FLAC-3D在黄土滑坡变形特征分析中的应用

杜文举，景淑媛

FLAC-3D在黄土滑坡变形特征分析中的应用

杜文举，景淑媛

（四川建筑职业技术学院，四川 德阳 618000）

暴雨是影响黄土滑坡稳定性的重要因素，本文以陕西-黄土滑坡为例,利用有限差分法FLAC-3D软件对在自然和暴雨条件下黄土滑坡的变形进行数值模拟分析。根据数值模拟结果，得到滑坡体在自然状态下和暴雨状态下的变形特征和塑性分布特征，确定了滑坡体变形特征与滑坡稳定性间的联系，为黄土滑坡的稳定性评价提供必要的理论依据。

黄土滑坡；FLAC-3D；变形特征

1 引言

滑坡是一种较普遍的地质灾害，给人们生命财产带来了重大威胁和损失[1]。黄土滑坡是黄土地区特有常见地质灾害，全国约有1/3的滑坡灾害发生于黄土地区；以其多发性、危害性给生态环境和社会发展造成了严重的影响[2,3]。

子长县余家坪乡新寨村一湿陷性黄土滑坡，在土体重力作用及坡脚秀延河侧蚀作用下形成[4]，滑坡西侧主滑方向314°,东侧主滑方向354°，整体上呈后缘缓，前缘陡，中部较缓，滑体前缘直达秀延河沟底，滑坡后缘高程2 006～ 2 008m，前缘高程在1 992～1 995m之间，相对高差12～13m，平均坡度15°～25°，该滑坡有下滑趋势，降雨将诱发滑坡的发生[5]，对其滑体前缘的西气东输管道工程造成巨大影响和危害，严重威胁管道输气的安全[6,7]。

滑体是由软塑状-流塑状黄土组成，上部黄土呈湿-很湿状态，中下部呈很湿-饱和状态，含水量明显高于上部，根据前、后缘的地表滑坡特征、地表张拉裂缝、钻孔所揭露滑动面位置以及物探测试成果，判定滑动面剖面形状为弧形。滑面（带）由软塑态的黄土构成，滑带土垂直深度0.40～10.0m，滑面（带）土厚20～40cm，滑坡前缘宽度125m，主滑方向长60m，滑坡平均厚度7.0m，滑坡体积6.2´104m3，滑坡典型地质剖面3-3′如图1所示。

图1 3-3′滑坡剖面图

表1 黄土滑坡的岩土物理力学参数

2 黄土滑坡的力学特征

2.1 黄土滑坡的力学指标

通常情况下，岩石材料的动态物理力学特性参数都是和应变速率相关的，而对于岩体的变形模量和泊松比等参数岁应变率的变化幅度较小，一般用相应的静态参数表示[8,9]，根据地质勘查采样试验结果，黄土滑坡的各层岩土的物理力学参数如表1所示。

表2 自然状态下岩土体各项物理力学的参数取值

2.2 黄土滑坡的参数选取

结合现场调查和试样经物理力学试验以及参考类似工程，黄土滑坡的岩土体物理力学参数在不同状态下取值分别见表2和表3。

表3 暴雨状态下岩土体各项物理力学的参数取值

3 利用FLAC-3D模拟计算分析

FLAC-3D (Fast Lagrangian Analysisof Continual in 3 Demensions)是由美国Masca Consulting Group Inc于20世纪90年代中期在原有二维FLAC分析软件基础上开发的三维显式有限差分法程序[10,11]。

3.1 计算模型

数值计算过程中构建的模型底顶边界高程为2 021m，底边界高程为1 985m，模型大小为 20 740m2，采用四节点四面体网格单元法构建岩土体的计算模型，共划分了153 059个网格单元计算模型，29 026个网格单元节点，计算剖面的选取按照滑坡主要滑移方向，选取滑坡2-2′和3-3′剖面作为典型剖面，位置如图2所示。

图2 滑坡（FLAC-3D数值模拟）2-2′和3-3′剖面计算模型

3.2 数值模拟分析

3.2.1 自然状态下稳定性分析

自然状态下一般从应力场方面分析滑坡的稳定性，利用FLAC-3D数值模拟计算得到滑坡自然状态下应力场特征图（图3~5）：

1）最大主应力在计算模型内部呈近竖直向，趋近于边坡坡面时，最大主应力方向产生明显偏转，逐渐转至与坡面近于平行方向。

2）最小主应力在计算模型内部整体上呈近水平向，趋近于边坡坡面，最小主应力方向也产生明显偏转，逐渐转至与坡面近于垂直，应力量值也由内向外逐渐降低，近坡面位置逐渐趋于零，局部呈拉应力。

图3 自然工况下剖面变形特征

3）从塑性区分布特征来看，自然状态下有滑带极个别地方出现塑性破坏，其他部位均未有塑性破坏现象。

4）宏观上来看，自然状态下该黄土滑坡的应力主要集中在表层的滑坡堆积区，区内滑带对最小主应力存在一定的影响。

5）受滑带的影响，滑坡堆积体中后缘产生了10多厘米的拉裂缝。

图4 自然工况下剖面塑性分布特征

图5 自然工况下剖面最大主应力分布特征

6）在自然状态下，由于该滑坡的坡度较陡，滑坡滑带和堆积体局部出现塑性破坏，其他部位未见破坏痕迹，自然状态下该滑坡的稳定性较好。

3.2.2 暴雨条件稳定性下分析

暴雨是影响黄土滑坡稳定非常重要参数，通过黄土滑坡的变形特征、应力变化特征以及塑性区分布特征进行分析暴雨条件下黄土滑坡的稳定性，在暴雨条件下FLAC-3D数值模拟计算的结果（图6～7）:

1）暴雨条件下边坡出现了明显变形，变形区以滑坡堆积区后缘最为显著（最大变形16cm），滑坡堆积区前缘与滑坡影响区变形相对较小，在2～4cm。边坡整体沿滑带朝坡脚方向移动，存在明显蠕滑-滑移趋势，边坡稳定性比天然状态下明显下降，趋于失稳状态。

2）边坡体内剪应变增量特征表明，在暴雨条件及各种因素的影响下，滑坡堆积体会形成一条连续贯通的剪应变增量高值带，高值带在滑坡影响区范围内有一定延伸，可认为已在滑坡堆积体内形成连续贯通的（潜在）滑动带（面），进一步说明边坡稳定性处于较差阶段，滑体有沿该滑动带（面）剪出趋势。

图6 暴雨工况下剖面变形特征

图7 暴雨工况下剖面塑性分布特征

3）从2－2′、3－3′剖面的塑性区分布看，受降雨影响，滑坡堆积体内已经形成连续贯通的塑性破坏区，在滑坡影响区，局部也形成连续贯通的塑性破坏区，对滑坡堆积与影响区稳定性构成严重威胁。

4）暴雨工况下边坡稳定性显著下降，边坡前缘的变形破坏迹象更明显，稳定性状况较差，有下滑的强烈趋势，影响西气东输管道的安全。

4 结论

通过利用FLAC-3D数值模拟计算黄土滑坡天然、暴雨工况条件下的稳定性状况，结合现场调查研究分析以及利用传递系数法计算滑坡稳定系数分析，滑坡稳定性如下：

1）自然状态条件下，滑坡稳定性系数1.061～1.118，处于稳定状态，出现失稳可能性小。

2）暴雨条件下，稳定性系数0.945～0.936，处于塑性变形阶段，整体可能产生失稳。

3）降雨是导致黄土滑坡稳定性、失稳的重要因素。数值模拟计算表明在暴雨条件下，滑坡将出现较大变形，形成连续贯通塑性破坏区。失稳滑可能性对西气东输的天然气管道构成巨大威胁。

采用FLAC-3D计算分析黄土滑坡的变形特征，预测滑坡演变规律，对防治工程决策有一定参考价值。

[1] 孟晖，胡海涛．我国主要人类工程活动引起的滑坡崩塌和泥石流灾害[J]．工程地质学报，1996，4（4）：69-54．

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[5] 张珊，杨树文，王恒亮．顾及黄土滑坡的兰州市不同等级降雨时空变化特征[J]．水土保持研究，2019(1)：184-191．

[6] 杜文举，景淑媛．陕西新寨村湿陷性黄土滑坡的治理分析[J]．西华大学学报（自然科学版），2012,31(5)：91-96．

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[9] 王来贵等．地震载荷下斜坡稳定性数值模拟分析[J]．中国地质灾害与防治学报，2011，22（4）：18-25．

[10] Itasca Consuliting Group，Inc．FLAC-3D (Fast lagrangian Analysis of Continual in 3 Demensions)，Version 2．0，User’S Manual[Z]．USA：[s．n．]，1997．

[11] 张保俊．基于FLAC3D 的边坡稳定数值模拟[J]．煤炭与化工，2014，37(1)：103-104+108．

[12] 张雪东等．用FLAC-3D分析呷爬滑坡的变形特征[J]．岩土力学．2005，26（1）：31-134．

The Application of FLAC-3D to the Analysis of Deformation Characteristics of Loess Landslide

DU Wen-ju JING Shu-yuan

(Sichuan Vocational College of Civil Engineering and Architecture, Deyang, Sichuan 618000)

The hard rain is an important factor influencing the stability of loess landslide. This paper analyzes the loess landslide deformation under natural condition and rainstorm condition with FLAC-3D by the example of a loess landslide in Shaanxi. The deformation and plastic distribution characteristics of landslide under natural and rainstorm conditions are simulated numerically. The relationship between the deformation characteristics of the landslide body and the stability of the landslide is determined.

loess landslide; FLAC-3D; deformation characteristic

2019-12-05

杜文举（1970- ），男，黑龙江省哈尔滨市双城区人，硕士，教授级高工，主要从事工程测量和岩土工程教学

P642.22

A

1006-0995（2020）04-0638-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.04.023