基于Flac3D 的某土質邊坡穩(wěn)定性分析

潘長勝PAN Chang-sheng

（廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣州 510060；廣東省城市感知與監(jiān)測預警企業(yè)重點實驗室，廣州 510060）

0 引言

滑坡作為一種常見的地質災害在我國頻繁發(fā)生并且分布廣泛，不僅破壞基礎設施，影響各工程的施工與建設，還阻礙國家的經濟建設與發(fā)展進程，并對人民群眾的生命財產安全造成嚴重的影響。滑坡地質災害如果處理不及時，將會造成一定的設施破壞、財產損失甚至是人員的傷亡[1-3]。因此，研究分析滑坡地質災害的成因和機理及滑坡的防治措施等一直是工程地質領域的熱點問題。

瞬時暴雨或長期降雨等條件下誘發(fā)滑坡是土質邊坡中最容易發(fā)生的類型[4]。針對降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性，眾多學者主要從多個方面進行了相關的研究。目前邊坡穩(wěn)定性分析評價的主要方法是極限平衡法和數值模擬法。數值模擬分析方法包括有限單元法、有限差分法、離散單元法等。李安潤等[5]通過極限平衡法和有限元數值分析方法，對降雨條件下某堆積體邊坡進行了穩(wěn)定性分析，并提出了合理的防治措施。Chang 等[6]采用PFC 數值模擬軟件分析研究了某黃土滑坡在地表水入滲條件下邊坡的失穩(wěn)破壞過程。回恒酉等[7]采用傳統(tǒng)極限平衡理論的條分法和數值模擬的Flac3D 方法進行對比分析，得出Flac3D法分析條件更加完善，在理論上更加可靠，而條分法計算理論理想化，計算結果偏保守的結論。李振江等[8]通過GeoStudio 軟件對暴雨工況下的南京某下蜀土滑坡進行了模擬分析，研究了暴雨條件下邊坡的孔隙水壓力和位移變化，并對應急治理措施進行了檢驗分析。張樹軒等[9]利用Flac3D 模擬分析了甘肅天水紅旗山黃土滑坡的穩(wěn)定性，為潛在強震區(qū)地震滑坡的變形機理及防震減災研究提供了可靠依據。

Flac3D 數值模擬法是近年來比較流行的邊坡穩(wěn)定性計算分析方法，主要應用于土質滑坡，在巖質滑坡方面，相對應用較少。本文以江蘇西南部一土質邊坡為研究對象，結合現場監(jiān)測數據，采用Flac3D 軟件對邊坡進行穩(wěn)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

1.1 邊坡基本特征

江蘇省西南部某一典型土質邊坡現狀如圖1 所示。研究區(qū)位于某東側山麓處，屬于構造剝蝕低山丘陵區(qū)。人類工程活動對原始地形地貌的改造較強烈，地質環(huán)境也發(fā)生了不同程度的改變，坡體的穩(wěn)定性長期受到不利的影響。該邊坡總體地勢西高東低，整體坡向75°，整體高差約39m，自然坡度約22°。邊坡基巖巖性為侏羅系中下統(tǒng)象山群石英砂巖，巖層產狀為155°∠25°，巖體呈中薄層狀，結構面主要發(fā)育兩組25°∠75°，87°∠85°，巖體強風化～中風化，屬軟巖～較堅硬巖，巖體破碎～較完整，工程巖體分級為Ⅴ～Ⅲ級。基巖覆蓋層為素填土和下蜀組粉質黏土，素填土層厚度2.3～4.1m，平均厚度3.2m，下蜀組粉質黏土厚度0.8～1.3m，平均厚度6.9m。

圖1 研究區(qū)域現狀

由于降雨的影響，該邊坡局部坡段發(fā)生了滑坡地質災害，導致坡腳部分擋墻及磚砌圍墻產生變形破壞，此外由于工程切坡作用，破壞了坡體原有的穩(wěn)定狀態(tài)，形成了新的滑坡地質災害隱患，對轄區(qū)內的居民群眾、建筑物造成了嚴重的安全威脅。主要研究的潛在滑坡如圖2 所示。

圖2 潛在滑坡

1.2 滑坡變形破壞機理分析

根據現場調查結果可知，主要研究區(qū)域潛在滑坡主要為下蜀組土質滑坡災害。構造剝蝕低山丘陵地貌，地形起伏較大，是產生滑坡的有利地形。由于工程建設，對其西側邊坡進行了切坡處理，切坡高差約5.1～8.5m，坡腳坡度陡立，為滑坡提供了臨空面條件；邊坡表層土體主要為素填土及下蜀組粉質黏土，一般為可塑-硬塑，多具有一定的脹縮性，垂直節(jié)理裂隙發(fā)育，地表土體結構松散，有利于降雨入滲；雨水的入滲劣化上部土體的物理力學性質，使土體含水量增高、重度增大、土體強度減弱，造成邊坡土體軟化，從而造成滑坡地質災害的發(fā)生。同時裂隙充水使斜坡受到靜水壓力作用，使斜坡增加一個向著臨空面的側向推力，誘發(fā)滑坡；連續(xù)降雨入滲補給后形成地下水并向斜坡下方滲流，由于水力梯度的作用，會對斜坡產生動水壓力，其方向與滲流方向一致，指向臨空面，對斜坡穩(wěn)定不利。

從外部因素方面來看，研究山體坡腳處的人類工程活動，對坡腳進行人工開挖，改變了原始的地形形態(tài)，破壞了邊坡原有的穩(wěn)定狀態(tài)，為加坡體發(fā)生滑動變形增加了可能性。

通過現場調查以及室內綜合分析，研究滑坡為牽引式土質滑坡，坡體上部的粉質黏土層遇水后膨脹飽和，重度增加，強度降低，抗滑力減弱，導致坡體軟化變形，坡體易沿貫通滑動面在坡腳剪出，形成滑坡。滑坡體潛在滑動面為圓弧形。

2 邊坡模型建立

本次數值模擬采用Flac3D 模擬軟件進行分析。通過AutoCAD、Ansys 等軟件進行邊坡數值計算模型的建立和網格的劃分，將建好的模型通過接口導入到Flac3D 中進行計算分析。邊坡的計算模型如圖3 所示，模型長60m，寬45m，坡頂最高處高程29m，坡腳最低處高程約13m，底面高程0m。下層基巖為石英砂巖，上覆土層為下蜀組粉質黏土。

圖3 邊坡模型

3 邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡的穩(wěn)定性計算采用摩爾-庫倫模型，基于強度折減法，計算邊坡在自重工況和暴雨工況下的穩(wěn)定性系數，并根據滑坡位移分析滑坡變形破壞機理。

3.1 自重工況

通過野外鉆探取樣、室內直剪試驗的方法得到模型中巖土材料基本物理力學參數，再根據前人資料、勘察數據和經驗類比綜合確定計算所涉及的參數。自重工況下計算模型中各層巖土體的物理力學參數具體見表1。

表1 自重工況邊坡穩(wěn)定性計算參數

圖4 為研究邊坡在自重條件下的總位移云圖，由圖可知，邊坡在自重工況下穩(wěn)定系數為1.36，處于穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡最大位移為5.83cm，最大位移發(fā)生在坡體表層右側中下部，與實際情況（圖2 潛在滑坡）相符。潛在滑動面位于土體內部，為圓弧形滑動。潛在滑動面上粉質黏土受剪應力作用，發(fā)生剪切破壞；潛在滑動面上部土體主要受張拉應力作用，發(fā)生拉張破壞，局部可能發(fā)生應力集中，促使拉裂縫的產生，為邊坡沿潛在滑動面滑動創(chuàng)造了更有利的條件。

圖4 自重工況下邊坡位移云圖

3.2 暴雨工況

暴雨工況下模擬采用巖土體飽和參數，計算模型中各巖土體物理力學參數表如表2 所示。

表2 暴雨工況邊坡穩(wěn)定性計算參數

暴雨工況下，邊坡穩(wěn)定性分析總位移云圖如圖5 所示。由圖5 可知，邊坡在自重工況下穩(wěn)定系數為0.97，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡最大位移為12.75cm，最大位移仍發(fā)生在坡體表層右側中下部。對比自重工況下可以發(fā)現：暴雨工況下，邊坡穩(wěn)定性大幅降低，邊坡滑動位移明顯增大，滑動范圍也更廣。邊坡受降雨影響，下蜀組粉質黏土抗剪強度降低，坡體飽水、自重增大，下滑力和抗滑力發(fā)生改變，影響邊坡穩(wěn)定性。與自重工況下相同，潛在滑動面上粉質黏土主要受剪應力作用，發(fā)生剪切破壞；潛在滑動面上部土體受張拉應力作用、發(fā)生應力集中現象明顯，促使拉裂縫的產生。同時拉裂縫作為雨水下滲的通道，隨著時間改變越來越大，聯(lián)通程度也越來也高，造成邊坡沿潛在滑動面滑動，增加了邊坡的不穩(wěn)定性。

圖5 暴雨工況下邊坡位移云圖

4 邊坡監(jiān)測位移分析

圖6 為滑坡2022 年J1、J2、J3 監(jiān)測點位移值統(tǒng)計圖，從圖6 可以看出，位于坡體中部的J1 點位移值最大，最大位移值為11.6cm。而位于坡體中上部的監(jiān)測點J2 和位于坡體中下部的監(jiān)測點J3 的最大位移值相對較小。

圖6 邊坡監(jiān)測數據統(tǒng)計

與Flac3D 計算結果結果相對比可以發(fā)現，數值模擬計算結果與現場監(jiān)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(fā)現，6 月、7 月、8 月份是坡體位移值上升最快的時間段，這3 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 結論

以江蘇西南部某土質邊坡為研究對象，結合現場監(jiān)測數據，采用Flac3D 數值模擬法進行穩(wěn)定性評價及變形破壞機理分析，得到以下結論：

①研究邊坡為典型的下蜀組土質滑坡，受工程建設對坡腳的開挖等影響，邊坡坡面較陡立，為坡體的滑動破壞提供了臨空面和剪出口，存在滑坡地質災害隱患。

②通過Flac3D 數值模擬軟件計算分析得出：在天然情況下邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，受暴雨作用后，位移值由天然情況下的5.83cm 增大至12.75cm，滑坡穩(wěn)定性系數同時顯著降低至0.98，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要進行加固治理，滑坡防治需著重考慮雨水對坡體的影響。

③將監(jiān)測數據與數值模擬結果相對比發(fā)現，數值模擬計算結果與現場監(jiān)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(fā)的季節(jié)滑坡發(fā)生滑移的幾率更高，數值模擬分析結果可靠。

④建議對該邊坡采用削坡減載、錨桿格構梁加固并進行坡面綠化以及布設截排水溝等措施進行加固治理。