基于FLAC 某邊坡失穩(wěn)數(shù)值模擬分析

朱 振

（山東省調(diào)水工程運行維護中心牟平管理站，山東 煙臺 264100）

1 前言

滑坡是斜坡上的巖土體，在降雨、工程開挖、地震等因素的影響下，沿著一定的軟弱夾層或者不連續(xù)面向下運動的地質(zhì)現(xiàn)象。我國是一個滑坡災害頻繁的國家，每年因滑坡造成的經(jīng)濟損失高達數(shù)百億人民幣，并且造成相當數(shù)量的人員傷亡。尤其是在西部山區(qū)，地勢陡峭，地震頻繁，滑坡災害極其嚴重，嚴重制約當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展[1，2］?；碌难芯恐饕▋蓚€方面，一是滑坡形成機制，二是滑坡的治理，正確分析滑坡的形成機制是滑坡治理的前提[3］。胡榮金等[4］采用有限元分析方法，分析了某礦區(qū)邊坡降雨前后穩(wěn)定系數(shù)的變化情況，結(jié)果表明，降雨會導致該邊坡穩(wěn)定系數(shù)降低20%以上；李甜等[5］通過ANASYS 軟件對四川理縣某邊坡失穩(wěn)滑動過程進行模擬，并與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，模擬結(jié)果表明ANASYS數(shù)值模擬與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)較為吻合，該數(shù)值模擬模型可有效用于滑坡變形破壞分析；陳聞瀟等[6］利用連續(xù)-非連續(xù)耦合方法，分析河南某鐵路沿線滑坡失穩(wěn)機理，研究結(jié)果表明，該滑坡失穩(wěn)主要是由于連續(xù)降雨導致的，降雨導致邊坡穩(wěn)定系數(shù)由1.21 下降到0.83；朱榮森等[7］利用phase2 軟件對黃茨滑坡在天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)下的穩(wěn)定性進行計算，研究結(jié)果表明，在飽水狀態(tài)下滑坡位移比天然狀態(tài)下大50%以上，說明飽水狀態(tài)下邊坡更容易發(fā)生失穩(wěn)；曹水合等[8］基于Massflow 數(shù)值模擬軟件對金沙江白格滑坡進行模擬，模擬結(jié)果表明，滑坡體內(nèi)仍存在變形調(diào)整區(qū)域，存在再次發(fā)生滑動的風險；劉云生[9］采用有限差分法對順興露天煤礦邊坡進行穩(wěn)定性分析評價，分析結(jié)果表明，滑坡的發(fā)生是由于降雨導致土體重度增加，且降低了潛在滑動面抗剪強度；朱元甲等[10］通過離散元軟件PFC 研究了降雨對緩傾邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明隨著斜坡傾角的增大，降雨對邊坡穩(wěn)定性影響也隨之增大。本文利用有限差分法數(shù)值模擬軟件FLAC，對某邊坡變形失穩(wěn)過程中的應力狀態(tài)進行模擬，研究結(jié)果揭示了該邊坡失穩(wěn)機制，并根據(jù)研究結(jié)果提出了相應的防治措施。

2 研究區(qū)概況

2.1 地形地貌

研究區(qū)地貌形態(tài)主要為丘陵地貌，主要包括丘陵地帶、侵蝕中低山帶、剝蝕堆積地帶、沖洪積階地及河漫灘，具體分布如下：

丘陵地帶主要分布于研究區(qū)東部，面積約占全區(qū)20%～30%，海拔為300 m左右，地勢較平坦，坡度一般小于5°，局部地區(qū)地勢較高，坡度可達10°以上。侵蝕中低山帶主要分布于研究區(qū)的西北部，為該地區(qū)主要地貌形式，占全區(qū)總面積50%以上。平均海拔高度500 m 左右，最高峰位于西南部的大青山，海拔3223.8 m，山勢陡峭，坡度多在35°～55°，局部存在陡崖峭壁。由于特殊地形，該地區(qū)滑坡泥石流災害頻發(fā)。剝蝕堆積地帶分布于山前洪積扇地帶，面積較小，海拔高度較低，受沖擊侵蝕作用明顯，地面以下分布較厚層松散堆積物，深約5 m～10 m，賦存較豐富的地下水資源，坡度小于5°。沖洪積階地及河漫灘呈條帶狀散布于女兒河、五里河、連山河等河流地帶，屬于河流二、三級階地，地勢較平緩，總地勢為西高東低，局部地帶由于河流切割作用分布有低山丘陵等。

2.2 地質(zhì)構造

研究區(qū)地質(zhì)構造形成于燕山運動的第二、三期，中、新元古代，早古生代，晚古生代至早三疊世華北地臺地殼活動處于相對穩(wěn)定時期，以整體升降運動為主。早三疊世末至晚三疊世受印支運動的強烈影響，燕山地區(qū)廣泛發(fā)育近東西向的褶皺和斷裂構造；侏羅紀、白堊紀受燕山運動的影響，褶皺和斷裂構造進一步發(fā)育。研究區(qū)內(nèi)主要褶皺構造有藥王廟—白馬石褶皺、大背嶺背斜、楊家杖向斜、寺兒堡向斜。主要的斷裂構造包括：女兒河斷裂、松樹坳斷裂、富兒溝—王家店斷裂、寺兒堡斷裂、下長茂—寺兒堡斷裂。

2.3 水文地質(zhì)條件

境內(nèi)地下水資源豐富。地下水可分為四種類型：孔隙水、裂隙水、巖溶水和斷裂帶地下水。其補給、徑流、排泄和動態(tài)變化規(guī)律受地層巖性、地質(zhì)構造和地貌的制約，與降雨和地表水密切相關。一般來說，孔隙水動態(tài)變化大，徑流路徑短，排水條件好。屬于季節(jié)性含水層。在雨季，特別是大雨和暴雨之后，地下水位和水動力壓力的升高會促進滑坡等地質(zhì)災害的形成；斷裂帶巖溶水和地下水由于徑流路徑長，受降雨影響較小。

3 滑坡數(shù)值模擬分析

3.1 滑坡概況

研究區(qū)滑坡剖面圖見圖1。

圖1 滑坡剖面圖

由圖1 可知，該滑坡位于海拔300 m～700 m 之間，由灰?guī)r為主的寒武紀、奧陶紀、二疊紀，石炭紀地層組成，坡體結(jié)構表現(xiàn)為典型的雙層結(jié)構，由上硬下軟兩個地質(zhì)單元組成。上部地質(zhì)單元由上寒武統(tǒng)白云巖、鈣質(zhì)白云巖和奧陶系上部白云質(zhì)灰?guī)r組成，整體強度相對較高。從滑坡的兩側(cè)可以看到明顯的風化帶，滑動面上方是強風化帶?；嬉韵率侨躏L化帶，強風化帶和弱風化帶之間的界限清晰。下部地質(zhì)單元也由兩組地層組成，下部基巖為志留系馬溪組黃綠色、灰綠色頁巖、泥巖及泥質(zhì)粉砂巖，上部夾黑色頁巖。該地層強度低，遇水易軟化。鉆孔揭露地層上部強風化帶厚度約8 m～12 m；崩塌堆積物在結(jié)構上可分為三層，上層為邊坡和殘積土，厚度3 m～5 m，中部為塊石和礫石， 下層為礫石， 厚度2 m。由于下伏泥巖的抗風化能力較弱， 基巖表面在上部地質(zhì)單元和下部地質(zhì)單元的交界處反映出地形陡峭的山脊， 高度約20 m～30 m。

3.2 數(shù)值模擬模型

根據(jù)滑坡地質(zhì)原型，建立如圖2 所示的計算模型。該斜坡的應力場在斜坡形成階段完成后已基本形成，在長期地質(zhì)過程中構造應力已完全松弛。邊坡的組成具有上硬下軟雙層結(jié)構的特點。上部為熱液成因形成的白云巖和斷層角礫巖組成的較硬地層，下部為頁巖、泥巖組成的軟弱基底。上坡中部由鈣質(zhì)膠結(jié)斷層角礫巖組成，整體性好、連續(xù)性好、強度高，具有局部分布的特點。

圖2 滑坡二維數(shù)值模型

圖2 為研究區(qū)滑坡二位數(shù)值模型，模型長800 m，高400 m，劃分為2634 個計算網(wǎng)格。該模型分為三部分：基巖、滑坡體、斷層，不同區(qū)域分別賦值不同的巖土體力學參數(shù)。數(shù)值模擬計算得到邊坡剪應力云圖見圖3。

從剪應力云圖3 可以看出，剪應變主要集中在粘土層與崩積層的接觸界面和地基覆蓋層界面處，剪應力值高達6×105MPa～1×106MPa；坡頂處剪應力值較低，約為2×105MPa～4×105MPa；在斷層處存在較大的剪應力集中，剪應力值為9×105MPa。上層粘土和崩積層大致呈若干斷面分布，但有連成帶狀的趨勢，因此，該部分可能成為潛在的滑動面。對于坡后的強風化白云巖，沿強弱風化界面的剪應變增量較小，不可能形成潛在滑動面，一般處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文在對滑坡現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查的基礎上，采用有限差分軟件FLAC 建立二維模型，對該邊坡失穩(wěn)過程中的剪應力進行分析，主要結(jié)論如下：

（1）數(shù)值模擬結(jié)果表明，該邊坡剪應變主要集中在粘土層與崩積層的接觸界面，剪應力值高達6×105MPa～1×106MPa；坡頂處剪應力值較低，約為2×105MPa～4×105MPa。

（2）根據(jù)勘察結(jié)果，該邊坡內(nèi)部存在斷層，且斷層處存在較大的剪應力集中，剪應力值約為9×105MPa，高度集中的剪應力對抗滑樁支護措施產(chǎn)生了強烈的破壞作用，從而導致該邊坡失穩(wěn)。

（3）由于受到斷層處高度集中的剪應力作用，因此，在對該類型邊坡的支護設計時，應采用更大的抗滑樁樁徑，并輔以錨桿、錨索等錨固措施。