基于PFC^2D的滑坡破壞及運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬

王思齊

摘 要：以勉縣安咀村滑坡為研究對(duì)象，采用基于離散元法的顆粒流程序（PFC），以Ball-Wall法建立滑坡模型，對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)破壞的全過(guò)程進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明：滑坡經(jīng)過(guò)緩慢的蠕滑變形后首先在坡腳產(chǎn)生局部破壞，逐級(jí)向上牽引，坡體變形越來(lái)越大，形成整體滑動(dòng)，整體表現(xiàn)為牽引式破壞特征。

關(guān)鍵詞：滑坡；顆粒流；數(shù)值模擬；運(yùn)動(dòng)過(guò)程

中圖分類(lèi)號(hào)：P642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）02-0079-03

Abstract： Taking the landslide in Anzui Village in Mian County as the research subject， the landslide model was established using the Particle Flow Code（PFC）. Based on the discrete element method and the Ball-Wall method， the whole process of landslide motion failure was simulated and analyzed. The results show that： after the slow creep deformation， the landslide first produces local failure at the foot of the slope， and gradually pulls upward， and the deformation of the slope body becomes larger and larger， forming the whole sliding， which shows the characteristics of traction failure as a whole.

Keywords： landslide； granular flow； numerical simulation； motion process

1 概述

滑坡作為一種常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，具有非線性、突發(fā)性和動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)，既對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成較大的威脅，也對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成重大的損失，因此對(duì)滑坡破壞過(guò)程及運(yùn)動(dòng)特征等相關(guān)的研究具有重要的意義。

近年來(lái)很多學(xué)者應(yīng)用離散元法對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程及特征進(jìn)行了研究，趙洲等[1]以楊家灣滑坡為研究對(duì)象，以離散元理論為基礎(chǔ)，模擬分析了滑坡漸進(jìn)破壞的運(yùn)動(dòng)過(guò)程；張小雪等[2]采用顆粒流方法對(duì)粘性土坡的全過(guò)程進(jìn)行模擬，并通過(guò)雙軸試驗(yàn)確定了巖土體細(xì)觀參數(shù)，所得結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合；杜永彬等[3]建立了徐家寨滑坡的離散元數(shù)值模型，監(jiān)測(cè)了滑坡不同位置顆粒的位移和接觸力，分析了滑坡的變形破壞；胡江春等[4]通過(guò)介紹顆粒流理論，建立滑坡工程實(shí)例模型，從微觀的角度呈現(xiàn)滑坡的破壞過(guò)程，分析了該滑坡的穩(wěn)定性，為滑坡的防治提供了參考；畢鈺璋等[5]采用離散元軟件對(duì)牛眠溝滑坡碎屑化的不同階段進(jìn)行模擬和分析，并研究了碎屑流在不同摩擦系數(shù)下的運(yùn)動(dòng)距離，且推算出了實(shí)地摩擦系數(shù)；張永柱等[6]對(duì)白家包滑坡進(jìn)行了數(shù)值模擬，采用傾斜加載和強(qiáng)度折減法兩種方式對(duì)邊坡加載，監(jiān)測(cè)了邊坡不同位置的顆粒，并對(duì)比分析了兩種方法的結(jié)果。這些學(xué)者都運(yùn)用了離散元法對(duì)滑坡的變形進(jìn)行了研究，該方法克服了傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)的宏觀連續(xù)性假設(shè)，適用于散體介質(zhì)的大變形實(shí)際問(wèn)題。

本文以勉縣安咀村滑坡為研究對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，對(duì)滑坡的工程地質(zhì)條件進(jìn)行了介紹，并采用顆粒流法模擬了滑坡的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程。

2 滑坡概況

安咀村滑坡位于陜西省勉縣鎮(zhèn)川鄉(xiāng)安咀村，坡長(zhǎng)約180m，寬約210m，厚約4m，體積約為226000m3，屬于中型膨脹土滑坡。滑坡平面為馬蹄形，滑坡后緣是裂縫錯(cuò)動(dòng)形成的陡坎，地形呈圈椅狀，高程為500～505m，滑坡前緣邊界是居民房前的陡坎，高程約485～487m，前后緣高差約為20m，滑坡的左側(cè)以陡坎為界，右邊以沖溝為界，平均坡度約8°，主滑方向?yàn)?90°。滑坡局部因修建房屋形成高約2.0～4.0m的陡坎，邊坡工程地質(zhì)剖面圖如圖1。滑坡區(qū)位于陽(yáng)平關(guān)-勉縣大斷裂以南，該區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和巖漿活動(dòng)不太強(qiáng)烈，出露地層主要為志留系頁(yè)巖、第三系泥巖和第四系中、下更新統(tǒng)沖洪積物。地下水主要為松散覆蓋層孔隙水，賦存在第四系中更新統(tǒng)粘性土中。

3 滑坡破壞及運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬

3.1 參數(shù)選取

PFC數(shù)值模擬過(guò)程中使用的是巖土體顆粒的細(xì)觀參數(shù)，根據(jù)滑坡巖土體的實(shí)際物理性質(zhì)，對(duì)飽和狀態(tài)下的粘性土進(jìn)行雙軸試驗(yàn)[1]，確定該模型的細(xì)觀參數(shù)如表1所示。

3.2 模型建立

基于PFC建立滑坡模型的方法有Ball-Ball法和Ball-Wall法兩種，本文采用Ball-Wall法用顆粒組建滑體，用Wall來(lái)構(gòu)建滑床和邊界，既減少了顆粒數(shù)量又可以節(jié)省運(yùn)算時(shí)間[7]。根據(jù)取得的細(xì)觀參數(shù)，通過(guò)削坡方式建立了安咀村滑坡數(shù)值模型，如圖2所示。

3.3 模擬結(jié)果分析

采用PFC2D軟件對(duì)滑坡的位移和速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)滑坡發(fā)生、發(fā)展的全過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)模擬分析可得，當(dāng)計(jì)算到40000步時(shí)（圖3a），坡腳和陡坎處的顆粒有明顯的位移變化，最大的位移達(dá)到7.9m，且坡腳處發(fā)生變形。當(dāng)運(yùn)算到10萬(wàn)步時(shí)（圖3b），滑坡上部位移較小，滑坡前緣和中部的顆粒位移逐漸增大，坡腳滑移距離增加，發(fā)生剪切破壞，強(qiáng)度降低，削弱了滑坡的抗滑能力，導(dǎo)致滑坡進(jìn)一步發(fā)展。模型計(jì)算到20萬(wàn)步（圖3c），滑坡前緣滑移速度加快，由于滑坡前端的滑動(dòng)牽引著后部的顆粒下滑，使滑坡后緣發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，此時(shí)滑體最大位移達(dá)到了31.1m。當(dāng)模型運(yùn)算到50萬(wàn)步時(shí)（圖3d），滑坡體中部已經(jīng)滑出滑面，在地面上滑移，由于地面的摩擦阻力，滑坡滑動(dòng)緩慢處于減速階段，并逐漸趨于穩(wěn)定，堆積于坡腳，此時(shí)顆粒的最大位移為42.6m。

根據(jù)該滑坡的發(fā)育特征選擇森協(xié)寬法[8]對(duì)該滑坡的滑距進(jìn)行預(yù)測(cè)，計(jì)算公式為

Log（H/L）=0.1-0.094logV （1）

計(jì)算出該滑坡的滑動(dòng)距離為43.4m，基于顆粒流法模擬出的結(jié)果與該方法的預(yù)測(cè)滑動(dòng)距離基本一致。

4 結(jié)論

（1）離散元顆粒流程序PFC可以有效的模擬巖土體的非連續(xù)性、大變形以及破壞過(guò)程，可以直觀的表現(xiàn)滑坡的破壞運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

（2）該滑坡的破壞過(guò)程表現(xiàn)為：先在坡腳處產(chǎn)生局部破壞，然后隨著土體強(qiáng)度降低逐漸向上牽引發(fā)展，沿著土層中的軟弱接觸面發(fā)生滑動(dòng)形成滑坡，表現(xiàn)為典型的牽引式破壞方式。

（3）通過(guò)模擬分析，得出該滑坡的最大位移量為42.6m，與通過(guò)滑坡運(yùn)動(dòng)距離經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)公式所得結(jié)論基本一致。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙洲，魏江波.基于顆粒流方法的堆積層滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬[J].煤田地質(zhì)與勘探，2017，45（06）：111-116+122.

[2]張小雪，王濱生，遲玉鵬，等.邊坡穩(wěn)定分析的顆粒流方法研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，36（05）：666-670.

[3]杜永彬.太大公路徐家寨滑坡運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，27（06）：1099-1102.

[4]胡江春，楊成林，徐曉晨，等.顆粒流法及其在庫(kù)岸滑坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J].中原工學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，27（04）：61-64+90.

[5]畢鈺璋，付躍升，何思明，等.牛眠溝地震滑坡碎屑化全過(guò)程離散元模擬[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2015，26（03）：17-25.

[6]張永柱，吳劍，王能永，等.基于離散元法的滑坡模擬研究[J].山西建筑，2016，42（26）：79-81.

[7]曹文，李維朝，唐斌，等.PFC滑坡模擬二、三維建模方法研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2017，25（02）：455-462.

[8]協(xié)森·寬.滑坡滑距的地貌預(yù)測(cè)[J].王念秦，譯.鐵路地質(zhì)與路基，1989（3）：42-47.