地震诱发滑坡稳定性分析及监测预警方法研究*

陶志刚 曹 辉 秦秀山 刘光生 于世波

(1.北京矿冶研究总院;2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室)

2008年5月12日，四川省汶川8.0级地震发生于青藏高原东缘的龙门山断裂带。龙门山断裂带主要由汶川—茂汶、北川—映秀、安县—灌县平行断裂构成，主震发生在其中央断裂［1］，属于单向破裂，余震在3条断裂上皆有发生，由SW向NE方向推移。次生灾害沿破裂带及两侧密集分布，并随着距破裂带的距离增大而急剧减少［2］。

陕西广坪镇距离汶川震中的直线距离约140 km，地震发生时该地区震感强烈，大部分房屋开裂、倒塌。受地震、降雨等因素的综合影响，凤凰山坡体上出现多处与边坡走向一致的裂缝，局部出现蠕变、滑塌等险情，威胁坡下凤凰街37户150人的生命安全。

1 基本特征与影响因素分析

1.1 基本特征

凤凰山西临广坪河，东侧和南侧为曹家沟，北侧以断层谷与主山体相隔，为相对独立的低山。山体呈EW向展布，山脊高程640～680 m，最高点高程683 m，坡脚高程603～605 m，相对高差40～80 m。平面形态呈曲线形，坡向为128°～165°［3］。该地区的裂缝发育特征如图1所示，挡土墙变形情况如图2所示。

图1 裂缝发育特征

图2 挡土墙变形

从现场调查情况看，山体南坡发生过错动，即紧邻凤凰街坡体，其坡面较缓，坡度上部25°～40°，下部10°～25°。坡体后缘出现多条沿着边坡走向的张裂缝，裂缝长约140 m，宽约1.2 m，深度不详，内充填第四系黏土、碎石和杂草。且受地震波的扰动，坡面表层第四系黏土结构松散，大小裂缝贯穿其中。坡脚处居民后院挡墙沿着滑动方向产生变形外凸，确定为滑坡剪出舌部推挤所致。滑坡和裂缝产生后，由于暴雨频发，当地政府和居民临时利用防水帆布对裂缝和坡面进行掩盖，避免雨水入渗加剧滑坡的发生。

1.2 地层岩性与地质构造

(1)地层岩性。根据勘察资料，滑坡区域地层主要由中上元古界和第四系组成，详见表1所示。

表1 地层岩性统计表

(2)地质构造。凤凰山滑坡位于区域大断裂金山寺—广坪—阳平关断裂的上盘和断裂带。金山寺—广坪—阳平关断裂为区域性逆断层，断层上盘岩性为中上元古界口群(Pt2－3bk)浅灰绿色细碧质凝灰岩。下盘为志留系黄绿色绢云千枚岩、板岩、变质砂岩。

1.3 滑坡特征及成因分析

根据现场调研，凤凰山滑坡周界呈圆弧形，滑体平面呈舌状，近南北向展布。滑坡后缘沿山脊延伸，西边界为坡体边缘，东边界以冲沟为界，前缘呈弧形沿河谷分布。滑体南北向100～150 m，东西宽380 m，坡向128°～165°。滑坡后缘高程640～660 m，前缘高程603～604 m，高差40～60 m，如图3所示。

图3 滑坡体平面

根据调查，1970年以前，滑坡前缘位于公路以南。由于移民搬迁建房、修路，滑体前部已挖掉40～60 cm，现今滑坡前缘多为人工切坡陡坎，并修建挡墙支护。坎高6～10 m，挡墙支护长度约220 m。凤凰山滑坡体的形成，由内外两种因素控制。

(1)内在因素。①地形特征:滑坡区为斜坡地形，前后缘高差30～40 m;②岩性特征:边坡岩土体以粉质黏土为主，渗透性差，不利于雨水和地下水的渗出。

(2)外在因素。①降水:当地属北亚热带热带暖湿气候，年降水量960～1 600 mm。降水使滑体容重增加，降低滑带土的抗剪强度;②人类工程活动:当地公路及居民房屋建设过度开挖坡脚，形成高陡临空面，破坏岩体原始应力状态;③地震:汶川地震产生震动响应，促使滑坡体产生多处裂缝，坡体下错，岩土体松散。

1.4 地震动参数

根据GB 18306—2001，凤凰山滑坡区地震动峰值加速度为0.15g，地震基本烈度VII度。

2 边坡稳定性计算

凤凰山滑坡体以第四系滑坡为主，因此本次计算采用Geo－slope软件中的SLOPE/W模块，SLOPE/W可以对滑移面形状改变、孔隙水压力状况、土体性质、不同的加载方式等岩土工程问题进行分析。

2.1 模型建立

根据现场实测地形及简化工程地质剖面(如图4所示)，结合边坡的实际状况和破坏特征，对现实边坡进行适当的概化，建立了凤凰山滑坡体稳定性计算模型。

图4 工程地质剖面

2.2 参数设置

凤凰山边坡稳定性计算参数，如表2所示。

表2 参数设置

2.3 动力条件

由于距离震源点的距离和位置的不同，地震波到达时通常以一定的角度入射，坡体的动力响应过程是纵横波耦合作用的结果［4］，造成相同震源距情况下两者达到的时间存在先后关系。因此，地震对边坡的稳态影响具有很多不确定性。为了简化计算，本次考虑纵横波耦合作用，假设地震发生后其能量主要通过纵波和横波形式传播，并以一定角度作用于边坡。

汶川地震震源深度约14 km，研究区距离震源深度水平距离140 km，纵波传播波速Vp=6 km/s，横波传播速度Vs=3.5 km/s，可计算出震动开始之初，纵波先期到达边坡，约16.75 s后横波达到，因此凤凰山边坡是在纵波横波共同的拉压和剪切作用下发生的耦合变形破坏。

2.4 计算结果及分析

根据凤凰山滑坡体实际工程地质条件、降雨和坡体正常含水量特征，运用SLOPE计算软件计算出地震前后边坡的安全系数，从而判断地震动力响应对边坡稳态的影响机制。

(1)无地震力作用下边坡的稳态分析。当不考虑地震力作用，通过数值计算，确定边坡的安全系数为Fs=1.177，属于相对稳定边坡，计算断面如图5所示。

图5 无地震力影响的边坡稳定性分析

(2)有地震力作用下边坡的稳态分析。当充分考虑纵横波联合作用力对边坡稳态的影响，通过数值计算，确定边坡的安全系数为Fs=0.985＜1，属于不稳定边坡，计算断面如图6所示。

图6 考虑地震力影响的边坡稳定性分析

分析结果显示，凤凰山在自然条件下处于临界稳定状态，当受到地震、人工开挖扰动等外界动力条件的影响下，安全系数Fs＜1，处于不稳定状态，安全系数降低16.3%。因此为了确保下方人员和房屋的安全，必须采取有效的防震措施，并且加强边坡动态监测。

3 滑坡监测点设计方案

3.1 监测原理

以滑动力大于抗剪强度是滑坡产生的充要条件作为滑坡体滑动的主要判据，提出滑动面上抗滑力和下滑力之间的平衡关系是滑坡体内各种因素包括岩性、构造、位移、岩层倾斜、地下水水位变化以及降雨共同作用的结果，决定了边坡稳定状态［5-6］。

3.2 监测设备

地震作用条件下凤凰山滑坡体稳定性监测采用中国矿业大学(北京)自主研发的SPRM－01型滑坡远程监测预警系统，该系统是一种测量滑动面上下滑力演变特征的监测仪器，由3部分组成:①力学传感装置由恒阻通信缆索和作用力传感器组成;②作用力信号采集－发射装置是整个系统的核心部分，设备内嵌数据采集模块、储存模块、发射模块和电源管理模块;③数据接收－分析终端，由基于北斗卫星通讯平台，根据力学模型开发了数据自动接收和处理软件。

3.3 监测点布置方案

2008年8月，在凤凰山滑坡体上共设计并安装3个滑动力监测点，监测点间隔20 m(如图7所示)，编号由坡脚到坡顶顺次编号:“广坪1”、“广坪2”和“广坪3”。

图7 凤凰山滑坡体监测点分布

3.4 监测结果与分析

凤凰山滑坡监测预警系统于2008年9月1日正式投入运行，数据采集频率设定为24条/d。经过近25个月的现场监测，共采集到5.4万条监测数据。监测结果如图8所示。

通过对监测数据进行后期处理，发现广坪3个监测点总体上处于平稳状态，滑动力随时间没有发生突变现象。监测曲线显示凤凰山岩土体内部应力达到新的平衡，3个监测点下滑力分别保持在150、190和280 kN，潜在滑动面上的下滑力随时间变化趋势平稳，具有丰富的安全储备，滑坡体处于稳定状态。

图8 广坪监测曲线

4 结论

(1)凤凰山第四系边坡在强烈的震动效应和显著地形放大效应的作用下，致使第四系坡体震裂、松弛，局部区域解体破坏。

(2)地震波的输入对第四系边坡的稳定性影响显著，随着水平地震系数的引入，边坡岩体稳定性系数明显下降。因此，在边坡稳态分析过程中，要充分考虑地震动效应的影响。

(3)凤凰山滑坡体目前处于稳定状态，但是通过SLOPE数值模拟计算发现，当边坡遇到地震等扰动后，这类型的边坡岩体强度会立刻降低，因此，建议开展刷坡、喷锚、挡墙加固、挂网、截排水沟等治理措施，避免潜在滑坡隐患。

［1］ 唐益群，吕西林，李建中，等.地震引发青川县地区主要地质灾害浅析［J］.结构工程师，2008，24(3):20-23.

［2］ 崔 鹏，韦方强，陈晓清，等.汶川地震次生山地灾害及其减灾对策［J］.科技赈灾，2008，23(4):317-323.

［3］ 董瑞朝，陈孝刚，陶志刚.陕西凤凰山滑坡体稳定性评价及敏感性分析［J］.地下空间与工程学报，2012，8(S2):1737-1742.

［4］ 殷鑫铭，刘云鹏，王 锐.地震波作用下崩塌影响因素及破坏机制分析［J］.工程地质学报，2012，2(2):213-221.

［5］ 陶志刚，何满潮，张 斌.地震作用条件下滑坡体远程监测预警技术研究［C］∥第十一次全国岩石力学与工程学术大会论文集.北京:中国岩石力学与工程学会，2010:206-211.

［6］ 陶志刚，张永军，张 辉，等.某矿山小区边坡稳定性评价及影响因素敏感性分析［J］.金属矿山，2012，(3):141-144.