金沙江烏東德庫區必油照滑坡穩定性分析

張旭 周紹武 龔維強 潘金華 蔣樹 宛良朋

摘要：在詳細分析金沙江水電站庫岸滑坡地質結構和區域地質環境的基礎上，結合地層產狀、水文氣象等因素，利用Ansys和Flac?3D?建立必油照滑坡地質模型，利用強度折減法與有限差分程序進行多工況下的全過程動態數值模擬。計算坡體由初始化自重平衡作用到臨界滑移失穩狀態全過程的位移、速率變化趨勢，分析滑坡破壞模式與滑移特征，并由剪切應變增量云圖確定滑移面。通過數值模擬，闡釋了滑坡破壞演化特征和失穩機理。坡體塑性變形與位移分析結果表明：滑坡在天然狀態下基本穩定;在連續高強度降雨狀態下欠穩定，局部失穩滑塌的可能性很大，這與現場調查分析的結果一致。利用Flac?3D?進行滑坡穩定性分析和評價簡單、可行，且更加直觀、方便，具有傳統極限平衡法所無法比擬的優勢。

關?鍵?詞：庫岸滑坡; 穩定性分析; 數值模擬; Flac?3D?; 金沙江

中圖法分類號： P642?文獻標志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.01.023

在水電站開發過程中，庫岸滑坡穩定性問題越來越突出，尤其水庫蓄水后的庫岸滑坡穩定性對大壩的安全和水電站的運行至關重要。隨著我國水利水電事業的快速發展，為確保水電工程建設的順利進行，研究庫水位變化與庫岸滑坡穩定性的關系已成為一項重要課題[1]。

目前，滑坡穩定性分析常使用的有極限平衡法和數值計算方法[2-3]，剛體極限平衡理論的缺點是難以動態反映滑坡堆積體在外界誘發因素作用下應力場的改變以及由其引起的變形情況，數值分析法克服了邊坡形狀不規則和材料不均勻的限制，在求解過程中，既考慮了單元體的變形協調，又考慮了巖體的破壞準則，故其計算結果更加精確合理，結果分析更加方便直觀。關于滑坡變形失穩機制的研究，目前多采用野外監測數據分析、物理模型試驗以及數值模擬分析等方法[4-6]。然而利用物理模型試驗研究滑坡變形破壞所需成本較高、周期較長，并且難以模擬滑坡現場的復雜環境條件以及原始應力特征;采用監測數據分析，有時會因局部變形過大而造成對滑坡整體變形規律的判斷誤差。數值模擬方法以其高效、成本低廉且能模擬滑坡復雜的地形地貌及應力分布特征而廣受青睞。目前常用的數值分析方法主要有離散元法、有限元法和有限差分法等。陸治斌[7]、周新等[8]采用離散元法分別對滑坡過程與危巖體變形演化進行了有效模擬;苗朝采用離散元法分析了地下水的滲流規律以及靜水壓力和物理軟化作用對巖質滑坡變形破壞的影響[9];張旭[10]、李新衛等[11]采用有限元法對滑坡滲流場演化特征及其穩定性變化規律進行了飽和–非飽和數值分析;王世梅[12]、張永昌等[3]考慮庫水位升降以及不同升降速率，采用有限元法分別分析了涉水邊坡、古滑坡的穩定性變化規律;閆云明考慮變形參數，采用改進的有限元強度折減法進行了邊坡穩定性評價[14];安海堂[15]、陳勝偉[16]等采用有限差分法分析了開挖對坡體的變形穩定影響，張旭基于有限差分的Fish語言編寫能量程序[17]，進行了大型露天礦山及其開挖的邊坡穩定性與能量演化機理研究。其中基于Flac?3D?的有限差分程序有效綜合了離散元法和有限元法的優點，運用動態松弛方法和有限差分方法，計算過程簡單、快速，且能較好地模擬不同介質在達到其強度極限或屈服極限時，所發生的變形破壞或塑性流動等力學行為，故廣泛應用于邊坡穩定性分析、支護工程設計、地下洞室開挖、路基填筑以及采礦區地面沉陷的預測等多個工程地質領域。如劉曉[18]、王雙等[19]采用Flac?3D?分別就高速遠程滑坡與黃土滑坡的動力穩定性進行了模擬分析;王忠福[20]、楊金旺等[21]采用Flac?3D?對滑坡、高邊坡的變形破壞進行了穩定性模擬分析，均取得了較好的效果。

本文在前人研究成果的基礎上，以金沙江必油照庫岸滑坡為例，利用強度折減法的思想，以Flac?3D?數值模擬為平臺，根據有限差分原理，確定滑坡體安全系數及相應的潛在破壞模式。利用Flac?3D?內置Fish語言，基于強度折減法編制滑坡體安全系數計算程序，計算坡體在天然狀況的位移、應力應變以及在降雨、水位升降等不同工況下的安全系數，模擬滑坡實際滑移面與主滑方向，綜合分析變形演化規律，預測分析滑坡穩定性。

1?工程概況

必油照滑坡位于金沙江右岸必油照村西側，下距烏東德壩址73.3 km，上距龍川江口江邊鄉約33.5 km?；虑熬壷两鹕辰叱碳s900 m，后緣至必油村平臺西側山坡一帶，分布高程1 210 m左右，兩側以沖溝為界，寬約350～750 m，縱向長約1 080 m，平面面積約0.58 km2。根據鉆孔揭露，滑坡前緣厚約50 m，?1 160m高程平臺位置厚約156 m，后緣厚約110 m，滑坡平均厚度約60～70 m，滑坡體積約4 640萬m3?；聟^沖溝發育，切割深度一般為60～100 m，地表地形凌亂，滑坡體兩側沖溝切割形成坡度60 °的陡坎。在滑坡縱向上發育有兩級平臺，1 160 m高程為滑坡體平臺，平臺順河向長約300 m，寬約170 m;1 360～?1 390m高程之間為必油照村平臺，寬約170～200 m，長約500 m?；虑熬壷? 360 m高程平臺之間地形坡度為20 °～30 °，1 160 m高程滑坡體平臺至必油照村平臺之間地形坡度約20 °～25 °，局部地形較陡，坡度約30 °～40 °，地形概貌如圖1所示。

滑體主要由碎石土，碎、塊石土及砂巖似基巖塊體組成。碎石土主要分布在滑坡體平臺一帶的表層部位;塊石、碎石土為滑坡體的主要物質成份;按砂巖塊石中是否含石膏條帶，砂巖似基巖塊體可分為砂巖塊體層及含石膏條帶的砂巖塊體層，含石膏條帶的砂巖塊體層主要分布在滑坡體前緣高程1 030 m以上;砂巖塊體層主要分布在滑坡體的前緣及上游側沖溝，970～1 020 m高程之間，塊石主要為紫紅色砂巖。滑坡體似基巖塊體巖體極為破碎，大部分呈散體狀，層理依稀可辨認，地表巖層產狀變化大（見圖1）。根據鉆孔揭露的巖芯，基/覆界面上未見明顯的滑帶特征，但在前緣豎井井深28 m處揭露到淺層滑帶，滑帶土為粉質黏土夾礫。

圖1?滑坡地形概貌?Fig.1?Landform of landslide

2?穩定性分析

2.1?計算方法與本構模型

采用Flac?3D?中Fish語言自編強度折減程序，對穩定性進行有效計算，其中的參數強度折減為

c′=c/F（1）

φ=arctantanφ F（2）

式中，F為強度參數折減系數;c，φ分別為有效凝聚力和內摩擦角;c′，φ′分別為折減后的有效凝聚力和內摩擦角。

本構模型為各向同性彈塑性模型，采用Mohr-Coulomb （M-C）準則，其力學模型為

f=σ1- 1+sinφ1-sinφ σ3- 2ccosφ1-sinφ （3）

式中，σ1，σ3分別為最大、最小主應力;f為屈服函數，且f>0時，材料處于塑性流動狀態，f<0時，材料處于彈性變形階段，f=0時，處于彈、塑性的臨界狀態。

以上即為剪切破壞判據，拉伸破壞判據為

f t=σt-σ3=0（4）

式中，σt為巖體抗拉強度。

有限差分程序中，巖體的體積模量、剪切模量分別由下式計算：

K= E3（1-2v） （5）

G= E2（1+v） （6）

式中，?K、G分別為體積模量、剪切模量;E為彈性模量;ν?為泊松比。

2.2?數值模型建立

根據該區工程地質條件，建立滑坡三維地形如圖2所示，其中典型的中軸線剖面二維地質圖如圖3所

示，剖面厚度取0.1 m，采用Ansys建立中軸剖面有限元模型，導入Flac?3D?中，進行類似二維平面應變模式的有限差分計算?；滦纬杀尘盀榧t層順向坡，鉆孔揭露基/覆面為碎石土，滑帶特征不明顯，前緣豎井揭露的淺層滑帶土為粉質黏土夾礫，綜合選定的滑坡體巖土力學參數見表1。

2.3?災變演化機理分析

在坡體巖層分界處及坡腳處，分別布置特征測點與特征單元體進行滑坡災變過程的有效監控，局部布置如圖4所示。

天然自重工況下（折減系數?F?=1.0），由總位移云圖5（a）可以看出，主變形區發生在坡體上頂部，主要以自重下的沉降變形為主，中部陡坡段出現局部小變形，總體較穩定，無滑移趨勢。當折減系數?F?=1.14時，變形計算恰好不收斂，局部坡段塑性區貫通，位移變化明顯，其中坡體中部陡坎段變形量最大且最為集中，為潛在表層失穩風險區，如圖5（b）所示。故穩定性系數為?Fs=1.13。

以豎向位移為例，對比3處測點在穩定和失穩狀態下的變化如圖6所示，位于陡坡段的測點1從初始的天然自重平衡到失穩滑移全過程， 位移均大于平緩臺階處測點2和坡腳測點3，測點2、3位移基本保持不變，所處坡段為穩定段，測點1所在的陡坡段位移呈現無限增長趨勢，即表現出局部失穩滑移現象。

對比穩定、失穩兩種狀態下的總速率分布如圖7所示，臨滑失穩時主要表現為坡體中下部淺表層運動，且坡表速率大于深部，但總體均較小，在坡表陡坡段相對集中。此時坡體最大主應力分布如圖8所示，坡體上部由于受橫向位移影響，淺表層局部分布有一定的小范圍受拉區，若巖體較脆弱，將可能會產生拉裂縫，下部表層受中、上部的推移作用表現為受壓狀態。

對比典型區域的3個特征單元體最大剪應變增量變化如圖9所示。位于陡坡段的A、B單元剪應變增量在破壞時增加得較為明顯，且陡坎處B單元大于A單元，表明單元B所在的部位作為剪出口剪出。C單元全過程值為0，表明坡腳無剪切破壞行為。

由破壞時的滑坡最大剪應變增量云圖10可以看出，在滑坡中部的坡表小范圍坡度較陡的淺層部位，即特征單元體A、B所在部位，出現塑性貫通區，將會產生淺表層失穩滑移。在坡體后緣深層部位有一較大的逆沖塑性區，但未與坡表連通，將保持穩定，不會產生深部斷裂或錯位。

對比全過程的坡體拉、剪破壞體積變化趨勢如圖11所示。

剪破壞體積明顯大于拉破壞體積。詳細進行量化對比發現，?F=1.0時，剪破壞占總破壞體積的97.53%，F=1.14時為97.75%;拉破壞在F=1.0時為2.47%，F=1.14時為2.25%（見表2）。明顯地，滑坡體無論是自重穩定狀態還是失穩滑移， 均表現出以?受剪為主的屈服破壞特征。由于滑坡失穩表現的是局部陡坡段的淺表層滑移，失穩時剪破壞所占的體積比相對于天然自重狀態增大的不明顯，拉破壞體積不變，表明未出現拉裂破壞。

由此可見，局部坡度對滑坡穩定性影響較大，可造成滑坡災害。因此，在前期可對局部較陡坡段進行有針對性的坡度放緩處理，或局部加固，可有效防止滑移風險。

2.4?多工況穩定性計算

聯合強度折減法與有限差分程序，計算其它工況下的滑坡穩定性結果見表3?；麦w整體在庫水位蓄水短暫工況條件下穩定性系數將略減小;在水庫蓄水期如遇暴雨，穩定性幾乎處于臨界狀況，處于欠穩定，淺層滑坡體可能產生變形失穩，滑坡整體穩定性較差;如在蓄水期遇地震，將會發生失穩導致水庫滑坡，由此還將產生涌浪。

從現場情況來看，滑坡呈前陡后緩的形態，整體坡角約20 °，基巖面呈前緩后陡形態，前緣傾角約15 °，后緣約36 °，經地表調查，滑坡體除沖溝內見局部變形滑動現象外，其它無明顯變形跡象，目前天然現狀為穩定。

從以上穩定性分析計算結果來看，滑坡體在極限工況的穩定性較差，由于滑坡滑面坡角較緩（平均坡度約20 °），滑坡整體不會產生高速滑動情況，產生的局部淺層滑移引起的涌浪作用也較小。

3?結?語

本文以金沙江烏東德庫區必油照滑坡為例，論述了Flac?3D?在滑坡穩定性分析評價中的應用。表明天然狀況下該坡體較穩定，在水庫蓄水、降雨等條件下穩定性較差，極端地震條件將有失穩風險。同時闡釋了滑坡災害的致災演變機理。實踐表明，通過Flac?3D?對滑坡穩定性進行數值模擬和分析評價是合理、可行的。該方法計算簡單，可迅速求得滑坡穩定性系數，直觀性強，方便模擬任何地貌、任意形狀滑動面滑坡的失穩破壞過程，且可考慮巖土體的非線性大變形，模擬分析不同工況，有效克服了傳統極限平衡分析和有限元法的不足。

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引用本文：張?旭，周紹武，龔維強，潘金華，蔣?樹，宛良朋.金沙江烏東德庫區必油照滑坡穩定性分析[J].人民長江，2019，50（1）：124-129.

Stability analysis of Biyouzhao landslide on bank of reservoir on Jinsha River

ZHANG Xu??ZHOU Shaowu3， GONG Weiqiang4， PAN Jinhua5， JIANG Shu1， WAN Liangpeng3

（1. Postdoctoral Workstation， China Three Gorges Corporation，Beijing 100038， China; 2. College of Civil & Hydraulic Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China; 3. China Three Gorges Construction Management Co.， Ltd， Chengdu 610000， China; 4. Chengmenshan Copper Mine of Jiangxi Copper Corporation， Jiujiang 332100， China; 5. China Gezhouba Group Three Gorges Construction Engineering Co.， Ltd， Yichang 443000， China）

Abstract：Based on the detailed analysis on geological structure and regional geological environment of landslide on the bank of reservoir on the Jinsha River， stratum occurrence， hydrometeorology and other factors， a geological model for Biyouzhao landslide was established by using ANSYS and Flac3D. Then combined with strength reduction method and finite difference program， the displacement and displacement rate of the landslide in the full process from the initial deadweight balance to critical slipping instability under multiple working conditions were calculated and the failure mode and slipping characteristics of the landslide were analyzed， and the slipping plane was determined by the shear strain incremental cloud map. Through numerical simulation， the evolution characteristics and instability mechanism of landslide failure were explained. The results of plastic deformation and displacement analysis showed that the landslide was basically stable in natural state and unstable under the condition of continuous intensive rainfall， which was consistent with the results of field investigation and analysis. Using Flac3D to analyze and evaluate the landslide stability is simple， feasible， and more intuitive and convenient than the conventional method.

Key words：?reservoirs bank landslide; stability analysis; ANSYS; Flac3D; Jinsha River