FLAC3D在某滑坡稳定性分析中的应用

2015-12-23刘金孟

科技视界 2015年32期

刘金孟李晰

（1.中国地质大学〈武汉〉工程学院，湖北武汉430074；2.云南地质工程勘察设计研究院，云南昆明650041）

在自然地质环境中，岩土体表现出非均质、非连续和各向异性特点，其力学响应是动态而复杂的。滑坡是常见地质灾害，在岩土领域滑体稳定系数多是通过极限平衡分析法来求解，但这不能解决滑坡的应力-应变问题[1]。而数值模拟技术的优势在于材料破坏机理的分析与预测[2]，因而采用数值方法来解决岩土工程问题是必要的。在抗滑工程前需要准确判定滑坡受力与变形情况，为防治设计提供可视的、定量的参考。本文利用数值方法对某高边坡滑坡进行模拟评价，对其变形破坏作出有规律的认识，以期对滑坡体的处理设计与施工提供有益参考。

1 滑坡概况

灾害点位于滇东北地区大关县甘海村云台山左岸斜坡地带，属关河构造侵蚀溶蚀峡谷地貌。在水麻高速公路滴水岩特大桥（K127＋550～K128＋300）段西侧陡崖上部，河流切割强烈，两侧山体切割成峡谷，地形起伏大，地形坡度中下部大于60°，局部呈悬崖状。该区位于寿山煤矿矿区范围，周边交通较为便利。自2007年来该段发生多次小规模滑塌，煤矿暂停开采。

勘察区域（见图1）位于关河西侧，构造较简单，地层走向195°~220°，倾角8°~15°。滑体横宽约750m，纵长50~100m，均厚18.0m，方量约1.08×106m3。斜坡地带表层分布耕填土和第四系坡积堆积体（含砾黏土），厚度较大。滑带为炭质黏土，有较大易滑性。坡脚陡崖可见基岩出露，为中风化二叠系石灰岩。

图1 地形地貌

2 有限差分模型

2.1 基本条件

（1）通过剩余下滑力计算选择最危险的2-2’剖面，并在AutoCAD中合理概化，以滑带为主控要素建立模型。滑体为含砾黏土（不考虑其抗拉强度），滑带为炭质黏土，滑床为含炭质石灰岩。

（2）重点分析滑坡在重力下的变形破坏模式。实体单元建模，岩土体本构模型采用Mohr-Coulomb塑性模型。使用FLAC3D内置的关联流动法则[3]求解滑坡稳定系数。

2.2 模型建立

把概化剖面导入SketchUp绘制三维模型，分块获取所有坐标点数据。边界范围按文献[4]的建议设置。在FLAC3D中选择六面体网格和楔形网格进行离散化，结合坐标数据编制成建模命令流并分组为mass（滑体）和rock（滑床），用attach face检查网格连接是否正确。滑带设置接触面模拟，采用切割模型法建立。建模过程如图2所示。

图2 建模过程及网格划分

模型底部施加三向约束，左右两侧y向约束，后侧x向约束。由于陡崖前端临空，x向前侧和山顶面均为自由面。

2.3 结合勘察报告和室内外试验数据，工程类比综合确定计算模型参数，见表1。

表1 物理力学参数表

3 结果分析

3.1 应力特征

由图3可知，最小主应力值范围为-1.76MPa~0.023 MPa，随深度的增加而变大。在滑面可明显看出应力不连续现象，在滑面起伏转折处出现应力集中。符合滑面受力形式，也说明炭质黏土层作为滑动面的正确性。

经数值模拟计算得到滑坡稳定性系数为1.09，而按照《滑坡防治工程设计与施工技术规范》（DZ/T0129-2006）计算天然工况的稳定性系数为1.12。说明滑坡模型符合实际，且滑坡处于欠稳定状态。

图3 最小主应力云图

3.2 变形特征

通过设置放大系数得到变形后的x向位移云图。从图4中可见位移值很大（供参考），上部黏土沿滑面x向水平整体剪出。滑体前端剪出速度最大，滑体中后部有明显分带现象。符合在自重应力下滑坡整体受剪、后缘受拉的滑动机理。

图4 xdis位移云图

在该区域布置了3个基准点和17个变形监测点，从6月初开始每十日一测至今，坡体前端的水平位移累计达130mm（J9），其它部位次之，而坡体中上部的地面沉降位移最大达42.5mm（J10）。从监测数据来看，与模型结果有较好相对性。

3.3 成因分析

根据实地踏勘调查结合揭露地层结构和室内试验综合分析，影响该斜坡区产生滑坡的因素主要有：陡峻的地形地貌、岩土体结构、降雨、地震及人类工程活动。结合现场实地踏勘和前期的调查报告、勘察方案，以及斜坡上部出现地面裂缝和其它开裂变形等迹象，判定该滑坡为大型中层推移+牵引式松散堆积体滑坡。土岩界面形成的软弱带易造成坡体失稳，此滑动机制与前述分析结果具有较好一致性。