FLAC3D數值模擬在滑坡變形機制中的應用

■于超

（江西省地質礦產勘查開發局贛西北大隊 江西九江 332000）

FLAC3D數值模擬在滑坡變形機制中的應用

■于超

（江西省地質礦產勘查開發局贛西北大隊 江西九江 332000）

滑坡在形成過程中，會產生不同形式和規模的破壞，以一滑坡為例，運用FLAC3D程序對該滑坡在天然、暴雨、地震狀態下進行數值模擬分析，通過滑坡的塑性變形破壞特征確定滑坡的誘發因素，進而了解滑坡的變形機制。[關鍵詞]滑坡數值模擬變形機制塑性變形

1 前言

滑坡在形成過程中，巖土體內部原有的應力狀態將隨著過程的進行而發生變化，引起應力的重分布和應力集中等效應。滑坡巖土體為適應這種新的應力狀態，會發生不同形式、不同規模的變形與破壞。人們對滑坡變形失穩地質災害的科學研究，約一個多世紀的歷史。進入20世紀80年代，隨著計算機技術的迅速發展和現代力學、現代數值分析理論的進步，模擬技術開始廣泛運用到地質災害分析中，進一步從內部作用過程上揭示邊坡地質災害的發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，用于研究每個流體質點隨時間變化的情況，即著眼于某一個流體質點在不同時刻的運動軌跡、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域有其獨到的優點。具體地講，FLAC的基本原理用差分方法求解[2]，因此首先要生成網格。將物理網格映射在數學網格上，這樣數學網格上的某個編號為i、j的結點就與物理網格上相應的結點的坐標x、y相對應，這一過程可以想象為數學網格是一張橡皮做的網，拉扯以后可以變為物理網格的形狀。通過迭代求解，便可求出各個時步邊坡上各單元（或結點）的應力、變形值，進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一滑坡為例，運用FLAC3D數值模擬分析滑坡的塑性變形破壞機制。

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，受連續暴雨影響邊坡先后兩次發生滑動，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拉張裂縫，滑坡前緣出現剪切裂縫，多級擋土墻出現鼓脹變形跡象，該滑坡在“5.12”汶川特大地震作用下又出現了明顯的變形破壞，主要表現為坡表出現顯著的地震裂縫、擋土墻鼓脹以及滑坡上的建筑物發生了變形破壞。

3 FLAC3D數值模擬變形機制分析

3.1 計算模型的建立

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

構建的計算模型主要采用四節點四面體網格單元。模型的力學邊界采用前后（X軸方向）、兩側 （Y軸方向）及底面（Z軸方向）約束（圖2）。

3.2 計算參數及變形模式選取

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

圖2 滑坡FLAC3D數值模擬計算模型

圖3 天然狀態下滑坡剖面塑性區分布特征

3.3 數值模擬分析

3.3.1 天然狀態下滑坡的塑性變形特征

圖5 地震作用下滑坡剖面塑性區分布特征

根據圖3剖面反映的滑坡在天然狀態下塑性區特征，從中可以得出天然狀態下只有滑坡坡體的后緣和極個別地方出現了塑性破壞，其他部位未有塑性破壞的現象，這表示滑坡體在天然狀態下整體穩定性好，未出現大規模明顯的變形破壞。

3.3.2 暴雨狀態下滑坡的塑性變形特征

研究表明，影響滑坡的主要因素中，強降雨是誘發暴雨是誘發滑坡最活躍、最多變的因素[4，5]，特別是每年的七、八月份，暴雨誘發的滑坡占滑坡總數的90%[6]。根據該滑坡在暴雨作用下的變形破壞特征，結合滑坡的變形破壞條件，對該滑坡在暴雨作用下的塑性區分布狀況對其變形破壞機進行分析和研究。

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

3.3.3 地震狀態下滑坡的塑性變形特征

近幾年地震活動比較活躍，地震作用下也誘發了一些地質災害，其中地震是影響斜(邊)坡、滑坡穩定性的主要因素之一[7，8]。在“5? 12”地震的影響下，滑坡局部出現了變形破壞，根據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分布狀況進行分析。

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

4 結論

通過滑坡的變形機制的FLAC數值分析對該滑坡的變形機制進行了研究，持續強降雨是導致該滑坡變形破壞的誘發因素，在暴雨作用下，坡體在后緣、前緣、坡面都發生了塑性破壞，在滑坡后緣地帶形成一個貫通的塑性破壞帶。

FLAC數值分析方法是針對塑性變化歷程及延性破壞機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性和大變形特性，求解速度較快。其缺點是計算邊界、單元網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行比較。

[1]彭德江.淺談邊坡穩定性分析方法 [J].上海地質,2005,(3).

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

[3]中華人民共和國地質礦產行業標準.滑坡防治工程設計與施工技術規范 （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.降雨誘發滑坡分析 [J].災害與防治工程,2005.

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

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

[8]祁生文,伍法權,嚴福章等.巖質邊坡動力反應分析 [M].北京:科學出版社,2007·1~2.

P642.22[文獻碼]B

1000-405X（2015）-11-314-2

于超（1984～），男，碩士，工程師，研究方向地質災害防治與預測。