基于Midas GTS / NX 的滑坡穩(wěn)定性分析及治理方案可行性研究

劉 永，張國和*，楊建華，董 鵬，毛吉成，甘小迎

(中國電建集團貴州電力設計研究院有限公司，貴州 貴陽)

引言

隨著近代科學技術的快速發(fā)展，計算機科學與技術在地質工程領域得到了極大的推廣發(fā)展與應用，基于計算機有限元數(shù)值模擬軟件的計算分析法在滑坡穩(wěn)定性分析中不斷發(fā)展運用，并成為一種新的穩(wěn)定性分析方法[1]，同時運用數(shù)值模擬方法對滑坡的穩(wěn)定性及治理方案進行分析研究將成為未來研究分析的主要發(fā)展趨勢[2]。Midas GTS / NX 作為一種巖土有限元分析軟件，其具有強大的分析計算能力，廣泛適用于巖土工程、樁基工程、地下工程、水利工程等領域[3]，有限元數(shù)值模擬方法已經成為滑坡坡穩(wěn)定性分析中的重要方法，這類方法不但能考慮邊坡巖土體本身的變形對邊坡穩(wěn)定性的影響，而且能給出邊坡巖土體中應力應變分布，分析邊坡破壞的發(fā)生和發(fā)展過程等，具有傳統(tǒng)的極限平衡法所不可比擬的優(yōu)勢[4]。

文章將借助Midas GTS / NX 巖土有限元分析軟件，對滑坡的穩(wěn)定性及治理方案可行性進行研究，對滑坡在不同工況下的穩(wěn)定性進行模擬計算[5]，從滑坡穩(wěn)定性系數(shù)，位移及最大剪應變等方面對滑坡穩(wěn)定性進行分析，并借助Midas GTS / NX 對該滑坡治理方案進行模擬分析，對比采取治理方案前模擬結果，對治理方案的可行性進行進一步分析研究。

1 滑坡概況

該滑坡位于邊坡中上部，兩側沖溝發(fā)育，下部受人類工程活動開挖嚴重，滑坡上部坡度在12°～22°之間，中部和下部坡度在43°～60°之間，滑坡平面展布上呈現(xiàn)不規(guī)則半橢圓狀，縱向長約120 m，中部寬約220 m，前緣寬約260 m，主滑方向約為240°?；抡w平均厚度達24.9 m；滑坡平面面積約2.66×104m2，滑體體積約為69.46×104m3，屬中型滑坡。

根據(jù)現(xiàn)場調查及鉆探資料，滑體土厚度在7.5～33.3 m 范圍之間，滑體中間厚，前緣較薄，主要由第四系中更新統(tǒng)離石黃土（Qp2eol）和上更新統(tǒng)馬蘭黃土（Qp3eol）及少量紅黏土組成，土體覆蓋于侏羅系砂巖（J2y）之上。

2 模型建立

根據(jù)滑坡主剖面地層狀況和相關地形特征，按照實際尺寸確定模擬剖面的模型大小。依據(jù)勘察資料，將滑坡的地層劃分為馬蘭黃土、離石黃土、紅黏土、滑帶土、滑體土以及滑床六大部分，并對相應地層進行合理的網格劃分，從而得到該滑坡穩(wěn)定性分析模擬的網格模型圖（見圖1）。

圖1 模型網格劃分圖

3 模擬工況及材料賦值

由于滑坡所在區(qū)域降雨時間分布極為不均，雨季降雨量較大并常伴有暴雨極端天氣，故滑坡模擬計算采用天然工況和飽和工況兩種狀態(tài)。

通過對地質勘察取樣進行室內試驗數(shù)據(jù)測定，并結合相關工程類比和簡化模型綜合得到各地層參數(shù)（見表1），作為用于數(shù)值模擬計算的相關賦值計算參數(shù)。

表1 材料參數(shù)賦值

4 基于Midas GTS / NX 的滑坡穩(wěn)定性分析

滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)評判按照《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(GBT32864-2016），數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析計算采用天然工況和飽和工況兩種狀態(tài)。

4.1 天然工況

在天然工況下，由有限元數(shù)值模擬計算得出剖面的穩(wěn)定系數(shù)為1.024 3，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

從天然工況滑坡的位移云圖（見圖2），我們可以較清楚地看到位移最大出現(xiàn)在滑坡后緣附近，這主要是因為滑坡后緣累積變形，在滑坡后部形成較多裂縫導致。而滑坡前部坡腳產生的位移，是由于該段滑體比較薄，容易發(fā)生應力集中[6]，這與天然狀態(tài)下坡體破壞特征相符合。

圖2 天然工況位移云圖

從剪應變云圖（見圖3）可知，滑坡后部滑面為切割土體形成，而中前部滑面為滑體與基巖接觸面，滑面目前尚未完全貫通。

圖3 天然工況剪應變云圖

4.2 飽和工況

在飽和工況下，據(jù)有限元數(shù)值模擬計算得出剖面的穩(wěn)定系數(shù)為0.857 6，穩(wěn)定性較天然狀態(tài)明顯降低，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

從飽和工況下滑坡的位移云圖（見圖4），可以看到位移與天然工況相比，位移量顯著增加，滑坡已經發(fā)生變形破壞，整個滑坡已處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 飽和工況位移云圖

從剪應變云圖（見圖5）可以明顯的看出，剪應變在飽和工況下擴展并貫通了整個滑坡體，形成了貫通的滑面，說明在降水持續(xù)入滲過程中，黃土內部與基巖接觸面附近產生了貫通滑坡體的軟弱帶，隨著軟弱帶土體抗剪強度大幅度降低，最終滑坡發(fā)生剪切破壞貫通滑面，造成滑坡發(fā)生滑動。

圖5 飽和工況剪應變云圖

綜合分析得出該滑坡天然狀態(tài)下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在降雨等其他因素作用影響下，滑坡將處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨時可能發(fā)生滑動，需要及時采取相關治理措施進行加固治理。

5 基于Midas GTS / NX 的滑坡治理方案可行性分析

5.1 擬采用治理方案

根據(jù)滑坡的地形地貌以及工程地質特征，并結合滑坡穩(wěn)定性分析，設計治理方案為：抗滑樁+擋土板+平整坡面及削坡+截排水

（1） 抗滑樁

根據(jù)該滑坡工程地質特征狀況，在滑坡前部設置一排抗滑樁，抗滑樁規(guī)格2.5×3 m，樁長21 m。

（2） 擋土板

由于坡體整體結構較為疏松，為防止相鄰抗滑樁之間土體受坡體自身擠壓作用溜出，在相鄰抗滑樁間設計擋土板。

（3） 平整坡面及削坡

根據(jù)《建筑邊坡工程技術規(guī)范》，按照設計要求，從上到下對滑坡進行削坡處理，對坡體抗滑樁以上坡體按照坡比1:1 進行削坡，每級高度8 m，護坡道平臺寬3 m，并對坡體裂縫及落水洞進行回填夯實處理，確保坡面完整性。

（4） 排水工程

根據(jù)研究，隨著水體入滲坡體，土體容重隨之增大，坡體下滑力增加，穩(wěn)定性降低；另一方面由于黃土整體結構疏松多孔，垂直節(jié)理發(fā)育，坡面徑流、匯水等侵蝕破壞坡面，并沿土體裂隙下滲，軟化土體形成軟弱帶[7]，做好排水是有效治理滑坡的關鍵。

5.2 治理方案可行性分析

治理方案均嚴格按照邊坡治理規(guī)范設計，在天然狀態(tài)下設計方案安全系數(shù)不小于1.3，暴雨狀態(tài)下不小于1.15，為了檢驗治理方案的極限穩(wěn)定性，模擬選擇在暴雨飽和工況下的治理方案的滑坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬。材料參數(shù)采取飽和狀態(tài)下的參數(shù)進行模擬計算分析。

在飽和工況下，治理方案模擬結果穩(wěn)定性系數(shù)為1.183，與治理前飽和工況相比，穩(wěn)定性得到了顯著的提高，滿足飽和工況安全系數(shù)要求，證明該方案能夠達到滑坡治理穩(wěn)定性要求。

從治理方案的總位移云圖（見圖6）我們可以看出，采取治理方案之后，最大位移雖出現(xiàn)在坡體后緣，但整體位移量較采取方案前大幅度降低，證明治理方案對該滑坡治理效果明顯。

圖6 治理方案位移云圖

從治理方案剪應變云圖（見圖7）可以看出，采取治理方案后，滑坡最大剪應變主要出現(xiàn)在抗滑樁樁后附近，與采取方案之前相比，剪應變值明顯減小，并且不再出現(xiàn)貫通，證明該治理方案加固效果較好，治理方案可行。

圖7 治理方案剪應變云圖

6 結論

本研究主要借助于Midas GTS / NX 有限元模擬軟件，對滑坡在天然工況和飽和工況分別模擬分析，得出天然狀態(tài)下滑坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.024 3，飽和工況下的穩(wěn)定系數(shù)為0.857 6。從模擬結果分析來看，滑坡從天然狀態(tài)過渡到飽和狀態(tài)的過程中，滑坡整體位移量逐漸增大，并且坡體內部逐漸形成貫通的滑面；在采取治理方案后，受前部抗滑樁支撐，滑坡位移量得到明顯控制，且不再形成貫通滑面，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)增大，能夠滿足規(guī)范治理安全系數(shù)要求，該治理方案是可行的。通過Midas GTS / NX 有限元模擬軟件能夠較快速準確對滑坡不同狀態(tài)下的穩(wěn)定性進行快速分析判斷，并且能夠有效的對治理方案的治理效果進行比對分析，為相關工程提供一定的借鑒。