基于FLAC 3D的云南省沙壩村滑坡穩(wěn)定性分析

摘要：

為了分析云南省丘北縣沙壩村滑坡穩(wěn)定性，基于FLAC 3D軟件數(shù)值模擬方法，通過Rhino 6軟件與Griddle 2.0插件建立了滑坡穩(wěn)定性分析模型，通過模擬天然工況與暴雨工況條件下滑坡位移與內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，計算該滑坡的安全系數(shù)。結(jié)果表明：該滑坡在天然工況下安全系數(shù)為1.426，處于穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨工況下，該滑坡安全系數(shù)為1.020，處于失穩(wěn)邊緣，滑坡后部剪應(yīng)變增量集中，可能產(chǎn)生裂縫。研究成果可為制定針對性的滑坡防治措施提供參考。

關(guān)鍵詞：

滑坡； FLAC 3D； 數(shù)值模擬； 穩(wěn)定性分析； 安全系數(shù)； 云南省

中圖法分類號：P642.22

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.07.006

文章編號：1006-0081（2024）07-0035-06

0 引 言

沙壩村地處云南省丘北縣雙龍營鎮(zhèn)北部山區(qū)，在2018年的丘北縣地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查項目中，沙壩滑坡被判定為欠穩(wěn)定滑坡，整村被劃定為高風(fēng)險區(qū)。由于丘北縣降雨較集中，且沙壩村有發(fā)生災(zāi)害先例，一旦再次發(fā)生滑坡，將造成巨大的人員、財產(chǎn)損失，因此，對該滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析十分必要。

如今國內(nèi)外對滑坡穩(wěn)定性分析方法的研究已較為成熟，可分為定性分析法、定量分析法以及非確定性分析法［1］。數(shù)值模擬分析作為定量分析法中的一種，由于其便捷且適用多環(huán)境的特性，已成為現(xiàn)今最常用的一種穩(wěn)定性分析方法。

FLAC 3D軟件在滑坡穩(wěn)定性分析方面具有多重優(yōu)勢。采用強(qiáng)度折減法結(jié)合數(shù)值模擬，能夠準(zhǔn)確模擬出巖土體的位移、應(yīng)力、塑性區(qū)等［2］，或模擬出治理工程的受力狀態(tài)［3］，同時求得滑坡的安全系數(shù)［4-5］，從而能夠更真實地反映地質(zhì)體的復(fù)雜性。FLAC 3D軟件還可以進(jìn)行不同工況下的滑坡穩(wěn)定性模擬，如暴雨［6-9］、地震［10-11］；對不同環(huán)境進(jìn)行模擬，如公路邊坡［12］、隧道開挖［13］、庫岸滑坡［14］；對不同形式滑坡進(jìn)行模擬，如米貝復(fù)式滑坡［15］、推移式滑坡［16］。此外，軟件提供了豐富的前后處理工具，可對模擬結(jié)果進(jìn)行可視化處理和分析，進(jìn)一步深化對滑坡機(jī)制的理解。

本文通過FLAC 3D軟件對沙壩村滑坡進(jìn)行了天然工況與暴雨工況下的變形演化規(guī)律以及穩(wěn)定性分析，并提出了相應(yīng)治理措施建議，以為滑坡防治提供參考。

1 滑坡概況

1.1 氣象水文

丘北縣地處低緯季風(fēng)氣候區(qū)，具有南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶和南溫帶等多種氣候類型。主要氣候特點：四季不分明，干濕季明顯，立體氣候突出。

據(jù)丘北縣氣象站1986～2015年觀測資料：多年平均降雨量1 126.0 mm，年最大降雨量1 467.5 mm，年最小降雨量731.8 mm；日最大降雨量104.9 mm，日最大降雨量平均值69.5 mm；每年5～10月為雨季，11月至次年4月為旱季，雨季降雨量占全年降雨量的84.1％，6～8月降雨量占全年降雨量的53.2%。丘北縣整體降雨量呈現(xiàn)東北高、西南低的特點。

丘北縣境內(nèi)有大小河流166條，分屬于珠江水系的南盤江流域和紅河水系的瀘江流域，南盤江流域面積占全縣總面積的98%，瀘江流域面積占全縣總面積的2%。

研究區(qū)沙壩村年平均降雨量1 250 mm且降雨集中在6～8月，附近無水系，因此本文選取暴雨工況對滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行模擬。

1.2 地質(zhì)情況

滑坡所在區(qū)域云南省丘北縣沙壩村屬于低山斜坡地貌。斜坡整體坡度約45°，坡型為復(fù)合型滑坡，主滑方向為145°，后緣存在拉張裂縫，前緣有少量垮塌、滑落，附近未見斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造露頭。據(jù)《云南省國土資源遙感綜合調(diào)查》，研究區(qū)地震烈度較低，為穩(wěn)定區(qū)，區(qū)域穩(wěn)定性較好。該滑坡后緣高程為1 461.05 m，前緣高程為1 362.67 m，相對高差約100 m?；w最大長度為200 m，最大寬度為300 m，成分主要為第四系殘坡積物碎石土，平均厚度約40 m，總體積約為240 000 m3。下伏基巖地層為法郎組上段（T3f2），主要巖性為石英細(xì)砂巖夾泥巖、粉砂巖及含礫砂巖?；氯惨妶D1。

2 三維地質(zhì)模型及計算原理方法

2.1 模型邊界條件

該滑坡為巖土復(fù)合滑坡，所處位置有大量民房建筑，基本無覆蓋層，故本文所建立的三維地質(zhì)模型分為滑體與下伏巖層兩部分。模型長350 m，寬275 m，高210 m。包含73 684個單元，15 580個節(jié)點，計算模型示意如圖2所示。

模型底部邊界施加完全約束，前后邊界以及兩側(cè)邊界施加法向約束，頂面沒有約束，處于自然狀態(tài)。該模型初始應(yīng)力只考慮自重應(yīng)力，不考慮其他應(yīng)力的影響。

2.2 強(qiáng)度折減法計算原理

在摩爾庫倫模型中，抗剪強(qiáng)度折減理論指通過折減系數(shù)Ftrial逐漸減小巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ），得到折減后的新一組抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（ctrial和φtrial）進(jìn)行有限差分分析，直至邊坡破壞的臨界狀態(tài)，此時獲得的折減系數(shù)就是安全系數(shù)。抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的折減計算如下：

ctrial=c/Ftrial

φtrial=arctan（tanφ/Ftrial）

2.3 參數(shù)選擇

研究區(qū)域雨季雨量充沛，曾于2012年6月發(fā)生災(zāi)情，故本文主要分析滑坡位于自然和暴雨（土體飽和）工況下的穩(wěn)定性。計算所采用參數(shù)如表1所示，滑坡剖面如圖3所示，滑坡剖面監(jiān)測點設(shè)置如圖4所示。

3 結(jié)果分析

3.1 天然工況下滑坡穩(wěn)定性分析

3.1.1 位移分析

利用FLAC 3D軟件對滑坡在天然工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得到天然狀態(tài)下的滑坡總位移和1-11剖面位移如圖5所示。

由圖5（a）可知，天然工況下，滑坡最大總位移為69.8 mm，位移集中在高差相對更大的滑體后部，滑坡整體安全系數(shù)為1.426；由圖5（b）可知，1-11剖面上的最大位移為62.5 mm，同樣位于滑體后部。綜上可知，在天然工況僅受重力影響下，滑體后部位移程度最大，整體位移變形水平較小。

為了更加準(zhǔn)確地分析滑體變形規(guī)律，對天然工況下1-11剖面上不同位置監(jiān)測點進(jìn)行分析，如圖 6 所示。

由圖6可知：在天然工況下，在滑坡變形停止后，監(jiān)測點1處位移最大為44.5 mm，監(jiān)測點5處位移最大為3.6 mm，從監(jiān)測點1至監(jiān)測點5位移逐漸減少，即滑坡變形主要發(fā)生在中后部，越靠近滑坡前緣，變形越?。换抡w穩(wěn)定。

3.1.2 應(yīng)力分析

由圖7可知，從滑坡表面隨深度增加，模型最大主應(yīng)力值均勻增大，整體均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，且無應(yīng)力突變現(xiàn)象。因此，從應(yīng)力狀態(tài)看，在天然工況下，模型整體受壓且最大主應(yīng)力較低，未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力突變和集中現(xiàn)象，滑體整體穩(wěn)定性良好。

3.1.3 最大剪應(yīng)變增量分析

分析滑坡在天然工況下的最大剪應(yīng)變增量（圖8）可知，最大剪應(yīng)變增量集中在模型后部，滑坡中部及前部的分布比較均勻且最大剪應(yīng)變增量較小，地層連接處未見集中?；w從上至下剪應(yīng)變增量顯著減小，表明上部土體局部滑塌造成的推擠作用沿斜坡向下迅速衰減。

3.1.4 塑性區(qū)分析

由圖9可知，在天然工況下，滑坡塑性區(qū)分布均勻，且未形成連續(xù)貫通的區(qū)域，表明此時滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 暴雨工況下滑坡穩(wěn)定性分析

3.2.1 位移分析

由圖10可知，暴雨工況下，滑坡整體最大位移為171.1 mm，集中在滑體后部，滑坡整體安全系數(shù)為1.020；1-11剖面上的最大位移為154.2 mm，同樣位于滑體后部。綜上可知，在暴雨工況下，滑體后部位移程度最大，中前部位移量逐漸減少。

滑坡整體表現(xiàn)為多級滑坡，可沿滑坡中部坡度較緩平臺區(qū)分為上下兩級。飽水狀態(tài)下，上部坡體因坡度較大，首先失穩(wěn)并發(fā)生滑動，于中部平臺堆積后引發(fā)整個滑坡體復(fù)活，產(chǎn)生整體下滑。

由圖11可知，在暴雨工況下，在滑坡變形停止后，監(jiān)測點1處位移最大為93.5 mm，監(jiān)測點5處位移最大為7.6 mm，從監(jiān)測點1至監(jiān)測點5位移逐漸減少，即滑坡變形主要發(fā)生在中后部，越靠近滑坡前緣，變形越小，滑坡整體較為穩(wěn)定。

3.2.2 應(yīng)力分析

由圖12可知，在暴雨工況下，滑坡淺層為拉應(yīng)力，其下均為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力隨深度均勻增大，滑坡模型發(fā)生應(yīng)力突變，因此，從應(yīng)力狀態(tài)看，在暴雨工況下，滑坡可能會在淺層應(yīng)力突變處發(fā)生滑動。

3.2.3 最大剪應(yīng)變增量分析

分析滑坡在暴雨工況下的最大剪應(yīng)變增量（圖13）可知，最大剪應(yīng)變增量集中在模型后部、中部以及中后部地層連接處，前部增量較小，隨地層深度增加，最大剪應(yīng)變增量逐漸增大。云圖顯示明顯條帶貫通滑體前后部，且暴雨工況下該滑坡安全系數(shù)為1.02，表明在暴雨工況下，滑坡可能會沿潛在滑動面發(fā)生整體滑塌，滑坡整體穩(wěn)定性較差。

3.2.4 塑性區(qū)分析

由圖14可知，在暴雨工況下，滑坡形成了明顯的塑性貫通區(qū)域，說明沙壩滑坡在暴雨條件下處于失穩(wěn)狀態(tài)，模擬結(jié)果與所得安全系數(shù)相吻合。

3.3 天然工況與暴雨工況滑坡穩(wěn)定性對比分析

根據(jù)以上模擬結(jié)果分析，天然工況下，滑坡整體位移較小，無應(yīng)力突變現(xiàn)象且塑性區(qū)分布均勻，表明滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨工況下，滑坡整體出現(xiàn)明顯位移且坡度較大，后部地區(qū)位移較大，發(fā)生應(yīng)力突變并存在明顯塑性貫通區(qū)域，表明滑坡此時處于不穩(wěn)定狀態(tài)，模擬結(jié)果與安全系數(shù)計算結(jié)果相符。

4 滑坡防治措施建議

根據(jù)云南省降雨數(shù)據(jù)分析，丘北縣降雨主要集中在雨季7～8月份，呈現(xiàn)連續(xù)且短期降雨量集中的特點。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，給出以下防治措施建議。

（1） 采用坡面排水與設(shè)置抗滑樁相結(jié)合的方案。可在滑坡體后緣以及中部分別設(shè)置一道截水溝，再于坡體側(cè)緣設(shè)計兩條地表排水溝。抗滑樁可設(shè)置在滑坡后緣高程約1 460 m處，數(shù)值模擬結(jié)果表明，暴雨工況下，此處易發(fā)生變形滑塌。

（2） 設(shè)立普適型監(jiān)測預(yù)警設(shè)備，包括雨量計、后緣裂縫處設(shè)置位移計等；加強(qiáng)群防群測，設(shè)立警示牌以及派遣專人定期巡視等；如房屋已有損傷、墻體開裂，應(yīng)建議居民搬遷至安全地帶；規(guī)劃避險路線等。

5 結(jié) 論

本文主要以云南省丘北地區(qū)沙壩村滑坡為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法對天然和暴雨工況下滑坡的變形和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論。

（1） 模擬結(jié)果顯示滑坡天然工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨工況下，滑坡中后部會發(fā)生較大的變形，可能會沿地層分界發(fā)生滑塌，安全系數(shù)為1.020，此時滑坡已接近失穩(wěn)。

（2） 采用“坡面排水+設(shè)置抗滑樁”和“設(shè)立普適性監(jiān)測預(yù)警設(shè)備+群防群測”的方式均可有效預(yù)防災(zāi)害發(fā)生以及降低災(zāi)害損失，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)實情況予以實施。

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（編輯：高小雲(yún)）

Stability analysis of landslide based on FLAC 3D in Shaba Village，Yunnan Province

JIANG Tao1，LIU Suihai1，WANG Zhixiong2，HAN Minsai1

（1.School of Environment and Resources，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621000，China； 2.Sichuan Yekan Design Group Co.，Ltd.，Chengdu 610000，China）

Abstract：

In order to analyze the stability of the landslide in Shaba Village，Qiubei County，Yunnan Province，based on the FLAC 3D numerical simulation method，the landslide stability analysis model was established by Rhino 6 software and Griddle 2.0 plug-in，and the safety factor of the landslide was calculated by simulating the landslide displacement and internal stress state under natural and rainstorm conditions. The results showed that the safety factor of the landslide was 1.426 under natural conditions，which was in stable state，and under rainstorm condition，the safety factor of the landslide was 1.020，which was at the edge of instability. The shear strain increment at the rear of the landslide was concentrated，which may cause cracks. The research results can provide a reference for the formulation of targeted landslide prevention and control measures.

Key words：

landslide； FLAC 3D； numerical simulation； stability analysis； safety factor； Yunnan Province