浅谈数字模拟分析法在滑坡稳定性分析中的应用

2013-05-12张复金

中国新技术新产品 2013年9期

宋琨张复金

（重庆市地质灾害防治工程勘查设计院，重庆 400700）

1 概述

1.1 滑坡概况

杨家坝滑坡为三峡库区三期地质灾害重点防治项目，为一岩质古滑坡，位于重庆市云阳县普安乡中阳村4-8社境内。地形地貌属于构造剥蚀低山地貌，堆积体岩土种类有粉质粘土夹碎块石（含量变化较大）、泥岩和砂岩组成，滑体整体厚度变化大。杨家坝滑坡属深层大型岩土质混合滑坡，滑坡体长约626m，宽约875m，总体积约855×104m3，主滑方向约320°。该滑坡前缘分布于磨刀溪的右岸坡脚上，磨刀溪属长江一级支流。

该滑坡由于前期构造运动强烈，在全新世前可能发生过多次变形，形成滑体堆积物成分类型较多，滑坡堆积层根据其结构组成分成上下两层，表层约12～25m厚粉质粘土夹碎块石（块石含量2～30%），底部为7～15m厚的滑体岩质层（泥岩与粉砂岩碎裂体）。各滑坡单元后侧至滑坡后缘为近期堆积形成的崩坡积粉质粘土夹碎块石。

1.2 滑坡基本特征及变形特征

杨家坝滑坡区出露地层主要为第四第崩坡积层和侏罗系上统遂宁组（J3s）地层。该段遂宁组地层为一套紫红色、黄灰色细～中粒长石砂岩，局部含钙质紫红色（粉砂质）泥岩。据勘察钻孔资料显示砂岩厚度＞30m，层位分布稳定，泥岩多为夹层，其厚度小（夹层厚度约0.1～0.5m）多呈薄层状。本滑坡岩层产状315～350°∠5～65°，倾角上陡（60°）下缓（15°），至溪沟底部岩层最缓为5～10°。滑坡岩层倾向与斜坡地形坡向基本一致，属顺向坡（见图 1）。

滑坡整体地形南东最高，往北西渐降低，滑坡后缘位于地形最高处“灯盏窝”斜坡上，滑壁光滑，其坡度较陡与基岩倾角相近，约40～75°，沿后缘呈不规则的弧形分布，分布有滑壁陡坎，高1～6m不等，坡度33～50°。滑坡两侧为冲沟，坡度15～25°，两侧边缘基本受冲沟切割控制，沿滑坡两侧边缘堆积体呈台阶状分布，坡体中间则可见鼓起状堆积体。

据对滑体现有地质情况和调查分析，该滑坡前缘在全新世前出现过强烈变形，在滑动变形过程沿地形向东西两侧较低处分解破坏，现从地貌形态，主滑方向和结构组成上分析，该滑坡体多处特征具有差异性和特殊性，因此，可分成3个滑坡分单元（L1、L2和 L3），其中 L2滑坡单元土层深度10m左右多见光滑剪切破坏面，说明产生过次级滑动，体积规模小。

2 数字模拟分析

2.1 模型建立

本次对杨家坝滑坡稳定性的数值模拟分析主要采用“快速（显示）拉格朗日分析法”。在本次模型计算过程中，FLAC采用了离散元的动态松驰法。该法一般不需要求解刚度矩阵，其次，相比其它差分分析法，该模型不但能计算滑坡变形量，还可以模拟滑坡沿滑动面产生的滑动变形。同时，FLAC还能针对不同物质特性，采用本构方程来反映滑坡组成物质的动力行为。

图1 云阳县杨家坝滑坡平面示意图

选取了L1、L2、L3三个滑坡体在正常运行条件下及三峡水库蓄水后的变形破坏状况，并与现场调查成果和极限平衡法计算成果进行比较。

本次计算模型采用依据：地形地貌、地质结构、变形特征及滑坡体物理力学特性。通过模型计算和分析，将本次模型的地层L1滑坡单体分为4层，L2和L3滑坡单体分3层。计算模型所用岩土体变形参数以土工试验统计成果为主要依据。滑坡计算模拟模型见图2、图3和图4，为了直观、清楚读懂模型图，、用图中不同颜色代表不同的岩层或岩性：绿色代表粉质粘土夹碎块石土（未区分上下两层），红色代表粉砂岩（强度较低且碎裂状），夹紫红色泥岩，蓝色代表滑坡下覆稳定基岩层，主要为砂岩。

2.2 L1滑坡的变形特征及稳定性评价

通过数字模拟对滑坡体重点部位的变形状况进行模拟跟踪，判断滑坡现状的稳定性，同时数字模拟搜索潜在破坏面的位置，预测滑坡潜在滑坡变形、破坏因素和稳定性分析。

在滑坡体上确定3点变形特征变化较明显部位，根据相关实验数据模拟其变形破坏情况。初始计算时滑坡体选取的点变形量较大，最大位移量达8.2cm，但变形量随着时间推移逐渐趋于稳定，则表示滑坡已处于稳定状态。根据数据模拟结果并对非选定点位的跟踪计算，其计算过程和形成的结论相近。因此，L1滑坡在天然状态下为稳定，模拟结果与滑坡的定性、定量分析基本一致。

通过剪应变增量和剪应变速率来搜索最危险滑动面。剪应变增量最大的部位主要沿硬的滑床（基岩）与其上相对较软的滑体两者的接触面分布，这也是对勘查结果的一个佐证。

结论：L1滑坡堆积体在天然状态下处于稳定状态，搜索的最危险滑动面为古滑坡的滑动面，搜索出潜在滑动面位于堆积体的中下段。

2.3 L2滑坡的变形特征及稳定性

同理在L2滑坡体上不同部位确定3点，模拟该滑坡体变形特征。计算模型中1号点最大变形量约为2.8cm；2号点变形较1号点稍大，为4.8cm，相差2.0cm；3号点变形最小，变形量为2.2cm。根据数据模拟结果并对非选定点位的跟踪计算，其计算过程和形成的结论相近。因此，说明L2滑坡体变形较小，得出L2滑坡在天然状态处于稳定的结论。该模拟结果与滑坡的宏观定性分析基本一致。

通过剪应变增量和剪应变速率来搜索最危险滑动面及潜在滑动面。通过数值模拟表明本次滑体前缘、中部和后缘均存在剪应变增量大的地段，通过和工程地质剖面对比分析，该滑坡确实存在三个危险滑面，第一处位于滑坡后缘位置，与剖面图中上层滑面位置（10m左右）基本相符。而第二处（中部）滑面与第三处（前缘）滑面已形成一贯通性滑面，也与剖面图第二层（25m左右）滑面位置吻合较好。

图2 L1滑坡的FLAC模型地层分布

图3 L2滑坡的FLAC模型地层分布

图4 L3滑坡的FLAC模型地层分布

2.4 L3滑坡的变形特征及稳定性

通过数字模拟对L3滑坡体重点部位的变形状况进行模拟跟踪，选取靠近磨刀溪的滑坡前缘点出现最大位移量约10cm左右，滑坡中部位移量约8cm左右，后缘位移量约6cm左右。最后模拟结果表明，L3滑坡的位移变形量较L1和L2两滑坡的位移变形量均大，表明该滑坡的稳定系数较前两个滑坡要低。模拟计算中，地表变形曲线虽趋于一个定量，表明滑坡可能处于稳定状态，但在三峡水库蓄水至175m后，滑坡中前部将大部分淹没于水下，堆积体的重量增加而土体力学性质大大降低，对滑坡稳定性产生不利影响，治理工程设计时应重点关注该区域。

2.5 水位变动对杨家坝滑坡稳定性的影响

库水位上升到175米后，将会对L1和L3两个滑坡产生影响，而对滑坡L2产生的影响较小。因此，仅需要对L1和L3两个滑坡受水位变动的影响模拟。

2.5.1 L1滑坡稳定性数值分析在模拟天然和水位变动两种情况时地表变形的差异。发现在水的作用下，滑坡的变形有所增加。水位上涨初期，由于动水压力的作用，提高了滑坡的抗滑力，滑坡的稳定系数有一定的提高。当水作用的时间增长后，对坡体岩土起到软化作用，强度下降，滑坡的稳定系数将会下降，滑坡的变形将会加大。滑坡系统迭代1000次后，自然状态下滑坡前缘监测点1的最大位移只有3cm，而同是迭代1000次，同一点的变形已经达到了8cm。此外在水的长作用下，危险滑面的长度大大增加。

2.5.2 L3滑坡稳定性数值分析

L3的计算模型得出以下结论：在水的作用下，滑坡的变形将增加，同是经过800次迭代，自然状态下滑坡在600步以后即已经达到稳定状态。在水的作用下，800次迭代后仍没有趋于稳定值的趋势，说明变形没有停止。水位上涨初期，由于动水压力的作用，提高了滑坡的抗滑力，滑坡的稳定系数有一定的提高。自然状态下经数值模拟分析，滑坡的最小稳定系数为1.399。模拟的是175水位时经数值模拟分析滑坡最小稳定系数，为1.983。当水作用的时间增长后，对坡体岩土起到软化作用，强度下降，滑坡的稳定系数将会下降，滑坡的变形将会加大。

3 数值模拟结果分析

在三峡水库蓄水和运行过程中，河（库）水通过土休中孔隙直接补给（渗入）滑体，形成动水压力补充滑坡的部分抗滑力，进而对滑坡稳定起一定作用，而水位下降时，地下水补及河（库）水，其动水压力则增加了下滑力，对滑坡稳定性产生不利影响。采用数值模拟分别对各个剖面在自然状态和175m水位时的变形特征进行动态分析，可知滑坡变形位移量，应力分布图和数值模拟过程中选取点变化曲线。

根据上述章节中对杨家坝滑坡各滑坡单体进行FLAC有限差分法分析结果，得出各滑坡单位的最大变形量和存在的（潜在）滑动面，并与相对应工程地质剖面图中滑动面位置进行对比，综合分析滑坡的稳定性和破坏特征，分析结果表明：在自然状态和175水位下，L1、L2和 L3滑坡处于稳定状态，其特征与各自位的特征基本相似。