zhì)平面. b-e四種典型橫截面的輪廓圖

為解釋紅石巖滑坡地震誘發(fā)失穩(wěn)的機(jī)制，研究綜合考慮了滑面發(fā)育、巖體崩解以及復(fù)雜地形等因素。如圖4所示，在地震動(dòng)作用下，崩塌區(qū)I原始山體后緣產(chǎn)生張裂縫，并逐步擴(kuò)展、貫通，最終形成了大尺度的張裂面。同時(shí)，由于F5斷層和弱粉質(zhì)泥巖層（P1l）的存在，其低抗剪強(qiáng)度加速了滑坡的失穩(wěn)過程，導(dǎo)致滑面形成，崩塌區(qū)II的巖體沿滑床向自由面方向滑動(dòng)。在滑動(dòng)過程中，強(qiáng)風(fēng)化巖體對周圍巖塊產(chǎn)生擠壓與破碎作用。刮削區(qū)的凸起部位可見明顯擦痕，對破碎巖塊的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻滯作用。最終，破碎巖體沿主滑面滑動(dòng)并堆積于坡腳，形成滑坡壩。

圖4. 基于野外調(diào)查的紅石巖滑坡崩塌過程

【數(shù)值模型和地震加載】

1.滑坡模型

本研究中采用顆粒流程序（PFC）模擬滑坡運(yùn)動(dòng)過程，該方法通過有限數(shù)量的顆粒與剛性邊界建模，能夠較好地表征巖體的不連續(xù)性與非均質(zhì)特性。在PFC模型中，顆粒在模擬過程中可處于結(jié)合或分離狀態(tài)。借助離散元方法，不僅可以捕捉滑坡的起始模式，還可模擬其運(yùn)動(dòng)路徑及最終堆積形態(tài)。這些特征有助于評估滑坡災(zāi)害與減少財(cái)產(chǎn)損失。

基于滑坡滑動(dòng)前后的數(shù)字高程數(shù)據(jù)，提取了滑面與滑體的詳細(xì)數(shù)字地質(zhì)信息。建模過程包括地形數(shù)據(jù)處理與幾何模型構(gòu)建，如圖5所示。在PFC3D中，滑面與滑體分別由墻單元與顆粒單元建模（見圖6）。值得注意的是，球形顆粒的總體積為1140萬立方米，與實(shí)際滑體體積（1200萬立方米）非常接近。這些顆粒是“嵌入”坡體內(nèi)部的，而非僅放置于地形表面。在初始狀態(tài)下，巖體顆粒在重力作用下不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)。

圖5. 滑坡的建模流程圖

圖6. 數(shù)值模型

2. 參數(shù)的校準(zhǔn)

在三維滑坡模型中，滑面由67251個(gè)墻單元組成，滑體由30371個(gè)顆粒單元構(gòu)成，其顆粒半徑在2.8至4.8?m之間。需要指出的是，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，滑坡物質(zhì)的粒徑范圍從幾毫米至數(shù)十米不等，而目前尚無有效方法能通過球形顆粒準(zhǔn)確表達(dá)這一特征。同時(shí)，為提高計(jì)算效率，對滑坡物質(zhì)的粒徑分布進(jìn)行了適當(dāng)簡化處理。

在PFC模型中，需要設(shè)定顆粒的微觀參數(shù)以及接觸模型參數(shù)，以模擬巖體的宏觀力學(xué)特性。然而，目前尚無優(yōu)于試錯(cuò)法的方法能有效建立PFC微觀參數(shù)與實(shí)驗(yàn)獲得的宏觀參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查提供的崩塌巖體參考值單軸抗壓強(qiáng)度為70-90?MPa，楊氏模量為6.0-10.0?GPa，泊松比為0.22，開展了一系列數(shù)值實(shí)驗(yàn)用于參數(shù)反演與標(biāo)定。在建模過程中，選取平行粘結(jié)模型（PBM）作為顆粒間的鍵合方式，用以反映巖體材料的特性。鍵合有效模量對應(yīng)于楊氏模量，法向與切向剛度比與泊松比相關(guān)，平行鍵抗剪強(qiáng)度則與單軸抗壓強(qiáng)度相關(guān)。通過一系列壓縮模擬試驗(yàn)（如圖7所示），獲得了適用于本模型的顆粒微觀參數(shù)與平行鍵參數(shù)（見表1）。此外，為了反映滑坡在動(dòng)態(tài)加載過程中的能量耗散，還引入了粘性接觸阻尼比。

表1 PFC滑坡模型的微觀參數(shù)

圖7. 通過單軸壓縮實(shí)驗(yàn)的微型參數(shù)的校準(zhǔn)過程

3. 監(jiān)視點(diǎn)設(shè)置

為探究滑坡的崩塌機(jī)制、失穩(wěn)過程及運(yùn)動(dòng)路徑，在滑體表面共布設(shè)了9個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，覆蓋上部、中部與下部區(qū)域，如圖8所示。通常情況下，速度與位移的變化能夠較為真實(shí)地反映滑體的運(yùn)動(dòng)過程。

圖8. 滑動(dòng)體表面的監(jiān)視點(diǎn)

4. 地震波加載

在PFC3D的動(dòng)力分析中，通過對實(shí)測地震加速度記錄進(jìn)行積分獲得三向速度時(shí)程，并將其施加于墻單元，以模擬地震振動(dòng)作用。加速度時(shí)程來源于鄰近的龍頭山地震臺站記錄，如圖1(b)所示。該地震記錄時(shí)長為120?s，但由于其他時(shí)段的加速度值接近于零，僅選取20～40?s之間的部分（共20?s）作為輸入的地震加速度時(shí)程。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，對加速度記錄進(jìn)行了帶通濾波處理并進(jìn)行了基線校正（見圖9）。本研究在分析紅石巖滑坡區(qū)域的地震響應(yīng)時(shí)，考慮了地形對地震動(dòng)的放大效應(yīng)。根據(jù)已有研究成果，選取放大系數(shù)為2較為合理，可用于紅石巖滑坡的地震動(dòng)分析。

圖9. 魯?shù)榈卣鸬募铀俣确至浚‥-W，N-S以及垂向）

【模擬結(jié)果和討論】

1. 速度特征

為研究地震載荷下滑坡的運(yùn)動(dòng)與變形特征，本文繪制了滑坡全過程的速度場分布，如圖10所示。整個(gè)滑坡過程持續(xù)約120?s，其中前20?s滑體受到地震動(dòng)作用，后100?s僅受重力作用。從地震時(shí)程分析可知，大部分地震能量集中在最初的10?s內(nèi)釋放，表明邊坡在短時(shí)間內(nèi)因強(qiáng)烈地震動(dòng)而失穩(wěn)。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，顆粒的最大速度約為60-70?m/s。根據(jù)已有的大型滑坡研究成果，該速度范圍是合理的。

圖10. 滑動(dòng)過程中的速度場

如圖11(a)所示，在滑坡初期，所有顆粒的平均速度迅速上升，并在約3?s時(shí)達(dá)到15?m/s。最初速度變化最顯著的區(qū)域?yàn)榛麦w的前緣和后緣。上部顆粒發(fā)生相互破碎與碰撞，并推動(dòng)下方巖體；同時(shí)，崩塌區(qū)II的顆粒開始沿滑面滑動(dòng)。隨著地震強(qiáng)度的減弱，速度增長速率逐漸降低，滑體最終在7.11?s時(shí)達(dá)到最大速度23.43?m/s。由于刮削區(qū)的存在，崩塌區(qū)II的滑體速度略高于其他區(qū)域。隨著地震動(dòng)力減弱及系統(tǒng)能量耗散（包括顆粒間摩擦能、碰撞能與顆粒-墻體體系變形能），滑體速度逐漸減小。隨著巖塊沿主滑床滑動(dòng)，河谷中的滑坡堆積體高度不斷增加（見圖4）。當(dāng)堆積體體積達(dá)到某一特定閾值（由地形條件和微觀參數(shù)共同決定）時(shí)，新的穩(wěn)定滑坡壩最終形成。

圖11. a所有顆粒的平均速度，b監(jiān)測點(diǎn)的速度

為觀察滑體表面速度變化，在滑體表面布設(shè)了多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。由圖11(b)可見，在滑坡初始階段，位于滑體前緣的監(jiān)測點(diǎn)（點(diǎn)位1至3）速度顯著上升，分別達(dá)到峰值速度39.5?m/s（點(diǎn)1）、69.3?m/s（點(diǎn)2）和67.6?m/s（點(diǎn)3）。值得注意的是，點(diǎn)3在8.8?s時(shí)速度達(dá)到約40.1?m/s后，出現(xiàn)先減后增的趨勢（10?s至20?s之間），這主要?dú)w因于刮削區(qū)隆起地形對其運(yùn)動(dòng)路徑的阻礙作用。對于位于滑體后緣的點(diǎn)5和點(diǎn)6，由于海拔較高且前方巖體存在阻擋，其速度峰值出現(xiàn)時(shí)間相對較晚。點(diǎn)6的速度幅值變化不大，主要受能量耗散影響。點(diǎn)5的速度在45.1?s時(shí)達(dá)到最大值50.1?m/s，但此時(shí)地震影響已基本消失，重力成為主要的驅(qū)動(dòng)力。對于滑體中部的監(jiān)測點(diǎn)（點(diǎn)4、7、8和9），其峰值速度集中出現(xiàn)在15-25?s之間，平均速度為53.17?m/s，基本與前緣區(qū)域速度相當(dāng)。當(dāng)巖塊撞擊對岸山體并與其他巖塊發(fā)生碰撞時(shí)會(huì)發(fā)破碎，速度急劇下降。整個(gè)滑坡滑動(dòng)過程中，滑體受到地震載荷與重力的共同影響，呈現(xiàn)出“起動(dòng)-加速-減速-再加速-再減速-停止”的典型運(yùn)動(dòng)特征。

2. 位移特征

滑體的位移特征與其運(yùn)動(dòng)過程及堆積形態(tài)密切相關(guān)。如圖12(a)所示，整個(gè)滑體的平均最大位移為487?m，這主要受地形限制與滑體初始高程的影響?；w的加速階段主要集中在0至30?s之間。對于九個(gè)監(jiān)測點(diǎn)（點(diǎn)1至點(diǎn)9），可以明顯看出，滑體前緣區(qū)域啟動(dòng)較早，但其運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間較短。其中，前緣的點(diǎn)3具有最大的運(yùn)動(dòng)距離，為682?m，超過同區(qū)域的其他兩個(gè)點(diǎn)?；w后緣的點(diǎn)5和點(diǎn)6雖然與前緣幾乎同時(shí)開始運(yùn)動(dòng)，但其位移持續(xù)時(shí)間更長，甚至在60?s時(shí)仍未停止，說明這些位置代表的巖塊沿滑坡堰塞體兩側(cè)繼續(xù)滾動(dòng)。監(jiān)測到的最大運(yùn)動(dòng)距離達(dá)到795?m，超過了滑體上緣至河床之間的直線距離，反映出部分巖塊在堆積體形成后仍存在慣性滾動(dòng)和滑移的現(xiàn)象。

圖12. a所有顆粒的平均位移，b監(jiān)測點(diǎn)的平均位移

3. 滑坡堆積特征

為分析滑坡堆積體的特征，如破碎巖塊的粒徑分布及不同高程巖塊的運(yùn)動(dòng)路徑，本文記錄了堆積體演化過程的一系列圖像，如圖13所示。圖中，紅色代表滑體前緣巖塊（高程1200–1400?m），淺藍(lán)色表示中部區(qū)域I（1400–1500?m），紫色代表中部區(qū)域II（1500–1600?m），綠色為后緣區(qū)域（1600–1750?m）?；w前緣的巖塊最先發(fā)生滑動(dòng)，并沿河流上游方向在滑坡壩前部堆積。20?s后，巖塊之間發(fā)生劇烈碰撞，破碎巖塊沿前部堆積體的上下游方向滾動(dòng)分布。觀察發(fā)現(xiàn)，堆積體中并不存在明顯的分層現(xiàn)象，不同來源的巖塊在空間上相互摻雜分布。然而，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)可知，滑坡壩內(nèi)部的核心巖塊主要來源于滑體的前緣及中部區(qū)域。這些巖塊在堆積體中起到了骨架支撐作用，對滑坡壩的穩(wěn)定性具有關(guān)鍵影響。

圖13. 堆積演變的過程

為驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性與精度，選取了7條剖面線進(jìn)行比對，包括4條垂向剖面、2條橫向剖面以及1條沿河流方向的剖面，如圖14(a)所示。這些剖面與震后實(shí)地監(jiān)測的堆積體形態(tài)進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，盡管模型存在一定簡化以及地質(zhì)調(diào)查中可能存在誤差，但剖面I-I′至IV-IV′仍能較好地反映實(shí)際堆積體形態(tài)。其中，堆積體從河床底部至頂部的最大高度為114.8?m。V-V′剖面的模擬結(jié)果顯示堆積體高度為116.6?m，長度為1001.1?m，與實(shí)測的滑坡壩高度120.0?m、長度1000.0?m高度吻合。沿垂直于河流方向的剖面顯示，滑坡壩的寬度受限于V形谷地的寬度，約為300?m。需要指出的是，若忽略滑坡形成的堰塞湖對地形的影響，滑坡堆積體下游坡面比上游坡面更陡峭，這與實(shí)際地貌特征一致。

圖14. 滑坡壩的堆積形態(tài)概況

【討論】

（1）地震放大系數(shù)的影響

通常情況下，當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑ブ恋乇頃r(shí)，由于地形復(fù)雜、高陡坡度及狹窄峽谷的存在，地震動(dòng)會(huì)產(chǎn)生顯著的放大效應(yīng)。在本節(jié)中，為簡化分析，忽略了因高程變化引起的放大效應(yīng)差異，采用一組特定的地震動(dòng)放大系數(shù)（1.0、2.0 和 3.0）對地震激勵(lì)幅值進(jìn)行增強(qiáng)。平行鍵斷裂百分比可用于反映顆粒間鍵合的破壞狀態(tài)，進(jìn)而評估外部因素的影響，如圖15所示。結(jié)果表明，不同放大系數(shù)對平行鍵斷裂比例的影響較小。然而，如圖16所示，放大系數(shù)對速度的影響更為顯著，表現(xiàn)為峰值速度的大小及其出現(xiàn)時(shí)間的不同。當(dāng)放大系數(shù)為2.0和3.0時(shí)，峰值速度分別為23.43?m/s（出現(xiàn)在7.11?s）和32.03?m/s（出現(xiàn)在7.14?s），這歸因于前10?s內(nèi)更強(qiáng)的地震振動(dòng)。而放大系數(shù)為1.0時(shí)，峰值速度出現(xiàn)時(shí)間較晚。地震動(dòng)放大系數(shù)在堆積體形態(tài)上的影響如圖17所示。圖中對比了60?s時(shí)刻（非最終靜止?fàn)顟B(tài)）滑坡堆積體的幾何形態(tài)。結(jié)果表明，地震動(dòng)越強(qiáng)，形成的滑坡壩越長越寬越高，對下游安全性構(gòu)成更大威脅。因此，在邊坡工程的設(shè)計(jì)與施工中，合理考慮地震動(dòng)放大效應(yīng)具有重要意義。

圖15. 不同放大因子的平行鍵斷裂百分比

圖16. 不同放大因子的所有顆粒的平均速度

圖17. 滑坡堆積體形態(tài)隨地震動(dòng)放大系數(shù)的變化. a放大系數(shù)為1.0，b放大系數(shù)為2.0，c放大系數(shù)為3.0

（2）摩擦系數(shù)的影響

摩擦系數(shù)是表征顆粒間摩擦及顆粒與墻體之間摩擦能量耗散的重要參數(shù)。本節(jié)中，地震動(dòng)放大系數(shù)固定為2.0，摩擦系數(shù)分別設(shè)定為0.1、0.5 和 0.9。如圖18所示，摩擦系數(shù)對滑體速度的影響較小，無論在速度時(shí)程的形狀還是峰值上均無明顯變化。這表明滑體速度主要受地震動(dòng)放大系數(shù)控制，與上節(jié)討論結(jié)果一致。然而，三種不同摩擦系數(shù)對應(yīng)的滑坡堆積體形態(tài)差異顯著，如圖19所示。隨著摩擦系數(shù)的增加，滑面上殘留顆粒的數(shù)量逐漸增多；反之，摩擦系數(shù)減小時(shí)，殘留堆積體的整體形態(tài)變得更長、更高。這表明摩擦系數(shù)對堆積物的分布與空間結(jié)構(gòu)具有顯著調(diào)控作用。因此，在滑坡災(zāi)害預(yù)測與邊坡穩(wěn)定性分析中，摩擦系數(shù)雖對滑動(dòng)速度影響有限，但對最終堆積形態(tài)具有關(guān)鍵影響，需予以充分重視。

圖18. 不同摩擦系數(shù)的所有顆粒的平均速度

圖19. 不同摩擦系數(shù)a 0.1，b 0.5和c 0.9的堆積形態(tài)

【結(jié)論】

基于地質(zhì)背景、現(xiàn)場調(diào)查以及紅石巖滑坡地震誘發(fā)崩塌的動(dòng)態(tài)過程，本文采用PFC3D開展了數(shù)值模擬研究，包括微觀參數(shù)的標(biāo)定與物理模型的構(gòu)建，以深入分析滑坡運(yùn)動(dòng)特征與堆積形態(tài)。研究獲得以下幾個(gè)重要結(jié)論。

（1）在滑坡的初始階段，滑體的前緣與后緣最先沿滑面發(fā)生滑動(dòng)；崩塌區(qū)II的滑體即將啟動(dòng)，而崩塌區(qū)I的后緣巖體則對下部巖塊形成推動(dòng)作用。所有顆粒的平均速度在約7.11?s時(shí)達(dá)到最大值23.43?m/s?；虑熬墡r塊的速度普遍高于中部和后部巖塊，不同區(qū)域達(dá)到最大速度的時(shí)間也存在差異，反映出滑體在滑動(dòng)過程中的非同步性和復(fù)雜性。

（2）滑體的位移特征與其初始高程密切相關(guān)。滑體后緣由于位于較高位置，具備更大的勢能，在地震和重力共同作用下獲得更長的滑動(dòng)路徑，其最大位移達(dá)795.0?m，為整個(gè)滑體中滑動(dòng)距離最長的部分。

（3）數(shù)值模擬所得滑坡堰塞體的堆積形態(tài)與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果基本一致，最終堆積體的高度為116.1?m，長度為1001.1?m，較好地反映了實(shí)際滑坡規(guī)模。然而，在坡度比方面，模擬結(jié)果與實(shí)測值存在一定差異，這可能源于地形簡化、模型邊界條件設(shè)定或材料參數(shù)近似等因素所造成的偏差。

（4）探討了地震動(dòng)放大系數(shù)與摩擦系數(shù)對滑坡過程的影響。平行鍵破壞率與堆積體形態(tài)被選作評估參數(shù)敏感性的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。

（5）研究結(jié)果表明，離散元方法（Discrete Element Method, DEM）是一種有效的工具，能夠用于深入分析顆粒的運(yùn)動(dòng)行為、滑動(dòng)過程及堆積特征。該方法能夠較真實(shí)地反映巖體在地震等外部荷載作用下的非連續(xù)性、破裂演化與動(dòng)力響應(yīng)過程，為復(fù)雜滑坡災(zāi)害的模擬與預(yù)測提供了可靠手段與理論支持。