基于Flac3D的含軟弱夾層滑坡穩定性分析

劉德飛

摘要：以一個典型含軟弱夾層滑坡為研究對象，采用Flac3D軟件對滑坡在自重、地震、暴雨工況下進行穩定性計算，并結合監測數據，分析滑坡的變形破壞機理。研究結果表明：軟弱夾層為滑坡的滑動面，主要發生剪切破壞，上部巖體主要發生拉張破壞；滑坡在自重、地震、暴雨工況下都處于不穩定狀態，暴雨工況下坡體位移值最大，暴雨的影響大于地震力；將數值模擬結果與現場監測數據相對比發現，數值模擬計算結果與現場監測數據具有較好的一致性，相同部位的位移值相差不大，雨水爆發的季節滑坡發生滑移的幾率更高。相關數值模擬分析結果，可為滑坡防治提供依據。

關鍵詞：滑坡穩定性；軟弱夾層；數值模擬；變形破壞機理

0? ?引言

近年來，隨著礦山開采、水利水電建設、修建公路、鐵路、房屋等工程大范圍開工，由此帶來的工程安全和巖土體穩定性問題也越來越多。對于工程安全和巖土體穩定性問題，如果處理不及時，勢必造成財產損失，甚至人員傷亡。近年來，地質災害時有發生，其中最主要的就是滑坡災害，比如2017年四川茂縣6.24特大山體滑坡、2019年甘肅定西市9.14巨型滑坡等，這都造成了重大的財產損失和人員傷亡[1-2]。由此看來，在施工中對地質災害采取必要的紡織措施防治是非常必要的。

含軟弱結構面滑坡是滑坡中最易發生滑動的一種類型。針對含軟弱結構面滑坡，眾多學者主要從邊界條件、變形破壞模式、穩定性系數計算等方面應用定量和定性的方法，對其穩定性進行研究。馬昊等[3]通過對三峽庫區反傾滑坡進行研究發現，軟弱夾層的分布位置、占比直接影響滑坡的變形破壞模式，滑動剪切帶主要發育在軟弱結構面中。趙曉彥等[4]通過對不同酸雨作用歷時條件下的輝長巖質滑坡進行穩定性分析發現，酸雨能顯著弱化滑坡的穩定性，受降雨沖刷溶蝕，坡體中可溶性物質流失，裂隙增多增大，從而使坡體抗滑性能變差。Chang等[5]采用PFC程序分析了黃土高原某滑坡在地表水入滲條件下邊坡的失穩破壞過程。周子涵等[6]采用有限差分法研究了不同傾角和連通率節理的邊坡變形破壞問題，為工程實踐提供理論依據。唐旭等[7]運用有限差分法對爆破作用下的邊坡位移、應力等進行了分析。

Flac3D數值模擬法是近年來比較流行的滑坡穩定性分析方法，主要應用于土質滑坡，在巖質滑坡方面，相對應用較少。本文以云南東南部一含軟弱夾層滑坡為研究對象，結合現場監測數據，采用Flac3D軟件對滑坡進行穩定性評價及變形破壞機理分析，為滑坡防治提供參考。

1? ?工程概況

云南東南部一典型滑坡現狀如圖1所示。坡體由三迭系中統蘭木組中段（T2lb）中厚層中細粒石英砂巖及夾雜的軟弱夾層組成，石英砂巖的強度較高，抗風化能力強，屬極堅硬巖石，而軟弱夾層較破碎、強度低。該坡于2019年10月在滑坡坡面發現裂縫，后面受降雨等因素的影響發生了滑移，滑移面積2.15萬m2，滑移方量約為24萬m3，造成了較大的財產損失。

該滑坡HP1區軟弱夾層發育較廣泛，為此將其作為此次研究對象，HP1區剖面見圖2。HP1區滑坡長度約535m，總體坡向約26°，坡度約18°左右，發育的軟弱夾層埋深11～16m左右，傾向與坡體傾向一致，傾角15～21°，滑坡為順向坡。

2? ?滑坡模型建立

建模采用ansys軟件，先利用AutoCAD讀取滑坡地形線和地層線，然后導入ansys軟件進行建模。由于滑坡滑動主要受軟弱夾層影響，滑體只涉及上部巖體，所以軟弱夾層剖分的網格數較多，軟弱夾層上部巖體網格數大于下部巖體?；路€定性計算在Flac3D軟件中進行?；履Ｐ腿鐖D3所示。

3? ?滑坡穩定性分析

將建立好的滑坡模型導入Flac3D軟件，滑坡穩定性計算采用摩爾-庫倫本構模型。基于強度折減法，計算滑坡在自重工況、地震工況、暴雨工況下的穩定性系數，并根據滑坡位移和應力特征分析滑坡變形破壞機理。

3.1? ?自重工況

滑坡自重工況穩定性計算參數如表1所示，參數根據試驗成果和工程類比取值。

圖4為滑坡在自重條件下X方向位移云圖和塑性區云圖。從圖4可以看出，滑坡處于不穩定狀態，軟弱夾層為滑坡的滑動面，滑動面上主要受剪應力作用，發生剪切破壞?；略谄麦w中部前緣形成最大位移，最大位移值為3.95cm。軟弱夾層上部巖體主要受拉張應力作用，發生拉張破壞，局部拉應力集中，中下部位置出現了明顯的位移突變現象。這會促使拉裂縫的產生，為滑坡滑動創造更為有利的條件。

3.2? ?地震工況

地震工況滑坡穩定性分析所用參數與自重工況相同。地震力的模擬采用擬靜力法，研究區抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g。地震工況下穩定性分析后所得到的滑坡位移云圖和塑性區云圖如圖5所示。

對比圖5可以看出，地震工況下滑坡穩定性系數有一定程度的下降，X方向位移也有明顯的增大。滑坡增加水平向加速度之后，滑坡下滑力會變得更大，由此造成滑坡穩定性系數和X方向位移增大。同自重工況下的滑坡，地震工況下滑坡中的軟弱夾層受剪應力作用，發生剪切破壞。而軟弱夾層上部巖體主要受拉應力作用，發生拉張破壞，滑坡中拉應力、剪應力集中現象加劇，貫通現象更加明顯。

3.3? ?暴雨工況

暴雨工況模擬采用巖體飽和時的參數，計算參數如表2所示。

暴雨工況下，滑坡穩定性分析所得到的位移云圖和塑性區云圖如圖6所示。對比自重和地震工況下位移云圖和塑性區云圖可以發現：暴雨工況下，滑坡穩定性程度比自重、地震工況下更低，X方向位移值明顯更大，滑動范圍也越廣，滑坡受降雨作用，軟弱夾層抗剪強度會降低，坡體飽水和受到沖刷，下滑力和抗滑力發生改變，進而影響滑坡穩定性。與自重和地震工況下滑坡相同，軟弱夾層主要受剪應力作用，發生剪切破壞，滑動面上部巖體拉應力、剪應力集中現象明顯。主要發生拉張破壞，產生拉張裂縫，拉裂縫是雨水下滲的有利通道。隨著外界環境的改變，拉裂縫會變得越來越大，貫通程度也會越來越高，進而增大了滑坡的不穩定性。暴雨是自然界中比地震更易出現的影響滑坡穩定性因素，需重點防治。

4? ?滑坡監測位移分析

圖7為滑坡2020年J1、J2、J3監測點位移值統計圖，從圖7可以看出，位于坡體中部的J1點位移值最大，最大位移值為20.3cm。而位于坡體中上部的監測點J2和位于坡體中下部的監測點J3的最大位移值相對較小。

與Flac3D計算結果結果相對比可以發現，數值模擬計算結果與現場監測得到的數據具有較好的一致性，相同部位的位移值相差不大，數值模擬結果可靠。根據位移值變化趨勢可以發現，4、5、6、7、8月份的是坡體位移值上升最快的時間段，這5個月雨水相對較多，雨水是造成坡體加速滑移的最大因素，因此暴雨工況下坡體位移值最大。

5? ?結束語

近年來，隨著礦山開采、水利水電建設、修建公路、鐵路、房屋等工程大范圍開工，由此帶來的工程安全和巖土體穩定性問題也越來越多。對于工程安全和巖土體穩定性問題，如果處理不及時，勢必造成財產損失，甚至人員傷亡。本文以云南東南部一含軟弱夾層滑坡為研究對象，結合現場監測數據，采用Flac3D軟件對滑坡進行穩定性評價及變形破壞機理分析，得到如下結論：

滑坡為開山采石形成的順向坡，采用數值模擬法對滑坡進行穩定性分析得出，滑坡在自重、地震、暴雨工況下都處于不穩定狀態，暴雨工況下位移值達到了18.6cm。

受地震力、暴雨作用后，滑坡穩定性系數顯著降低，位移值增大，暴雨的影響大于地震力，滑坡防治需著重考慮雨水對坡體的影響。

將監測數據與數值模擬結果相對比發現，數值模擬計算結果與現場監測得到的數據具有較好的一致性，相同部位的位移值相差不大，雨水爆發的季節滑坡發生滑移的幾率更高，數值模擬分析結果可靠。

參考文獻

[1] 陳紅旗.四川茂縣“6·24”特大山體滑坡災害[J].中國地質災害與防治學報，2017，28（3）：51．

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[3] 馬昊，黃達，石林.基于斷距－層厚特征統計的反傾滑坡S型破壞演化數值模擬[J/OL].工程地質學報，2020，28（6）：1-11．

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[7] 唐旭，方正峰，鄒飛.基于FLAC～（3D）的巖質邊坡爆破動力響應規律研究[J].人民長江，2019，50（3）：198-204．