唐家山滑坡变形运动机制的离散元模拟

第30卷 增1 岩石力学与工程学报 Vol.30 Supp.1

2011年5月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May，2011

收稿日期：2010–06–09；修回日期：2010–06–30 基金项目：国家自然科学基金资助项目(40902059)；中国地质科学院地质力学研究所基本科研业务费项目(DZLXJK200906)；《科技导报》博士生创新研究资助计划(kjdb200902–5) 作者简介：曹琰波(1982–)，男，2001年毕业于西北大学地质系工程地质专业，现为博士研究生，主要从事地质灾害数值模拟方面的研究工作。E-mail：yanboc@163.com

唐家山滑坡变形运动机制的离散元模拟 曹琰波1，戴福初1，许 冲1，涂新斌1，闵 弘2，崔芳鹏3 (1. 中国科学院 地质与地球物理研究所，北京 100029；2. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室， 湖北 武汉 430071；3. 中国矿业大学，北京 100083)

摘要：地震是滑坡灾害的一个重要触发因素，而这类形式的滑坡通常危害较大。以汶川地震触发的唐家山滑坡为例，在野外现场调查基础上，采用离散元数值模拟技术，对滑坡由变形累积到破坏滑动的全过程进行模拟，以研究地震作用下顺层岩质滑坡的变形破坏过程。结果表明：在地震力及滑体重力作用下，坡顶首先形成应力集中，滑体沿中后部的软弱面产生蠕变变形，随着持续的地震动力输入，应力不断向中前部的锁固段集中，使得变形沿接触面不断向坡脚方向扩展，最终从坡脚剪出，破裂面贯通形成滑带；通过滑动过程模拟表明，唐家山滑坡运动模式为：启动→高速滑动→碰撞停积→自稳过程，滑坡滑动过程中，斜坡表层部分块体在地震水平力作用下发生临空抛射现象，表层岩体在滑动过程中，受地震竖向作用力而发生垂直抛落现象；地震力作用下坡体中质点加速度、速度具有高程放大效应，表现为水平加速度放大系数大于竖向加速度放大系数、水平速度放大系数大于竖向速度放大系数，对比结构面监测点和基岩监测点加速度、速度放大系数，表明滑坡启动时具有较大的加速度，也说明不连续结构面对岩质边坡的动力反应起着控制性作用。 关键词：边坡工程；唐家山滑坡；顺层岩质滑坡；变形运动机制；离散元数值模拟 中图分类号：P 642 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2011)增1–2878–10

DISCRETE ELEMENT SIMULATION OF DEFORMATION AND MOVEMENT MECHANISM FOR TANGJIASHAN LANDSLIDE

CAO Yanbo1，DAI Fuchu1，XU Chong1，TU Xinbin1，MIN Hong2，CUI Fangpeng3 (1. Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China；2. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan，Hubei 430071，China；3. China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China)

Abstract：Earthquake is considered as one of the main factors of the generation of a landslide which always causes severe disasters. Taking Tangjiashan landslide，a typical bedding rockslide triggered by the Ms 8.0 Wenchuan earthquake，as the study site，and discrete element numerical simulation is carried out to simulate the initial and subsequent movement of the rockslide. It is found that under seismic loading，stress concentration occurred first at the top of the slope and then expanded from the top towards the toe along the sliding plane，sheared out from the toe in the end and resulting in failure of the slope. The simulation of the subsequent movement of the slope shows that the movement mode of Tangjiashan landslide is starting-up→high-speed sliding→colliding down→self-stabilizing. It also shows that some blocks of the surface exhibit horizontal throwing and vertical jumping 第30卷 增1 曹琰波等：唐家山滑坡变形运动机制的离散元模拟 • 2879 • under seismic loading. Topographic amplification effects are also observed from both acceleration and velocity of the monitoring points of the slope，indicating that the amplification factor of horizontal acceleration exceeds that of vertical acceleration，and the amplification factor of horizontal velocity exceeds that of vertical velocity. By contrasting the amplification effect of structural plane and the underlying bedrock，it is found that there was a high acceleration when the landslide was at the stage of starting-up，and it also shows that the existence of persistent structural plane plays a controlling role in the dynamic response of the rock slope. Key words：slope engineering；Tangjishan landslide；subsequent movement of the rockslide；deformation and movement mechanism；discrete element numerical simulation

1 引 言 2008年5月12日汶川8.0级地震发生后，许多学者对地震滑坡开展了大量研究，在数值模拟方面取得了一些可喜的成果，如王来贵等[1]基于概化的滑坡模型进行了强震诱发单一弱面斜坡塌滑有限元模拟；冯文凯等[2]结合汶川地震造成的斜坡震裂变形破坏现象，通过有限元与相似材料模型研究了地震滑坡在振动条件下的破坏失稳机制；唐春安等[3]应用RFPA模拟了滑坡在地震动作用下的浅层碎裂与抛射模式；郑颖人等[4]采用FLAC动力强度折减法对地震边坡破坏机制进行数值分析；毕忠伟等[5]以印度Koyna地震为输入动荷载，利用ABAQUS软件建立了均质土坡动力数值分析模型，分析了地震作用下边坡的动力响应规律；佟海宁和姚令侃[6]运用动力有限差分数值分析法对松散堆积体边坡地震成灾模式与防治对策进行了研究；薄景山等[7]利用ADINA有限元分析软件对汶川地震中汉源烈度异常原因进行了初步分析；杨庆华等[8]应用基于离散单元法理论的二维颗粒流数值模拟程序进行了地震作用下松散堆积体崩塌的颗粒流数值模拟。 以上研究的数值方法大都基于有限元和有限差分法，都适合采用连续介质作为出发点，往往受制于小变形假设，对于含有众多不连续面的岩质边坡大变形动力分析具有一定的局限性。离散单元法[9-10]基本特征在于允许有限位移和各离散块体发生平动、转动、甚至相互分离，因此离散单元法在求解岩体这类不连续介质的问题中弥补了有限单元法和有限差分法的某些不足。本文以唐家山顺层岩质边坡为例，采用什邡八角镇地震加速度作为地震动参数，运用离散元软件UDEC对地震动力条件下斜坡变形破坏及运动机制进行初步分析研究。 2 唐家山滑坡概况 唐家山滑坡在区域构造上处于龙门山中央断裂带北川－映秀段西北约2.5 km，唐家山堰塞体位于龙门山中央断裂带上盘，龙门山后山断裂距该区以北20～30 km[11](见图1)，位于北川县城上游约4.6

km的通口河中游右岸(见图2)。

图1 唐家山滑坡与断裂位置关系 Fig.1 Location relationship between Tangjiashan landslide and fractures

图2 唐家山滑坡三维遥感影像 Fig.2 Three-dimensional remote sensing photos of Tangjishan landslide

通口河 滑坡坝 滑坡源区

104°105°103°32°

31°104°105°103°

32°31°绵竹 德阳 什邡 彭州都江堰

茂县汶川

北川 江油

平武 青川F5F2

F3 F1

F4汶川地震

走滑型地表破裂逆冲型地表破裂逆冲断层 走滑断层 隐伏断层 0 50 km

唐家山滑坡位置 5 766 m4 000 m2 000 m409 m