基于Flac3D的滑坡安全性分析

杜軒

摘要： 在我國西南部地區(qū)，滑坡已經(jīng)成為高頻率發(fā)生、難以預(yù)測、危害程度大的一種地質(zhì)災(zāi)害。如何有效預(yù)防和及時發(fā)現(xiàn)滑坡已經(jīng)成為道路和防災(zāi)部門的首要任務(wù)。本文以昆民吳家營某處邊坡為例，應(yīng)用Flac3D技術(shù)對邊坡的剪切變形趨勢和安全系數(shù)進(jìn)行模擬和計算，對其穩(wěn)定性和預(yù)防措施提出一些建議。

Abstract： In southwest China， the landslide has become a kind of geological disaster， which is a kind of high frequency occurrence， difficult to predict， and a great harm. How to effectively prevent and timely discovery of the landslide has become the primary task of the Road and Disaster Prevention Department. In this paper， taking a slope in Wujiaying in Kunming as an example， the Flac3D technology is used to simulate and calculate the shear deformation trends and the safe coefficient of the slope， and some suggestions on its stability and the preventive measures are put forward.

關(guān)鍵詞： 滑坡穩(wěn)定性；Flac3D；模型；防治

Key words： slope stability；flac3D；models；prevention

中圖分類號：P642.22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）07-0111-03

0 引言

我國尤其是西南山區(qū)存在非常多的自然邊坡，每年都有大量滑坡災(zāi)害發(fā)生。影響邊坡穩(wěn)定性的內(nèi)部因素有邊坡巖土體類型、邊坡形態(tài)、邊坡地址構(gòu)造和地形地貌、地下水等；外部因素有地震、風(fēng)化作用、植被、氣候條件和人工活動等。隨著城市擴(kuò)張和各地道路的興修，一些人工活動變得頻繁，如切坡、削坡、坡頂加載及其他破壞其邊坡兩面性的活動，最后導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，形成滑坡。去年深圳12.26滑坡事故就是由于非法人為坡頂加載造成的。表1是由中國地質(zhì)環(huán)境信息網(wǎng)所給出的《全國地質(zhì)災(zāi)害通報》，可了解我國近幾年地質(zhì)災(zāi)害情況：

從表1可知滑坡災(zāi)害發(fā)生數(shù)量比其他災(zāi)害之和還要多，因此如何有效預(yù)防和判斷滑坡成為當(dāng)務(wù)之急。Flac3D軟件是一款以有限差分法分析連續(xù)介質(zhì)的工程軟件，處理能力快捷且強(qiáng)大，廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析、隧道、礦山、基坑開挖等工程領(lǐng)域。本文中，應(yīng)用Flac3D邊坡安全系數(shù)的強(qiáng)度折減法，求解其剪切變形趨勢，判斷到其穩(wěn)定性，從而采取對應(yīng)的工程措施進(jìn)行預(yù)防和控制。

1 工程概況

邊坡（見圖1）位于云南昆明呈貢區(qū)吳家營村。邊坡坡體為一級臺階，發(fā)育完整，分布連續(xù)，為典型的山地丘陵地貌。長約120-150m，坡高10-15m，坡角為30°-45°左右，坡面向陽，表面有植被覆蓋，多為低矮灌木。坡體土質(zhì)為粉質(zhì)粘土和砂土組成，坡角和坡頂無人工擾動痕跡。由于其坡體坡度較大，土質(zhì)為軟弱土體，因而選取此邊坡分析更具有典型性意義。

2 Flac3D建模與求解

2.1 Flac3D簡介

Flac3D軟件是美國Itasca咨詢有限責(zé)任公司開發(fā)研制的一種巖土工程專業(yè)分析軟件。由于其強(qiáng)大而快速的計算功能和廣泛的模擬功能，尤其是在各種變形問題上具有獨特的分析能力優(yōu)勢，使的Flac3D在國際巖土工程界非常流行。其一般的建模求解過程如圖2所示。

2.2 初始模型建立

圖3所示為模擬的邊坡體，選取部分坡體，基體長20m，寬10m，高13m，滑面高10m，長10m，邊坡角度為45°（模擬最大坡角）。假定邊坡為連續(xù)均勻介質(zhì)的巖土體，經(jīng)室內(nèi)試驗測得其平均密度ρ為1.97×103kg/m3，變形模量E為80MPa，泊松比ν為0.37，體積模量K=E/3（1-2ν）=103MPa，剪切模量G=E/2（1+ν）=29.2MPa，抗拉強(qiáng)度為12.38kPa，內(nèi)摩擦角？準(zhǔn)=20°剪脹角Ψ=18°。模型每隔一米設(shè)置一等分，共計5513個單元格。其中X、Y、Z軸方向如圖3所示。

2.3 命令流及求解

強(qiáng)度折減法中邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)定義為：使邊坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時，對巖、土 體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度，即定義安全系數(shù)為巖土體的實際抗剪強(qiáng)度與臨界破壞時的折減后剪切強(qiáng)度的比值。通過不斷地增加折減系數(shù)，反復(fù)計算，直至邊坡達(dá)到臨界破壞，此時得到的折減系數(shù)即為安全系數(shù) F。在不考慮地表徑流和地下水的情況下，根據(jù)邊坡的各種物理力學(xué)參數(shù)編寫其命令如下：

gen zone brick p0 0 0 0 p1 2 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 3 size 3 1 3

gen zone brick p0 2 0 0 p1 20 0 0 p2 2 10 0 p3 2 0 3 size 17 1 3 ratio 1.03 1 1

gen zone brick p0 2 0 3 p1 20 0 3 p2 2 10 3 p3 12 0 13 p4 20 10 3 p5 12& 10 13

P6 20 0 13 P7 20 10 13 SIZE 17 1 17 ratio 1.03 1 1 // 建立如圖3所示模型體

fix x y z range z -0.1 0.1 // 設(shè)置邊界條件，即模型體只能在X和Z軸

fix x range x 19.9 20.1 方向上發(fā)生形變，在Y軸無形變

fix x range x -0.1 0.1

fix y

model elas //設(shè)置彈性本構(gòu)模型

prop density 2000 bulk 3e9 shear 1e9 //設(shè)置力學(xué)參數(shù)和重力加速度

set gravity 0 0 -10.0

solve

ini xdisp 0 ydisp 0 zdisp 0 //位移場和速度場清零

ini xvel 0 yvel 0 zvel 0

model mohr //設(shè)置庫倫-摩爾模型

prop density 1970 bulk 1.03e8 shear 2.92e7 & //設(shè)置物理力學(xué)參數(shù)

coh 12380.0 tens 1.0e6 fric 20 dila 18

solve fos file slope3dfos1.sav associated //求解安全系數(shù)

plot fos cont ssi outline on vel red //繪制安全系數(shù)、剪切應(yīng)變增量圖

得到的模型安全系數(shù)、剪切應(yīng)變增量圖見圖4。

從圖中可以明顯看到塑性貫通區(qū)域即潛在滑動面，因滑動面外側(cè)區(qū)域各網(wǎng)格點速度明顯大于其它區(qū)域，尤其在坡腳處更加明顯。而且其邊坡安全系數(shù)（FoS value）為1.04，稍稍大于臨界破壞值1，說明這一區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)明顯滑動并即將發(fā)生破壞。

3 治理工作

針對上述滑坡存在安全隱患和潛在破壞性，可以考慮以下幾個方面的治理：

①傳統(tǒng)的治理方式如在坡腳設(shè)置擋土墻，坡體打錨桿、錨索、鋼絲繩網(wǎng)和抗滑樁等，這些方案是在滑坡治理中采用最多、見效最快的。一般為道路邊坡防護(hù)所采用（圖5為錨索擋土墻）。

②高度重視排水工作，坡體邊界外設(shè)置截水溝，在滑坡坡體上設(shè)置樹枝狀或網(wǎng)狀排水系統(tǒng)，將坡面徑流匯集、旁引于滑坡體外排除，采用各種形式的盲溝、仰斜排水孔等措施，將滑坡體內(nèi)地下水導(dǎo)出，增強(qiáng)坡體的自然穩(wěn)定性。

③對于滑坡坡度較大者，可以在坡頂清方卸載回填于坡腳，以減少其下滑力。在坡體種植根系發(fā)達(dá)的喬木、灌木，增強(qiáng)坡體的土體粘聚力。采用固結(jié)灌漿或電化學(xué)加固法加強(qiáng)邊坡巖土體強(qiáng)度。

④針對其有潛在的滑坡風(fēng)險，可以設(shè)置滑坡位移監(jiān)測儀，并定期觀察坡體地面是否有開裂、脫落或鼓脹等情況，及時掌握其動態(tài)，做好預(yù)防工作。

4 結(jié)束語

針對滑坡災(zāi)害的頻發(fā)性和危害程度，如何有效預(yù)防和應(yīng)對滑坡的發(fā)生已經(jīng)成了重中之重。Flac3D軟件通過有效的模型建立和求解，對滑坡的剪切變形趨勢和安全系數(shù)進(jìn)行了具體化的圖形數(shù)據(jù)顯示，有效的體現(xiàn)了滑坡的危險性和潛在性，使人們能夠有效的預(yù)防和控制滑坡災(zāi)害的發(fā)生。隨著國家工程建設(shè)持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)代化城市不斷地擴(kuò)張，解決邊坡失穩(wěn)問題及滑坡防治技術(shù)的研究，對我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展有著特殊的社會和科技價值。

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