變形預(yù)測(cè)模型在地質(zhì)災(zāi)害綜合評(píng)估中的應(yīng)用
——以貴州省某地災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為例

許啟松 任 飛 樊 輝 楊國(guó)珍 李明勝

（貴州省減災(zāi)中心，貴陽(yáng) 550000）

0 引言

貴州省位于世界最大的連片巖溶石山地區(qū)的中心地帶，多為峰叢河谷洼地，具有山高坡陡谷深的特點(diǎn)，加之貴州省生態(tài)環(huán)境較為脆弱，地質(zhì)災(zāi)害具有“災(zāi)種全、災(zāi)害重、隱患多、發(fā)生頻繁”的特點(diǎn)，是全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重的省份之一。據(jù)調(diào)查，全省地質(zhì)災(zāi)害高中易發(fā)區(qū)面積達(dá)13.6 萬(wàn)平方公里，占全省國(guó)土面積的77%。通過(guò)對(duì)近5 年來(lái)發(fā)生的140 余處主要地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，滑坡占主導(dǎo)地位，約60%，崩塌占20%，泥石流占13%。各類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害往往相伴而生,并引發(fā)次生災(zāi)害，使危害和影響范圍加大，給人民生命財(cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成巨大損失。

滑坡因其具有多發(fā)性、頻發(fā)性和嚴(yán)重破壞性的災(zāi)害特征，已成為地質(zhì)災(zāi)害中的一種重要災(zāi)種。降雨是滑坡最重要的誘發(fā)因素之一，具有很強(qiáng)的區(qū)域群發(fā)性和突發(fā)性，同時(shí)也增加了滑坡的早期識(shí)別和防范難度。滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是滑坡風(fēng)險(xiǎn)研究的基礎(chǔ)，亦是實(shí)現(xiàn)滑坡災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警評(píng)估，繼而制定相應(yīng)的災(zāi)害防治預(yù)案的重要手段。

本研究課題以某地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)為例，通過(guò)資料收集、野外調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)，利用FLAC3D 軟件建立動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，為多因素誘發(fā)自然災(zāi)害的綜合性動(dòng)態(tài)評(píng)估研究的推廣提供基礎(chǔ)支持。

1 項(xiàng)目水文和地質(zhì)情況

本次選取的研究區(qū)位于貴州省中東部的高坪礦區(qū)內(nèi)，距貴陽(yáng)市區(qū)150km，屬于亞熱帶溫濕氣候，春夏季多南風(fēng)，秋東季多北風(fēng)。年最高氣溫34℃，最低氣溫-5℃，年平均氣溫約15℃，年降雨量714.8～1375.4mm，年平均降雨量1135.1mm。5～8 月為雨季，降雨量占年降雨量的70%以上。本區(qū)域潮濕多雨，相對(duì)濕度一般80%左右，最高100%，最低50%，因此邊坡的穩(wěn)定性受雨季影響較大。其主要地層巖土工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)如下：

（1）紅黏土層：褐黃色，殘坡積成因，裂隙發(fā)育，韌性較強(qiáng)，網(wǎng)紋狀裂隙較發(fā)育，含少量白云巖風(fēng)化顆粒，滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值為：1×10-6～1×10-8（cm/s）；

（2）震旦系上統(tǒng)燈影組（Z2dn）強(qiáng)風(fēng)化白云巖：巖體極破碎，呈星散狀較均勻分布于頂部，滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值為：1.2×10-8～4.6×10-9（cm/s）；

（3）震旦系上統(tǒng)燈影組（Z2dn）中風(fēng)化白云巖：細(xì)至中粗粒白云巖，含硅質(zhì)團(tuán)塊及條帶，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值為：1×10-9～6×10-（6cm/s）。

研究區(qū)邊坡巖土工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)邊坡巖土工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)剖面示意圖

2 預(yù)測(cè)模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查，利用FLAC3D 軟件計(jì)算將模擬試驗(yàn)段坡體劃分為12578 個(gè)單元，2988 個(gè)節(jié)點(diǎn)，建成試驗(yàn)段邊坡三維模型。模型中，設(shè)為自由邊界的區(qū)域?yàn)檫吰碌谋砻妫O(shè)為固定約束邊界的區(qū)域位于模型底部，設(shè)為單向邊界的區(qū)域環(huán)繞在模型四周。在進(jìn)行初始力學(xué)邊界的條件賦值中，不對(duì)其構(gòu)造應(yīng)力進(jìn)行考慮，而對(duì)自重應(yīng)力作用下的初始應(yīng)力作為重要考慮的對(duì)象。根據(jù)滑坡變形的時(shí)間與規(guī)律，將研究區(qū)邊坡產(chǎn)生變形的過(guò)程分成兩個(gè)階段進(jìn)行分析。

（1）初步蠕變階段。利用FLAC3D 軟件，結(jié)合研究區(qū)近10 年的降雨情況，建立暴雨情況下的三維模型，根據(jù)研究區(qū)內(nèi)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化的趨勢(shì)，選取典型監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)序列，與模型所模擬的滑坡變形趨勢(shì)進(jìn)行分析比較，直觀反映暴雨工況下滑坡的變形趨勢(shì)和破壞情況。

（2）變形加速階段。在變形加速階段，采用多元線性回歸模型對(duì)滑坡變形趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化的趨勢(shì)，選取典型監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)序列，與多元線性回歸模型得出的預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。

圖2 三維數(shù)值計(jì)算模型圖

3 穩(wěn)定性分析及預(yù)測(cè)

3.1 天然工況的情況

根據(jù)FLAC3D 軟件計(jì)算所得天然工況條件下邊坡滑動(dòng)安全系數(shù)為1.64，處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。其中，由圖3 的位移云圖正面圖和圖4 位移云圖側(cè)面圖可以看出：滑坡在坡頂強(qiáng)風(fēng)化白云巖和中風(fēng)化白云巖交界處附近位移最大，并從坡頂往下逐漸減少，坡腳位移量最小。

圖3 天然工況：位移云圖正面圖

圖4 天然工況：位移云圖側(cè)面圖

從圖5 最大主應(yīng)力圖可以看出：應(yīng)力集中區(qū)主要集中在邊坡坡表中風(fēng)化白云巖巖層（FLAC3D 中以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)）。在坡頂出現(xiàn)拉應(yīng)力分布區(qū)，其應(yīng)力值和邊坡高度成正比。從圖6 可以看出：邊坡剪應(yīng)變?cè)隽科马斒亲畲蟮模幱谳^為軟弱的狀態(tài)，并隨著深度的加深逐漸減少。

圖5 天然工況：最大主應(yīng)力圖

圖6 天然工況：剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

3.2 暴雨工況的情況

水是影響該邊坡穩(wěn)定性的主要因素。當(dāng)黏土浸水膨脹后，大大地降低了顆粒間的黏聚力，從而使抗剪阻力降低，進(jìn)而降低邊坡的穩(wěn)定性；風(fēng)化作用使邊坡的巖石強(qiáng)度降低的同時(shí)，也使巖體內(nèi)的可溶性礦物析出，加大巖體的裂隙，使巖體的黏聚力大大降低，遇水產(chǎn)生滑移變形。

采用飽和容重及飽和力學(xué)參數(shù)進(jìn)行暴雨工況下有限元分析。計(jì)算所得暴雨工況條件下邊坡滑動(dòng)安全系數(shù)為1.38，處于穩(wěn)定的狀態(tài)。由圖7 的位移云圖正面圖和圖8位移云圖側(cè)面圖可以看出：從邊坡頂部到邊坡的底部位移的趨勢(shì)呈明顯的漸變趨勢(shì)，在坡腳附近的下部即藍(lán)色的區(qū)域，位移等值線隨上部區(qū)域的變化而急劇變化。也可看出位移分層現(xiàn)象十分明顯，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，該位置的位移急劇增加，是整個(gè)邊坡位移的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

圖7 暴雨工況：位移云圖正面圖

圖8 暴雨工況：位移云圖側(cè)面圖

從圖9 的最大主應(yīng)力圖可以看出：邊坡最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面最大可能出現(xiàn)在邊坡位移突變的地方。從圖10的剪應(yīng)變?cè)隽繄D可以看出：邊坡的表面順著層面出現(xiàn)了一個(gè)貫通的剪切破壞面，處于較為軟弱的狀態(tài)，進(jìn)一步確定了該層面為潛在的滑動(dòng)面。

圖9 暴雨工況：最大主應(yīng)力圖

圖10 暴雨工況：剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以貴州省某滑坡監(jiān)測(cè)項(xiàng)目作研究對(duì)象，探討了滑坡變形趨勢(shì)、邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，以及邊坡預(yù)測(cè)模型對(duì)邊坡變形的預(yù)測(cè)研究。根據(jù)邊坡變形的時(shí)間規(guī)律，將研究區(qū)邊坡產(chǎn)生變形的過(guò)程分成兩個(gè)階段進(jìn)行分析：在邊坡初始變形到邊坡失穩(wěn)階段，采用快速拉格朗日有限差分法建立FLAC3D 邊坡三維模型，模擬暴雨情況下邊坡滑動(dòng)狀態(tài)，驗(yàn)證建立的模型與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果反映的變化規(guī)律是相符合的，表明利用FLAC3D 軟件建立的邊坡三維模型進(jìn)行預(yù)測(cè)是可行的。