普光地區某滑坡穩定性數值模擬分析

傅 玉

中石化石油工程設計有限公司 山東 東營 257000

2020年7月14日20時至18日20時，達州地區出現連續性暴雨天氣。7月16日達到了區域性大暴雨標準，其中普光鎮為172.5mm。多地發布了暴雨、洪水和地災預警，發生了滑坡、泥石流等地質災害，給國家和人民的生命財產造成了極大的威脅[1-3]。謝劍明[4]使用數學統計的方法，建立了浙江區域性的降雨量危險性等級及預警等級劃分；鐘蔭乾[5]在通過對資料對比分析，得出了由降雨滑坡時空分布規律；吳樹仁[6]等通過對三峽庫區5年的滑坡災害資料進行統計分析，完成了三峽庫區滑坡預警判據的初步研究。

1 滑坡概況

1.1 滑坡土體參數

各土層物理力學參數見表1、圖1。

表1 巖、土體物理力學性質設計參數

圖1 某氣田滑坡典型剖面

1.2 建立高精度模型

模型建立：導入地面數據后，導入鉆孔數據劃分地層，在GTS NX中生成三維實體，通過實體劃分網格，施加自重及邊界條件。計算方法采用強度折減法進行邊坡穩定性計算。

1.3 模型的建立

該斜坡的人工填土、粉質黏土和砂質泥巖在CAD中繪制地層模型并導入到Madis GTS NX軟件中建立三維模型進行數值計算。由于該不穩定斜坡規模較大，選取坡體的主剖面2-2′剖面進行模擬分析，剖面見圖2。

坡體上有燃氣管道觀測井以及管線，其自重較小，穩定性評價時不予以考慮；坡體主要為粉質黏土和基巖，地下水主要為基巖裂隙水和堆積層孔隙水，現場水文觀測結果知地下水位不穩定，水量小，未形成統一的水位和水力梯度，故穩定性評價時動水壓力也可不考慮[7]。因此，作用于滑體上的力僅有滑體自重。

對該模型中的地層賦予相應的材料參數。為提高模型的精度和運算速度，在保證有限元數值運算收斂的前提下，適當放寬網格的大小，保證運算速度[8]。

1.4 穩定性分析

由模擬結果可知，該斜坡的穩定性系數為0.9，由模擬結果云圖（圖3和圖4）可知，巖土體受重力因素的影響下，斜坡體內的應力呈現分層分布的特征，最大主應力為35kN/m2，最小主應力為15kN/m2。拉應力分布于坡體表面，易產生拉裂破壞。

圖3 應力云圖

圖4 總位移圖

由圖3、圖4可知自然狀態下滑坡剪應力集中分布于坡腳。此時滑坡形變量最大為131mm，處于基本穩定狀態。降雨降低滑坡穩定性，降雨作用下下滑坡最大位移量達到250mm，形成滑坡。

水平方向最大位移量為193mm，豎直方向最大位移量為184 mm，總變形量216mm，與現場監測數據較吻合。斜坡水平位移量較大的地方主要在上部的粉質黏土中，受上方巖土體壓力，水平位移量最大的地方為臨空部分，說明斜坡處于不穩定狀態。

1.5 現場監測數據

場地內共布置監測點5個，其中滑坡后緣1個，滑床2個，前緣2個，監測點具體見圖2。現場監測數據見圖5、圖6。

圖5 土壤含水率監測曲線

圖6 地表位移監測曲線

根據土壤含水率現場監測數據可知：2020年7月1日至7月19日，該地區降雨，坡體在降雨持續1天后開始進入蠕滑階段，當緩慢變形量達到60mm時，蠕滑階段結束，進入滑動階段，變形速度保持穩定，于7月16日滑動階段結束，位移達到102mm時進入劇滑階段，在幾個小時內迅速增大至250mm，發生滑坡。

1.6 破壞機理分析

該不穩定斜坡的坡度約為30°，局部地段為基巖陡坎或人工支擋形成的臺坎。由于修建閥室，對坡體進行開挖切坡，形成了高2.5～3.0m的陡坎，開挖回填過程中使斜坡前緣形成陡坡臨空面，致使坡腳處應力集中分布，破壞了斜坡土體原有應力平衡，斜坡后緣未設置截水溝，更有利于地表水入滲滑體，降低土體強度，不利于坡體穩定[9]。

斜坡下伏基巖為強風化～中風化砂質泥巖，上部為粉質黏土夾碎塊石，結構較松散，滲透性相對較強[10]，遇水后抗剪能力大大降低，為滑坡的形成提供了有利的物質組成條件。

研究區內地形地貌、地層巖性和地質構造條件是斜坡發育的基礎條件，斜坡變形的主要誘因為地表水入滲軟化覆蓋層并提供滑移推動力，地表水的來源主要為大氣降雨。斜坡后緣緩坡地段的地層主要為人工填土、粉質黏土和強風化～中風化砂質泥巖，其中粉質黏土結構松散，力學性質低，強風化泥巖破碎裂隙發育，地表水易于強風化基巖與粘性土接觸面入滲。因此上部覆蓋層與下伏基巖面之間形成潛在的軟弱結構面，該結構面力學性質較低，在水作用下抗剪強度驟降，在暴雨期間易形成水運移活躍帶。雨季時，大量的降雨入滲斜坡的土體，增加了坡體重度，降低了坡體土層與基覆面的力學性質，造成坡體前緣部分土體已經滑塌變形，后緣土體已出現拉張裂縫，斜坡形成了失穩變形。

2 不同工況下的管道邊坡穩定性研究

2.1 擋土墻工況

2.1.1 擋土墻數值模擬分析

運用強度折減法（SRM法）計算邊坡的穩定性。

由模擬結果可知，該斜坡的穩定性系數為1.03，由模擬結果主應力云圖（圖7）可知，巖土體受重力因素的影響下，斜坡體內的應力呈現分層分布的特征，最大主應力為53kN/m2，最小主應力為16kN/m2，均集中在斜坡表層。拉應力分布于坡體表面，易在表面產生拉裂破壞。

圖7 擋土墻作用下應力云圖

由斜坡位移云圖（圖8）可知，水平方向最大位移量為42mm，豎直方向最大位移量為112mm，斜坡水平位移量較大的地方主要在上部的粉質黏土中，受上方巖土體壓力，水平位移量最大的地方為擋土墻上部。研究坡體出露地層為崩坡積形成的粉質黏土夾碎塊石，其滲透性一般。受降雨影響，斜坡會聚了大量地表水向下滲透，對土體浸潤、軟化增大了土容重同時降低土體的抗剪強度，形成軟弱帶，使坡體下滑力增大，抗滑力減少，當發展到一定程度，坡體極限平衡狀態破壞而發生滑坡。

圖8 擋土墻作用下位移云圖

2.1.2 擋土墻特性分析

由抗滑樁水平位移云圖可知（圖9），治理后擋土墻水平位移最大為62mm，最大位移發生在擋墻頂部，位移沿抗滑樁向下部逐漸變小，在中部位移表現為最小，之后位移沿反方向變大。抗滑樁的軸力（圖10）沿抗滑樁向下在一定范圍內逐漸增大，最大軸力為298kN。

圖9 擋土墻水平位移

圖10 擋土墻軸力云圖

圖11 抗滑樁作用下應力云圖

2.2 抗滑樁工況

2.2.1 模型的建立

針對災害點的變形特征和成因機制，根據斜坡整體和局部穩定性計算，采用抗滑樁方式進行治理。

對于抗滑樁材料選擇為線彈性模型，抗滑樁的參數設置如表2所示，本剖面布置抗滑樁樁長10m，嵌固段長5m，樁徑1.0m，樁中心距2.0m，樁頂設置冠梁，截面尺寸1.0×1.0m，抗滑樁位于擋土墻上部，距離擋土墻水平距離為4m，將抗滑樁相關參數加入到模型中進行數值模擬分析。

表2 抗滑樁參數

2.2.2 抗滑樁支護斜坡穩定性分析

由模擬結果，經抗滑治理后斜坡的穩定性系數為1.3，由治理后的斜坡位移云圖（圖12和圖13）可知，在增加抗滑樁后，斜坡水平方向最大位移為4mm，豎直方向最大位移為11mm，相比治理前位移明顯減小，且擋土墻處的位移也明顯減小。抗滑樁處位移等值線的趨勢指向斜坡內部，上部粉質黏土與下部基巖在抗滑樁的作用下產生了豎向土拱，斜坡上部的土壓力經抗滑樁向下部基巖進行傳遞，治理效果明顯。

圖12 抗滑樁作用下位移云圖

圖13 抗滑樁水平位移

2.2.3 抗滑樁特性分析

由抗滑樁水平位移云圖可知（圖13）,治理后抗滑樁水平位移最大為3mm，最大位移發生在抗滑樁頂部，位移沿抗滑樁向下部逐漸變小，在中部位移表現為最小，之后位移沿反方向變大。抗滑樁的軸力（圖14）沿抗滑樁向下在一定范圍內逐漸增大，最大軸力為204kN。

圖14 抗滑樁軸力云圖

由模擬結果（圖15和圖16）可得到抗滑樁治理斜坡后最大彎矩和最大剪力等自身內力及分布情況，抗滑樁最大彎矩為39kN·m，位于抗滑樁下部。抗滑樁正向最大剪力為13kN，負向最大剪力約為14kN，均位于抗滑樁下部，在進行斜坡治理設計中，可對抗滑樁局部配筋進行優化。

圖15 抗滑樁彎矩云圖

圖16 抗滑樁剪力云圖

4 結論

1、斜坡的主要地層為粉質黏土夾碎塊石，其滲透性較強，受降雨影響，斜坡會聚了大量地表水向下滲透，使坡體的下滑力增大，抗滑力減少，同時下部擋土墻的泄水孔均失效，水流匯集在擋土墻后，導致擋土墻受土壓力和水壓力增大而開裂。

2、Madis可以對土質斜坡進行穩定性模擬研究，經數值模擬分析，治理前斜坡位移較大，斜坡產生較大水平位移量位于上部的粉質黏土層，受上方巖土體壓力，水平位移量最大的地方為擋土墻上部。經抗滑樁治理后，斜坡位移明顯減少，斜坡的穩定性系數增大，斜坡處于穩定狀態，方案設計合理。

3、在后期進行該地區地災治理設計中，可根據數值模擬結果對支護方式選型、局部配筋等進行優化。