基于FLAC3D數(shù)值分析在滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

左曉峰，楊 鵬

（1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中國(guó)有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710054）

0 引言

滑坡是一種對(duì)人類生產(chǎn)活動(dòng)造成極大影響的地質(zhì)災(zāi)害，滑坡穩(wěn)定性分析是滑坡治理的前提，因此對(duì)滑坡穩(wěn)定性做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)是十分必要的。目前滑坡穩(wěn)定性分析主要有定量分析方法[1～5]和定性分析方法[6～10]，其中定量分析方法主要有極限平衡法和數(shù)值分析法；定性分析法有可靠度法、模糊綜合評(píng)判法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法、自然歷史分析法、工程類比分析法。王鵬等[1]將傳統(tǒng)條分法和全新剪應(yīng)力本構(gòu)模型結(jié)合應(yīng)用于邊坡的穩(wěn)定性研究。杜巖等[2]對(duì)平推式滑坡穩(wěn)定性分析后發(fā)現(xiàn)坡體后緣發(fā)生階梯沉降時(shí)傳統(tǒng)方法計(jì)算得到的穩(wěn)定系數(shù)誤差較大，提出了考慮階梯沉降的修正公式。張旭等[3]利用Ansys與FLAC3D數(shù)值模擬闡釋滑坡不同工況下破壞演化特征與失穩(wěn)機(jī)制。聶永鵬等[4]采用FLAC3D數(shù)值模擬方法，分析了在外荷載下滑坡的應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展規(guī)律，揭示了外荷載下老滑坡穩(wěn)定性的變化趨勢(shì)。劉伊凡等[8]通過模糊數(shù)學(xué)理論和數(shù)值方法對(duì)三峽庫(kù)區(qū)典型弱透水型滑坡穩(wěn)定評(píng)價(jià)，兩種方法結(jié)果一致，與實(shí)際監(jiān)測(cè)相符。然而定性分析法中的自然歷史分析法適用對(duì)區(qū)域性滑坡的整體穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)，工程地質(zhì)類比法又需要工程地質(zhì)條件相類似的滑坡做類似評(píng)價(jià)；不確定性分析方法在滑坡穩(wěn)定性分析中人為干擾因素往往導(dǎo)致結(jié)果有偏差，因此本文采用FLAC3D數(shù)值模擬與極限平衡法對(duì)比定量研究樓子溝滑坡穩(wěn)定性。

1 滑坡區(qū)工程概況

1.1 滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件

滑坡位于陜西省勉縣老道寺鎮(zhèn)樓子溝村一組，距勉縣縣城約20 km。滑坡位于北部山區(qū)南緣丘陵區(qū)，高程在+600 m～+700 m，相對(duì)高差約100 m，整體地形為前緩后陡的斜坡地貌，前緣坡度10°左右，發(fā)育多條沖溝，被人工改造成階梯狀，后緣較陡，滑坡前緣有通村公路通過，滑坡后緣有一簡(jiǎn)易灌溉渠，常年有水，同時(shí)前緣有水田，滑坡體上修建了房屋，滑坡平面見圖1，滑坡剖面見圖2，地層巖性自上而下分別為：全新統(tǒng)滑坡堆積層（Q4del）粉質(zhì)粘土、下更新統(tǒng)沖洪積（Q1al+pl）粉質(zhì)粘土、新近系（N）泥巖。

圖1 滑坡平面示意圖

圖2 滑坡剖面示意圖

1.2 滑坡特征

滑坡后緣以陡坡為界，陡坎高度約5.0 m～8.0 m；滑坡左右兩側(cè)以小沖溝為界，滑坡前緣為村民水田，在邊界外側(cè)未發(fā)現(xiàn)變形跡象，為原始地貌；滑坡中后部地表可見明顯下挫（圖3a），邊界清晰。

圖3 滑坡特征

滑坡平面呈一定弧度的長(zhǎng)條形，滑坡體長(zhǎng)約120 m，寬約300 m，平均厚約5.0 m，體積約21.6×104m3，屬中型膨脹土滑坡。滑體物質(zhì)主要為粉質(zhì)粘土（圖3b），黃褐色為主，土體結(jié)構(gòu)松散，節(jié)理裂隙十分發(fā)育，土質(zhì)呈斑塊狀，掰開后形如石榴粒，可見明顯的灰褐色膨脹土礦物，網(wǎng)格狀裂縫十分發(fā)育，最大寬度3 mm,灰色粘土薄膜附于裂隙表面，表面擦痕明顯,裂隙面光滑，手捻有滑感。根據(jù)鉆孔揭露，多個(gè)鉆孔中見滑面，滑面光滑，可見擦痕。滑床為粉質(zhì)粘土，黃褐色，含黑褐色礦物成分，含少量礫石，土體較密實(shí)。

1.3 滑坡成因機(jī)制

滑坡的是多種影響因素共同作用的結(jié)果，綜合分析認(rèn)為，樓子溝滑體表層粉質(zhì)粘土的自由膨脹率為41%～50%，均大于40%，屬膨脹土，具有明顯的脹縮性，因而裂隙發(fā)育，為雨水入滲創(chuàng)造了條件，降雨入滲增大滑體自重，同時(shí)土體遇水軟化，強(qiáng)度降低，是滑坡產(chǎn)生的根本原因。

2 FLAC3D滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1 FLAC3D滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)原理簡(jiǎn)介

FLAC3D分析滑坡穩(wěn)定性不需要像傳遞系數(shù)法中假定滑動(dòng)面，也不需要對(duì)滑體進(jìn)行條分，而是采用強(qiáng)度折減法通過折減系數(shù)不斷對(duì)巖土體強(qiáng)度指數(shù)c、φ值進(jìn)行折減，不斷增大折減系數(shù)，直至滑坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)，實(shí)際巖土體抗剪強(qiáng)度與此極限平衡狀態(tài)巖土體抗剪強(qiáng)度的比值即為滑坡安全系數(shù)[11]。該模型選用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，安全系數(shù)定義如下：

式中：折減后的粘聚力；φtrial為折減后的內(nèi)摩擦角；Ftrial為折減系數(shù)。

2.2 建立模型

以滑坡典型剖面為基礎(chǔ)，選取滑坡邊界，在CAD中建立幾何模型，導(dǎo)入有限元軟件Ansys對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行剖分，共生成35190個(gè)單元，40942個(gè)節(jié)點(diǎn)，之后導(dǎo)入FLAC3D計(jì)算分析，幾何模型見圖4。本模擬研究根據(jù)滑坡體周界變形特征結(jié)合滑坡體的巖性組合情況，選擇Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。邊界約束條件為：左右采用固定X位移邊界，前后采用固定Y位移約束，底部進(jìn)行三向約束，上部為自由邊界。本次模擬考慮天然工況和暴雨工況。

圖4 數(shù)值模擬幾何模型

2.3 選取參數(shù)

本次模擬的巖土體物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)以及參考文獻(xiàn)[12～15]確定，具體參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

2.4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

圖5 兩種工況下滑坡塑性破壞

軟件不斷增大折減系數(shù)對(duì)巖土體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減，巖土體本身的彈塑性決定滑坡在發(fā)生變形破壞的過程中巖土體會(huì)發(fā)生塑性破壞，滑坡在失穩(wěn)狀態(tài)下其塑性應(yīng)變區(qū)域必然是貫通的。

圖5（a）與圖5（b）對(duì)比可知：天然工況滑坡安全系數(shù)為1.01，塑性變形區(qū)并未貫通滑坡體，但局部有塑性變形，尤其在陡坎下部剪切變形明顯，表明滑坡自重情況下在地表坡面較陡處，滑坡整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨工況滑坡安全系數(shù)為0.93，塑性變形區(qū)完全貫通，滑坡前緣發(fā)生剪切變形，后緣拉張變形明顯，表明此時(shí)滑坡已發(fā)生整體失穩(wěn)，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 兩種工況下位移及矢量圖

滑坡失穩(wěn)最直接判據(jù)就是發(fā)生明顯的位移，軟件模擬的位移結(jié)果是滑坡失穩(wěn)變形的最直觀反映。圖6（a）與圖6（b）對(duì)比可知：兩種工況下位移較大區(qū)域分布與塑性區(qū)分布類似，位移主要發(fā)生在坡面較陡處，天然工況下滑坡最大位移為1.8 m，滑體暴雨工況滑坡最大位移為39 m，暴雨工況下位移明顯較大，整個(gè)滑體發(fā)生明顯位移，此時(shí)滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3 極限平衡法滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

本次分析選取極限平衡法中的傳遞系數(shù)法，采用折線滑動(dòng)法計(jì)算公式，對(duì)滑坡典型剖面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，穩(wěn)定性計(jì)算條分簡(jiǎn)圖見圖7。

圖7 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算示意圖

穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：KS為穩(wěn)定系數(shù)；Ψi為第i計(jì)算條塊剩余下滑推力向第i+1計(jì)算條塊的傳遞系數(shù)；Ri為第i計(jì)算條塊滑動(dòng)面上的抗滑力，kN/m；Ni、Ti為第i計(jì)算條塊滑體在滑動(dòng)面法線、切線上的反力，kN/m；ci、φi分別為計(jì)算條塊滑動(dòng)面上巖土體的粘結(jié)強(qiáng)度（kPa）、內(nèi)摩擦角（°）；θi、αi為第i計(jì)算條塊底面傾角和地下水位面傾角，°；li為第i計(jì)算條塊滑動(dòng)面長(zhǎng)度，m；Qi為第i計(jì)算條塊單位寬度巖土體自重，kN/m；Qbi為第i計(jì)算條塊滑體地表外荷載的單位寬度自重，kN/m；Pwi為第i計(jì)算條塊單位寬度總滲透力，kN/m。

極限平衡法對(duì)不同工況下滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行求解，計(jì)算所需巖土體力學(xué)參數(shù)見表1，分析結(jié)果見表2，得到在天然工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.03，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；在飽水工況下穩(wěn)定系數(shù)為0.938，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬與傳遞系數(shù)法對(duì)樓子溝滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)得到以下結(jié)論：

（1）數(shù)值模擬計(jì)算得到滑坡在天然、暴雨工況的安全系數(shù)分別為1.01、0.93；極限平衡法計(jì)算得到滑坡在天然、暴雨工況的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.03、0.938。

（2）兩種方法對(duì)該滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)基本一致，樓子溝滑坡在天然工況下是欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下是不穩(wěn)定的。