紫坪铺水库坝前大型古滑坡体地震响应特征及变形机理研究

摘要

我国是一个滑坡灾害极为频繁的国家，而地震诱发的滑坡由于其发生的集中程度高、分布密度大、斜坡动力条件复杂等特点，从而具有更强的致灾能力。众多学者对地震滑坡进行了研究，但大多针对的是一些热点问题，如高速远程滑坡、高速滑坡碎屑流等动力特征超强的岩质滑坡，而对于古滑坡堆积体这类边坡在地震作用下的失稳机制则缺乏系统的研究。 2008年5月12日，四川省汶川县映秀镇发生里氏8.0级强烈地震，触发了大量的崩塌滑坡地质灾害。但实地调查显示，本次地震触发的大型高速滑坡基本均属之前未曾滑动过的岩质滑坡，而位于地震核心区内原有大型古滑坡体则未见一例发生整体下滑，只是在局部陡缓交界部位存在震动裂缝或发生局部坍滑，这种古滑坡体在强震作用下保持稳定而不发生整体失稳的现象与之前的常规认识存在较大差异，是巧合还是必然？基于此本文以紫坪铺坝前左岸古滑坡堆积体为研究对象，结合现场调查、数值模拟与模型试验研究，系统开展古滑坡体在地震作用下的变形破坏全过程动力响应研究，并在此基础上分析了古滑坡体的整体及局部稳定性，重点阐述古滑坡体在强震作用下的应力分布状况及其变形破坏机理，并探讨了强震作用下堆积体变形破坏的影响因素。论文的主要研究成果如下： （1）在准确获取紫坪铺坝前古滑坡堆积体地形地貌特征的基础上，结合其在汶川地震中的变形监测数据，对其地震变形破坏特征及形成条件进行分析。结果表明：地震使堆积体地表及深部位移-时间曲线呈现突变式增加，上覆堆积层沿基覆界面发生下错，而地表破坏主要集中在灯盏坪前缘区域，主震过后堆积体无明显变形。而堆积体整体平缓的地形、密实的整体结构、平缓的软滑带及地震波的衰减是使堆积体在震时保持了整体稳定的主要因素。 （2）通过运用传统的极限平衡法及GeoStudio软件对不同工况及不同库水位下紫坪铺坝前古滑坡堆积体的各个潜在滑面的稳定性进行了计算分析，结果显示，原始地形堆积体在Ⅸ度地震烈度下整体稳定，不会沿下伏软滑带剪出，整体稳定性系数为1.134。而在堆积体前缘葫豆坪一带下伏软滑带较为陡峭，倾角约22°，从而导致葫豆坪在Ⅸ度地震烈度下稳定性较差，稳定性系数为0.797，同时灯盏坪前缘局部坡度可达35°，其地震下浅表层稳定性较差，稳定系数为0.794；经前缘反压堆载治理后，在Ⅸ度地震烈度下堆积体整体稳定性有所提高，稳定性系数在 1.198～1.273 之间，处于稳定状态。原葫豆坪一带现被压重体覆盖，稳定性系数在 1.289～1.741 之间，处于稳定状态，而灯盏坪前缘陡坡浅表层稳定性系数为0.975，依然处于不稳定状态。 （3）以灯盏坪古滑坡体实际地形为原型，通过室内模型试验，再现了古滑坡体的变形破坏过程，通过不同部位坡体的变形破坏现象及加速度的监测分析了紫坪铺古滑坡堆积体在地震力作用下动力响应规律和破坏的动力过程：坡体不同位置处的加速度显示出明显的“高程放大效应”及“地形放大效应”；不同地形不仅加速度不同，而且破坏形式及破坏程度均有所差异。 （4）运用有限差分软件 FLAC3D 模拟紫坪铺古滑坡堆积体在Ⅸ度地震烈度工况下的变形情况，结果表明地震对边坡剪应力及剪应变分布影响较大，堆积体坡顶及灯盏坪前缘等陡坡部位已经发生了塑性屈服；下伏软化带发生剪应变集中，但剪应变未贯通整个坡体，堆积体不会发生沿基覆界面的失稳。 （5）通过对包含不同基覆界面倾角、不同坡面坡度的堆积体边坡进行振动试验，分析二者对堆积体边坡振动破坏的控制作用，结果表明：边坡初始振动加速度大小分布为：基覆界面＜坡脚＜坡面中部＜坡肩，坡面坡度越大，加速度放大效应越明显。边坡破坏模式可总结为三类：①坡面局部滑塌型：基覆界面倾角小于15°时边坡的变形破坏以坡面局部滑塌为主，堆积体不会沿基覆界面发生整体滑动。②坡面局部滑塌兼整体蠕滑型：基覆界面倾角为 15°～25°时边坡的变形破坏仍以局部滑塌为主，但已出现沿基覆界面的整体微小下错。③整体下滑型：基覆界面倾角大于25°时变形破坏以沿基覆界面整体的下滑为主并辅以下滑体内部的局部滑塌。 （6）采用离散元 PFC2D 模拟了不同地质要素堆积体边坡的变形破坏过程，结果显示：无论边坡是发生整体下滑还是局部滑塌，其后缘破裂面均产生在坡肩张力带内，表现为陡立的张性破裂面；坡角影响的应力集中区是控制边坡滑塌的重要因素，滑塌范围随坡角的增加而增大。

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