基于強度折減理論的西南某庫岸滑坡穩定性FLAC3D分析

李勤光

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

滑坡災害是一種常見的地質災害,具有不可避免性的特點,但采用防災減災措施,可以最大限度地降低災害損失。制定防災減災措施前,需首先對滑坡的穩定性進行相關分析。關于滑坡穩定性分析方法,自弗倫紐斯提出圓弧滑動法以來,已經出現了包括極限平衡法、數值模擬方法等多種方法。隨著計算機技術的發展,采用包括有限元法、有限差分法在內的數值模擬方法分析邊坡穩定性已被廣泛應用。

西南某庫岸滑坡位于我國西南某省一新縣城建設規劃區,滑坡體上將進行新縣城的部分建設工作。根據現場地質資料、庫岸滑坡影響因素調查,基于強度折減理論,運用FLAC3D數值分析工具,對自然狀態和蓄水狀態下的滑坡穩定性進行綜合穩定性分析。

1 滑坡區工程地質條件

該滑坡體地形上總體西高東低,地面高程840～1 115 m,最大相對高差375 m,屬中、低山斜坡地貌。場區大渡河側坡度較陡,平均坡度為40°～50°,最陡段坡度達到60°,流沙河側坡度相對平緩,坡度一般為10°～25°。場地區沖溝較發育,沖溝規模多較小。

地層主要有第四系全新統人工堆積層(Q4ml)、全新統殘坡積層(Q4el+dl)、全新統滑坡堆積層(Q4del)等松散層,奧陶系下統紅石崖組(O3h)基巖地層。基巖為大致北東傾向的單斜巖層。滑坡堆積層主要由第四系全新統滑坡堆積層(Q4del)構成,成分主要為耕植土、粉質黏土、塊石土、角礫土等組成。

研究區的地下水與地表水均貧乏。地表水來源主要靠大氣降水補給,區內沖溝較發育,平時多為干溝,僅雨季有季節性水流。沖溝上段多叉枝狀,下段切割較深而窄,溝床多基巖裸露。

2 基于強度折減的FALC3D穩定性分析

2.1 計算模型

本文基于圖1所示的三個地質模型建立三維的數值計算模型(如圖2)。模型邊界條件為左、右邊界水平方向約束,底部邊界固定約束,上部為自由邊界。計算時,僅考慮自重應力作用,暫不考慮構造應力的影響。兩個水平方向尺寸分別為800 m、1 000 m。模型共有14 127個節點,12 336個單元。模型中各物理力學參數根據勘察報告、工程地質類比及參考相關規范手冊最終確定,如表1所示。

圖1 場區地質模型

圖2 FLAC3D數值計算模型

巖土類型黏聚力C/kPa內摩擦角φ/(°)體積模量K/MPa剪切模量M/MPa泊松比μ容重γ/(N/m3)古滑坡堆積層2413313.3E106188E1060.351890坡積層3321622.2E106207.4E1060.252100強風化砂巖10026595.2E106409.8E1060.222400軟弱面-14515525E106242.3E1060.32200中風化砂巖120030444.4E106333.3E1060.22500基巖150035476.2E106434.8E1060.152800

2.2 計算條件

由于天然力、人類活動及工程開挖等,現場出現許多高大的陡坎。這些陡坎在進行整體邊坡穩定性強度折減運算時,很容易就出現不收斂及局部剪應變增量的貫通,造成計算中斷,從而影響整個邊坡穩定性計算的繼續。為此,本文分兩步計算邊坡的穩定性,首先：進行FLAC3D強度折減運算,計算邊坡在陡坎影響下的局部安全系數；然后再對陡坎進行治理基礎上進行第二步FLAC3D強度折減運算,計算邊坡整體的穩定性。

(1)局部穩定性

計算過程從折減系數為1.00(即F=1.00)開始,然后以每步長為ΔF=0.01遞增,直至邊坡局部發生破壞為止(圖3～圖10)。從圖3～圖10可以看出,坡體剪應變增量(SSI)隨著折減系數的增加而逐漸增大,而剪應變增量較大的地方,最易變形破壞,最可能成為潛在的滑動面；相反,剪應變增量較小或者是基本上沒有什么變化的部位,一般不易變形破壞,也不可能成為潛在的滑動面；且當折減系數為1.08時,計算不再收斂,說明當折減系數為1.07時,邊坡局部(陡坎處)剪應變增量達到最大,此時,邊坡局部沿陡坎發生變形破壞。

圖3 折減系數為1.00時的SSI

圖4 折減系數為1.01時的SSI

圖5 折減系數為1.02時的SSI

圖6 折減系數為1.03時的SSI

圖7 折減系數為1.04時的SSI

圖8 折減系數為1.05時的SSI

圖9 折減系數為1.06時的SSI

圖10 折減系數為1.07時的SSI

圖11 折減系數為1.00時的SSI

(2)整體穩定性

對邊坡局部的陡坎采取一定的措施后,計算整個邊坡的穩定性。同樣,折減計算過程從折減系數為1.0(即F=1.0)開始(如圖11),然后以每步長為ΔF=0.1遞增,直至計算不再收斂,然后降低步長ΔF=0.01遞增,直至邊坡剪應變增量貫通,邊坡整體發生變形破壞為止。從計算結果來看,折減系數在1.0、1.1、1.2、1.3、1.35時,剪應變增量逐漸增大,但尚未從坡頂到坡腳貫通,雖然邊坡體內部已有部分出現剪切破壞的跡象,但由于剪應變增量沒有整體貫通,所以邊坡整體還是處于穩定狀態。但當折減系數為1.36時(如圖12),在邊坡上部剪切破壞的基礎上,滑動面進一步貫通,此時,滑動面已貫穿邊坡上部土體內,邊坡將沿該滑動面發生變形破壞。數值模擬計算在折減系數為1.4時不再收斂,為此降低折減系數步長ΔF,計算最終收斂于F=1.36。

圖12 折減系數為1.36時的SSI

2.3 蓄水狀態下的穩定性計算

水庫正常蓄水后,由于水的物理、化學作用,將會使岸坡的荷載和岸坡的材料性質發生變化,而這些變化很可能導致岸坡失穩以及古滑坡復活,從而會對縣城建設、通航、水庫庫容等產生嚴重影響。因此,本文對正常蓄水條件下邊坡穩定性進行了計算分析。

該邊坡地面高程在840～1 115 m之間,而正常蓄水位為850 m。可見,坡腳部分將浸沒在正常水位以下。模擬時，850 m水位面以上邊坡的容重采用天然狀態下的容重,水位面以下部分的容重取有效容重,以此來進行水庫蓄水狀態下邊坡的穩定性模擬和計算。

計算結果表明,當折減系數為1.04時,計算不再收斂,坡腳剪應變增量出現局部貫通現象,邊坡安全系數降為1.04,說明隨著庫水位升至850 m,坡腳的穩定性顯著降低(如圖13、圖14所示)。

圖13 折減系數為1.00時的SSI

圖14 折減系數為1.04時的SSI

3 結論

本文所研究邊坡不僅關系到水庫的安全運營,還牽涉到當地新縣城的穩定發展,邊坡破壞后將會給社會、經濟和環境帶來重大影響。因此,根據相關規范《水利水電工程邊坡設計規范》，《滑坡防治工程勘查規范》,其邊坡級別應屬1級邊坡,也即水庫蓄水正常運營狀況下,其邊坡安全系數應達到1.25以上。

計算表明：天然狀況下,邊坡局部陡坎、陡壁處可能出現變形及破壞的情況,局部處于基本穩定狀態；而邊坡的整體穩定性還是比較好的,傳遞系數法安全系數為1.336,FLAC3D強度折減法安全系數為1.36,滿足規范要求,整體處于穩定狀態。

當庫水位蓄至850 m高度時,邊坡的安全系數降低至1.04,邊坡欠穩定,坡腳在庫水的浸泡、侵蝕等作用下很容易變形破壞,一旦坡腳破壞,在滑坡前緣的拉動下,很可能造成滑坡整體的不穩。因此,為保證水庫的正常運營及新縣城的安全，必須對該邊坡進行切實有效的防治。

參考文獻

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