基于強度折減理論的西南某庫岸滑坡穩(wěn)定性FLAC3D分析

李勤光

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

滑坡災(zāi)害是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害,具有不可避免性的特點,但采用防災(zāi)減災(zāi)措施,可以最大限度地降低災(zāi)害損失。制定防災(zāi)減災(zāi)措施前,需首先對滑坡的穩(wěn)定性進行相關(guān)分析。關(guān)于滑坡穩(wěn)定性分析方法,自弗倫紐斯提出圓弧滑動法以來,已經(jīng)出現(xiàn)了包括極限平衡法、數(shù)值模擬方法等多種方法。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,采用包括有限元法、有限差分法在內(nèi)的數(shù)值模擬方法分析邊坡穩(wěn)定性已被廣泛應(yīng)用。

西南某庫岸滑坡位于我國西南某省一新縣城建設(shè)規(guī)劃區(qū),滑坡體上將進行新縣城的部分建設(shè)工作。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)資料、庫岸滑坡影響因素調(diào)查,基于強度折減理論,運用FLAC3D數(shù)值分析工具,對自然狀態(tài)和蓄水狀態(tài)下的滑坡穩(wěn)定性進行綜合穩(wěn)定性分析。

1 滑坡區(qū)工程地質(zhì)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(qū)大渡河側(cè)坡度較陡,平均坡度為40°～50°,最陡段坡度達(dá)到60°,流沙河側(cè)坡度相對平緩,坡度一般為10°～25°。場地區(qū)沖溝較發(fā)育,沖溝規(guī)模多較小。

地層主要有第四系全新統(tǒng)人工堆積層(Q4ml)、全新統(tǒng)殘坡積層(Q4el+dl)、全新統(tǒng)滑坡堆積層(Q4del)等松散層,奧陶系下統(tǒng)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(tǒng)滑坡堆積層(Q4del)構(gòu)成,成分主要為耕植土、粉質(zhì)黏土、塊石土、角礫土等組成。

研究區(qū)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(qū)內(nèi)沖溝較發(fā)育,平時多為干溝,僅雨季有季節(jié)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(wěn)定性分析

2.1 計算模型

本文基于圖1所示的三個地質(zhì)模型建立三維的數(shù)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(yīng)力作用,暫不考慮構(gòu)造應(yīng)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(jié)點,12 336個單元。模型中各物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)勘察報告、工程地質(zhì)類比及參考相關(guān)規(guī)范手冊最終確定,如表1所示。

圖1 場區(qū)地質(zhì)模型

圖2 FLAC3D數(shù)值計算模型

巖土類型黏聚力C/kPa內(nèi)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(fēng)化砂巖10026595.2E106409.8E1060.222400軟弱面-14515525E106242.3E1060.32200中風(fēng)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(xiàn)場出現(xiàn)許多高大的陡坎。這些陡坎在進行整體邊坡穩(wěn)定性強度折減運算時,很容易就出現(xiàn)不收斂及局部剪應(yīng)變增量的貫通,造成計算中斷,從而影響整個邊坡穩(wěn)定性計算的繼續(xù)。為此,本文分兩步計算邊坡的穩(wěn)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(shù)；然后再對陡坎進行治理基礎(chǔ)上進行第二步FLAC3D強度折減運算,計算邊坡整體的穩(wěn)定性。

(1)局部穩(wěn)定性

計算過程從折減系數(shù)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(fā)生破壞為止(圖3～圖10)。從圖3～圖10可以看出,坡體剪應(yīng)變增量(SSI)隨著折減系數(shù)的增加而逐漸增大,而剪應(yīng)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(yīng)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(dāng)折減系數(shù)為1.08時,計算不再收斂,說明當(dāng)折減系數(shù)為1.07時,邊坡局部(陡坎處)剪應(yīng)變增量達(dá)到最大,此時,邊坡局部沿陡坎發(fā)生變形破壞。

圖3 折減系數(shù)為1.00時的SSI

圖4 折減系數(shù)為1.01時的SSI

圖5 折減系數(shù)為1.02時的SSI

圖6 折減系數(shù)為1.03時的SSI

圖7 折減系數(shù)為1.04時的SSI

圖8 折減系數(shù)為1.05時的SSI

圖9 折減系數(shù)為1.06時的SSI

圖10 折減系數(shù)為1.07時的SSI

圖11 折減系數(shù)為1.00時的SSI

(2)整體穩(wěn)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(wěn)定性。同樣,折減計算過程從折減系數(shù)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(yīng)變增量貫通,邊坡整體發(fā)生變形破壞為止。從計算結(jié)果來看,折減系數(shù)在1.0、1.1、1.2、1.3、1.35時,剪應(yīng)變增量逐漸增大,但尚未從坡頂?shù)狡履_貫通,雖然邊坡體內(nèi)部已有部分出現(xiàn)剪切破壞的跡象,但由于剪應(yīng)變增量沒有整體貫通,所以邊坡整體還是處于穩(wěn)定狀態(tài)。但當(dāng)折減系數(shù)為1.36時(如圖12),在邊坡上部剪切破壞的基礎(chǔ)上,滑動面進一步貫通,此時,滑動面已貫穿邊坡上部土體內(nèi),邊坡將沿該滑動面發(fā)生變形破壞。數(shù)值模擬計算在折減系數(shù)為1.4時不再收斂,為此降低折減系數(shù)步長ΔF,計算最終收斂于F=1.36。

圖12 折減系數(shù)為1.36時的SSI

2.3 蓄水狀態(tài)下的穩(wěn)定性計算

水庫正常蓄水后,由于水的物理、化學(xué)作用,將會使岸坡的荷載和岸坡的材料性質(zhì)發(fā)生變化,而這些變化很可能導(dǎo)致岸坡失穩(wěn)以及古滑坡復(fù)活,從而會對縣城建設(shè)、通航、水庫庫容等產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此,本文對正常蓄水條件下邊坡穩(wěn)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(tài)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(tài)下邊坡的穩(wěn)定性模擬和計算。

計算結(jié)果表明,當(dāng)折減系數(shù)為1.04時,計算不再收斂,坡腳剪應(yīng)變增量出現(xiàn)局部貫通現(xiàn)象,邊坡安全系數(shù)降為1.04,說明隨著庫水位升至850 m,坡腳的穩(wěn)定性顯著降低(如圖13、圖14所示)。

圖13 折減系數(shù)為1.00時的SSI

圖14 折減系數(shù)為1.04時的SSI

3 結(jié)論

本文所研究邊坡不僅關(guān)系到水庫的安全運營,還牽涉到當(dāng)?shù)匦驴h城的穩(wěn)定發(fā)展,邊坡破壞后將會給社會、經(jīng)濟和環(huán)境帶來重大影響。因此,根據(jù)相關(guān)規(guī)范《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》，《滑坡防治工程勘查規(guī)范》,其邊坡級別應(yīng)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(shù)應(yīng)達(dá)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(xiàn)變形及破壞的情況,局部處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；而邊坡的整體穩(wěn)定性還是比較好的,傳遞系數(shù)法安全系數(shù)為1.336,FLAC3D強度折減法安全系數(shù)為1.36,滿足規(guī)范要求,整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)庫水位蓄至850 m高度時,邊坡的安全系數(shù)降低至1.04,邊坡欠穩(wěn)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(wěn)。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。

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