不同雨量条件下滑坡稳定性数值研究

王 灏，任弘宇

(青海九〇六工程勘察设计院，青海 西宁 810001)

滑坡是土体、或者岩石等物体在坡面发生沿斜坡向下运动的一种常见现象[1]，在自然界中非常普遍。我国地貌多种多样、地质构造比较复杂，加之不同地方气候条件原因非常容易出现滑坡现象，加强对其研究意义重大。

国内外学者很早就开始对滑坡展开研究。瑞典学者彼得森在20世纪出提出了圆弧滑动法为边坡稳定研究提供了基础[2]。Janbu提出了普通条分法，该方法的适用范围更广，学者对其应用也越来越多[3]。Sarma将界面材料的破坏准则考虑在内提出了非垂直条分法，该方法在一定成度上方便了对边坡稳定性的研究[4]。我国著名学者陈祖煜对传统极限平衡条分法进行了更加深入的研究和分析，证明了该方法的正确性[5]。杨伟[6]对实际工程滑坡进行了分析，徐镇南[7]使用BISHOP算法对大型水利工程滑坡稳定计算评价。李振[8]、李大鑫[9]、吴珺华[10]等人分别对滑坡剪切变化进行了分析研究。郑洪[11]、汤罗圣[12]、刘光华[13]等人均使用大型数值计算软件FLAC3D对在不同情况下滑坡的抗剪切强度参数和内摩擦角等稳定参数进行研究，认为该软件可以很好的进行滑坡稳定数值研究，能够满足研究需求。李杨[14]、赵普[15]、韩东海[16]等人分别使用Fluent和GeoStudio等软件对滑坡进行详细的数值研究。不同雨量条件下，滑坡内土体承受的作用力会发生变化，加强对其研究意义重大。

本文在前人研究基础上，结合实际工程使用大型有限元计算软件FLAC3D对不同雨量作用下滑坡体的稳定性进行分析，为实际情况提供参考。

1 工程概况

本研究滑坡处于盆地和平原交接过渡带，地貌比较复杂。山坡整体坡度为30°左右，整个山坡不同破段坡度大致范围为23°～35°。滑坡区的岩性比较复杂，有第四系地层(主要覆盖层为碎石土、粉质黏土)、寒武系八村群地层、寒武系、加理东期地层等组成。该区域的地下水主要是基岩裂隙水和孔隙水，每年地下水的水量变化幅度较大，渗透性较好。

2 模型建立

FLAC3D软件是由美国Itasca公司开发的有限元软件，该软件由于其强大的计算能力、专业性等优势在岩土领域得到了广泛的应用，尤其是强度折减法在岩土滑坡研究中应用非常广泛，强度折减法对应的控制方程见式(1)—(2)。通过增加滑坡内的折减系数，最终破坏情况下的折减系数，即安全系数。

cF=c/Ftrial

(1)

φF=arctan(tanφ/Ftrial)

(2)

式中，c—粘聚力；cF—折减后粘聚力；φ—内摩擦角；φF—折减后内摩擦角；Ftrial—折减系数。

本文根据工程实际情况确定计算需要的材料参数，见表1。不同情况下，滑坡体的稳定评价标准见表2。利用FLAC3D软件建立数值模型，对天然状态下和暴雨状态下的滑坡稳定性进行研究。数值模型长度为300m，高度根据实际情况进行设置，厚度为10m。为了更加准确的进行数值模拟，网格划分为六面体的结构化网格，网格数量为76306个，对应的节点数量为49638个，建立好的数值模型如图1所示。

表1 材料参数

表2 稳定评价标准

图1 有限元模型

从滑坡上侧到下侧为X轴正方向，垂直向上为Z轴正方向，根据右手定则确定Y轴正方向。本文分别对正常状态和暴雨状态下滑坡体的应力、位移和剪切增量等稳定特性进行分析。

3 结果分析

3.1 应力分析

分别对天然状态和暴雨状态下滑坡体的第一主应力和第三主应力进行分析，如图2—3所示。

图2 不同雨量状态下第一主应力云图

根据图2可知，不管是在天然状态下还是暴雨状态下滑坡体的第一主应力分布基本保持一致。应力以垂直向上为正方向，因此在云图中红色表示应力值较小，蓝色的应力值较大。可以看出在斜坡表面应力云图为红色，表示该处的应力较小。沿着滑坡体在表面应力较小，随着垂向深度的增加，第一主应力逐渐增大，但是在滑坡滑动面出现局部的应力值较小。不同雨量状态下应力最大值均出现在左下角位置处，天然状态和暴雨状态下第一主应力最大值分别为3.18×106、3.25×106Pa；第一主应力最小值分别为8.61×103、7.81×103Pa。第一主应力最大值增加了0.07×106Pa，增加幅度为2.2%；第一主应力最小值减小了0.8×103Pa，减小的幅度为9.29%。

图3 不同雨量状态下第三主应力云图

根据图3可知，滑坡体的第三主应力分布于第一主应力分布类似，同样是表面应力值较小，越靠近下侧压力值越大，最大值同样出现在左下角位置处。天然状态和暴雨状态下第三主应力最大值分别为4.57×105、4.65×105Pa；第三主应力最小值分别为4.07、0.04Pa。第三主应力最大值增加了0.08×105Pa，增加幅度为1.75%；第三主应力最小值减小了4.03Pa，减小的幅度为99%。这主要是因为在暴雨情况下，土体内达到饱和状态，对靠近下侧的土体产生的压力增加；在表面土体出现滑动，导致某位置的土体较小，对应的应力值也出现明显的减小。

3.2 位移分析

分别对天然状态和暴雨状态下滑坡体的X向位移和总位移进行分析，如图4—5所示。

图4 不同雨量下X方向位移云图

根据图4可知，滑坡体内的位移主要体现在X方向，其他方向位移较小，因此对X方向的位移进行分析。滑坡在X方向的位移主要出现在斜坡表面中间及靠上侧，靠近下面的位移很小，在最底部位移几乎为零。天然状态下和暴雨状态下滑坡X方向位移最大值分别为10.13、73.37cm，位移增加63.24cm，增加幅度为624.28%。

由于总位移主要是在X方向上，因此总位移的分布与X方向的分布规律基本一致。总位移最大值主要出现在滑坡表面中间位置，天然状态下和暴雨状态下滑坡总位移最大值分别为10.73、76.97cm，位移增加66.24cm，增加幅度为617.33%。

3.3 剪切应变增量分析

分别对天然状态和暴雨状态下滑坡体的剪切应变增量进行分析，如图6所示。

图6 不同雨量下滑坡剪切应变增量分布云图

根据图6可知，天然状态下和暴雨状态下的滑坡剪切变量增量分布基本一致。主要出现在滑坡中间靠近上侧部分，且滑坡剪切增量并不是平行于表面。天然状态下和暴雨状态下滑坡剪切增量最大值分别为3.07、3.03Pa。同时经过大量的折减计算得出天然状态下和暴雨状态下滑坡的稳定系数分别为1.02、0.97。根据表2可知，在天然情况下边坡体处于欠稳定状态，暴雨情况下滑坡体处于不稳定状态，均需要加强防护。

4 结论

本文使用FLAC3D有限元软件对天然状态和暴雨状态下滑坡的应力变化、位移和剪切应变增量进行分析，得出结论如下：

(1)天然状态和暴雨状态下滑坡的应力在垂向上越靠近底部应力越大，第一主应力最大值分别为3.18×106、3.25×106Pa；第三主应力最大值分别为4.57×105、4.65×105Pa。

(2)天然状态和暴雨状态下滑坡的位移主要出现在滑坡中间位置附近，X方向位移和总位移很接近。两种情况下，总位移最大值分别为10.73、76.97cm。

(3)天然状态和暴雨状态下滑坡的剪切应变增量主要出现在滑坡中间位置靠上部分，两种状态下的稳定系数分别为1.02、0.97，均需要加固措施。