基于PFC3D 的某高位滑坡致災(zāi)范圍預(yù)測(cè)

黃琰杰 魏 廣

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,四川 成都 610059)

滑坡是全球常發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害之一, 滑坡的發(fā)生會(huì)對(duì)人類的生命財(cái)產(chǎn)安全和城鎮(zhèn)建設(shè)構(gòu)成極大的威脅,也給國(guó)家?guī)?lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。而在這其中,有一類滑坡較為特殊,即為高位滑坡。高位滑坡一般是指滑坡剪出口高程高于坡腳的一類滑坡,其一旦整體失穩(wěn),將儲(chǔ)存的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,破壞力極強(qiáng)[2]。近年來(lái),在我國(guó)常有高位滑坡發(fā)生。例如,2012 年6 月28 日, 四川省寧南縣白水河發(fā)生高位牽引式滑坡;2017年6 月24 日,四川省茂縣新磨村發(fā)生山體高位巖質(zhì)滑坡。以上所列高位滑坡轉(zhuǎn)化為碎屑流均表現(xiàn)出高速、遠(yuǎn)程、破壞力強(qiáng)、致災(zāi)面積廣等特點(diǎn)[3],嚴(yán)重威脅群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。殷躍平等[4]通過(guò)對(duì)汶川地震觸發(fā)的多處高位滑坡進(jìn)行研究后得出,滑坡在高速滑流中,發(fā)生高速氣墊效應(yīng)、碎屑流效應(yīng)、鏟刮效應(yīng)3 種效應(yīng)。張明等[5]以汶川地震觸發(fā)的文家溝高速遠(yuǎn)程滑坡碎屑流為研究對(duì)象通過(guò)其堆積物中出露的沖溝對(duì)碎屑流堆積物的堆積結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,表明碎屑流堆積物具有明顯的反序結(jié)構(gòu)。

本文基于PFC3D 軟件模擬某滑坡滑動(dòng)解體后的堆積范圍及最大滑動(dòng)距離,結(jié)合理論公式對(duì)比分析,對(duì)提前采取針對(duì)性防治措施具有重大意義。

1 滑坡概況

該滑坡平面形態(tài)呈圈椅狀,后緣高程約2505m,前緣高程約2430m, 前后緣高差約75m?；螺S長(zhǎng)約75m, 平均寬約160m,平面面積約1.2×104m2,滑體厚約8m,體積9.6×104m3,為一小型淺層土質(zhì)滑坡。

滑體主要由含碎石粉質(zhì)粘土和類黃土組成, 具有明顯的分層特征;下伏基巖為板巖。

2 模擬準(zhǔn)備

2.1 模型建立

本次模型的建立使用具有強(qiáng)大建模功能的犀牛軟件,建立模型時(shí)首先根據(jù)勘探所得的剖面圖將滑體部位挖掉,挖掉的滑體部分運(yùn)用顆粒進(jìn)行填充。運(yùn)用幾何圖形導(dǎo)入法將坡面書(shū)寫(xiě)為PFC5.0 可以識(shí)別的stl 文件, 再利用wall import 命令將幾何圖形導(dǎo)入,最終轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的wall。

本模型采用的是平行粘結(jié)模型模擬具有一定粘結(jié)強(qiáng)度的土體,平行粘結(jié)可以在不同實(shí)體之間傳遞力和力矩。由于考慮模型較大,計(jì)算所需的時(shí)間較長(zhǎng),不可能以真實(shí)的顆粒尺寸對(duì)滑體部分進(jìn)行填充。為了保證計(jì)算的效率,對(duì)顆粒尺寸進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?。本次?jì)算顆粒尺寸半徑為0.5～1m,在滑坡范圍內(nèi)充填的球體顆粒數(shù)為22830 個(gè)最終建立的計(jì)算模型如圖1 所示。

圖1 PFC 數(shù)值模型

2.2 參數(shù)的選取

對(duì)于參數(shù)的取值,目前沒(méi)有固定的方法,主要通過(guò)試驗(yàn)和查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)進(jìn)行取值。如果沒(méi)有室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下,也可通過(guò)不斷反演試算的方法對(duì)微觀參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。當(dāng)試算狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定和欠穩(wěn)定臨界狀態(tài)時(shí),可求得相關(guān)的微觀參數(shù)。此次計(jì)算采用的是平行粘結(jié)模型模擬具有一定粘結(jié)強(qiáng)度的土體,選用的參數(shù)主要有兩類,為顆粒接觸參數(shù)和平行粘結(jié)強(qiáng)度參數(shù),對(duì)顆粒間的摩擦系數(shù)進(jìn)行指定。具體微觀參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 相關(guān)力學(xué)參數(shù)取值表

3 模擬結(jié)果分析

3.1 運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

通過(guò)軟件模擬滑坡在自重和摩擦阻力的共同作用下,滑體完全滑動(dòng)后的堆積形態(tài)以及滑動(dòng)距離。在計(jì)算步數(shù)達(dá)到42600 步后穩(wěn)定,顆粒完全下滑堆積?；w下滑后的堆積形態(tài)如圖2、圖3 所示。

圖2 滑坡整體滑動(dòng)后堆積圖

圖3 滑坡整體滑動(dòng)后堆積圖(俯視)

從上圖中可以看出,滑體從前緣剪出口滑出后,大部分由于摩擦阻力的作用停留在坡面上,一小部分顆粒運(yùn)動(dòng)距離較遠(yuǎn),完全下滑后的滑體大多堆積在坡腳附近。堆積在坡面上的滑體有明顯的歸槽現(xiàn)象,未大范圍的向兩側(cè)運(yùn)動(dòng),這主要受坡體地形的控制約束。

3.2 堆積形態(tài)分析

為研究滑坡滑動(dòng)后,滑體的堆積范圍,選取滑體停止滑動(dòng)后的結(jié)果圖如下。圖4～圖7 為滑坡滑動(dòng)停止后的解體堆積范圍。

圖4 滑體總位移云圖

圖5 滑體X 方向位移云圖

圖6 滑體Y 方向位移云圖

圖7 滑體Z 方向位移云圖

從上圖可以看出, 滑體下滑后沿斜坡面運(yùn)動(dòng)的最大距離為1.19km,這是局部顆粒向前運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,堆積體的范圍相對(duì)較小。顆粒在坡體橫向上的位移相對(duì)較小,這主要受兩側(cè)山脊的約束,X 方向上的位移,左側(cè)為82.4m,右側(cè)為140.3m,相比于左側(cè)的堆積范圍,右側(cè)的堆積范圍更大,結(jié)合在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)坡腳位置處的調(diào)查,仔細(xì)分析可知這是由于右側(cè)高程相對(duì)較低所引起的。Y 方向的最大位移為960.7m,在豎直方向Z 方向的最大位移為721.7m?；w解體后顆粒向前的運(yùn)動(dòng)距離較遠(yuǎn),本文在分析致災(zāi)范圍時(shí)主要以坡腳堆積體的范圍來(lái)劃定,在橫向上的堆積最大寬度為222.7m,在主滑方向上的主要堆積范圍約為149.4m。

4 計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比分析

4.1 公式推導(dǎo)

在地質(zhì)災(zāi)害防治領(lǐng)域現(xiàn)已有較多滑距預(yù)測(cè)計(jì)算公式,這些公式主要通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,或者在經(jīng)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)之上建立起來(lái)。

在20 世紀(jì)70 年代,奧地利學(xué)者謝德格爾(Scheidegger)對(duì)全球發(fā)生的高速遠(yuǎn)程滑坡的特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,推導(dǎo)了滑動(dòng)摩擦系數(shù)與滑坡體積的關(guān)系,可得出滑動(dòng)摩擦系數(shù)與滑坡體體積呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系,具體推導(dǎo)公式如下:

式中:f- 動(dòng)摩擦系數(shù);V- 滑坡體積;a、b 為系數(shù):a=-0.15666,b=0.62419;H- 滑坡垂直滑落高度。

該公式將坡面視為直線坡,采用此方法計(jì)算誤差較大。現(xiàn)基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的原理對(duì)滑坡在不同坡角條件下的滑距計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo),在進(jìn)行推導(dǎo)之前需作出以下假設(shè):

(1)將滑體視為剛體,在運(yùn)動(dòng)時(shí)只受外力作用,不考慮內(nèi)力作用;

(2)滑體在下滑時(shí),只考慮重力作用和滑動(dòng)摩擦力,不考慮空氣阻力;

(3)滑體在通過(guò)坡面轉(zhuǎn)折處時(shí)不考慮跳躍和能量損耗。

將坡面段數(shù)假設(shè)為n 段,抽取其中的第n-1 段,第n 段,第n+1 段作為簡(jiǎn)化模型對(duì)滑距公式進(jìn)行推導(dǎo)。

假設(shè)滑塊運(yùn)動(dòng)到第n-1 段末端的速度為Vn-1,當(dāng)滑體在第n 段坡面運(yùn)動(dòng)時(shí),據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式:

其中,Sn為在第n 段坡面上的運(yùn)動(dòng)距離。

滑體在向前運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中, 由于摩擦阻力的作用,滑體速度最終將會(huì)減小為0,假設(shè)滑體速度減為0 的坡面為上述第n 段坡面,則有Vm=0。對(duì)上式(3)進(jìn)行變換可得滑體在坡面上的滑動(dòng)距離:

在對(duì)滑坡進(jìn)行滑距預(yù)測(cè)時(shí),主要在于對(duì)滑體水平方向向前運(yùn)動(dòng)距離的預(yù)測(cè),因此將公式(4)轉(zhuǎn)化為水平運(yùn)動(dòng)距離計(jì)算公式,并將 μ= tanφ代入上式可得:

式中:Ln- 第n 段坡面水平滑動(dòng)距離;

αn-第n段滑面傾角;

αn-1-第n-1段滑面傾角;

Vn-1- 第n-1 段末速度;

φ- 滑面內(nèi)摩擦角。

由所推導(dǎo)公式(5)可知,影響滑坡滑動(dòng)距離的主要因素為前后段坡面的傾角以及摩擦角。將式(5)計(jì)算所得的每段滑距進(jìn)行相加可得滑坡整體的滑動(dòng)距離,則滑坡破壞后總的滑距為:

式中:m - 滑體在停止時(shí)滑過(guò)的坡面線段數(shù);

L- 滑坡總滑距。

據(jù)此可以計(jì)算滑坡體在坡面上的滑動(dòng)距離。

4.2 對(duì)比分析結(jié)果

利用該滑距計(jì)算公式計(jì)算所得的滑距與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析, 公式計(jì)算所得到的水平地面的滑動(dòng)距離為156.66m,數(shù)值模擬所得結(jié)果為149.4m,兩則間存在一定誤差,但誤差不大,說(shuō)明模擬及計(jì)算結(jié)果具有一定的適用性,兩者對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 公式計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

5 結(jié)論

通過(guò)建立某高位滑坡的三維地質(zhì)模型, 對(duì)滑動(dòng)后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及堆積形態(tài)進(jìn)行分析,主要有以下結(jié)論。

5.1 通過(guò)理論公式計(jì)算結(jié)果與軟件模擬結(jié)果相對(duì)比,二者相差不大,說(shuō)明此方法用于該類滑坡滑動(dòng)后的分析具有一定適用性。

5.2 數(shù)值模擬結(jié)果顯示,滑體主要堆積范圍為:沿主滑方向堆積149.4m, 橫向上的堆積范圍, 左側(cè)為82.4m, 右側(cè)為140.3m ,總的堆積最大寬度為222.7m。

5.3 將公式計(jì)算的滑距與數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果存在一定的誤差,但誤差較小,相對(duì)誤差為4.63%。