贵州黄平县且兰医院滑坡数值模拟分析研究

解 超，高福兴，赵振远，羊永夫，蒙发强

（1.贵州有色地质工程勘察公司，贵州 贵阳 550002；2.广西壮族自治区第四地质队，广西 南宁 530000）

自2018年6月开始，黄平县且兰医院滑坡后缘出现10余条拉张裂缝，前缘鼓胀变形、裂缝不断加剧，已造成房屋墙体、挡土墙、地面开裂，造成直接经济损失约300万元（中型灾情）。直接威胁滑坡体前缘黄平县且兰医院、黄平县特殊教育学校、检查站、城区及村寨居住人员和306省道过往车辆行人的生命财产安全，威胁人数1000人以上，潜在经济损失1亿元以上，危险性较大[1]，本文利用FLAC3d软件，通过模拟滑坡变形破坏过程，分析其形成机制，对黄平县同类型滑坡地质灾害防治提供参考。

1 滑坡区地质环境条件

研究区位于地处黔东-湘西山地向丘陵地貌过渡的斜坡地带，区内地貌类型属侵蚀中低山地貌，地形起伏相对较小，斜坡坡度10°～30°，坡向314°，区内最高海拔为南东侧无名山头890.5m，最低海拔为苗里河出口处740m，相对高差为150.05m。滑坡整体为一近似的圈椅状地貌，左右侧缘地势较高，中部地势较低，滑坡体坡向340°，受农耕活动影响，坡体纵向剖面形态呈多级微阶梯状，阶梯坎高小于3m，横向剖面形态呈向下凹陷的形态，有利于地表水汇集。

研究区位于上扬子陆块（二级单元）江南复合造山带（三级单元）黔南坳陷区（四级单元）铜仁开阔复式褶皱变形区（五级单元）的南西段。滑坡前缘新州断裂带属燕山期断裂构造，区内表现为张性（正断层），走向NE35°±，倾向南东，倾角60°～80°，地层产状为195°∠25°。

2 滑坡基本特征

根据现场调查，滑坡位于苗里河右岸，滑坡体斜长300m，宽250m，平均厚度约15m，面积为7.5×104m2，体积约为112.5×104m3。坡向为314°，平均坡度为15°，平面形态呈向北西开口的“舌”形，三维形态呈向北西开口的“撮箕”形，剖面形态中部为台阶状，前、后部近直线状，为一大型牵引式中层土质滑坡。

经钻探揭露，该滑体物质成分主要为第四系残坡积层灰、灰黄色含块、碎石粘土，滑体厚2.75m～10.23m。滑床岩性为志留系翁项群（S2+3wn）的灰色、灰绿页岩，滑床剖面形态总体呈折线型，平均坡度约10.5°，倾角岩层产状195°∠25°，与滑坡坡向为反向关系，岩石风化程度较强，完整度较差，为软质岩类。

滑坡现状变形主要集中于滑坡前缘和后缘，滑坡前缘挡土墙、抗滑桩出现裂缝、地面鼓翘、局部挡土墙出现整体滑移，南东侧挡墙滑移距离约4cm，北东侧挡墙滑移距离约2cm，且兰医院住院大楼后侧抗滑桩受挤压歪斜断裂。滑坡后缘出现10余条多级弧形拉张裂缝，裂缝宽度20cm～90cm，错动30cm～70cm，裂缝导致坡面部分水田蓄水渗漏干涸。

3 滑坡变形破坏数值模拟

目前，研究边坡岩体变形的常用方法为有限元法、边界元法、离散元法等数值分析方法[2]。近年来，国际上比较流行和先进的显示拉格朗日差分分析法（FLAC程序软件）在我国边坡研究中也得到广泛重视和应用[3]，本文采用FLAC3D对且兰医院滑坡变形破坏过程进行研究。

3.1 模型建立

模型范围主要以选取典型地质剖面拉伸一定距离形成：前至黄平县城306省道，后至滑坡后缘后部一定距离处,拉伸长度为15m。模型长327m、宽15m，高为77m。开挖体最大高度为8m。根据4个钻孔以及2个浅井揭露的基覆界面深度建立滑体、折线形滑床面并建立2cm厚的滑带。

滑坡各类岩土体力学参数是综合现场直接试验和室内土工试验资料获得。

表1 岩土体物理力学参数表

本着合理布局、保证精度、优于计算、协调性好等原则，在建立好的模型体基础上，划分四面体网格单元。进行网格划分后，模型形成个4165节点，18454个单元。

3.2 初始应力场模拟

3.2.1 最大主应力分布特征

天然状态下斜坡的最大主应力的量值主要受到明显重力场的控制。最大主应力表现为压应力，浅表部量值主要为1.079Kpa～0.125Mpa，内部最大主应力量值集中在0.125Mpa～0.371Mpa。斜坡地表土体由于容重低，孔隙多，应力值较低。最大主应力方向在斜坡内部基本与重力方向一致，在临近坡表部位与坡面近于平行。斜坡整体地形较缓，斜坡内部与地表未出现明显的应力集中区域。

3.2.2 最小主应力分布特征

斜坡最小主应力在斜坡浅部平行于坡面，应力量增值与埋深成正比，受重力场控制作用明显。浅表部最小主应力的压应力值为6.9KPa～0.5Mpa,内部最大主应力量值集中在0.5Mpa～1.61Mpa。在坡表无拉应力出现。

通过上述应力场分析可知，最大、最小主应力分布呈重力场态势，都是由深向地表逐渐降低的平稳过渡递变状态，土体无明显的应力集中现象。初始应力场符合斜坡应力场的一般规律。

3.3 支护条件下开挖后斜坡变形分析

斜坡按照实际施工情况，黄平县且兰医院平场形成切方高度7.0m～11.0m岩土质边坡。对切方形成的边坡治理措施为修建桩板墙进行支护。因此，在对斜坡前部进行模拟开挖之前先对斜坡进行挡墙支护的模拟。

3.3.1 挡土墙支护模拟

将斜坡节点位移及速度清零后对斜坡进行挡墙的添加，挡墙的参数参考勘察报告等资料。

挡墙进行支护后将模型进行一次计算，将计算后模型的节点位移，速度再次清零，消除斜坡因挡墙支护而产生的变形量。

3.3.2 开挖后斜坡变形分析

在对斜坡完成挡墙支护模拟及位移进行清零处理后，计算且兰医院平场开挖作用下的变形位移。对计算位移云图进行分析。

从总位移云图可以看出（见图1），开挖作用主要引起斜坡上部受影响范围内的土体产生位移变形。现场且兰医院平基开挖引起的位移变形集中在土层较厚的斜坡下部以及挡土墙的后部。斜坡最大位移出现在土层相对较厚坡度相对较陡的中前部，最大量值为4.35cm。紧邻挡土墙后部土体的最大位移约3.25cm。挡土墙前开挖面底部产生的变形是由于医院平基过程中开挖面底部的岩土体产生的卸荷回弹和上部坡体蠕变等共同作用下的隆起变形。

图1 斜坡开挖后位移云图

3.4 开挖后降雨条件下斜坡变形分析

降雨作用下斜坡土体的整体位移持续增加，土体最大位移值为13.8cm（见图2）。斜坡降雨后的最大位移相对于降雨前的最大位移增加了约9.6cm，几乎增加了两倍，说明降雨对斜坡土体的稳定性产生了较大的影响。等值线图显示，降雨后斜坡总体的位移仍集中在位移斜坡土层较厚且坡度较陡的部位；在斜坡中部滑移区，其位移也增加了大概3cm左右。斜坡后部拉裂区的位移由原来的1.5cm增加到了4cm左右，在降雨条件下，挡土墙及后部土体的位移增加了约4.75cm左右，这主要是因为降雨对滑带土的软化作用导致后部土体剩余下滑力的增加；挡土墙前部土体鼓胀变形进一步发展，土体位移由原来的1.5cm增加到了6cm。在降雨条件下，斜坡整体的位移会持续不断的增加。这与现场调查结果基本相符。

图2 斜坡开挖后降雨条件下位移云图

4 滑坡形成机理综合分析

根据前期资料，该滑坡在开挖前已有轻微的变形迹象。经过分析认为且兰医院滑坡是在不利地质条件基础上，由于大规模的人工开挖和地表水入渗等综合作用下形成的，其演化发展的地质力学模式为蠕滑（滑移）一拉裂，其演化条件及过程如下。

（1）斜坡蠕滑变形阶段：滑坡前缘且兰医院、特殊教育学校、及公路建设过程中，对滑坡前缘切方开挖，形成了高陡切方边坡不仅破坏了坡体原有的结构，更导致阻滑体变小，整体抗滑力降低，因此为滑坡的启动提供了较好的条件，滑坡体上为耕地区，耕地破坏了坡体植被的生长，在地表灌溉以及一般降雨条件下，坡体中地下水积累，坡体自下部开始沿着基覆交界面开始发生蠕滑变形。

（2）滑移一拉裂阶段：滑坡进入汛期以后，随着降雨的不断增加，良好的地表汇水条件，导致雨水快速入渗，向坡脚渗流形成动水压力。雨水加载和渗流动水压力导致下滑力增加。目前，挡墙前缘均已发生整体滑移变形破坏，南东侧挡墙滑移距离约4cm，北东侧挡墙滑移距离约2cm。滑坡坡体变形迹象主要变现为坡体多级拉张裂缝，裂缝导致坡面部分水田蓄水渗漏干涸。随着汛期雨水不断下渗，以及前缘挡墙的破坏，坡体稳定性下降，造成坡体上裂缝不断发育，原有裂缝不断延长，深度不断加深，裂缝数量不断发育，滑坡进入滑移一拉裂阶段。

5 结论

本文通过对且兰医院滑坡数值模拟分析，得出的主要认识和结论如下：

（1）且兰医院滑坡由于大规模的人工开挖首先产生一定程度的变形，破坏了坡体原有的结构，是滑坡变形破坏的主要因素，降雨只是加速了滑坡的形成。

（2）通过数值模拟分析，开挖后支护条件下，斜坡最大位移出现在土层相对较厚坡度相对较陡的中前部，最大量值为4.35cm。紧邻挡土墙后部土体的最大位移约3.25cm。挡土墙前开挖面底部产生的变形是由于医院平基过程中开挖面底部的岩土体产生的卸荷回弹和上部坡体蠕变等共同作用下的隆起变形。降雨条件下，挡土墙前部土体鼓胀变形进一步发展，土体位移由原来的1.5cm增加到了6cm。在降雨条件下，斜坡整体的位移会持续不断的增加。这与现场调查结果基本相符。

（3）且兰医院滑坡变形破坏过程可分为2个阶段，分别为斜坡蠕滑变形阶段和滑移一拉裂阶段。