FLAC3D在某滑坡穩定性分析中的應用

劉金孟 李 晰

（1.中國地質大學〈武漢〉工程學院，湖北 武漢430074；2.云南地質工程勘察設計研究院，云南 昆明650041）

在自然地質環境中，巖土體表現出非均質、非連續和各向異性特點，其力學響應是動態而復雜的。滑坡是常見地質災害，在巖土領域滑體穩定系數多是通過極限平衡分析法來求解，但這不能解決滑坡的應力-應變問題[1]。而數值模擬技術的優勢在于材料破壞機理的分析與預測[2]，因而采用數值方法來解決巖土工程問題是必要的。在抗滑工程前需要準確判定滑坡受力與變形情況，為防治設計提供可視的、定量的參考。本文利用數值方法對某高邊坡滑坡進行模擬評價，對其變形破壞作出有規律的認識，以期對滑坡體的處理設計與施工提供有益參考。

1 滑坡概況

災害點位于滇東北地區大關縣甘海村云臺山左岸斜坡地帶，屬關河構造侵蝕溶蝕峽谷地貌。在水麻高速公路滴水巖特大橋（K127＋550～K128＋300）段西側陡崖上部，河流切割強烈，兩側山體切割成峽谷，地形起伏大，地形坡度中下部大于60°，局部呈懸崖狀。該區位于壽山煤礦礦區范圍，周邊交通較為便利。自2007年來該段發生多次小規模滑塌，煤礦暫停開采。

勘察區域（見圖1）位于關河西側，構造較簡單，地層走向195°~220°，傾角8°~15°。滑體橫寬約750m，縱長50~100m，均厚18.0m，方量約1.08×106m3。斜坡地帶表層分布耕填土和第四系坡積堆積體（含礫黏土），厚度較大。滑帶為炭質黏土，有較大易滑性。坡腳陡崖可見基巖出露，為中風化二疊系石灰巖。

圖1 地形地貌

2 有限差分模型

2.1 基本條件

（1）通過剩余下滑力計算選擇最危險的2-2’剖面，并在AutoCAD中合理概化，以滑帶為主控要素建立模型。滑體為含礫黏土（不考慮其抗拉強度），滑帶為炭質黏土，滑床為含炭質石灰巖。

（2）重點分析滑坡在重力下的變形破壞模式。實體單元建模，巖土體本構模型采用Mohr-Coulomb塑性模型。使用FLAC3D內置的關聯流動法則[3]求解滑坡穩定系數。

2.2 模型建立

把概化剖面導入SketchUp繪制三維模型，分塊獲取所有坐標點數據。邊界范圍按文獻[4]的建議設置。在FLAC3D中選擇六面體網格和楔形網格進行離散化，結合坐標數據編制成建模命令流并分組為mass（滑體）和rock（滑床），用attach face檢查網格連接是否正確。滑帶設置接觸面模擬，采用切割模型法建立。建模過程如圖2所示。

圖2 建模過程及網格劃分

模型底部施加三向約束，左右兩側y向約束，后側x向約束。由于陡崖前端臨空，x向前側和山頂面均為自由面。

2.3 結合勘察報告和室內外試驗數據，工程類比綜合確定計算模型參數，見表1。

表1 物理力學參數表

3 結果分析

3.1 應力特征

由圖3可知，最小主應力值范圍為-1.76MPa~0.023 MPa，隨深度的增加而變大。在滑面可明顯看出應力不連續現象，在滑面起伏轉折處出現應力集中。符合滑面受力形式，也說明炭質黏土層作為滑動面的正確性。

經數值模擬計算得到滑坡穩定性系數為1.09，而按照《滑坡防治工程設計與施工技術規范》（DZ/T0129-2006）計算天然工況的穩定性系數為1.12。說明滑坡模型符合實際，且滑坡處于欠穩定狀態。

圖3 最小主應力云圖

3.2 變形特征

通過設置放大系數得到變形后的x向位移云圖。從圖4中可見位移值很大（供參考），上部黏土沿滑面x向水平整體剪出。滑體前端剪出速度最大，滑體中后部有明顯分帶現象。符合在自重應力下滑坡整體受剪、后緣受拉的滑動機理。

圖4 xdis位移云圖

在該區域布置了3個基準點和17個變形監測點，從6月初開始每十日一測至今，坡體前端的水平位移累計達130mm（J9），其它部位次之，而坡體中上部的地面沉降位移最大達42.5mm（J10）。從監測數據來看，與模型結果有較好相對性。

3.3 成因分析

根據實地踏勘調查結合揭露地層結構和室內試驗綜合分析，影響該斜坡區產生滑坡的因素主要有：陡峻的地形地貌、巖土體結構、降雨、地震及人類工程活動。結合現場實地踏勘和前期的調查報告、勘察方案，以及斜坡上部出現地面裂縫和其它開裂變形等跡象，判定該滑坡為大型中層推移+牽引式松散堆積體滑坡。土巖界面形成的軟弱帶易造成坡體失穩，此滑動機制與前述分析結果具有較好一致性。

4 結語

（1）根據現場踏勘與勘察資料選取剖面概化，通過SketchUp和FLAC3D建立三維實體模型，計算得到滑坡的穩定性系數、應力分布與變形規律。結果表明模型與實際情況有相一致，具較高可靠性。

（2）云臺山滑坡災害主要為自然環境與人類工程活動共同引發，在降雨情況下更易失穩。滑體前側是河流與交通要道，一旦滑動也威脅到沿線群眾的生命財產安全，應引起足夠重視。建議盡快進行抗滑工程設置以消除地質災害隱患。

［1］許容,張發明,張加家,等.FLAC3D在某古滑坡穩定性分析中的應用[J].河北工程大學學報:自然科學版,2013,30(4):66~69.

［2］陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M].北京:中國水利水電出版社,2013.

［3］歐湘萍,白楷,朱云升,等.基于FLAC3D的強度折減法邊坡穩定性分析[J].武漢理工大學學報,2009,31(9):31-32.

［4］張魯渝,鄭穎人,趙尚毅,時衛民.有限元強度折減系數法計算土坡穩定安全系數的精度研究[J].水利學報,2003,34(1):0021~0027.