FLAC3D在滑坡稳定性分析评价中的应用

赵忠海

（北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195）

FLAC3D在滑坡稳定性分析评价中的应用

赵忠海

（北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195）

本文以高治村滑坡为例，论述了FLAC3D在滑坡稳定性分析评价中的应用。作者首先介绍了FLAC3D的基本原理和主要流程，然后采用摩尔-库伦模型，对高治村滑坡在天然状态和暴雨状态下的变形和位移情况进行了数值模拟，模拟结果直观地显示了该坡体在上述两种状态下的塑性变形及水平方向位移的分布特征，清楚地显示了坡体内潜在的滑动面。文章根据数值模拟结果，对该滑坡的稳定性进行了分析和评价，对该滑坡的变形和破坏形式进行了研究和探讨。通过对该坡体的塑性变形与位移情况分析认为，该滑坡在天然状态下基本稳定；在连续高强度降雨状态下欠稳定，局部失稳滑塌的可能性很大，这与现场调查分析的结果一致。这个结果表明，利用FLAC3D进行滑坡稳定性分析和评价简单、可行，且更加直观、方便，具有传统极限平衡法所无法比拟的优势。

滑坡；稳定性分析评价；FLAC3D数值模拟

0 前言

滑坡是山区和丘陵区比较常见的一种地质灾害，是斜坡上部的岩土体，受自然及人为等因素的影响，在重力作用下，沿一定的软弱面或滑动带，整体地或分散地顺坡向下滑动的自然现象。滑坡的危害性极大，是仅次于地震和洪水的一种严重的地质灾害。滑坡稳定性分析是滑坡隐患治理工作的基础，它是在勘查工作的基础上,运用数学和力学等分析手段，对滑动面以上的滑坡体的稳定状态进行评价。目前有关滑坡稳定性的分析方法大致可分为两类，即极限平衡法和数值分析法。其中，极限平衡法主要根据边坡破坏的边界条件，应用力学分析的方法，对可能发生的滑动面，在各种荷载作用下进行理论计算和力学分析。该方法的理论模型和计算过程比较简单，计算结果的物理意义非常明确，但由于采用的是刚体极限平衡理论，难以动态反映滑坡堆积体在外界诱发因素作用下应力场的改变以及由其引起的变形情况；加之在模型建立时假设的前提条件往往与实际情况有出入，导致其计算结果与实际情况存在一定差异（宣世进等，2009）。而数值分析法主要是通过数值模型来模拟边坡的应力分布和变形情况，研究岩土体的应力和应变的变化过程，求解边坡的安全系数，并据此判断该边坡是否稳定。同极限平衡法相比，数值分析法克服了边坡形状不规则和材料不均匀的限制，在求解过程中，既考虑了单元体的变形协调，又考虑了岩土体的破坏准则，故其计算结果更加精确、合理，结果分析更加方便、直观（连金芳，2009）。目前常用的数值分析方法主要有离散元法、有限元法和FLAC法。其中FLAC法也称连续介质快速拉格朗日差分法（Fast Lagrangian Analysis of Continua），是由美国明尼苏达大学（University of Minnesota）和美国Itasca咨询集团公司（Itasca Consulting Group Inc.）于1986年在拉格朗日算法基础上开发的一种显式有限差分程序，有二维（FLAC2D）和三维（FLAC3D）两个版本，该程序有效综合了离散元法和有限元法的优点，通过运用离散模型方法、动态松弛方法以及有限差分方法，将连续介质的动态演化过程转化为离散节点的运动方程和离散单元的本构方程进行计算，计算过程简单、快速，且能较好地模拟不同介质在达到其强度极限或屈服极限时，所发生的变形破坏或塑性流动等力学行为，故广泛应用于边坡稳定性分析、支护工程设计、地下洞室开挖、路基填筑以及采矿区地面沉陷的预测等多个工程地质领域。本文以高治村滑坡为例，论述了FLAC3D在滑坡稳定性分析评价中的应用（李朝晖等，2011）。

1 计算理论

1.1 方法原理

FLAC3D软件是一种基于快速拉格朗日算法的三维显式有限差分法程序，是用显式差分法来求解运动方程和动力方程。该程序将计算区域内的介质离散成若干个计算单元，每个单元在给定的边界条件下都遵循事先指定的线性或非线性本构关系，各单元之间用节点相互连接，每个节点都要受到来自其周围区域其它节点的合力影响，当某个节点受到其周围其它节点的合力后，该节点就会失稳而发生运动，其运动方程可以写成时间步长△t的有限差分的形式，从而可以在一个时步长中求得速度和位移的增量。对于任一区域，均可根据其周围节点的运动速度而求得它的应变率，然后根据材料的本构关系求得应力的增量，再由应力的增量求出t和t+△t时刻各节点的不平衡力和各节点在t+△t时的加速度和积分加速度，进而求出各节点新的位移值和新的应力值，如此循环迭代和计算，直至不平衡力足够小或者各节点的位移趋于平衡（聂广焕等，2012；丛凯，2012）。

FLAC3D软件内有一条自动查找安全系数的内嵌命令-solve fos，该命令就是利用强度折减法，通过不断内插逼近的办法，来求解边坡的安全系数。安全系数可以定义为使岩土体刚好达到临界破坏状态时,对岩土体剪切强度进行折减的程度（郑文棠，2010）。应用到有限差分法中可以表述为∶

保持外荷载不变，逐步减小抗剪强度指标,即将抗剪强度参数c和tan φ同时除以折减系数F，从而得到一组新的强度参数值c'和tanφ' ，然后将折减后的c'、φ'作为材料新的参数代入，进行有限差分计算分析，不断循环迭代计算，直至岩土体达到临界破坏状态，此时采用的折减系数F即为该岩土体的安全系数（欧湘萍等，2009；张晶等，2013）。

待求得滑坡的安全系数后，再依据《滑坡防治工程勘察规范》（DZ/T0218-2006）中的评价标准，判断该滑坡是否稳定。

1.2 计算流程

利用FLAC3D软件进行滑坡稳定性分析的主要流程为∶ ①根据坡体的主位移剖面，建立其几何计算模型；②输入强度参数，运行FLAC3D程序；③根据事先确定的坡体失稳判据，判断坡体是否达到临界破坏状态，如果达到临界破坏状态就结束程序运行，输出计算结果，否则就继续将折减后的强度参数作为新的参数重新输入，继续运行程序，直到坡体达到临界破坏状态为止；④结合其它分析方法或实测结果对运行结果进行评价。具体流程见图1。

图1 利用FLAC3D进行滑坡稳定性分析工作流程图Fig.1 Work fowchart of analyzing landslide stability by FLAC3D

2 工程算例

2.1 算例描述

本文选取四川德阳高治村滑坡作为实例。该滑坡为一小型推移式的土质滑坡，滑坡体长约130m，宽约180m，其前缘高程约570m，后缘高程约590m，总体坡向220°～ 235°，坡度11°～16°。滑坡体主要由崩坡积和残坡积的粉质粘土夹碎石组成，厚度约0.4～4.5m，平均厚度约2.0m。前缘（剪出口）厚度约0.4～1.3m，中部厚度约2.0～4.5m，后缘厚度约2.4～3.2m。据钻孔及探槽揭露，该滑坡的滑床为白垩系下统古店组（K1g）红褐色泥岩和砂岩，岩层单层厚度0.15～1.3m，岩层,倾向为S185°～ 230°W，倾角为5°～ 10°，倾向于坡向一致。该滑坡的滑动带（面）受基岩顶界面控制，至沟边临空，沿残坡积层与基岩接触的薄弱带滑动剪出，滑动带（面）深度约0.6～4.2m，倾角约12°～ 15°，滑带土主要为棕褐色—黄白色的粘性土。根据实地调查，该滑坡是于一次强降雨后开始出现下滑和地表变形、破坏现象，变形和破坏主要发生在坡体的前缘和中部地带，并导致了房屋、围墙以及引水渠等地表建筑物的变形和破坏（四川省广汉地质工程勘察院，2009；北京市地质研究所；2009）。

2.2 模型建立

由于该滑坡规模不大，故本次计算选取一条沿主位移方向的D—D′剖面（图2）进行简化处理抽象出一个二维模型，以岩性界面及滑动面为分区边界分层概化。

（1）建立计算模型时，以滑坡水平运动方向为x轴正方向，竖直向上方向为y轴正方向。

（2）计算采用的是比较常见的弹塑性模型，屈服准则为摩尔-库伦准则。模型采用的岩土体力学参数主要有内聚力、内摩擦角、容重、泊松比、弹性模量以及剪切模量。

（3）初始条件中，未考虑构造应力，仅考虑自重产生的初始地应力场。

（4）根据水文、钻探资料，本区地下水位在滑动面以下，故计算时，岩土体强度在天然状态下取天然强度，持续暴雨状态下取饱和强度。

图2 高治村滑坡D—D＇剖面示意图Fig.2 The D—D＇section sketch of GaoZhi Village landslide

（5）由于本次计算主要是重点分析滑坡在重力作用下的失稳变形情况，故模型中未施加水平构造应力，对模型左、右侧缘边界及前、后边界采用单向水平约束；对模型底部边界采用固定约束；只令模型的顶部（即坡面）为自由边界。

（6）本次计算将D—D′剖面剖分为4350个单元，共计为9042个节点。

2.3 参数选取

本次计算所选取的岩土体力学参数由前期勘察和室内试验并参考类似条件下、相同岩性的岩土体的相关数据来确定，具体取值情况见表1。由于影响滑坡稳定性系数的指标主要为滑带土的抗剪强度，故本次计算主要是通过调整滑带土的强度参数来进行滑坡稳定性的数值模拟和分析评价。

2.4 结果分析

本次数值模拟计算结果如图3—图5所示。其中图3和图4分别为FLAC3D软件模拟的高治村滑坡在天然状态及暴雨状态下D—D′剖面的塑性区云图，图5为高治村滑坡在暴雨状态下D—D′剖面的X方向位移等值线图。由图3可以看出，在天然状态下，从滑坡的后缘至前缘，塑性区（图中红色部分）只是在坡体的浅表处零星分布，这表明该滑坡在天然状态下的塑性变形较弱，坡体比较稳定；而由图4可以看出，在暴雨状态下，从滑坡的后缘至前缘，塑性区（图中红色部分）在坡体的第四系土层（滑坡体）中大量分布，沿土层与基岩的分界面（滑动面）微弱贯通，坡体的前缘和中部地带的塑性变形尤为强烈，这表明该滑坡在暴雨状况下处于欠稳定状态，虽然坡体发生整体失稳滑动的可能性较小，但在坡体前缘及其中部陡坎处发生局部失稳破坏的可能性极大。

图3 天然状态下D—D′剖面的塑性区分布图Fig.3 The plastic zone distribution of D—D section under the natural state

图4 暴雨然状态下D—D′剖面的塑性区分布图Fig.4 The plastic zone distribution of D—D′section under the heavy rain state

图5 暴雨然状态下D—D′剖面X方向位移云图Fig.5 The X-displacement contours of D - D 'section under the heavy rain state

表1 D—D＇剖面岩土体特性参数Tab.1 The characteristic parameters of rock-soil mass of D - D 'section

从图5中可以看出，在暴雨状态下，坡体的前缘及其中部陡坎处发生了位移，位移以水平方向为主，垂直方向的位移不大。这表明在暴雨条件下，该坡体的前缘和中部地带发生了水平方向的滑动变形，变形部位较浅，最大滑动位移发生在坡体中部的陡坎处，这与实地调查中所见到的地表变形现象是一致的。

根据对D—D′剖面采用强度折减法进行计算所得到的结果，该坡体在暴雨状态下的稳定系数为 ，依据《滑坡防治工程勘察规范》（DZ/T0218-2006）中的评价标准判断，该坡体在暴雨条件下欠稳定，易发生局部的滑动变形。这与该坡体实际发生的滑动变形情况完全吻合（杨波等，2013）。

通过对高治村滑坡稳定性的数值模拟分析可知，该滑坡在天然状态下是稳定的，在暴雨状态下是欠稳定的，暴雨的作用导致该滑坡岩土体的物理力学指标降低，进一步弱化了滑带土的强度指标，从而诱发了坡体局部地带（前缘及中部陡坎处）的滑移失稳（李岩等，2012）。

3 结语

本文以德阳高治村滑坡为例，论述了FLAC3D在滑坡稳定性分析评价中的应用。实践表明，通过FLAC3D对滑坡稳定性进行数值模拟和分析评价是合理、可行的。该方法不仅计算简单，可迅速求得滑坡稳定性系数，而且直观性强，可方便模拟任何地貌、任意形状滑动面滑坡的失稳破坏过程，且可采用不同的本构关系，考虑岩土体的非线性，有效克服了传统极限平衡分析和有限元分析方法的不足。随着数值计算方法和计算机技术的飞速发展，该方法在工程地质，特别是岩土工程的力学分析方面的应用更加广泛，在滑坡稳定性的分析和评价方面，也必将发挥更大的作用。

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Application of FLAC3D in Landslide Stability Analysis and Evaluation

ZHAO Zhonghai
(Beijing Geology Prospecting and Developing Bureau, Beijing 100195)

Taking the Gaozhi Village landslide as an example, this paper discussed the application of FLAC3D in landslide stability analysis and evaluation. The author frst introduced the basic principle and main process of FLAC3D, and then simulated the Gaozhi Village landslide stability under natural state and heavy rain state by Mohr-Coulomb of FLAC3D. The simulation result intuitively showed the distribution characteristics of plastic deformation and horizontal displacement of the slope in the above two conditions, and clearly showed the potential sliding surface inside the slope. According to the result of numerical simulation, the article analyzed and evaluated the landslide stability, studied and discussed the deformation and failure forms of the landslide. By analyzing the plastic deformation and displacement of slope, the author considered that the landslide is basically stable under the natural state and is unstable and likely to slide and lose its stability in the local area under the continuous high intensity rainfall state. This is consistent with the investigation and analysis. This result shows it is feasible and more simple and more intuitive and convenient to analyze and evaluate the stability of landslide by FLAC3D. Compared with the traditional limit equilibrium method, FLAC3D has the incomparable advantage.

Landslide; Stability analysis and evaluation; FLAC3D simulation.

P642.22

A

1007-1903（2016）04-0094-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.04.018

赵忠海（1970- ），男，教高，从事区域地质调查、矿产资源勘查、工程物探勘察以及地质灾害评估、勘查、防治工作。