強降雨狀態下堆積體滑坡有限元計算和穩定性分析

鄭 偉

(新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

1 引言

邊坡是一種常見的工程結構，在一些特定的環境下，松散堆積體占了很大比例。當遭受外部荷載如地震、暴雨沖擊作用下，極易發生失穩導致破壞，造成人民財產安全損失。由于現場監測和室內土工試驗的局限性，數值模擬是解決邊坡問題的有效方式。相對于傳統的極限平衡法有限元法由于其原理清晰、計算簡單而又精確，即兼顧了計算效率又能保證不錯的計算精度，因而是計算邊坡穩定性問題中的一種常用的可靠、有效的工具。趙尚毅[1]利用有限元方法，比較了不同的邊坡屈服準則，通過有限元法計算的結果與傳統方法進行對比，發現比較接近。付雪等人[2]利用FLAC 3D 軟件計算了達到屈服極限時土質邊坡的塑性流動特性，并通過實際工程監測數據驗證了模型的有效合理性，計算出了邊坡的合理坡度。本文基于某地超高邊坡工程滑坡實例，對比不同傳統計算方法和不同工況下該滑坡的安全系數，并通過有限元軟件建立了自然和暴雨工況下的超高邊坡有限元二維模型，對橫向位移、塑性區分布、增量應變進行分析。

2 滑坡區概況

2.1 工程地質特征

項目地貌屬于山間谷溝類型。該工程由人工填充堆砌而成，查閱相關規范，屬于Ⅰ級重要工程。該地較為干旱，但在夏季7 月～8 月仍有較多的降水，且多為暴雨，雨量大，易受到大雨沖擊。地殼運動少，很少受到地震荷載作用，地震烈度大約為Ⅶ度。此外，由于其位置特殊，易受到當地人為因素影響。該坡的坡面較陡且不均勻，65°～70°不等。滑坡構造包含前級滑坡體、后級滑坡體、南塊和北塊，后期建造了樁基礎進行加固。滑坡全貌見圖1。

圖1 滑坡全貌示意圖

在本研究中，主要研究對象以南塊滑坡為主?；虑昂缶挟數孛裼媒ㄖ笥疫吔鐢嗔烟幊尸F為羽毛狀。埋深大約為4.0 m～15.6 m，主要滑坡斷面后級傾角約65°，滑面傾角約為10°左右，滑坡部分體積約為158000 m3。滑坡體填土多為砂土、碎石，還存在許多建筑垃圾材料。

2.2 滑坡特征

滑坡變形目前比較嚴重并隨著時間的推移不斷復雜。如圖2 展示了四種該邊坡的破壞特征，圖2(a)為前緣鼓脹擠壓破壞，圖2(b)為后緣出現的張拉裂縫，圖2(c)為坡體面上下開錯，圖2(d)為后部張拉裂隙。坡體左右邊界出現的裂縫寬度約1 m～3 m，充分體現了滑坡體變形破壞特征。

圖2 滑坡破壞特征

3 滑坡穩定性分析

3.1 極限平衡法

邊坡穩定性分析方法分為確定性分析和不確定性隨機方法分析，考慮到存在堆積體的情況，普遍用典型的確定性分析方法來計算穩定性，如Morgenstern-Price 法、水平條分法、豎向條分法、傳遞系數法和Janbu 法等?？紤]到該地區的水文地質原因，以及發生地震的概率和等級均較低，故而計算時忽略地震對邊坡穩定性的影響。

在穩定性計算目標為滑坡的主軸斷面，工況分為自然狀態和暴雨狀態，根據相關規范和參考文獻進行參數的選取，見表1。

表1 土體參數

為研究滑坡穩定性，利用Slide 軟件建立滑坡平面應變模型，采用強度折減法、傳遞系數法和Janbu 條分法計算安全系數?；履Ｐ鸵妶D3。

圖3 滑坡計算模型

三種方法計算的安全系數見表2。由表2 可知，滑坡體前緣在自然和暴雨工況下均呈現不穩定狀態，滑坡體后緣在暴雨狀態下不穩定，在自然條件下欠穩定。安全系數在0.978～0.982 之間，低于符合規定的1.1，該邊坡存在滑坡風險且缺少安全儲備。

3.2 有限元法

3.2.1假定條件

為研究滑坡的穩定性破壞特性，利用有限元軟件進行計算求得數值解。基于以下假設:

(1)均勻性假設。實際材料性質存在不均勻性，即材料各部分參數雖然差異不大但仍存在差異，在有限元模擬中，假設材料是均勻的，每一點的性質和力學參數相同。

(2)各向同性假設。實際土體為不規則個體，在空間中的每個方向特征表現不同，為各向異性。在模擬中假設材料各向同性，不同方向的力學性質不存在差異。

(3)半無限空間體。為劃分邊坡模型的邊界條件，假定該模型存在于半無限空間體中，不需要對全部邊界進行設置劃分。

3.2.2網格劃分和邊界條件

在有限元模擬中設置相關邊界條件，基于半無限空間體中理論，下邊界設置為固定端，左邊界和上邊界自由，右邊界水平固定。網格進行局部細化處理?；掠邢拊W格劃分模型和應力模型見圖4，共生成18452 個單元，150234 個應力節點。

圖4 滑坡有限元模型

3.2.3材料模型參數

該邊坡模型劃分為四層，從下到上分別為基巖層、中風化層、泥巖層和填土層。材料類型均選用摩爾-庫倫模型，具體參數見表3。

表3 模型各土層參數

3.2.4計算結果分析

圖5展示了兩種工況下的邊坡水平位移情況。從圖中可以看出，水平位移主要集中在坡度較為陡峭的坡面部分。在自然工況下，水平位移最大值為55 mm，見圖5(a)。在暴雨工況下，水平位移最大值達到了86 mm。相比之下，暴雨工況的水平位移更大，穩定性較差。這是由于邊坡土體在長期自然條件下形成了復合體，對外部荷載抵御性較強，而在暴雨作用下，打破了這種平衡，導致強度喪失，邊坡失穩。

圖5 邊坡水平位移云圖

圖6 展示了兩種工況下的邊坡塑性變形情況。從圖中可以看出，塑性區主要集中在坡面附近，暴雨工況下的塑性變形區大于自然條件下的塑性變形區。在自然工況下，塑性區未貫穿土體，而在暴雨工況下，塑性區貫穿土體到達下部坡面，故在暴雨作用下，邊坡更容易出現過大變形發生失穩破壞。

圖6 邊坡塑性變形區分布圖

圖7展示了兩種工況下邊坡剪應力增量情況。從圖中可以看出，自然工況下的邊坡剪應力增量在數值上小于暴雨工況，趨勢基本一致，增量區主要存在于邊坡坡面往下區域，均出現兩條增量區貫穿地面，形成裂縫。說明滑坡災害不僅對坡面以下造成影響，還會對坡頂地面造成損害。

圖7 邊坡剪應變增量圖

3.2.5穩定性分析

利用有限元強度折減法對該邊坡模型進行穩定性分析，計算安全性系數，與前文利用極限平衡法計算出的安全系數進行對比，并確定危險界面即臨界滑裂面的位置。

計算出在自然工況下的安全系數為1.03，在暴雨工況下的安全系數為0.97，與前文利用極限平衡法計算出的安全系數相比，有限元強度折減法計算出的安全系數偏大，存在數值解和解析解之間的差異。此外，該安全系數仍然不滿足需求，邊坡仍存在破壞風險。

圖8為兩種工況下的邊坡臨界破壞面位置示意圖。從圖中可以看出，臨界破壞面位置存在于邊坡坡面正下方，兩種工況下的破壞面均貫通地面形成裂縫，而暴雨工況下的破壞面基本連接在一起，相對于前者更易發生土體松動，導致失穩。

圖8 邊坡臨界破壞面

4 結論

本文利用極限平衡法中的多種確定性分析方法計算出滑坡的安全系數，利用有限元軟件建立了堆積體邊坡有限元模型，分析了橫向位移、剪應變增量以及塑性區分布，此外，利用有限元強度折減法計算了邊坡的安全系數，確定了臨界滑裂面的位置，為實際工程中的邊坡處理和防治提供了理論基礎。得出結論如下:

(1)利用多種方法計算邊坡安全系數，均達不到設計要求，邊坡處于不穩定狀態。

(2)滑坡破壞位置主要為前緣坡面處，最大位移和塑性區均存在于坡面和坡面下方附近，兩種工況下邊坡破壞時會在地面形成裂縫。

(3)暴雨條件下，通過對橫向位移、塑性區、臨界滑裂面的分析，發現其相對于自然工況，更易引起邊坡變形出現失穩導致破壞。