基于Flac3D的滑坡安全性分析

杜轩

摘要： 在我国西南部地区，滑坡已经成为高频率发生、难以预测、危害程度大的一种地质灾害。如何有效预防和及时发现滑坡已经成为道路和防灾部门的首要任务。本文以昆民吴家营某处边坡为例，应用Flac3D技术对边坡的剪切变形趋势和安全系数进行模拟和计算，对其稳定性和预防措施提出一些建议。

Abstract： In southwest China， the landslide has become a kind of geological disaster， which is a kind of high frequency occurrence， difficult to predict， and a great harm. How to effectively prevent and timely discovery of the landslide has become the primary task of the Road and Disaster Prevention Department. In this paper， taking a slope in Wujiaying in Kunming as an example， the Flac3D technology is used to simulate and calculate the shear deformation trends and the safe coefficient of the slope， and some suggestions on its stability and the preventive measures are put forward.

关键词： 滑坡稳定性；Flac3D；模型；防治

Key words： slope stability；flac3D；models；prevention

中图分类号：P642.22 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）07-0111-03

0 引言

我国尤其是西南山区存在非常多的自然边坡，每年都有大量滑坡灾害发生。影响边坡稳定性的内部因素有边坡岩土体类型、边坡形态、边坡地址构造和地形地貌、地下水等；外部因素有地震、风化作用、植被、气候条件和人工活动等。随着城市扩张和各地道路的兴修，一些人工活动变得频繁，如切坡、削坡、坡顶加载及其他破坏其边坡两面性的活动，最后导致边坡失稳，形成滑坡。去年深圳12.26滑坡事故就是由于非法人為坡顶加载造成的。表1是由中国地质环境信息网所给出的《全国地质灾害通报》，可了解我国近几年地质灾害情况：

从表1可知滑坡灾害发生数量比其他灾害之和还要多，因此如何有效预防和判断滑坡成为当务之急。Flac3D软件是一款以有限差分法分析连续介质的工程软件，处理能力快捷且强大，广泛应用于边坡稳定性分析、隧道、矿山、基坑开挖等工程领域。本文中，应用Flac3D边坡安全系数的强度折减法，求解其剪切变形趋势，判断到其稳定性，从而采取对应的工程措施进行预防和控制。

1 工程概况

边坡（见图1）位于云南昆明呈贡区吴家营村。边坡坡体为一级台阶，发育完整，分布连续，为典型的山地丘陵地貌。长约120-150m，坡高10-15m，坡角为30°-45°左右，坡面向阳，表面有植被覆盖，多为低矮灌木。坡体土质为粉质粘土和砂土组成，坡角和坡顶无人工扰动痕迹。由于其坡体坡度较大，土质为软弱土体，因而选取此边坡分析更具有典型性意义。

2 Flac3D建模与求解

2.1 Flac3D简介

Flac3D软件是美国Itasca咨询有限责任公司开发研制的一种岩土工程专业分析软件。由于其强大而快速的计算功能和广泛的模拟功能，尤其是在各种变形问题上具有独特的分析能力优势，使的Flac3D在国际岩土工程界非常流行。其一般的建模求解过程如图2所示。

2.2 初始模型建立

图3所示为模拟的边坡体，选取部分坡体，基体长20m，宽10m，高13m，滑面高10m，长10m，边坡角度为45°（模拟最大坡角）。假定边坡为连续均匀介质的岩土体，经室内试验测得其平均密度ρ为1.97×103kg/m3，变形模量E为80MPa，泊松比ν为0.37，体积模量K=E/3（1-2ν）=103MPa，剪切模量G=E/2（1+ν）=29.2MPa，抗拉强度为12.38kPa，内摩擦角？准=20°剪胀角Ψ=18°。模型每隔一米设置一等分，共计5513个单元格。其中X、Y、Z轴方向如图3所示。

2.3 命令流及求解

强度折减法中边坡稳定的安全系数定义为：使边坡刚好达到临界破坏状态时，对岩、土 体的抗剪强度进行折减的程度，即定义安全系数为岩土体的实际抗剪强度与临界破坏时的折减后剪切强度的比值。通过不断地增加折减系数，反复计算，直至边坡达到临界破坏，此时得到的折减系数即为安全系数 F。在不考虑地表径流和地下水的情况下，根据边坡的各种物理力学参数编写其命令如下：

gen zone brick p0 0 0 0 p1 2 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 3 size 3 1 3

gen zone brick p0 2 0 0 p1 20 0 0 p2 2 10 0 p3 2 0 3 size 17 1 3 ratio 1.03 1 1

gen zone brick p0 2 0 3 p1 20 0 3 p2 2 10 3 p3 12 0 13 p4 20 10 3 p5 12& 10 13

P6 20 0 13 P7 20 10 13 SIZE 17 1 17 ratio 1.03 1 1 // 建立如图3所示模型体

fix x y z range z -0.1 0.1 // 设置边界条件，即模型体只能在X和Z轴

fix x range x 19.9 20.1 方向上发生形变，在Y轴无形变

fix x range x -0.1 0.1

fix y

model elas //设置弹性本构模型

prop density 2000 bulk 3e9 shear 1e9 //设置力学参数和重力加速度

set gravity 0 0 -10.0

solve

ini xdisp 0 ydisp 0 zdisp 0 //位移场和速度场清零

ini xvel 0 yvel 0 zvel 0

model mohr //设置库伦-摩尔模型

prop density 1970 bulk 1.03e8 shear 2.92e7 & //设置物理力学参数

coh 12380.0 tens 1.0e6 fric 20 dila 18

solve fos file slope3dfos1.sav associated //求解安全系数

plot fos cont ssi outline on vel red //绘制安全系数、剪切应变增量图

得到的模型安全系数、剪切应变增量图见图4。

从图中可以明显看到塑性贯通区域即潜在滑动面，因滑动面外侧区域各网格点速度明显大于其它区域，尤其在坡脚处更加明显。而且其边坡安全系数（FoS value）为1.04，稍稍大于临界破坏值1，说明这一区域已经出现明显滑动并即将发生破坏。

3 治理工作

针对上述滑坡存在安全隐患和潜在破坏性，可以考虑以下几个方面的治理：

①传统的治理方式如在坡脚设置挡土墙，坡体打锚杆、锚索、钢丝绳网和抗滑桩等，这些方案是在滑坡治理中采用最多、见效最快的。一般为道路边坡防护所采用（图5为锚索挡土墙）。

②高度重视排水工作，坡体边界外设置截水沟，在滑坡坡体上设置树枝状或网状排水系统，将坡面径流汇集、旁引于滑坡体外排除，采用各种形式的盲沟、仰斜排水孔等措施，将滑坡体内地下水导出，增强坡体的自然稳定性。

③对于滑坡坡度較大者，可以在坡顶清方卸载回填于坡脚，以减少其下滑力。在坡体种植根系发达的乔木、灌木，增强坡体的土体粘聚力。采用固结灌浆或电化学加固法加强边坡岩土体强度。

④针对其有潜在的滑坡风险，可以设置滑坡位移监测仪，并定期观察坡体地面是否有开裂、脱落或鼓胀等情况，及时掌握其动态，做好预防工作。

4 结束语

针对滑坡灾害的频发性和危害程度，如何有效预防和应对滑坡的发生已经成了重中之重。Flac3D软件通过有效的模型建立和求解，对滑坡的剪切变形趋势和安全系数进行了具体化的图形数据显示，有效的体现了滑坡的危险性和潜在性，使人们能够有效的预防和控制滑坡灾害的发生。随着国家工程建设持续发展，现代化城市不断地扩张，解决边坡失稳问题及滑坡防治技术的研究，对我国经济建设和发展有着特殊的社会和科技价值。

参考文献：

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