FLAC3D數(shù)值模擬在滑坡變形機(jī)制中的應(yīng)用

■于超

（江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局贛西北大隊 江西九江 332000）

FLAC3D數(shù)值模擬在滑坡變形機(jī)制中的應(yīng)用

■于超

（江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局贛西北大隊 江西九江 332000）

滑坡在形成過程中，會產(chǎn)生不同形式和規(guī)模的破壞，以一滑坡為例，運(yùn)用FLAC3D程序?qū)υ摶略谔烊弧⒈┯辍⒌卣馉顟B(tài)下進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過滑坡的塑性變形破壞特征確定滑坡的誘發(fā)因素，進(jìn)而了解滑坡的變形機(jī)制。[關(guān)鍵詞]滑坡數(shù)值模擬變形機(jī)制塑性變形

1 前言

滑坡在形成過程中，巖土體內(nèi)部原有的應(yīng)力狀態(tài)將隨著過程的進(jìn)行而發(fā)生變化，引起應(yīng)力的重分布和應(yīng)力集中等效應(yīng)。滑坡巖土體為適應(yīng)這種新的應(yīng)力狀態(tài)，會發(fā)生不同形式、不同規(guī)模的變形與破壞。人們對滑坡變形失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害的科學(xué)研究，約一個多世紀(jì)的歷史。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和現(xiàn)代力學(xué)、現(xiàn)代數(shù)值分析理論的進(jìn)步，模擬技術(shù)開始廣泛運(yùn)用到地質(zhì)災(zāi)害分析中，進(jìn)一步從內(nèi)部作用過程上揭示邊坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育和滑動面的形成過程[1]。

FLAC（快速拉格郎日差分）淵源于流體動力學(xué)，用于研究每個流體質(zhì)點(diǎn)隨時間變化的情況，即著眼于某一個流體質(zhì)點(diǎn)在不同時刻的運(yùn)動軌跡、速度及壓力等。FLAC分析將計算域劃分為若干單元，單元網(wǎng)格可以隨著材料的變形而變形，即所謂的拉格朗日算法，這種算法可以準(zhǔn)確地模擬材料的屈服、塑性流動、軟化直至有限大變形，尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過程等領(lǐng)域有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。具體地講，F(xiàn)LAC的基本原理用差分方法求解[2]，因此首先要生成網(wǎng)格。將物理網(wǎng)格映射在數(shù)學(xué)網(wǎng)格上，這樣數(shù)學(xué)網(wǎng)格上的某個編號為i、j的結(jié)點(diǎn)就與物理網(wǎng)格上相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)x、y相對應(yīng)，這一過程可以想象為數(shù)學(xué)網(wǎng)格是一張橡皮做的網(wǎng)，拉扯以后可以變?yōu)槲锢砭W(wǎng)格的形狀。通過迭代求解，便可求出各個時步邊坡上各單元（或結(jié)點(diǎn)）的應(yīng)力、變形值，進(jìn)而可模擬出整個邊坡變形破壞過程。

本文以四川碎屑巖地區(qū)一滑坡為例，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬分析滑坡的塑性變形破壞機(jī)制。

2 滑坡概況及變形特征

該滑坡位于四川盆地北部邊緣，屬低山地貌，地形坡度較緩。形態(tài)呈前、后緣陡、中部緩的多級臺階狀，為牽引式淺層滑坡[3]（圖1）。

圖1 滑坡剖面形態(tài)圖

地層由新至老主要為第四系沖積層，白堊系粉砂巖、泥巖。構(gòu)造屬新華夏系四川沉降帶的川中褶皺帶，無明顯斷層分布，地層平緩。

該滑坡為新滑坡，其形成年代較近，由于人工切坡形成臨空面，受連續(xù)暴雨影響邊坡先后兩次發(fā)生滑動，滑坡在坡體中部及前后緣等部位均有滑動變形跡象，滑坡后緣公路位置出現(xiàn)拉張裂縫，滑坡前緣出現(xiàn)剪切裂縫，多級擋土墻出現(xiàn)鼓脹變形跡象，該滑坡在“5.12”汶川特大地震作用下又出現(xiàn)了明顯的變形破壞，主要表現(xiàn)為坡表出現(xiàn)顯著的地震裂縫、擋土墻鼓脹以及滑坡上的建筑物發(fā)生了變形破壞。

3 FLAC3D數(shù)值模擬變形機(jī)制分析

3.1 計算模型的建立

為了盡可能準(zhǔn)確、真實地反映滑坡在不同作用影響下的變形破壞機(jī)制，構(gòu)建的數(shù)值計算模型就必須盡可能的真實反映滑坡的實際情況，但是從數(shù)值計算的角度出發(fā)，構(gòu)建的模型過于復(fù)雜，可能導(dǎo)致計算結(jié)果不收斂，因此為了數(shù)值計算的方便，模型構(gòu)建過程中必須對地質(zhì)模型作出一定的簡化，考慮對滑坡變形破壞機(jī)制影響較大的因素。

構(gòu)建的計算模型主要采用四節(jié)點(diǎn)四面體網(wǎng)格單元。模型的力學(xué)邊界采用前后（X軸方向）、兩側(cè) （Y軸方向）及底面（Z軸方向）約束（圖2）。

3.2 計算參數(shù)及變形模式選取

Flac3D計算模型的目的是為了盡可能準(zhǔn)確、真實地分析滑坡變形場的變化情況，進(jìn)而準(zhǔn)確地對滑坡的變形穩(wěn)定性情況作出判斷，所以考慮天然、暴雨、地震三種情況進(jìn)行分析。計算參數(shù)選用對滑坡變形破壞影響較大的彈性模量、泊松比、容重、內(nèi)聚力、內(nèi)摩察角五個因素。變形模式主要考慮滑坡的塑性破壞對滑坡的變形進(jìn)行分析。

圖2 滑坡FLAC3D數(shù)值模擬計算模型

圖3 天然狀態(tài)下滑坡剖面塑性區(qū)分布特征

3.3 數(shù)值模擬分析

3.3.1 天然狀態(tài)下滑坡的塑性變形特征

圖5 地震作用下滑坡剖面塑性區(qū)分布特征

根據(jù)圖3剖面反映的滑坡在天然狀態(tài)下塑性區(qū)特征，從中可以得出天然狀態(tài)下只有滑坡坡體的后緣和極個別地方出現(xiàn)了塑性破壞，其他部位未有塑性破壞的現(xiàn)象，這表示滑坡體在天然狀態(tài)下整體穩(wěn)定性好，未出現(xiàn)大規(guī)模明顯的變形破壞。

3.3.2 暴雨狀態(tài)下滑坡的塑性變形特征

研究表明，影響滑坡的主要因素中，強(qiáng)降雨是誘發(fā)暴雨是誘發(fā)滑坡最活躍、最多變的因素[4，5]，特別是每年的七、八月份，暴雨誘發(fā)的滑坡占滑坡總數(shù)的90%[6]。根據(jù)該滑坡在暴雨作用下的變形破壞特征，結(jié)合滑坡的變形破壞條件，對該滑坡在暴雨作用下的塑性區(qū)分布狀況對其變形破壞機(jī)進(jìn)行分析和研究。

從滑坡的塑性區(qū)(圖4)分布特征可見，在滑坡體的后緣、前緣、坡面、邊界發(fā)生了塑性破壞，其中變形區(qū)后緣以拉張破壞為主，前緣處出現(xiàn)了拉張破壞和剪切破壞。滑坡體兩側(cè)邊界和坡體表面出現(xiàn)拉張破壞，在滑坡后緣地帶形成一個貫通的塑性破壞帶，出現(xiàn)拉張破壞和剪切破壞，顯然這將對整個滑坡的穩(wěn)定性造成極大威脅。

3.3.3 地震狀態(tài)下滑坡的塑性變形特征

近幾年地震活動比較活躍，地震作用下也誘發(fā)了一些地質(zhì)災(zāi)害，其中地震是影響斜(邊)坡、滑坡穩(wěn)定性的主要因素之一[7，8]。在“5? 12”地震的影響下，滑坡局部出現(xiàn)了變形破壞，根據(jù)該滑坡在地震作用下的變形破壞特征，對該滑坡在地震作用下的塑性區(qū)分布狀況進(jìn)行分析。

從滑坡的塑性區(qū)（圖5）分布特征可見，在滑坡體的后緣、坡面、邊界發(fā)生了塑性破壞，其中變形區(qū)后緣以拉張破壞為主。滑坡體兩側(cè)邊界和坡體表面出現(xiàn)拉張和剪切破壞，這與現(xiàn)場坡體后緣出現(xiàn)拉張裂縫和建筑物出現(xiàn)剪切裂縫相吻合。

4 結(jié)論

通過滑坡的變形機(jī)制的FLAC數(shù)值分析對該滑坡的變形機(jī)制進(jìn)行了研究，持續(xù)強(qiáng)降雨是導(dǎo)致該滑坡變形破壞的誘發(fā)因素，在暴雨作用下，坡體在后緣、前緣、坡面都發(fā)生了塑性破壞，在滑坡后緣地帶形成一個貫通的塑性破壞帶。

FLAC數(shù)值分析方法是針對塑性變化歷程及延性破壞機(jī)制的一種兼顧材料非線性和幾何非線性的一般解析方法。該方法能更好地考慮巖土體的不連續(xù)性和大變形特性，求解速度較快。其缺點(diǎn)是計算邊界、單元網(wǎng)格的劃分帶有很大的隨意性，在一定程度上影響計算的精確性。在以后滑坡的分析計算中可以考慮用多種分析方法進(jìn)行比較。

[1]彭德江.淺談邊坡穩(wěn)定性分析方法 [J].上海地質(zhì),2005,(3).

[2]成都理工大學(xué),中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院聯(lián)合課題組.古水水電站工程樞紐區(qū)左岸壩前堆積體和傾倒變形體穩(wěn)定性初步評價報告 [R].2007.10.

[3]中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范 （DZ/T0219-2006） [S],4.

[4]王仁喬,周月華,王麗等.大降雨型滑坡臨界雨量及潛勢預(yù)報模型研究 [J].氣象科技, 2005,33(4):311-313

[5]艾志雄,牛恩寬,劉波.降雨誘發(fā)滑坡分析 [J].災(zāi)害與防治工程,2005.

[6]魏麗,單九生,章毅之等.暴雨型滑坡災(zāi)害形成機(jī)理及預(yù)測方法研究思路 [J].江西氣象科技,2005,28(3):17-22.

[7]張倬元,王士天,王蘭生.工程地質(zhì)分析原理 [M].北京:地質(zhì)出版社,1994.

[8]祁生文,伍法權(quán),嚴(yán)福章等.巖質(zhì)邊坡動力反應(yīng)分析 [M].北京:科學(xué)出版社,2007·1~2.

P642.22[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-11-314-2

于超（1984～），男，碩士，工程師，研究方向地質(zhì)災(zāi)害防治與預(yù)測。