基于Flac3D的貴陽茶山溝斜坡變形破壞機理數值模擬研究

貴州有色地質工程勘察公司，貴州 貴陽 550002

對于某個具體堆積體斜坡的成因而言，大多是多期次、多種作用的復合結果[1-2]。按其形成的原因可分為沖洪積堆積、崩坡積堆積、滑坡堆積、泥石流堆積、殘坡積堆積、復合堆積等類型[3-4]。張倬元等[5]認為滑坡巖土體應該重點研究其變形破壞過程和機制，提出了累進性破壞以及滑坡變形破壞的機制模式。目前有許多學者使用Flac3D軟件做過相關研究，并結合工程地質條件分析，通過Flac3D數值模擬應力分布和變形特征，對滑坡的變形破壞機制進行了深入的探討[6]。

1 工程概況

滑坡位于貴陽市南明區紅巖地塊，北側緊鄰南明河，南側為山地。滑坡所在斜坡呈上陡下緩趨勢。滑坡的中部和前部已人工開挖，形成多級近似垂直臺階。區內出露的松散覆蓋層主要為第四系殘坡積地層（Q4dl+el）、老滑坡堆積層（Q4el）。基巖地層主要包括泥盆系蟒山群（Dms）石英砂巖、志留系高寨田群（Sgz）泥灰巖。該滑坡呈舌形，縱向長約550m，前緣寬120m，中部寬約100m，后緣寬180m，體積約為145萬m3。

2 三維地質模型的建立

（1）模型范圍及邊界。模型邊界前至南明河岸坡，后至斜坡坡頂，左右側以堆積體范圍向外擴展60m左右。模型長985m、寬713m，相對高差約285m，整體模型見圖1（a），具體堆積體范圍見圖1（b）。

圖1 斜坡數值模型的建立

（2）抗滑樁及監測點的布置。模擬工程實際情況對斜坡進行簡化后的支護，見圖2（a）。監測點的布置可以更加直觀地分析特殊點的位移情況。對模型布置了3個觀測點，見圖2（b），分別監測X（正東）、Y（正北）、Z（向上）方向的位移。

圖2 抗滑樁布置及監測點布置圖

（3）介質參數。斜坡巖土體具體物理力學參數見表1。

表1 斜坡巖土體物理力學參數

（4）計算方案。模型達到初始平衡狀態后，根據施工開挖實際情況對第二階段和第三階段的開挖以及開挖后的暴雨工況進行模擬，對斜坡應變場與堆積體、樁體的應變場，監測點以及模型的最大不平衡力進行分析。

3 地質模型的計算與分析

（1）第二次開挖。第二次開挖后的整體位移圖與矢量圖見圖3。第二次開挖部位后部，由于左側低排抗滑樁和右側高排抗滑樁的支護作用，兩側部位向正北方向的位移有所減弱，說明抗滑樁在第二次開挖階段中對后部的堆積體起到了支護的作用，而中部未進行支護的部位，正北方向的位移變形較大。

圖3 斜坡第二階段開挖后位移云圖

第二次開挖后的樁體位移主要為正北方向，見圖4，雙排樁從最內部向兩側方向樁體的變形越來越小。其中變形最大的抗滑樁為低排抗滑樁最內側樁，樁體產生近正北方向的位移，主要是因為受到后部牽引區淺部堆積體近正北向的擠壓。

圖4 第二階段開挖后樁體位移云圖

（2）第三次開挖。第三次開挖后的整體位移云圖見圖5。此次開挖不僅導致前部抗滑區因卸荷回彈產生了變形，更直接導致了中部滑移區與后部牽引區變形的加劇，尤其是后部牽引區的后邊界與第二階段開挖靠近抗滑樁一側的臨空面，變形位移幾乎增加了一個量級，這說明第三階段的開挖對斜坡的整體穩定性產生了較大的影響。

圖5 斜坡第三階段開挖后位移圖

第三階段的開挖直接導致了后部牽引區產生了更大的變形，從而導致雙排抗滑樁的受力增加，位移變大，見圖6。其中低排抗滑樁最內側的樁體頂部的位移變化最大，總體就樁體的變形破裂跡象而言，低排抗滑樁變形破壞比高排抗滑樁嚴重，低排抗滑樁與高排抗滑樁由內側向外側變形量逐漸降低。

圖6 第三階段開挖后樁體位移云圖

（3）暴雨工況下監測點位移及最大不平衡力變化情況。降雨之后，2號監測點在正東方向上的位移增加至3.5cm；在Z方向上下降至12.5cm左右。降雨對滑坡后部牽引區產生了顯著的影響。降雨對3號監測點正東方向和Z方向的位移影響較小，對正北方向的位移產生了一定的影響，說明降雨之后前部抗滑區向正北方向產生蠕滑的可能性較大。1號監測點正北方向與Z方向都存在位移量，其中正北方向位移變化量較大。降雨條件下監測點位移及最大不平衡力變化情況見圖7。

圖7 降雨條件下監測點位移及最大不平衡力變化情況

模型在降雨條件下最大不平衡力收斂但不趨于0，說明模型發生了塑性破壞或流動，即斜坡堆積體的位移仍然會持續增加。

4 斜坡變形破壞機制

通過現場調查分析及地質模型計算結果，影響該滑坡復活的主要因素為松散的巖土體結構、地形地貌、人類工程活動。該滑坡變形破壞過程主要劃分為三個階段：

（1）卸荷回彈變形階段。第一階段開挖首先從南明河岸坡開始，主要對堆積區前緣坡腳進行開挖，對堆積體尚未產生顯著影響，但從一定程度上釋放了前部抗滑區的應力，使堆積體產生了一定的卸荷回彈變形。

（2）蠕滑變形階段。第二階段開挖對后部堆積體的穩定性產生了較強的消極作用，降低了堆積體的抗滑力，此階段開挖是導致后部牽引區堆積體沿基巖與堆積體界面產生蠕滑變形的主要原因。

（3）卸荷回彈變形與滑移—拉裂階段。第三階段的開挖釋放堆積體內部殘余應力，坡體產生了明顯的卸荷回彈變形，坡體沿內部軟弱帶向臨空面方向產生位移。后部牽引區與中部滑移區在第三階段開挖后產生整體滑動，在后部牽引區出現了多條橫向拉張裂縫、在中部滑移區的左右邊界產生了多個剪切口以及羽狀裂隙。

該滑坡是在不利的地質條件基礎上，由不合理的人工開挖導致的，其演化發展的地質力學模式為蠕滑—滑移—拉裂。

5 結論

（1）第二階段的開挖改變了斜坡堆積體的應力狀態，主要誘發了第二階段開挖臨空面后部堆積體及樁體向正北方向產生位移；第三階段在斜坡中前部的大量開挖降低了堆積體整體穩定性，導致了受第三階段開挖影響范圍內的堆積體與樁體位移量的增加。在降雨條件下，斜坡受開挖影響范圍內堆積體的位移持續增加。（2）松散的巖土體結構、上陡下緩地形地貌是茶山溝斜坡堆積體局部復活的主要內因，人類工程活動的大量開挖是外因，在內因和外因共同作用下使堆積體局部復活誘發滑坡。滑坡復活變形破壞的地質力學模式為蠕滑—滑移—拉裂。