基于PFC3D 的某高位滑坡致災范圍預測

黃琰杰 魏 廣

(成都理工大學環境與土木工程學院,四川 成都 610059)

滑坡是全球常發生的地質災害之一, 滑坡的發生會對人類的生命財產安全和城鎮建設構成極大的威脅,也給國家帶來巨大的經濟損失[1]。而在這其中,有一類滑坡較為特殊,即為高位滑坡。高位滑坡一般是指滑坡剪出口高程高于坡腳的一類滑坡,其一旦整體失穩,將儲存的重力勢能轉化為動能,破壞力極強[2]。近年來,在我國常有高位滑坡發生。例如,2012 年6 月28 日, 四川省寧南縣白水河發生高位牽引式滑坡;2017年6 月24 日,四川省茂縣新磨村發生山體高位巖質滑坡。以上所列高位滑坡轉化為碎屑流均表現出高速、遠程、破壞力強、致災面積廣等特點[3],嚴重威脅群眾的生命財產安全。殷躍平等[4]通過對汶川地震觸發的多處高位滑坡進行研究后得出,滑坡在高速滑流中,發生高速氣墊效應、碎屑流效應、鏟刮效應3 種效應。張明等[5]以汶川地震觸發的文家溝高速遠程滑坡碎屑流為研究對象通過其堆積物中出露的沖溝對碎屑流堆積物的堆積結構進行研究,表明碎屑流堆積物具有明顯的反序結構。

本文基于PFC3D 軟件模擬某滑坡滑動解體后的堆積范圍及最大滑動距離,結合理論公式對比分析,對提前采取針對性防治措施具有重大意義。

1 滑坡概況

該滑坡平面形態呈圈椅狀,后緣高程約2505m,前緣高程約2430m, 前后緣高差約75m。滑坡軸長約75m, 平均寬約160m,平面面積約1.2×104m2,滑體厚約8m,體積9.6×104m3,為一小型淺層土質滑坡。

滑體主要由含碎石粉質粘土和類黃土組成, 具有明顯的分層特征;下伏基巖為板巖。

2 模擬準備

2.1 模型建立

本次模型的建立使用具有強大建模功能的犀牛軟件,建立模型時首先根據勘探所得的剖面圖將滑體部位挖掉,挖掉的滑體部分運用顆粒進行填充。運用幾何圖形導入法將坡面書寫為PFC5.0 可以識別的stl 文件, 再利用wall import 命令將幾何圖形導入,最終轉化為復雜的wall。

本模型采用的是平行粘結模型模擬具有一定粘結強度的土體,平行粘結可以在不同實體之間傳遞力和力矩。由于考慮模型較大,計算所需的時間較長,不可能以真實的顆粒尺寸對滑體部分進行填充。為了保證計算的效率,對顆粒尺寸進行適當的放大。本次計算顆粒尺寸半徑為0.5～1m,在滑坡范圍內充填的球體顆粒數為22830 個最終建立的計算模型如圖1 所示。

圖1 PFC 數值模型

2.2 參數的選取

對于參數的取值,目前沒有固定的方法,主要通過試驗和查閱相關參考文獻進行取值。如果沒有室內試驗數據的情況下,也可通過不斷反演試算的方法對微觀參數進行標定。當試算狀態達到穩定和欠穩定臨界狀態時,可求得相關的微觀參數。此次計算采用的是平行粘結模型模擬具有一定粘結強度的土體,選用的參數主要有兩類,為顆粒接觸參數和平行粘結強度參數,對顆粒間的摩擦系數進行指定。具體微觀參數取值見表1。

表1 相關力學參數取值表

3 模擬結果分析

3.1 運動過程分析

通過軟件模擬滑坡在自重和摩擦阻力的共同作用下,滑體完全滑動后的堆積形態以及滑動距離。在計算步數達到42600 步后穩定,顆粒完全下滑堆積。滑體下滑后的堆積形態如圖2、圖3 所示。

圖2 滑坡整體滑動后堆積圖

圖3 滑坡整體滑動后堆積圖(俯視)

從上圖中可以看出,滑體從前緣剪出口滑出后,大部分由于摩擦阻力的作用停留在坡面上,一小部分顆粒運動距離較遠,完全下滑后的滑體大多堆積在坡腳附近。堆積在坡面上的滑體有明顯的歸槽現象,未大范圍的向兩側運動,這主要受坡體地形的控制約束。

3.2 堆積形態分析

為研究滑坡滑動后,滑體的堆積范圍,選取滑體停止滑動后的結果圖如下。圖4～圖7 為滑坡滑動停止后的解體堆積范圍。

圖4 滑體總位移云圖

圖5 滑體X 方向位移云圖

圖6 滑體Y 方向位移云圖

圖7 滑體Z 方向位移云圖

從上圖可以看出, 滑體下滑后沿斜坡面運動的最大距離為1.19km,這是局部顆粒向前運動的結果,堆積體的范圍相對較小。顆粒在坡體橫向上的位移相對較小,這主要受兩側山脊的約束,X 方向上的位移,左側為82.4m,右側為140.3m,相比于左側的堆積范圍,右側的堆積范圍更大,結合在現場對坡腳位置處的調查,仔細分析可知這是由于右側高程相對較低所引起的。Y 方向的最大位移為960.7m,在豎直方向Z 方向的最大位移為721.7m。滑體解體后顆粒向前的運動距離較遠,本文在分析致災范圍時主要以坡腳堆積體的范圍來劃定,在橫向上的堆積最大寬度為222.7m,在主滑方向上的主要堆積范圍約為149.4m。

4 計算結果與模擬結果對比分析

4.1 公式推導

在地質災害防治領域現已有較多滑距預測計算公式,這些公式主要通過對實測資料進行統計分析,或者在經驗分析的基礎之上建立起來。

在20 世紀70 年代,奧地利學者謝德格爾(Scheidegger)對全球發生的高速遠程滑坡的特征參數進行統計分析,推導了滑動摩擦系數與滑坡體積的關系,可得出滑動摩擦系數與滑坡體體積呈負相關的關系,具體推導公式如下:

式中:f- 動摩擦系數;V- 滑坡體積;a、b 為系數:a=-0.15666,b=0.62419;H- 滑坡垂直滑落高度。

該公式將坡面視為直線坡,采用此方法計算誤差較大。現基于運動學的原理對滑坡在不同坡角條件下的滑距計算公式進行推導,在進行推導之前需作出以下假設:

(1)將滑體視為剛體,在運動時只受外力作用,不考慮內力作用;

(2)滑體在下滑時,只考慮重力作用和滑動摩擦力,不考慮空氣阻力;

(3)滑體在通過坡面轉折處時不考慮跳躍和能量損耗。

將坡面段數假設為n 段,抽取其中的第n-1 段,第n 段,第n+1 段作為簡化模型對滑距公式進行推導。

假設滑塊運動到第n-1 段末端的速度為Vn-1,當滑體在第n 段坡面運動時,據運動學公式:

其中,Sn為在第n 段坡面上的運動距離。

滑體在向前運動的過程中, 由于摩擦阻力的作用,滑體速度最終將會減小為0,假設滑體速度減為0 的坡面為上述第n 段坡面,則有Vm=0。對上式(3)進行變換可得滑體在坡面上的滑動距離:

在對滑坡進行滑距預測時,主要在于對滑體水平方向向前運動距離的預測,因此將公式(4)轉化為水平運動距離計算公式,并將 μ= tanφ代入上式可得:

式中:Ln- 第n 段坡面水平滑動距離;

αn-第n段滑面傾角;

αn-1-第n-1段滑面傾角;

Vn-1- 第n-1 段末速度;

φ- 滑面內摩擦角。

由所推導公式(5)可知,影響滑坡滑動距離的主要因素為前后段坡面的傾角以及摩擦角。將式(5)計算所得的每段滑距進行相加可得滑坡整體的滑動距離,則滑坡破壞后總的滑距為:

式中:m - 滑體在停止時滑過的坡面線段數;

L- 滑坡總滑距。

據此可以計算滑坡體在坡面上的滑動距離。

4.2 對比分析結果

利用該滑距計算公式計算所得的滑距與數值模擬結果進行對比分析, 公式計算所得到的水平地面的滑動距離為156.66m,數值模擬所得結果為149.4m,兩則間存在一定誤差,但誤差不大,說明模擬及計算結果具有一定的適用性,兩者對比分析結果見表2。

表2 公式計算結果與數值模擬結果對比分析

5 結論

通過建立某高位滑坡的三維地質模型, 對滑動后的運動過程及堆積形態進行分析,主要有以下結論。

5.1 通過理論公式計算結果與軟件模擬結果相對比,二者相差不大,說明此方法用于該類滑坡滑動后的分析具有一定適用性。

5.2 數值模擬結果顯示,滑體主要堆積范圍為:沿主滑方向堆積149.4m, 橫向上的堆積范圍, 左側為82.4m, 右側為140.3m ,總的堆積最大寬度為222.7m。

5.3 將公式計算的滑距與數值模擬計算的結果進行對比分析,結果存在一定的誤差,但誤差較小,相對誤差為4.63%。