地震誘發滑坡地質災害的強度評估方法

黨 杰，陳 筠，楊勝元，郭 果

(1.貴州大學 資源與環境工程學院，貴州 貴陽 550025;2.貴州省地質環境監測院，貴州 貴陽 550003)

0 引 言

地震是誘發地質災害發生的一個重要因素，破壞性地震誘發的地質災害往往量多面廣，具有群發性特點。2008年5月12日四川汶川發生的8.0級特大地震，2010年4月14日青海玉樹地區發生的7.1級強烈地震等，都誘發了大量的崩塌、滑坡等地質災害。目前對于地震的評級，已經有震級、烈度等評判其活動強度的標準，然而對地震誘發的大量地質災害，仍缺乏相應的強度評估方法。這使得不同地震誘發的地質災害由于沒有統一的評判標準，不能做橫向的對比分析。

在以往的地質災害調查與評價中，調查機構或人員關注較多的地質災害發生的規模，而對地質災害發生、擴展的活動強度問題，目前還沒得到足夠的重視。眾所周知，相同規模體積的災害體在不同的運動速度、運移距離下，影響的范圍和產生的危害必然不同。因此，在地質災害調查評價中，有必要將地質災害活動的強度問題考慮其中。

地質災害的活動強度，其物理學的基本定義是指地質災害事件發生過程中釋放的能量大小[1]。此前有學者對區域地質災害活動強度快速分析評價的基本原理進行有益的探討[2-10]，指出區域群發地質災害活動強度的指標主要包括數量、頻率、體積、點密度、面密度、速度、距離等，從其含義上分析，區域群發地質災害活動強度主要包括活動的頻率(數量)、規模和運動速度，嚴格意義上是活動頻率、規模和速度的乘積。但由于在實際測量中很難逐一測定群發滑坡的體積和速度，于是建議在區域群發性地質災害快速分析評估過程中，用地質災害分布的面密度，特別是最大面密度(極限面密度)表示區域地質災害活動的強度[1]。然而，用面密度表示的地質災害強度依然是災害數量的統計表示，不能反映災害的規模特征和運動特征。

筆者從地質災害活動強度的定義出發，參考地震評估時采用地震釋放的能量評定震級大小的方法，采用能量的觀點，以地質災害釋放的能量作為強度評估的依據，詮釋地質災害的活動強度，以期建立滑坡活動強度與能量的關系。

1 滑坡災害的活動強度評估方法

地震誘發的群發性地質災害往往點多面廣、類型多樣，最常見的為崩塌、滑坡和泥石流三種地質災害。筆者主要討論地震誘發的滑坡地質災害的活動強度，希望能起到拋磚引玉的作用，以促進地質災害的強度評估理論發展。

1.1 能量法滑坡強度評估的原理

滑坡釋放的能量是指從滑坡失穩破壞到堆積穩定這一階段所釋放的能量，該能量由兩部分組成：地震波對滑坡體輸入的能量，及滑坡體下滑的勢能。后一種能量可由E=γVH測得，其中γ為滑坡物質的重度(N/m3)，V為滑坡體積(m3)，H為滑坡體重心在滑動前后的垂直運動高度。然而，地震對坡體輸入的能量目前還無法準確的測得，坡體失穩破壞的地震最小加速度即臨界加速度目前還有待研究，失穩破壞之前地震波對坡體輸入的能量亦是無法測得。因此，需要從另外一個方面考慮能量的計算。

滑坡體從獲得地震輸入的能量啟動，到最終堆積穩定，地震力和重力對坡體做正功，系統最終穩定下來，一定有一種力做負功，這種力即為摩擦力。摩擦力是一種耗散力，是非保守力的一種。耗散力是指對系統或物體做負功，而使之總機械能減少的力，耗散力做功與力使物體經過的路程有關。前面提到，摩擦力是非保守力的一種，而非保守力有一個特點：物體在有非保守力作用時，其動能和勢能之和(機械能)不再守恒。滑坡在地震作用下失穩破壞到最終堆積穩定，不僅存在機械能，還包括地震能量，因此，單純從機械能的轉化來度量地質災害釋放的能量是欠妥當的。

滑坡地質災害釋放能量的過程，可以分為3個階段：第1階段為地震輸入能量在巖土體中積累形成變形能，當達到一定程度后開始沿某一方向釋放變形能，當釋放的能量超過巖體破裂所需的能量時，巖體發生破壞直至剪斷巖土體形成滑動面的，釋放的能量主要用于剪斷巖土體〔圖1(a)〕；第2階段為滑坡體沿滑動面剪切破壞，直至完全剪出，釋放的能量主要用于克服抗滑力所做的功〔圖1(b)〕；第3個階段為滑坡體在斜坡表面滑動直至堆積停止，釋放的能量主要用于克服斜坡體表面的摩擦力所做的功〔圖1(c)〕。

圖1 滑坡災害釋放能量過程示意Fig.1 Process of releasing energy in landslide disaster

滑坡釋放能量的3個階段，對應著不同的滑坡破壞形態。坡體在地震輸入能量后，首先進行第1階段，在第1階段能量耗散到不足以進行到第2階段，則坡體破壞的結果是形成不穩定斜坡；能量能夠維持到第2階段，卻不足以支持第3階段，則斜坡破壞的結果為常見的滑坡；能量能夠維持到第3階段，則破壞的結果為遠距離滑坡。

1.2 滑坡災害強度評估方法

1)第1階段釋放能量。根據巖石強度的能量理論，巖石單位體積內所能儲存的變形能是一常量，與應力狀態無關，變形能一旦超過這一常量，材料即發生破壞。在地震波作用下，巖體逐漸儲存變形能，當地震作用的能量超過巖體的變形能后，巖體發生第1階段破壞，并逐漸釋放變形所吸收的能量。此時巖體釋放的能量為：

(1)

式中:E1為第1階段釋放的能量；σ為水平方向應力；E0為巖體的彈性模量，一般取變形模量；V為滑坡體體積。

2)第2階段釋放能量。巖土體在剪斷貫通后，沿滑面在重力及地震力作用下克服抗滑力下滑，所受的摩擦力與抗滑力大小相同，摩擦力做功消耗的能量為：

E2=(Wcosα-Qsinα)tanφ×l+cl2

(2)

式中：E2為第2階段釋放的能量；W為坡體自重及上覆荷載之和；Q為地震力，Q=ξW(ξ為地震水平系數，結合《地質災害防治工程勘察規范》的規定，巖質滑坡取0.05，土質滑坡取0.012 5)；α為滑坡體滑面傾角；φ為滑面內摩擦角；c為滑面黏聚力；l為滑面長度。

3)第3階段釋放的能量。滑坡體剪出后沿著斜坡表面繼續向下滑動，最終堆積穩定。滑坡體的下滑力來源于坡體自重及上覆荷載沿坡面的分力，抗滑力(摩擦力)則由法向分力及摩擦系數決定，釋放的能量為：

E3=μWcosθ×S

(3)

式中：E3為第3階段釋放的能量；μ為坡體表面的摩擦系數；θ為滑坡總斜率，是滑坡運動前最高點與運動后最遠點連線的斜率；S為滑坡運動斜長；其它符號同前。

4)釋放的總能量。地震誘發的地質災害強度以釋放的能量作為度量，而釋放的總能量為上述三個階段之和，則滑坡災害的活動強度表示為：

E=E1+E2+E3

(4)

當然，對于地震誘發的群發性滑坡地質災害來說，每個單體災害達到的破壞階段不同，則相應的能量計算應區別對待。對于只達到前兩個階段的滑坡，計算時也只能計算到前兩種能量；而原本已經存在的滑坡在地震作用下加劇，則計算時可能取后兩個階段。

2 實例分析

2012-9-7T11:19，云南省昭通市彝良縣、貴州省畢節市威寧彝族回族苗族自治縣交界地區(東經104.0°，北緯27.5°)發生5.7級地震，震源深度14 km，12:16再次發生5.6級地震，震源深度10 km。地震誘發和加劇地質災害隱患197處，趙家丫口滑坡即為其中的一處。該滑坡位于赫章縣財神鎮中田壩村趙家丫口，滑坡縱長250 m，寬約150 m，坡體厚度約2～5 m，體積約112 500 m3，主滑方向280°，滑坡后緣斜坡15～20 m范圍發生變形開裂，并形成11～80 cm高度的錯落坎，裂縫寬4～10 cm，延伸長度3～5 m，可視深度10～20 cm。滑坡處于侵蝕中山斜坡地帶，斜坡坡向280°，坡度30～50°，出露三疊系下統飛仙關組砂巖及泥巖，產狀145°∠22°。巖體節理裂隙發育，巖體破碎，為順層基巖滑坡(圖2)。

圖2 趙家丫口滑坡剖面Fig.2 Cutaway view of Zhaojia Yakou landslide

根據滑坡的特征，巖體容重取23 kN/m3，泊松比取值0.17，砂巖的彈性模量取2.7×104MPa，內摩擦角35°，黏聚力52 kPa，坡體表面摩擦系數取0.45，計算得到E1=375.896×103kJ，E2=16.611×103kJ，E3=222.991×103kJ，則趙家丫口滑坡釋放的總能量E=615.498×103kJ。

通過上述計算方法，可逐一計算出一次地震誘發和加劇的所有滑坡災害釋放的能量，可對個體災害點進行對比分析，也可對不同地震誘發的滑坡災害進行總量對比分析。

3 結 論

1)地質災害的活動強度評估在地質災害調查與評價中具有重要的意義，尤其對地震誘發的群發性地質災害，可直觀地對比不同地震誘發的地質災害的活動強度大小。從能量的角度考慮地質災害的活動強度，已經越來越受到關注與重視。

2)從能量的角度考慮滑坡災害的活動強度，可分為3個階段：第1階段地震輸入能量在巖土體中積累形成變形能，超過巖體破裂所需的能量時，巖體發生破壞并釋放變形能；第2階段滑坡體在地震力和重力的作用下沿滑面下滑，克服抗滑力釋放能量；第3階段滑坡體在重力作用下在斜坡表面下滑，克服摩擦力釋放能量，最終堆積穩定。

3)采用地震滑坡實例，對能量法評估地質災害的強度進行了初步應用，取得了一定成果。但該方法仍存在許多需完善的地方，評估結果的級別劃分還需大量的實例來界定，許多參數還有待規范。相信隨著能量的觀點在地質災害領域的推廣，以及地質災害強度評估的發展，這些問題將會迎刃而解。

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