淺談數(shù)字模擬分析法在滑坡穩(wěn)定性分析中的應用

宋 琨 張復金

（重慶市地質(zhì)災害防治工程勘查設計院，重慶 400700）

1 概述

1.1 滑坡概況

楊家壩滑坡為三峽庫區(qū)三期地質(zhì)災害重點防治項目，為一巖質(zhì)古滑坡，位于重慶市云陽縣普安鄉(xiāng)中陽村4-8社境內(nèi)。地形地貌屬于構(gòu)造剝蝕低山地貌，堆積體巖土種類有粉質(zhì)粘土夾碎塊石（含量變化較大）、泥巖和砂巖組成，滑體整體厚度變化大。楊家壩滑坡屬深層大型巖土質(zhì)混合滑坡，滑坡體長約626m，寬約875m，總體積約855×104m3，主滑方向約320°。該滑坡前緣分布于磨刀溪的右岸坡腳上，磨刀溪屬長江一級支流。

該滑坡由于前期構(gòu)造運動強烈，在全新世前可能發(fā)生過多次變形，形成滑體堆積物成分類型較多，滑坡堆積層根據(jù)其結(jié)構(gòu)組成分成上下兩層，表層約12～25m厚粉質(zhì)粘土夾碎塊石（塊石含量2～30%），底部為7～15m厚的滑體巖質(zhì)層（泥巖與粉砂巖碎裂體）。各滑坡單元后側(cè)至滑坡后緣為近期堆積形成的崩坡積粉質(zhì)粘土夾碎塊石。

1.2 滑坡基本特征及變形特征

楊家壩滑坡區(qū)出露地層主要為第四第崩坡積層和侏羅系上統(tǒng)遂寧組（J3s）地層。該段遂寧組地層為一套紫紅色、黃灰色細～中粒長石砂巖，局部含鈣質(zhì)紫紅色（粉砂質(zhì)）泥巖。據(jù)勘察鉆孔資料顯示砂巖厚度＞30m，層位分布穩(wěn)定，泥巖多為夾層，其厚度小（夾層厚度約0.1～0.5m）多呈薄層狀。本滑坡巖層產(chǎn)狀315～350°∠5～65°，傾角上陡（60°）下緩（15°），至溪溝底部巖層最緩為5～10°?；聨r層傾向與斜坡地形坡向基本一致，屬順向坡（見圖 1）。

滑坡整體地形南東最高，往北西漸降低，滑坡后緣位于地形最高處“燈盞窩”斜坡上，滑壁光滑，其坡度較陡與基巖傾角相近，約40～75°，沿后緣呈不規(guī)則的弧形分布，分布有滑壁陡坎，高1～6m不等，坡度33～50°?；聝蓚?cè)為沖溝，坡度15～25°，兩側(cè)邊緣基本受沖溝切割控制，沿滑坡兩側(cè)邊緣堆積體呈臺階狀分布，坡體中間則可見鼓起狀堆積體。

據(jù)對滑體現(xiàn)有地質(zhì)情況和調(diào)查分析，該滑坡前緣在全新世前出現(xiàn)過強烈變形，在滑動變形過程沿地形向東西兩側(cè)較低處分解破壞，現(xiàn)從地貌形態(tài)，主滑方向和結(jié)構(gòu)組成上分析，該滑坡體多處特征具有差異性和特殊性，因此，可分成3個滑坡分單元（L1、L2和 L3），其中 L2滑坡單元土層深度10m左右多見光滑剪切破壞面，說明產(chǎn)生過次級滑動，體積規(guī)模小。

2 數(shù)字模擬分析

2.1 模型建立

本次對楊家壩滑坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析主要采用“快速（顯示）拉格朗日分析法”。在本次模型計算過程中，F(xiàn)LAC采用了離散元的動態(tài)松馳法。該法一般不需要求解剛度矩陣，其次，相比其它差分分析法，該模型不但能計算滑坡變形量，還可以模擬滑坡沿滑動面產(chǎn)生的滑動變形。同時，F(xiàn)LAC還能針對不同物質(zhì)特性，采用本構(gòu)方程來反映滑坡組成物質(zhì)的動力行為。

圖1 云陽縣楊家壩滑坡平面示意圖

選取了L1、L2、L3三個滑坡體在正常運行條件下及三峽水庫蓄水后的變形破壞狀況，并與現(xiàn)場調(diào)查成果和極限平衡法計算成果進行比較。

本次計算模型采用依據(jù)：地形地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、變形特征及滑坡體物理力學特性。通過模型計算和分析，將本次模型的地層L1滑坡單體分為4層，L2和L3滑坡單體分3層。計算模型所用巖土體變形參數(shù)以土工試驗統(tǒng)計成果為主要依據(jù)。滑坡計算模擬模型見圖2、圖3和圖4，為了直觀、清楚讀懂模型圖，、用圖中不同顏色代表不同的巖層或巖性：綠色代表粉質(zhì)粘土夾碎塊石土（未區(qū)分上下兩層），紅色代表粉砂巖（強度較低且碎裂狀），夾紫紅色泥巖，藍色代表滑坡下覆穩(wěn)定基巖層，主要為砂巖。

2.2 L1滑坡的變形特征及穩(wěn)定性評價

通過數(shù)字模擬對滑坡體重點部位的變形狀況進行模擬跟蹤，判斷滑坡現(xiàn)狀的穩(wěn)定性，同時數(shù)字模擬搜索潛在破壞面的位置，預測滑坡潛在滑坡變形、破壞因素和穩(wěn)定性分析。

在滑坡體上確定3點變形特征變化較明顯部位，根據(jù)相關(guān)實驗數(shù)據(jù)模擬其變形破壞情況。初始計算時滑坡體選取的點變形量較大，最大位移量達8.2cm，但變形量隨著時間推移逐漸趨于穩(wěn)定，則表示滑坡已處于穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)數(shù)據(jù)模擬結(jié)果并對非選定點位的跟蹤計算，其計算過程和形成的結(jié)論相近。因此，L1滑坡在天然狀態(tài)下為穩(wěn)定，模擬結(jié)果與滑坡的定性、定量分析基本一致。

通過剪應變增量和剪應變速率來搜索最危險滑動面。剪應變增量最大的部位主要沿硬的滑床（基巖）與其上相對較軟的滑體兩者的接觸面分布，這也是對勘查結(jié)果的一個佐證。

結(jié)論：L1滑坡堆積體在天然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)，搜索的最危險滑動面為古滑坡的滑動面，搜索出潛在滑動面位于堆積體的中下段。

2.3 L2滑坡的變形特征及穩(wěn)定性

同理在L2滑坡體上不同部位確定3點，模擬該滑坡體變形特征。計算模型中1號點最大變形量約為2.8cm；2號點變形較1號點稍大，為4.8cm，相差2.0cm；3號點變形最小，變形量為2.2cm。根據(jù)數(shù)據(jù)模擬結(jié)果并對非選定點位的跟蹤計算，其計算過程和形成的結(jié)論相近。因此，說明L2滑坡體變形較小，得出L2滑坡在天然狀態(tài)處于穩(wěn)定的結(jié)論。該模擬結(jié)果與滑坡的宏觀定性分析基本一致。

通過剪應變增量和剪應變速率來搜索最危險滑動面及潛在滑動面。通過數(shù)值模擬表明本次滑體前緣、中部和后緣均存在剪應變增量大的地段，通過和工程地質(zhì)剖面對比分析，該滑坡確實存在三個危險滑面，第一處位于滑坡后緣位置，與剖面圖中上層滑面位置（10m左右）基本相符。而第二處（中部）滑面與第三處（前緣）滑面已形成一貫通性滑面，也與剖面圖第二層（25m左右）滑面位置吻合較好。

圖2 L1滑坡的FLAC模型地層分布

圖3 L2滑坡的FLAC模型地層分布

圖4 L3滑坡的FLAC模型地層分布

2.4 L3滑坡的變形特征及穩(wěn)定性

通過數(shù)字模擬對L3滑坡體重點部位的變形狀況進行模擬跟蹤，選取靠近磨刀溪的滑坡前緣點出現(xiàn)最大位移量約10cm左右，滑坡中部位移量約8cm左右，后緣位移量約6cm左右。最后模擬結(jié)果表明，L3滑坡的位移變形量較L1和L2兩滑坡的位移變形量均大，表明該滑坡的穩(wěn)定系數(shù)較前兩個滑坡要低。模擬計算中，地表變形曲線雖趨于一個定量，表明滑坡可能處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在三峽水庫蓄水至175m后，滑坡中前部將大部分淹沒于水下，堆積體的重量增加而土體力學性質(zhì)大大降低，對滑坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，治理工程設計時應重點關(guān)注該區(qū)域。

2.5 水位變動對楊家壩滑坡穩(wěn)定性的影響

庫水位上升到175米后，將會對L1和L3兩個滑坡產(chǎn)生影響，而對滑坡L2產(chǎn)生的影響較小。因此，僅需要對L1和L3兩個滑坡受水位變動的影響模擬。

2.5.1 L1滑坡穩(wěn)定性數(shù)值分析在模擬天然和水位變動兩種情況時地表變形的差異。發(fā)現(xiàn)在水的作用下，滑坡的變形有所增加。水位上漲初期，由于動水壓力的作用，提高了滑坡的抗滑力，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)有一定的提高。當水作用的時間增長后，對坡體巖土起到軟化作用，強度下降，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)將會下降，滑坡的變形將會加大?；孪到y(tǒng)迭代1000次后，自然狀態(tài)下滑坡前緣監(jiān)測點1的最大位移只有3cm，而同是迭代1000次，同一點的變形已經(jīng)達到了8cm。此外在水的長作用下，危險滑面的長度大大增加。

2.5.2 L3滑坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

L3的計算模型得出以下結(jié)論：在水的作用下，滑坡的變形將增加，同是經(jīng)過800次迭代，自然狀態(tài)下滑坡在600步以后即已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。在水的作用下，800次迭代后仍沒有趨于穩(wěn)定值的趨勢，說明變形沒有停止。水位上漲初期，由于動水壓力的作用，提高了滑坡的抗滑力，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)有一定的提高。自然狀態(tài)下經(jīng)數(shù)值模擬分析，滑坡的最小穩(wěn)定系數(shù)為1.399。模擬的是175水位時經(jīng)數(shù)值模擬分析滑坡最小穩(wěn)定系數(shù)，為1.983。當水作用的時間增長后，對坡體巖土起到軟化作用，強度下降，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)將會下降，滑坡的變形將會加大。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在三峽水庫蓄水和運行過程中，河（庫）水通過土休中孔隙直接補給（滲入）滑體，形成動水壓力補充滑坡的部分抗滑力，進而對滑坡穩(wěn)定起一定作用，而水位下降時，地下水補及河（庫）水，其動水壓力則增加了下滑力，對滑坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。采用數(shù)值模擬分別對各個剖面在自然狀態(tài)和175m水位時的變形特征進行動態(tài)分析，可知滑坡變形位移量，應力分布圖和數(shù)值模擬過程中選取點變化曲線。

根據(jù)上述章節(jié)中對楊家壩滑坡各滑坡單體進行FLAC有限差分法分析結(jié)果，得出各滑坡單位的最大變形量和存在的（潛在）滑動面，并與相對應工程地質(zhì)剖面圖中滑動面位置進行對比，綜合分析滑坡的穩(wěn)定性和破壞特征，分析結(jié)果表明：在自然狀態(tài)和175水位下，L1、L2和 L3滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，其特征與各自位的特征基本相似。

結(jié)語

從數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，楊家壩滑坡整體在自然狀態(tài)和涉水狀態(tài)下均是穩(wěn)定的，僅L2滑坡局部地段僅在次級滑動變形可能，與滑坡穩(wěn)定性極限平衡法的結(jié)果分析基本一致。因此，本次數(shù)值模擬結(jié)論可以作為下一步治理工程的重要參考依據(jù)。

[1]宋琨，張復金等.重慶市三峽庫區(qū)三期地質(zhì)災害防治工程應急搶險緊急實施Ⅰ類項目云陽縣普安鄉(xiāng)楊家壩滑坡詳細勘查報告[R].重慶，重慶市地質(zhì)災害防治勘察設計院，2005（6）.

[2]高延超，康景文等.基于反算法與FLAC有限差分法的某滑坡穩(wěn)定性分析[J].工程勘察，2008.