基于Flac3D的含軟弱夾層滑坡穩(wěn)定性分析

劉德飛

摘要：以一個(gè)典型含軟弱夾層滑坡為研究對(duì)象，采用Flac3D軟件對(duì)滑坡在自重、地震、暴雨工況下進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，并結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析滑坡的變形破壞機(jī)理。研究結(jié)果表明：軟弱夾層為滑坡的滑動(dòng)面，主要發(fā)生剪切破壞，上部巖體主要發(fā)生拉張破壞；滑坡在自重、地震、暴雨工況下都處于不穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨工況下坡體位移值最大，暴雨的影響大于地震力；將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)比發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有較好的一致性，相同部位的位移值相差不大，雨水爆發(fā)的季節(jié)滑坡發(fā)生滑移的幾率更高。相關(guān)數(shù)值模擬分析結(jié)果，可為滑坡防治提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：滑坡穩(wěn)定性；軟弱夾層；數(shù)值模擬；變形破壞機(jī)理

0? ?引言

近年來，隨著礦山開采、水利水電建設(shè)、修建公路、鐵路、房屋等工程大范圍開工，由此帶來的工程安全和巖土體穩(wěn)定性問題也越來越多。對(duì)于工程安全和巖土體穩(wěn)定性問題，如果處理不及時(shí)，勢(shì)必造成財(cái)產(chǎn)損失，甚至人員傷亡。近年來，地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，其中最主要的就是滑坡災(zāi)害，比如2017年四川茂縣6.24特大山體滑坡、2019年甘肅定西市9.14巨型滑坡等，這都造成了重大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡[1-2]。由此看來，在施工中對(duì)地質(zhì)災(zāi)害采取必要的紡織措施防治是非常必要的。

含軟弱結(jié)構(gòu)面滑坡是滑坡中最易發(fā)生滑動(dòng)的一種類型。針對(duì)含軟弱結(jié)構(gòu)面滑坡，眾多學(xué)者主要從邊界條件、變形破壞模式、穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算等方面應(yīng)用定量和定性的方法，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行研究。馬昊等[3]通過對(duì)三峽庫區(qū)反傾滑坡進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，軟弱夾層的分布位置、占比直接影響滑坡的變形破壞模式，滑動(dòng)剪切帶主要發(fā)育在軟弱結(jié)構(gòu)面中。趙曉彥等[4]通過對(duì)不同酸雨作用歷時(shí)條件下的輝長巖質(zhì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn)，酸雨能顯著弱化滑坡的穩(wěn)定性，受降雨沖刷溶蝕，坡體中可溶性物質(zhì)流失，裂隙增多增大，從而使坡體抗滑性能變差。Chang等[5]采用PFC程序分析了黃土高原某滑坡在地表水入滲條件下邊坡的失穩(wěn)破壞過程。周子涵等[6]采用有限差分法研究了不同傾角和連通率節(jié)理的邊坡變形破壞問題，為工程實(shí)踐提供理論依據(jù)。唐旭等[7]運(yùn)用有限差分法對(duì)爆破作用下的邊坡位移、應(yīng)力等進(jìn)行了分析。

Flac3D數(shù)值模擬法是近年來比較流行的滑坡穩(wěn)定性分析方法，主要應(yīng)用于土質(zhì)滑坡，在巖質(zhì)滑坡方面，相對(duì)應(yīng)用較少。本文以云南東南部一含軟弱夾層滑坡為研究對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用Flac3D軟件對(duì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及變形破壞機(jī)理分析，為滑坡防治提供參考。

1? ?工程概況

云南東南部一典型滑坡現(xiàn)狀如圖1所示。坡體由三迭系中統(tǒng)蘭木組中段（T2lb）中厚層中細(xì)粒石英砂巖及夾雜的軟弱夾層組成，石英砂巖的強(qiáng)度較高，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，屬極堅(jiān)硬巖石，而軟弱夾層較破碎、強(qiáng)度低。該坡于2019年10月在滑坡坡面發(fā)現(xiàn)裂縫，后面受降雨等因素的影響發(fā)生了滑移，滑移面積2.15萬m2，滑移方量約為24萬m3，造成了較大的財(cái)產(chǎn)損失。

該滑坡HP1區(qū)軟弱夾層發(fā)育較廣泛，為此將其作為此次研究對(duì)象，HP1區(qū)剖面見圖2。HP1區(qū)滑坡長度約535m，總體坡向約26°，坡度約18°左右，發(fā)育的軟弱夾層埋深11～16m左右，傾向與坡體傾向一致，傾角15～21°，滑坡為順向坡。

2? ?滑坡模型建立

建模采用ansys軟件，先利用AutoCAD讀取滑坡地形線和地層線，然后導(dǎo)入ansys軟件進(jìn)行建模。由于滑坡滑動(dòng)主要受軟弱夾層影響，滑體只涉及上部巖體，所以軟弱夾層剖分的網(wǎng)格數(shù)較多，軟弱夾層上部巖體網(wǎng)格數(shù)大于下部巖體。滑坡穩(wěn)定性計(jì)算在Flac3D軟件中進(jìn)行?；履Ｐ腿鐖D3所示。

3? ?滑坡穩(wěn)定性分析

將建立好的滑坡模型導(dǎo)入Flac3D軟件，滑坡穩(wěn)定性計(jì)算采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型?；趶?qiáng)度折減法，計(jì)算滑坡在自重工況、地震工況、暴雨工況下的穩(wěn)定性系數(shù)，并根據(jù)滑坡位移和應(yīng)力特征分析滑坡變形破壞機(jī)理。

3.1? ?自重工況

滑坡自重工況穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)如表1所示，參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)成果和工程類比取值。

圖4為滑坡在自重條件下X方向位移云圖和塑性區(qū)云圖。從圖4可以看出，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，軟弱夾層為滑坡的滑動(dòng)面，滑動(dòng)面上主要受剪應(yīng)力作用，發(fā)生剪切破壞?；略谄麦w中部前緣形成最大位移，最大位移值為3.95cm。軟弱夾層上部巖體主要受拉張應(yīng)力作用，發(fā)生拉張破壞，局部拉應(yīng)力集中，中下部位置出現(xiàn)了明顯的位移突變現(xiàn)象。這會(huì)促使拉裂縫的產(chǎn)生，為滑坡滑動(dòng)創(chuàng)造更為有利的條件。

3.2? ?地震工況

地震工況滑坡穩(wěn)定性分析所用參數(shù)與自重工況相同。地震力的模擬采用擬靜力法，研究區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g。地震工況下穩(wěn)定性分析后所得到的滑坡位移云圖和塑性區(qū)云圖如圖5所示。

對(duì)比圖5可以看出，地震工況下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)有一定程度的下降，X方向位移也有明顯的增大。滑坡增加水平向加速度之后，滑坡下滑力會(huì)變得更大，由此造成滑坡穩(wěn)定性系數(shù)和X方向位移增大。同自重工況下的滑坡，地震工況下滑坡中的軟弱夾層受剪應(yīng)力作用，發(fā)生剪切破壞。而軟弱夾層上部巖體主要受拉應(yīng)力作用，發(fā)生拉張破壞，滑坡中拉應(yīng)力、剪應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇，貫通現(xiàn)象更加明顯。

3.3? ?暴雨工況

暴雨工況模擬采用巖體飽和時(shí)的參數(shù)，計(jì)算參數(shù)如表2所示。

暴雨工況下，滑坡穩(wěn)定性分析所得到的位移云圖和塑性區(qū)云圖如圖6所示。對(duì)比自重和地震工況下位移云圖和塑性區(qū)云圖可以發(fā)現(xiàn)：暴雨工況下，滑坡穩(wěn)定性程度比自重、地震工況下更低，X方向位移值明顯更大，滑動(dòng)范圍也越廣，滑坡受降雨作用，軟弱夾層抗剪強(qiáng)度會(huì)降低，坡體飽水和受到?jīng)_刷，下滑力和抗滑力發(fā)生改變，進(jìn)而影響滑坡穩(wěn)定性。與自重和地震工況下滑坡相同，軟弱夾層主要受剪應(yīng)力作用，發(fā)生剪切破壞，滑動(dòng)面上部巖體拉應(yīng)力、剪應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。主要發(fā)生拉張破壞，產(chǎn)生拉張裂縫，拉裂縫是雨水下滲的有利通道。隨著外界環(huán)境的改變，拉裂縫會(huì)變得越來越大，貫通程度也會(huì)越來越高，進(jìn)而增大了滑坡的不穩(wěn)定性。暴雨是自然界中比地震更易出現(xiàn)的影響滑坡穩(wěn)定性因素，需重點(diǎn)防治。

4? ?滑坡監(jiān)測(cè)位移分析

圖7為滑坡2020年J1、J2、J3監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移值統(tǒng)計(jì)圖，從圖7可以看出，位于坡體中部的J1點(diǎn)位移值最大，最大位移值為20.3cm。而位于坡體中上部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)J2和位于坡體中下部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)J3的最大位移值相對(duì)較小。

與Flac3D計(jì)算結(jié)果結(jié)果相對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)具有較好的一致性，相同部位的位移值相差不大，數(shù)值模擬結(jié)果可靠。根據(jù)位移值變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，4、5、6、7、8月份的是坡體位移值上升最快的時(shí)間段，這5個(gè)月雨水相對(duì)較多，雨水是造成坡體加速滑移的最大因素，因此暴雨工況下坡體位移值最大。

5? ?結(jié)束語

近年來，隨著礦山開采、水利水電建設(shè)、修建公路、鐵路、房屋等工程大范圍開工，由此帶來的工程安全和巖土體穩(wěn)定性問題也越來越多。對(duì)于工程安全和巖土體穩(wěn)定性問題，如果處理不及時(shí)，勢(shì)必造成財(cái)產(chǎn)損失，甚至人員傷亡。本文以云南東南部一含軟弱夾層滑坡為研究對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用Flac3D軟件對(duì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及變形破壞機(jī)理分析，得到如下結(jié)論：

滑坡為開山采石形成的順向坡，采用數(shù)值模擬法對(duì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析得出，滑坡在自重、地震、暴雨工況下都處于不穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨工況下位移值達(dá)到了18.6cm。

受地震力、暴雨作用后，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)顯著降低，位移值增大，暴雨的影響大于地震力，滑坡防治需著重考慮雨水對(duì)坡體的影響。

將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果相對(duì)比發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)具有較好的一致性，相同部位的位移值相差不大，雨水爆發(fā)的季節(jié)滑坡發(fā)生滑移的幾率更高，數(shù)值模擬分析結(jié)果可靠。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳紅旗.四川茂縣“6·24”特大山體滑坡災(zāi)害[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2017，28（3）：51．

[2] 王浩杰，孫萍，韓帥，等.甘肅通渭“9·14”常河滑坡成因機(jī)理[J/OL].現(xiàn)代地質(zhì)，2020，24（03）：1-14．

[3] 馬昊，黃達(dá)，石林.基于斷距－層厚特征統(tǒng)計(jì)的反傾滑坡S型破壞演化數(shù)值模擬[J/OL].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2020，28（6）：1-11．

[4] 趙曉彥，李昆鵬，李珣，等.輝長巖質(zhì)滑坡酸雨致滑機(jī)理試驗(yàn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2019，27（1）：152-161．

[5] Wenbin Chang， Ping Wang， Huijuan Wang， et al. Simu-lation of the Q 2 loess slope with seepage fissure?failure and seismic response via discrete element?method[J]. Bulletinof Engineering Geology and theEnvironment， 2021，10（5）： 1-17.

[6] 周子涵，陳忠輝，包敏，等.順傾斷續(xù)節(jié)理巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性突變研究[J/OL]．煤炭學(xué)報(bào)，2020，45（S1）：1-16．

[7] 唐旭，方正峰，鄒飛.基于FLAC～（3D）的巖質(zhì)邊坡爆破動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律研究[J].人民長江，2019，50（3）：198-204．