不同雨量條件下滑坡穩定性數值研究

王 灝，任弘宇

(青海九〇六工程勘察設計院，青海 西寧 810001)

滑坡是土體、或者巖石等物體在坡面發生沿斜坡向下運動的一種常見現象[1]，在自然界中非常普遍。我國地貌多種多樣、地質構造比較復雜，加之不同地方氣候條件原因非常容易出現滑坡現象，加強對其研究意義重大。

國內外學者很早就開始對滑坡展開研究。瑞典學者彼得森在20世紀出提出了圓弧滑動法為邊坡穩定研究提供了基礎[2]。Janbu提出了普通條分法，該方法的適用范圍更廣，學者對其應用也越來越多[3]。Sarma將界面材料的破壞準則考慮在內提出了非垂直條分法，該方法在一定成度上方便了對邊坡穩定性的研究[4]。我國著名學者陳祖煜對傳統極限平衡條分法進行了更加深入的研究和分析，證明了該方法的正確性[5]。楊偉[6]對實際工程滑坡進行了分析，徐鎮南[7]使用BISHOP算法對大型水利工程滑坡穩定計算評價。李振[8]、李大鑫[9]、吳珺華[10]等人分別對滑坡剪切變化進行了分析研究。鄭洪[11]、湯羅圣[12]、劉光華[13]等人均使用大型數值計算軟件FLAC3D對在不同情況下滑坡的抗剪切強度參數和內摩擦角等穩定參數進行研究，認為該軟件可以很好的進行滑坡穩定數值研究，能夠滿足研究需求。李楊[14]、趙普[15]、韓東海[16]等人分別使用Fluent和GeoStudio等軟件對滑坡進行詳細的數值研究。不同雨量條件下，滑坡內土體承受的作用力會發生變化，加強對其研究意義重大。

本文在前人研究基礎上，結合實際工程使用大型有限元計算軟件FLAC3D對不同雨量作用下滑坡體的穩定性進行分析，為實際情況提供參考。

1 工程概況

本研究滑坡處于盆地和平原交接過渡帶，地貌比較復雜。山坡整體坡度為30°左右，整個山坡不同破段坡度大致范圍為23°～35°。滑坡區的巖性比較復雜，有第四系地層(主要覆蓋層為碎石土、粉質黏土)、寒武系八村群地層、寒武系、加理東期地層等組成。該區域的地下水主要是基巖裂隙水和孔隙水，每年地下水的水量變化幅度較大，滲透性較好。

2 模型建立

FLAC3D軟件是由美國Itasca公司開發的有限元軟件，該軟件由于其強大的計算能力、專業性等優勢在巖土領域得到了廣泛的應用，尤其是強度折減法在巖土滑坡研究中應用非常廣泛，強度折減法對應的控制方程見式(1)—(2)。通過增加滑坡內的折減系數，最終破壞情況下的折減系數，即安全系數。

cF=c/Ftrial

(1)

φF=arctan(tanφ/Ftrial)

(2)

式中，c—粘聚力；cF—折減后粘聚力；φ—內摩擦角；φF—折減后內摩擦角；Ftrial—折減系數。

本文根據工程實際情況確定計算需要的材料參數，見表1。不同情況下，滑坡體的穩定評價標準見表2。利用FLAC3D軟件建立數值模型，對天然狀態下和暴雨狀態下的滑坡穩定性進行研究。數值模型長度為300m，高度根據實際情況進行設置，厚度為10m。為了更加準確的進行數值模擬，網格劃分為六面體的結構化網格，網格數量為76306個，對應的節點數量為49638個，建立好的數值模型如圖1所示。

表1 材料參數

表2 穩定評價標準

圖1 有限元模型

從滑坡上側到下側為X軸正方向，垂直向上為Z軸正方向，根據右手定則確定Y軸正方向。本文分別對正常狀態和暴雨狀態下滑坡體的應力、位移和剪切增量等穩定特性進行分析。

3 結果分析

3.1 應力分析

分別對天然狀態和暴雨狀態下滑坡體的第一主應力和第三主應力進行分析，如圖2—3所示。

圖2 不同雨量狀態下第一主應力云圖

根據圖2可知，不管是在天然狀態下還是暴雨狀態下滑坡體的第一主應力分布基本保持一致。應力以垂直向上為正方向，因此在云圖中紅色表示應力值較小，藍色的應力值較大。可以看出在斜坡表面應力云圖為紅色，表示該處的應力較小。沿著滑坡體在表面應力較小，隨著垂向深度的增加，第一主應力逐漸增大，但是在滑坡滑動面出現局部的應力值較小。不同雨量狀態下應力最大值均出現在左下角位置處，天然狀態和暴雨狀態下第一主應力最大值分別為3.18×106、3.25×106Pa；第一主應力最小值分別為8.61×103、7.81×103Pa。第一主應力最大值增加了0.07×106Pa，增加幅度為2.2%；第一主應力最小值減小了0.8×103Pa，減小的幅度為9.29%。

圖3 不同雨量狀態下第三主應力云圖

根據圖3可知，滑坡體的第三主應力分布于第一主應力分布類似，同樣是表面應力值較小，越靠近下側壓力值越大，最大值同樣出現在左下角位置處。天然狀態和暴雨狀態下第三主應力最大值分別為4.57×105、4.65×105Pa；第三主應力最小值分別為4.07、0.04Pa。第三主應力最大值增加了0.08×105Pa，增加幅度為1.75%；第三主應力最小值減小了4.03Pa，減小的幅度為99%。這主要是因為在暴雨情況下，土體內達到飽和狀態，對靠近下側的土體產生的壓力增加；在表面土體出現滑動，導致某位置的土體較小，對應的應力值也出現明顯的減小。

3.2 位移分析

分別對天然狀態和暴雨狀態下滑坡體的X向位移和總位移進行分析，如圖4—5所示。

圖4 不同雨量下X方向位移云圖

根據圖4可知，滑坡體內的位移主要體現在X方向，其他方向位移較小，因此對X方向的位移進行分析。滑坡在X方向的位移主要出現在斜坡表面中間及靠上側，靠近下面的位移很小，在最底部位移幾乎為零。天然狀態下和暴雨狀態下滑坡X方向位移最大值分別為10.13、73.37cm，位移增加63.24cm，增加幅度為624.28%。

由于總位移主要是在X方向上，因此總位移的分布與X方向的分布規律基本一致。總位移最大值主要出現在滑坡表面中間位置，天然狀態下和暴雨狀態下滑坡總位移最大值分別為10.73、76.97cm，位移增加66.24cm，增加幅度為617.33%。

3.3 剪切應變增量分析

分別對天然狀態和暴雨狀態下滑坡體的剪切應變增量進行分析，如圖6所示。

圖6 不同雨量下滑坡剪切應變增量分布云圖

根據圖6可知，天然狀態下和暴雨狀態下的滑坡剪切變量增量分布基本一致。主要出現在滑坡中間靠近上側部分，且滑坡剪切增量并不是平行于表面。天然狀態下和暴雨狀態下滑坡剪切增量最大值分別為3.07、3.03Pa。同時經過大量的折減計算得出天然狀態下和暴雨狀態下滑坡的穩定系數分別為1.02、0.97。根據表2可知，在天然情況下邊坡體處于欠穩定狀態，暴雨情況下滑坡體處于不穩定狀態，均需要加強防護。

4 結論

本文使用FLAC3D有限元軟件對天然狀態和暴雨狀態下滑坡的應力變化、位移和剪切應變增量進行分析，得出結論如下：

(1)天然狀態和暴雨狀態下滑坡的應力在垂向上越靠近底部應力越大，第一主應力最大值分別為3.18×106、3.25×106Pa；第三主應力最大值分別為4.57×105、4.65×105Pa。

(2)天然狀態和暴雨狀態下滑坡的位移主要出現在滑坡中間位置附近，X方向位移和總位移很接近。兩種情況下，總位移最大值分別為10.73、76.97cm。

(3)天然狀態和暴雨狀態下滑坡的剪切應變增量主要出現在滑坡中間位置靠上部分，兩種狀態下的穩定系數分別為1.02、0.97，均需要加固措施。