基于有限元分析的緩傾滑坡模擬

朱 濤

(福建省地質(zhì)工程勘察院，福州，350002)

緩傾滑坡[1-4]是眾多滑坡中較為特殊的一類滑坡，其中的“緩傾”指的是滑動面的傾角較為平緩(為5 °～ 15°)，有時甚至近于水平。該類滑坡的滑動面土體內(nèi)摩擦角往往大于滑面傾角，按照傳統(tǒng)的極限平衡理論，沒有特殊的原因難以發(fā)生滑坡，但實際上這類滑坡卻屢見不鮮。我國的緩傾滑坡主要分布在三峽庫區(qū)中段萬州、重慶一帶，四川盆地及周邊地區(qū)，以及黃土高原等地。其中，事發(fā)于四川省巴中市南江縣的一系列滑坡則是我國緩傾滑坡事故中最為典型的案例[5]。該縣于2011年9月16日期間發(fā)生了千余處滑坡，這些滑坡沿著呈現(xiàn)“光面”形式的界面而滑動。該類邊坡上覆土層較薄，巖層傾斜角度較緩，使得重力導(dǎo)致的下滑力較小，因而根據(jù)傳統(tǒng)的極限平衡理論，應(yīng)該具有較高的穩(wěn)定性，一般不易發(fā)生失穩(wěn)破壞。然而，數(shù)以千計的緩傾滑坡在降雨期間不約而同地陸續(xù)發(fā)生，有力地證明了其發(fā)生是由于十分特殊的成因機理和形成條件。雖然少量的緩傾滑坡發(fā)生并不會造成過大的危害，但這種大規(guī)模群集性的土質(zhì)滑坡往往都發(fā)生在人員居住的密集區(qū)域，存在的大片良田和村落聚集地，因而必須引起足夠的重視。

雖然目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對常規(guī)滑坡進行了較為深入而全面的研究[6]，但是，對于近年來頻繁發(fā)生，分布在廣大農(nóng)村的中小型緩傾滑坡的研究仍然相對較少。由于這類中小型緩傾滑坡給人不具備發(fā)生滑坡條件的錯覺，因此在前期不會引起足夠的重視，甚至還出現(xiàn)人為加劇滑坡形成與發(fā)展的行為。一旦滑坡形成，必然造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失或人員傷亡。而這些滑坡的治理經(jīng)費會給經(jīng)濟原本就欠發(fā)達(dá)的農(nóng)村地區(qū)和山區(qū)帶來更大的壓力。因此，筆者充分利用數(shù)值計算手段的優(yōu)越性，選取三明明溪烽林場施工工地緩傾滑坡作為工程實例進行數(shù)值模擬分析，以期能夠建立起該類滑坡的地質(zhì)概念模型、變形破壞力學(xué)模式和數(shù)值計算模型，以便為將來該類滑坡的治理提供依據(jù)。

1 工程實例分析

所研究的緩傾滑坡位于三明明溪烽林場在建工地的開挖邊坡，是福建省內(nèi)較為罕見的土質(zhì)緩傾滑坡。該滑坡位于侵入巖與沉積碎屑巖的接觸帶上，特殊的巖土體組合和獨特的水文地質(zhì)條件， 形成了該滑坡獨特的變形破壞特征(圖1)。

圖1 明溪烽林場工地滑動面及滑床特征圖Fig.1 Sliding surface and slide bed characteristic diagram in Mingxifeng forest site1—素填土；2—粉土；3—有機質(zhì)土；4—泥巖殘坡積土；5—花崗巖殘坡積土；6—全風(fēng)化花崗巖；7—強風(fēng)化泥巖；8—強風(fēng)化花崗巖；9—中風(fēng)化花崗巖；10—滑動面；；12—鉆孔

該滑坡主軸長230 m，前緣寬260 m，前后緣高差35 m，滑坡面積接近6×104m2，滑坡體的平均厚度為13 m，潛在體積76×104m3，主滑方向近正西，沿主滑方向坡面總體坡度8° ～ 10°，主滑段滑面傾角約6°?；虑熬墳檎降慕ㄔO(shè)用地，地面出現(xiàn)隆起現(xiàn)象(照片1)，在建廠房墻體開裂。滑坡前緣位于盆地中、前部，為地下水排泄區(qū)，出露地層為一套厚度數(shù)米至十?dāng)?shù)米的有機質(zhì)土(照片2)，呈軟塑或流塑狀，具有流變性質(zhì)。場地東側(cè)為人工填土邊坡(滑坡后緣)，寬度約210 m，高度7～9 m，坡度65°。

照片1 滑坡前緣的隆起和地面開裂Photo.1 Uplift of landslide front and ground cracking

照片2 滑坡前緣有機質(zhì)土出露Photo.2 Organic soil exposure in landslide front

場地周邊屬剝蝕丘陵地貌， 總體地勢為東高西低， 山頂標(biāo)高一般 350～450 m， 個別山頭超過500 m，山頂渾圓，山脊平緩圓潤，相對高差60～90 m，最大相對高差 280 m，自然坡度一般 15°～25°。主要溝谷呈北東-南西向，為“U”型谷，溝底平緩開闊，形似一個口朝西的嗩吶狀?；聟^(qū)微地貌為平緩的山間小盆地，南北寬約 370 m，東西長約450 m，三面環(huán)山，開口朝西，左右兩側(cè)為小溪溝，右側(cè)溪溝為常年流水溪溝，溪溝中上部沖溝發(fā)育。

初步的勘察分析結(jié)果表明，該滑坡主要受到強降雨影響，雨水大量滲入巖土體，增加了巖土體的容重，同時降低了土體的抗剪強度，增大了下滑力，同時，由于雨水的持續(xù)軟化作用，邊坡中形成了一條坡度十分緩的軟弱滑帶，從而導(dǎo)致了滑坡的發(fā)生。

2 滑坡工程實例的有限元模擬

2.1 有限元模型

采用ANSYS/LS-DYNA[7]軟件對滑坡進行模擬，經(jīng)過一定的簡化，建立了單個單元厚度的滑坡有限元模型(圖2)。邊坡模型長度為370 m，左側(cè)高度為110 m，右側(cè)高度為50 m，單元劃分從上至下(顏色由淺到深)的土層分別是粉土、有機質(zhì)土、花崗巖殘積土、全風(fēng)化花崗巖和強風(fēng)化花崗巖。其中，黑色單元為單層厚度的潛在滑動面單元，該滑動面是根據(jù)現(xiàn)場勘察、室內(nèi)試驗成果，并結(jié)合反演分析和工程類比的方法所獲得的。

土體采用Mohr-Coulomb模型來描述，主要的本構(gòu)參數(shù)為土體密度、黏聚力、內(nèi)摩擦角和彈性模量，計算參數(shù)值采用試驗得到的土體材料參數(shù)(表1)。

圖2 滑坡的有限元模型Fig.2 Finite element model of landslide

2.2 計算工況

根據(jù)文獻(xiàn)得知[8]，緩傾滑坡的主要誘發(fā)因素為地下水產(chǎn)生的靜水壓力和浮托力，以及由于地下水和降雨作用導(dǎo)致的土體強度參數(shù)值的降低(即生成了軟弱滑動面)。再考慮到不同工況下的地下水位的特點，各工況之間的差別在于，地下水位越高，對滑坡后緣產(chǎn)生的靜水壓力以及滑坡體底部產(chǎn)生類似三角形分布的浮托力也就越大，因而對滑坡穩(wěn)定性就越不利。同時，水位線以上的土體采用天然土體材料參數(shù)，而水位線以下的土體則需要采用飽和土體材料參數(shù)。

有鑒于此，通過軟弱滑動面的生成、滑坡體后緣的靜水壓力和滑坡體底部的浮托力的施加來考慮降雨量大小，以及地下水對滑坡的影響，筆者采用以下3種不同地下水位工況進行綜合分析。

表1 試驗得到的土體材料參數(shù)

天然工況：地下水位取勘察鉆孔的實際水位，水位線位于滑坡后緣裂隙以上10 m處，也即h1=10 m，因而最大靜水壓力和浮托力為γwh1=100 kPa。地下水位以上巖土體采用天然狀態(tài)參數(shù)，地下水位以下采用飽和狀態(tài)參數(shù)(圖3-a)。

雨季工況：地下水位取高水位(根據(jù)雨季期間監(jiān)測孔揭露的地下水水位)，水位線位于滑坡后緣裂隙以上20 m處，也即h2=20 m，最大靜水壓力和浮托力為γwh2=200 kPa。地下水位以上巖土體采用天然狀態(tài)參數(shù)，地下水位以下采用飽和狀態(tài)參數(shù)(圖3-b)。

極端暴雨工況：考慮滑坡體處于全飽水狀態(tài)，水位線位于坡體表面，也即h3=30 m，最大靜水壓力和浮托力為γwh3=300 kPa?；聨r土體全部采用飽和狀態(tài)參數(shù)(圖3-c)。

圖3 不同地下水位計算工況的力學(xué)概化模型Fig.3 The generalized mechanical models for calculating under different groundwater level conditions

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 安全系數(shù)計算結(jié)果

趙尚毅等[9]認(rèn)為，對于一般的均質(zhì)土坡平面應(yīng)變問題，在ANSYS程序中將迭代次數(shù)設(shè)定為1 000次，將力和位移的收斂系數(shù)設(shè)定為0.000 01完全可以保證足夠的計算精度。因此，在 ANSYS 程序的D-P強度準(zhǔn)則中采用非關(guān)聯(lián)流動法則(膨脹角為0)進行計算，力和位移的收斂標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)均取為0.000 01，最大迭代次數(shù)為1 000次，一次性施加重力荷載，也即荷載增量步設(shè)置為1步，有限元求解器選用ANSYS程序提供的稀疏矩陣求解器選用全牛頓-拉普森迭代方法。

各工況的安全系數(shù)計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，天然工況的安全系數(shù)為0.95，雨季工況的安全系數(shù)為0.92，極端暴雨工況的安全系數(shù)為0.86，邊坡基本都處于不穩(wěn)定或者欠穩(wěn)定狀態(tài)，尤其是在雨季和極端暴雨情況下，該邊坡穩(wěn)定性較差。因此，亟需采取合適的治理措施，對邊坡進行加固處理，以免發(fā)生滑塌。

此外，邊坡被破壞時滑動面上節(jié)點位移和應(yīng)變將產(chǎn)生突變，滑動面位于水平位移和應(yīng)變突變的地方，因此可在ANSYS程序中通過繪制邊坡等效應(yīng)變云圖來確定滑動面。有限元強度折減法滑動面展示(圖4)，位移云圖通過大小為0.1(即10%)的應(yīng)變尺度來顯示。顯而易見，由于事先生成了強度參數(shù)較低的一層圓弧形的軟弱滑動面單元，因而計算得到的最危險滑動面都發(fā)生于這層單元之中，整層單元都呈現(xiàn)大應(yīng)變狀態(tài)。

圖4 有限元強度折減法滑動面展示Fig.4 Sliding surface display of strength reduction finite element method

2.3.2 滑坡變形

3種不同工況的滑坡水平向位移云圖對比，其中黑色邊框表示未變形的邊坡輪廓，用于與變形后的邊坡進行對照。為了更清楚地顯示對比結(jié)果，將邊坡變形都放大了3倍。

(1)由于軟弱滑動面的存在，天然工況下的邊坡也出現(xiàn)了較大的水平位移(圖5-a)，滑坡體后緣區(qū)域出現(xiàn)了一定的位移集中現(xiàn)象(滑坡體后緣的位移云圖整體呈深色)，而坡腳則出現(xiàn)一定的隆起。在滑坡現(xiàn)場也觀測到了類似的滑坡前緣地面隆起、開裂的現(xiàn)象，因而，數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確性在一定程度上得以證明。

(2)由于地下水位的抬升，雨季工況下導(dǎo)致滑坡后緣的靜水壓力和滑坡底部的浮托力有所增大，使得邊坡的整體變形也有所增加，前緣隆起現(xiàn)象也出現(xiàn)了加劇趨勢，滑坡體的位移集中現(xiàn)象也明顯擴大(圖5-b)。

(3)在極端暴雨情況，由于邊坡處于最不利的受力狀態(tài)和土質(zhì)條件下，因而邊坡的位移也急劇增大，滑坡前緣的隆起明顯遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原始地面(圖5-c)，因此，亟需采取合適的治理措施，對邊坡進行加固處理，以免發(fā)生進一步滑塌。

圖5 3種不同工況下邊坡的水平向位移云圖(單位：m)(變形放大3倍)Fig.5 Horizontal displacement nephogram of the slopes under 3 different working conditions

通過3種不同工況對比也可以發(fā)現(xiàn)，對于這類坡度較緩、滑面傾角較小的邊坡，一般情況下是難以發(fā)生明顯滑坡的，即使坡體中生成了軟弱滑帶，但是由于滑動面的土體內(nèi)摩擦角大于滑面傾角，滑坡變形相對也不會太劇烈。然而，對于暴雨工況，由于滑坡體底部浮托力的作用，加上后緣裂隙充盈水分使得滑坡推力大大增加，從而使得邊坡出現(xiàn)劇烈的變形，前緣隆起急劇增大，導(dǎo)致邊坡在傾角很小的情況下發(fā)生滑塌。

3 結(jié)語

(1)通過數(shù)值模擬計算，形象地還原了緩傾滑坡的變形與破壞，并且得到了不同工況和不同地下水條件下的邊坡位移，能夠為將來該類滑坡的研究和預(yù)判提供一條可行之路。

(2)所研究的邊坡坡度較緩，因此，在良好土質(zhì)條件下，邊坡穩(wěn)定性很強，安全系數(shù)達(dá)1.54，邊坡變形也較小，說明這類坡度很緩的邊坡，一般情況下是不容易發(fā)生滑坡的，緩傾滑坡的形成是受到特殊的地下水因素影響。

(3)通過調(diào)整作用在滑坡后緣的靜水壓力和滑坡底部的浮托力來表征降雨和地下水對緩傾滑坡的影響，結(jié)果表明，該緩傾滑坡在天然工況、雨季工況和極端暴雨工況下，安全系數(shù)分別為0.95，0.92和0.86。因此，從滑動面傾角上分析，該邊坡一般應(yīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，但實際上由于地下水所導(dǎo)致的力學(xué)作用，使得該邊坡處于不穩(wěn)定或者欠穩(wěn)定狀態(tài)，尤其是在雨季和極端暴雨情況下，穩(wěn)定性較差，亟需采取合適的治理措施，對邊坡進行加固處理，以免發(fā)生滑塌的危險。

(4)在天然工況、雨季工況和極端暴雨工況下，滑坡的位移逐漸增大，前緣的隆起逐漸變得更劇烈，滑坡體的整體位移集中現(xiàn)象的越發(fā)明顯。

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8 杜瀟翔. 貴州省習(xí)水縣程寨滑坡形成機制及穩(wěn)定性研究.成都：成都理工大學(xué), 2013.

9 趙尚毅，鄭穎人，張玉芳. 極限分析有限元法講座——Ⅱ有限元強度折減法中邊坡失穩(wěn)的判據(jù)探討. 巖土力學(xué), 2005, 26(2).