基于FLAC3D的高海拔環(huán)境下降雨對公路沿線山體崩塌的影響研究

摘 要：崩塌是西藏自治區(qū)地質災害的主要災種之一，隨著雨季的時間和降雨量增加，崩塌發(fā)生的可能性也會隨之增加。選取東經90°52′51.9″，北緯29°42′8.2″處的崩塌點作為文章的主要研究對象，在基于FLAC3D建立仿真模型，運用動力計算得出邊坡的位移量，分析山體在雨季時的穩(wěn)定性，在降雨量達到500mm時，山體會發(fā)生變形并產生崩塌。

關鍵詞：崩塌；降雨量；FLAC3D技術；穩(wěn)定性

引言

西藏拉薩境內處于高寒高海拔地區(qū)，氣候條件惡劣，加之河谷兩側山體高峻陡峭，山體的風化十分嚴重，加之拉薩雨季的降雨，從而形成了山體的崩塌。[1]G109拉薩至羊八井公路段沿線山體邊坡，體積較大，植被少，穩(wěn)定性差，極易發(fā)生崩塌災害。[2]文章選取G109拉薩至羊八井路段進行考察，共發(fā)現(xiàn)10余處崩塌。這些災害會對周圍的交通、建筑物、農田以及人類正常生活造成巨大威脅。

日本學者齋騰在20世紀60年代提出的經驗預報公式，可作為崩塌預報研究工作的起點。我國國內1996年李天斌和陳明東提出了V氏反函數(shù)模型，1997年黃潤秋和許強提出了協(xié)同預報模型，取得了重要進展。但是我國對于崩塌的預警研究在高海拔地區(qū)還未得到推廣和普及。[3-6]文章選取G109拉薩至羊八井路段的崩塌點為研究背景，通過FLAC3D對崩塌點在高海拔降雨條件下分析山體的穩(wěn)定性，可以得到邊坡變形、位移矢量圖、從而對邊坡的滑動趨勢和變形情況作出逼真的模擬并且對邊坡的變形作出準確的判斷。[7]

1 地質條件

G109為進藏公路中的主動脈，是世界上海拔最高、線路最長的柏油公路，也是目前通往西藏路程最短的公路。其中拉薩至羊八井公路段全線長為85.1Km，位于西藏東南部，是連接拉薩與羊八井的重要交通樞紐，由于位于高寒高海拔地區(qū)，氣候條件惡劣，公路一側山體地質構造復雜，斷裂構造和節(jié)理褶皺發(fā)育，巖體的風化強烈，大量的松散堆積層廣泛覆蓋于斜坡的凹陷部位，加之受大氣、周圍地區(qū)地震以及人類活動影響等因素影響，對G109構成了嚴重的威脅，沿線山體的穩(wěn)定性差，如遇強降雨降水極有可能會引發(fā)崩塌，進而導致災難的發(fā)生。[8]

1.1 氣象條件

G109拉薩至羊八井路段屬于高原溫帶干旱季風氣候，以空氣稀薄、干燥缺氧、陽光充足、低溫寒冷，日溫差大為特征。夏季多雨，雨季集中在6-9月份，年平均降水量為200-650mm，年最大降水量796.6mm。[9]據統(tǒng)計，自2011-01-01到2015-10-01，拉薩共出現(xiàn)：多云813天，雨527天，晴254天，雪73天，陰8天；羊八井所在的當雄縣共出現(xiàn)：多云798天，雨445天，雪229天，晴175天，陰13天。降雨天數(shù)占的比例是31.46%、26.57%，由此可見降雨對山體的穩(wěn)定性有著不可忽視的影響。

1.2 地形地貌

G109拉薩至羊八井段是高山河谷地貌，地處青藏高原中南部、喜馬拉雅山脈北側，地處雅魯藏布江支流拉薩河中游河谷平原屬于藏南山原湖盆骨地區(qū)，沿線山地海拔多在4000米以上，線上越向西，海拔越高，山勢陡峻，河谷深切，多呈“V”字形分布。[10]

1.3 地質構造

G109拉薩至羊八井處于岡底斯-念青唐古拉板片中段，岡底斯陸緣火山-巖漿弧中部。該地域在石炭紀-早二疊世為古特提斯活動邊緣海，晚二疊世為陸棚淺海盆底環(huán)境，三疊紀末為楔形大洋，侏羅紀為火山島弧，侏羅紀末期至早白堊紀早期為濱淺海、沼澤，晚白堊世逐漸抬升為陸，上新世隨青藏高原而隆升。[11]堆龍德慶縣境內的構造單元以邱桑斷層為界，分為德慶鄉(xiāng)斷隆構造帶和堆龍弧內盆地構造帶兩大部分。境內地層屬拉薩地層分區(qū)，出露有石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、第三系和第四系地層。境內火山活動強烈且頻繁，巖漿巖分布面積較廣，主要有火山巖和侵入巖。

1.4 影響邊坡穩(wěn)定性的因素

崩塌的發(fā)生是其內因和外因綜合作用的結果，除了巖土類型、地質構造、地形地貌等內因外，還有就是地震；融雪、降雨；地表沖刷、浸泡和不合理的人類活動等外因有關。其中降雨因素尤其明顯，特別是大暴雨，暴雨和長時間的連續(xù)降雨，使地表水滲入坡體，軟化巖土及其中軟弱面，產生孔隙水壓力等從而誘發(fā)崩塌。[12]

2 模型的建立

在G109拉薩至羊八井的路段中，崩塌的山體的巖性為花崗巖，所以在文章中我們主要研究花崗巖巖性的易崩塌山體。在G109東經90°52′51.9″，北緯29°42′8.2″處選取一個易發(fā)生地質災害的崩塌點，經實地考察此段邊坡橫長50m，縱寬200m-300m，面積約為4880m2，實圖如圖1。在不考慮地下水和爆破及天然地震等外界條件的情況下，創(chuàng)建出的模型共劃分結點123670個，單元135468個，采用八節(jié)點等參四邊形單元，經程序計算得到的離散數(shù)據、可得到計算模型的位移和穩(wěn)定系數(shù)。創(chuàng)建出的模型如圖2所示，花崗巖的具體巖體參數(shù)詳見表1。

3 穩(wěn)定性計算分析

3.1 計算方法

根據標準《地質災害防治工程勘察規(guī)范》（DB50/143-2003）中對崩塌的分類，此處崩塌屬于后緣有陡傾裂隙、滑面緩傾的滑移式崩塌。所以，應采用公式（1）計算穩(wěn)定性。

Q-地震力（KN/m），按公式Q=？孜e×W確定，式中地震水平作用系數(shù)？孜e取0.05；

K-危巖穩(wěn)定性系數(shù)；

c-后緣裂隙粘聚力標準值（KPa）；當裂隙未貫通時，取貫通段和未貫通段粘聚力標準值按長度加權和加權平均值，未貫通段粘聚力標準值取巖石粘聚力標準值的0.4倍；

？準-后緣裂隙內摩擦角標準值（KPa）；當裂隙未貫通時，取貫通段和未貫通段內摩擦角標準值按長度加權和加權平均值，未貫通段內摩擦角標準值取巖石內摩擦角標準值的0.95倍；

？茲-軟弱結構面傾角（°），外傾取正，內傾取負；

W-危巖體自重（KN/m3）。

Kf為穩(wěn)定系數(shù)。

3.2 穩(wěn)定性判斷結果

根據公式（1）得出穩(wěn)定系數(shù)如表2所示。

3.3 數(shù)值模擬分析

利用三維有限差軟件FLAC3D對崩塌進行數(shù)值模擬，為了數(shù)值模擬的結果更加準確、實際，文章數(shù)值模擬了以下四種條件下滑坡體的穩(wěn)定情況：組合一：天然條件，荷載組合為自重+天然狀態(tài)孔隙水壓力；組合二：降雨達到250mm的條件，荷載組合為自重+暴雨狀態(tài)孔隙水壓力；組合三：降雨達到500mm的條件，荷載組合為自重+暴雨狀態(tài)孔隙水壓力，組合的位移圖3中的（a）、（b）、（c）所示。

由圖3可見，當降雨量逐漸增加，山體的位移也隨之增大，表明山體已經出現(xiàn)破壞并失去穩(wěn)定，由此可以得出，降雨量越大，裂隙就越大，山體的位移也就越大，直至出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象。

4 結束語

通過對災害區(qū)域野外勘查、理論分析并通過FLAC3D數(shù)值模擬得出以下結論：（1）邊坡穩(wěn)定性計算結果為山體在靜止孔隙水壓力增大條件下處于滑動狀態(tài)。（2）現(xiàn)場勘查和穩(wěn)定性計算表明，山體在天然條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是在持續(xù)降雨和暴雨狀態(tài)下，穩(wěn)定性安全儲備較低，山體可能會失穩(wěn)而產生崩塌，而且在地下水和爆破及天然地震等外界條件的作用下，山體的穩(wěn)定性會更低。因此，應該對該山體進行一定的加固和防治措施，這樣才能避免災害的發(fā)生。

參考文獻

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作者簡介：斯朗擁宗（1980-），女，研究方向為斜拉橋動力特性分析。

*通信作者：田榮燕（1980-），女，漢族，講師，碩士，道路工程。