基于GeoStudio 的黃土滑坡危險性分析

趙宇宸

（西交利物浦大學）

1 研究背景

由于處于多組活動斷裂帶的邊緣及交匯帶附近，西和縣東、西兩山區域經常遭受地震及斷裂活動的影響，地震及斷裂活動造成該區域黃土節理裂隙十分發育，形成水平和垂直縱橫上下交織的裂隙網絡，利于發生滑坡。另外由于當地構造抬升不均勻，使本區第三系泥巖產狀呈一定角度傾斜，黃土后期繼承性形成相應傾斜角度的鈣質隔水層，這些層面往往成為剪切滑面，為滑坡的發生提供了良好的條件。

西和縣城西山東坡中部、西城旅社和縣文化館西側的滑坡是西山滑坡群中規模最大，危害最嚴重的大型活動滑坡，且滑坡下部具備臨空面條件，坡面與構造面傾向一致易于滑坡的發生。由于滑坡體下部是縣城主城區，該滑坡如果再次發生，將會對縣城居民的生命財產安全造成巨大的損害；如果滑坡發生并堵截流經縣城的河流，將可能形成堰塞湖。

基于該滑坡發生的可能性及潛在的嚴重后果，本研究將定量分析計算該滑坡在天然狀態下的穩定性。另外大量調查研究發現，地震是滑坡活動最主要的觸發因素之一，且研究目標滑坡所在地位于強烈隆起的青藏高原東北部及其地殼厚度變異帶上，新構造活動強烈，屬地震多發地區[1]，所以本次研究工作還將就地震作用下的滑坡穩定性進行定量分析計算。

降雨也是滑坡發生的主要觸發因素，由降雨誘發的滑坡稱為降雨型滑坡[2]，本研究中目標滑坡所在地屬中溫帶大陸性氣候，降水少，年均降水量327mm，極少遇到短時強降雨，故本研究不考慮降雨對該滑坡穩定性的影響。另外大量研究表明，多項滑坡觸發因素耦合的概率極低[3]，故本研究也不考慮多項滑坡觸發因素耦合對目標滑坡穩定性的影響。

2 滑坡工程地質特征

2.1 滑坡平面特征

目標滑坡長869m，平均寬310m，總面積0.27km2，平均厚度24m，體積約640×104m3，屬厚層大型滑坡。滑坡后緣標高為1734m，前緣標高為1550m，相對高差184m。主滑方向為NE70，沿主滑方向地面縱坡降為11°。滑面平均傾角為14°，前緣翹4°～5°。目標滑坡主滑面剖面圖見圖1。

2.2 地層巖性

1）滑坡體性狀

屬黃土（黃土狀粉土，呈黃褐色），土質較為均勻，有少量鈣質粉末在其中出現，滑坡體土層結構較為松散， 可塑。

2）滑帶性狀

該滑坡接觸面由上方粉質粘土和下方泥巖接觸而形成，由粉質粘土和泥巖顆粒構成主要的滑帶物質。

圖1 目標滑坡主滑剖面圖

3）滑床性狀

砂質泥巖、粘土巖，為新第三系（N2）泥巖，呈青灰色。其垂直節理較為發育，在遇水時易膨脹、軟化，在風化后呈碎片狀。產狀在西山為35°～80°∠10°～40°；在周圍山體侵蝕較深的部位較為多見。

3 分析方法

3.1 天然狀態

為了分析研究天然狀態下目標滑坡的穩定性，本研究將采用GEOSTUDIO軟件中SLOPE/W 模塊對其進行穩定性分析，不考慮地下水對該滑坡穩定性的影響。分析原理采用極限平衡法，極限平衡法包括瑞典條分法、BISHOP 法、JANBU 法、MORGENSTERN-PRICE 法等，后者能更精確地建立有效應力形式的力平衡和力矩平衡表達式，是目前應用最為廣泛的土坡穩定性分析嚴格法[4]，故本研究采用MORGENSTERN-PRICE法。在建立模型時，首先要繪制模型的輪廓圖，這需要根據滑坡體平面特征確定特征點的平面坐標，軟件會通過輸入的平面坐標自動形成閉合圖形，這個閉合圖形便為該滑坡模型的輪廓圖。在輪廓圖繪制完成后，根據目標滑坡的滑坡體、滑帶、滑床各自的平面特征及地層巖性，通過坐標輸入將滑坡輪廓圖分割成三個不同的材料區域，即滑坡體黃土狀粉土、滑帶泥巖、滑床泥巖，并對這三個材料區域進行賦值，需要輸入的巖土力學參數有天然重度、粘聚強度、摩擦角等，本研究根據甲級資質勘察單位對當地編制的巖土資料選取所需的巖土力學參數。在完成目標滑坡模型繪制和巖土力學參數設置后，就可以對該滑坡模型進行計算求解，從而得到該滑坡最危險的滑動面位置及其對應的安全系數。安全系數是指滑動面上的抗滑力與滑動力之比[5]，是評價滑坡穩定性最重要的指標。若安全系數大于1 則表明該滑坡處于穩定狀態，數值越大發生滑移的可能性越小；若安全系數小于1 則表明該滑坡不穩定，數值越小發生滑移的可能性越大。

3.2 地震作用

由于在GEOSTUDIO 軟件中同一幾何模型可以在不同分析模塊中互相導出及導入，故將在SLOPE/W 模塊中建立的滑坡模型導入QUAKE/W 模塊，導入后的滑坡輪廓圖和劃分的材料區域仍然可以沿用，但是材料需要重新賦值。因為，在動力響應分析中所需的巖土力學參數發生了變化，需要重新輸入天然重度、泊松比、阻尼比等，天然重度根據甲級資質勘察單位對當地編制的巖土資料選取，泊松比和阻尼比根據經驗取值。完成上述工作后，此時的滑坡模型便是QUAKE/W 模塊中的初始應力模型。

為了分析研究地震作用下目標滑坡的穩定性，需要對該滑坡模型輸入動力荷載。而動力荷載通常通過質量乘以地震加速度的方式來描述。查閱西和縣西山滑坡群150km 范圍內的潛在震源區，其中有3 個8.0 級潛源，12 個7.5 級潛源，10 個7.0 級潛源。根據蘭州地區震級與震中烈度及峰值加速度的對應關系，分別輸入地震動峰值加速度為0.11g（7 度）、0.34g（8 度）、0.58g（9 度）的地震動記錄，持續時間均為40s。完成地震動記錄輸入后，使用QUAKE/W 模塊對該滑坡模型在上述三種不同的地震動記錄作用下進行動力有限元分析。

動力有限元分析的邊界處理：對模型基巖處底部邊界施加水平和豎向約束；對模型兩側施加豎向約束；模型頂部邊界水平、豎向均自由。

將滑坡模型在三種不同地震動記錄下最后一秒（40s）的動力有限元分析結果分別導入SLOPE/W 模塊并進行求解從而得到對應的安全系數，分析計算設置與天然狀態下滑坡穩定性的分析計算設置相同。

4 計算結果分析

4.1 天然狀態

目標滑坡分析模型如圖2 所示。

計算參數如表1 所示。所需的參數有天然重度、黏聚強度、摩擦角。

圖2 目標滑坡分析計算模型

表1 目標滑坡分析計算所需的巖土力學參數

根據軟件分析計算結果，目標滑坡有兩處最危險滑面，最危險滑面1 處于坡體中上部，該滑面安全系數為2.161；最危險滑面2 的安全系數為1.993，滑面較為平直，基本沿著基巖面。

4.2 地震作用

計算參數如表1 所示。所需的參數有天然重度、阻尼比、泊松比。

根據軟件分析計算結果，最危險滑面1 在7 度、8 度、9 度地震作用下的安全系數分別為1.599、0.940、0.720；最危險滑面2 在7 度、8 度、9 度地震作用下的安全系數分別為1.517、0.946、0.826。

5 結語

①目標滑坡有兩個最危險滑面，滑面1 在天然狀態下的穩定系數為2.161；滑面2 在天然狀態下的穩定系數為1.993。滑坡在天然狀態下較為穩定。

②目標滑坡在7 度地震作用時仍然保持穩定，8 度及9 度地震作用下處于不穩定狀態，在強震作用下坡體發生滑動的可能性極大。