基于MIDAS的東劉家溝村黃土滑坡地質(zhì)災(zāi)害穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

摘 要：以山西省臨縣劉家會(huì)鎮(zhèn)東劉家溝村滑坡地質(zhì)災(zāi)害為例，該滑坡為小型推移式土質(zhì)滑坡，該滑坡長(zhǎng)約180 m，寬約200 m，滑體厚度10～20 m，主滑方向約226°，平均坡度30°，滑坡平面形態(tài)呈舌形，滑體巖性為第四系上更新統(tǒng)粉土，滑床巖性為第四系中更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土。通過(guò)MIDAS有限元分析模塊對(duì)該滑坡建立幾何模型，定義巖土體屬性參數(shù)，進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算，得到天然工況和降雨工況下的變形云圖。研究表明，天然工況下，該滑坡的安全系數(shù)為1.118，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；降雨工況下，該滑坡的安全系數(shù)為1.033，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，與野外調(diào)查結(jié)果吻合。該模擬結(jié)果可為黃土地區(qū)該類滑坡的治理設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：MIDAS；滑坡地質(zhì)災(zāi)害；穩(wěn)定性評(píng)價(jià)；臨縣

中圖分類號(hào)：P694 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）08–0-03

臨縣地處山西省呂梁市西北部，黃河?xùn)|岸，屬黃河流域，總面積約2 979 km2。臨縣屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，一年四季分明。臨縣多年平均降雨量為518.3 mm，

降雨分布為由東向西遞減。地形以黃土丘陵溝壑為主，三面環(huán)山。受地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性等因素的控制，地勢(shì)總體上是自東向西傾斜，呈東北高西南低，并形成河谷、黃土丘陵、中山等地貌。臨縣境內(nèi)黃土滑坡數(shù)量較多，對(duì)人民生命、財(cái)產(chǎn)安全威脅巨大。利用MIDAS分析不同工況下邊坡的穩(wěn)定性，能夠科學(xué)有效地進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害防治[1]。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)常用的數(shù)值軟件很多，比較常用的有Geo-Studio、ANSYS、ABAQUS和FLAC3D等，以臨縣劉家會(huì)鎮(zhèn)東劉家溝村滑坡為例，該滑坡長(zhǎng)約180 m，寬約200 m，滑體厚度10～20 m，主滑方向約226°，平均坡度30°，滑坡平面形態(tài)呈舌形，滑體巖性為第四系上更新統(tǒng)粉土，滑床巖性為第四系中更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土，坡體未見(jiàn)地下水出露，滑坡規(guī)模為小型土質(zhì)滑坡，力學(xué)機(jī)理為推移式滑坡。該滑坡威脅6戶20人32孔窯洞；通過(guò)地質(zhì)災(zāi)害勘查，結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)，利用MIDAS有限元分析軟件對(duì)東劉家溝村滑坡地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，該模擬結(jié)果可為黃土地區(qū)該類滑坡的形成機(jī)理和防治設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)的概況

1.1 氣象

根據(jù)臨縣氣象觀測(cè)站多年觀測(cè)資料，多年平均降雨量為483.99 mm，年際變化明顯，最大年降雨量664.8 mm，最小年降雨量319.9 mm。最大日降雨量為136.9 mm（1995年8月1日），最大1 h降雨量為47.4 mm

（1995年8月1日04：40），30 min最大降雨量為34.4 mm

（1995年8月zcecM8qnEcQoben4J/4wkw==1日05：02），10 min最大降雨量為20.2 mm

（1995年8月1日05：12），5 min最大降雨量為12.3 mm

（1995年6月1日15：45），最大凍土深度1.11 m。

1.2 地形地貌

研究區(qū)地貌類型為黃土丘陵區(qū)，地勢(shì)總體表現(xiàn)為東北高西南低。該地區(qū)黃土廣泛分布，大小沖溝密集。地形破碎，呈峁梁溝谷狀。月鏡河流域內(nèi)地形基本是東北高西南低，海拔高程在923.7～1 247 m之間，地形梁峁相間，呈樹(shù)枝狀斜梁狀，屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。

1.3 地層巖性

研究區(qū)所在區(qū)域內(nèi)出露地層較為簡(jiǎn)單，坡體主要由三疊系下統(tǒng)劉家溝組T1l、第四系中更新統(tǒng)離石組Q2、第四系上更新統(tǒng)馬蘭組Q3和第四系全新統(tǒng)Q4組成。由舊至新分述如下。

1.3.1 三疊系下統(tǒng)劉家溝組（T1l）

該組巖性以一套較單一的灰紫紅、灰紅、紫紅色薄層及中厚層間厚層長(zhǎng)石砂巖為主，夾有紫紅色粉砂巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、礫巖、灰白色石英砂巖，以及灰、灰綠色長(zhǎng)石砂巖組成。

1.3.2 第四系中更新統(tǒng)離石組（Q2）

巖性主要為淺紅色黏土、亞黏土夾成組出現(xiàn)的棕紅色古土壤及灰白色鈣質(zhì)結(jié)核層。

1.3.3 第四系上更新統(tǒng)馬蘭組（Q3）

巖性主要為淡黃、灰黃色粉土、粉砂，粒級(jí)均勻，結(jié)構(gòu)較松散，大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，滲透性強(qiáng)，濕陷性強(qiáng)，易垮塌，偶夾砂礫石透鏡體，且可見(jiàn)細(xì)—粗粒長(zhǎng)石、石英和云母片。

1.3.4 第四系全新統(tǒng)（Q4）

巖性主要為砂、粉土、礫石等，結(jié)構(gòu)疏松，橫向上巖性變化大。

2 MIDAS GTS/NX軟件分析

2.1 軟件簡(jiǎn)況

MIDAS GTS/NX是一款利用尖端的計(jì)算機(jī)圖形處理和分析技術(shù)研發(fā)而成的具有全新理念的64位通用巖土有限元分析軟件。MIDAS GTS/NX在建模過(guò)程中可以直接導(dǎo)入CAD模型，同時(shí)也可以在軟件中直接進(jìn)行建模，網(wǎng)格劃分功能也豐富。MIDAS GTS/NX使用最新的圖形處理技術(shù)和分析功能，這種基于64位求解器的技術(shù)對(duì)大規(guī)模模型分析速度提升效果尤為明顯。MIDAS GTS/NX在開(kāi)發(fā)過(guò)程中也進(jìn)行了幾千種實(shí)例計(jì)算，并對(duì)比了計(jì)算結(jié)果同理論計(jì)算、其他軟件的計(jì)算結(jié)果，并被應(yīng)用于大量的工程項(xiàng)目，充分驗(yàn)證了該軟件的準(zhǔn)確性[2]。

2.2 模型建立

2.2.1 建立幾何模型

根據(jù)地形測(cè)量所得的地形數(shù)據(jù)截取剖面的線框模型，將剖面的CAD線框模型導(dǎo)入Midas GTS/NX，為了避免邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，調(diào)整了剖面，并根據(jù)各地層建立平面單元，模型如圖1所示。

2.2.2 定義材料屬性參數(shù)

參考前人研究成果并結(jié)合此次調(diào)查臨縣地區(qū)的工程勘察報(bào)告，整理了臨縣地區(qū)巖土體相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)用于數(shù)值模擬，模型材料參數(shù)主要包括巖土體的容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量和泊松比等。

2.2.3 網(wǎng)格劃分

在有限元模擬計(jì)算中，網(wǎng)格的劃分對(duì)計(jì)算的速度和計(jì)算結(jié)果的精確度具有重要的影響。因此，控制模型的網(wǎng)格尺寸，具體做法為將距邊坡坡面較近的網(wǎng)格劃分較為密實(shí)，隨著距邊坡坡面距離的不斷拉大，網(wǎng)格逐漸增大，這樣既能確保計(jì)算結(jié)果的精確性，又可保證計(jì)算速度。共劃分了2 693個(gè)單元，3個(gè)網(wǎng)格組，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

2.2.4 邊界條件及分析工況

邊界條件設(shè)定為位移邊界條件，在側(cè)面施加水平位移約束，底部施加水平和垂直位移約束，整體模型施加重力荷載。分析類型選擇邊坡穩(wěn)定分析中的強(qiáng)度折減法，分析計(jì)算天然工況和降雨工況。

2.3 不同工況滑坡位移云圖

利用土工試驗(yàn)資料并對(duì)模型的巖土體賦值參數(shù)，得出天然和降雨工況下X軸、Y軸方向內(nèi)力（圖3、圖4）、垂向位移（圖5、圖6）、等效應(yīng)變（圖7、圖8）、水平位移（圖9、圖10）以及總位移（圖11、圖12）等計(jì)算結(jié)果云圖。通過(guò)計(jì)算結(jié)果云圖可知，在降雨工況下，由于雨水入滲，造成坡體土體比重增加，滑坡滑面抗剪強(qiáng)度下降，X軸、Y軸方向的內(nèi)力、垂向位移、等效應(yīng)變、水平位移以及總位移等指標(biāo)，均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，在滑坡坡腳出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，整個(gè)滑坡體滑面清晰；對(duì)該滑坡的治理，可采用滑坡上部削坡減載，減弱滑坡下滑力；在滑坡后緣外設(shè)置截水溝，減少坡體周邊的匯水入滲坡體，在滑坡應(yīng)力集中的部位可設(shè)置抗滑樁，擋土墻等支擋措施，增強(qiáng)滑坡抗滑力，提高坡體穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

根據(jù)計(jì)算出的天然和降雨工況下的云圖、水平位移云圖模擬結(jié)果顯示，該滑坡水平運(yùn)動(dòng)顯著，水平位移高值區(qū)出現(xiàn)在坡腳地帶，滑動(dòng)面清晰可見(jiàn)。垂直位移云圖模擬結(jié)果顯示，該區(qū)域垂直運(yùn)動(dòng)較顯著，垂直運(yùn)動(dòng)最大區(qū)域出現(xiàn)在坡頂邊緣地帶。整體位移云圖模擬結(jié)果顯示，該滑坡坡頂及坡腳位移量最大，發(fā)生滑動(dòng)的可能性最大。其中，天然工況下，該滑坡的安全系數(shù)為1.118，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；降雨工況下，該滑坡的安全系數(shù)為1.033，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，與野外調(diào)查結(jié)果相同。利用MIDAS的分析功能[2]，將影響地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性的因素通過(guò)數(shù)值分析得出滑坡的安全系數(shù)。通過(guò)研究不同降雨工況下的滑坡穩(wěn)定性分析，可合理制定滑坡地質(zhì)災(zāi)害治理措施。有效開(kāi)展不同工況下的危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)，能夠?yàn)榕R縣開(kāi)展國(guó)土空間規(guī)劃、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管控和“十四五”期間地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 豆換換，張彥洪，邵峰，等.基于改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度分析法的黃土邊坡穩(wěn)定性分析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2023（10）：94-96，145.

[2] 李兵，黃迪，劉高.基于Midas的邊坡穩(wěn)定性分析：以焦家崖頭滑坡為例[J].甘肅水利水電技術(shù)，2017，53（10）：41-43.