考虑土体结构性的库岸滑坡成因机制和力学特征分析

2022-02-23王东英杨光华

中国农村水利水电 2022年2期

王东英，杨光华，姜燕

（1.广东省水利水电科学研究院，广州510610；2.广东省岩土工程技术研究中心，广州510640；3.华南理工大学土木与交通学院，广州510640）

0 引言

滑坡是地质灾害中破坏性最大、分布最广泛、治理最困难的灾害之一。滑坡发生时，常常会冲毁农田、砸埋房屋、阻断道路交通，给人类的生命、财产造成巨大损失［1］。当库岸滑坡发生时，大量岩土体滑入库内，不仅减小了有效库容［2］，堵塞泄水建筑物，更可能形成巨大涌浪［3-5］，对水工结构形成巨大冲击，更甚造成漫顶，危及下游人民的生命和财产安全。由于对滑坡的成因机制和力学特征认识尚不充分［6，7］，预警预报精准度不够，滑坡灾害时有发生。

由于滑坡规模庞大、发生时破坏迅猛，现场观测和还原难度大，数值模拟成为研究滑坡成因机制和演化过程的有效手段。滑坡的发生是渐进的，是动态过程。传统的极限平衡法［8］和强度折减法［9］只能静态地分析滑坡特定时刻的稳定状态，并不能揭示滑坡的成因机制和演化过程中的力学特征。

在滑坡渐进破坏方面，科研工作者曾做了诸多尝试。戴自航［10］通过开发张拉-剪切复合破坏材料模型，论证了滑坡失稳是张拉-剪切的复合破坏行为；许强［11］基于数十起重大滑坡灾害监测预警和应急抢险的实践经验，总结了斜坡变形演化的三阶段规律和裂缝空间演化的分期配套特性；薛海滨［12］基于应变软化本构，模拟了边坡的渐进破坏过程；王伟［13］基于应变软化本构和极限塑性应变指标模拟了边坡的张拉-剪切渐进破坏过程，并基于改进矢量和法和自适应遗传算法分析了边坡在

渐进破坏过程中最危险滑面具有动态变化和调整特性；陈国庆［14，15］利用屈服接近度动态确定边坡的破损区域，有效解决了整体强度折减法中折减范围过大的缺陷。然而，当前研究仍存在较多不足。其一，即便能动态地确定折减区域，采用传统强度折减法所对应的强度弱化假定并不能反映土体结构性损伤特征［16］；其二，应变软化本构建议采用塑性剪应变表征强度弱化，对于塑性剪应变阈值的选择则具有很强的人为性。

本文考虑到应力水平与土体结构性损伤程度的对应性，提出以应力水平代替塑性剪应变表征强度弱化构建新的强度折减法，基于此分析了不同类型滑坡的渐进破坏过程、应力位移特征及稳定性衰减规律，揭示不同类型滑坡的成因机制，为滑坡的加固防治提供指导建议。

1 考虑土体结构性的滑坡分析理论

1.1 土体的结构性

土体的结构性是指土体颗粒和空隙的性状和排列方式及颗粒之间的相互作用［17］。随着剪切变形的发展，土体颗粒和空隙的形状发生变化，排列方式由无序逐渐转变为定向排列。土体微观结构的变化在宏观上表现为土体刚度和强度的非线性弱化。

从结构性的观点出发，不应再把土体看作是具有固定变形模量和强度指标的材料［18］，在仿真滑坡渐进破坏过程中，应体现土体强度和变形参数随结构性损伤的特性，折减规律不能随意选定。在土体单元渐进屈服过程中，其应力水平也有无损时的0 值逐渐增大至1。因而可由应力水平表征土体的损伤和力学参数的弱化程度，阈值选取明确，避免了塑性剪应变阈值选取的随意性。

1.2 考虑土体结构性的强度折减法

传统强度折减法是对边坡内所有单元土体的强度按照同一折减系数进行折减，但折减系数的选取不能反映土体结构性特征，因而折减后得到的强度参数为虚拟的抗剪强度指标，也对应虚拟的应力和位移场。由此揭示的滑坡成因机制和力学特征失真。

为弥补传统强度折减法的不足，结合应力水平与结构性损伤的对应性，构建强度随应力水平线性降低、变形参数随应力水平非线性降低［16］的强度折减法。土体强度随应力水平变化特征如图1所示。

图1 强度随应力水平变化示意图Fig.1 Diagram of strength changed with stress level

新构建的强度折减法表达式为：

式中：c′为折减后的内聚力；φ′为折减后的内摩擦角；cp、cR分别为土体内聚力的峰值和残余值；φp、φR分别为土体内摩擦角的峰值和残余值；Sl为应力水平；Et0和Et分别为初始切线模量和切线模量；μt和μ0分别为泊松比和初始泊松比；Rf为破坏比，一般取0.8～1.0；μf则为破坏时的泊松比，一般取0.49。

其中，应力水平表征土体单元的主应力差与极限强度的比值，基于Mohr-Coulomb强度准则的应力水平为：

式中：σ1、σ3分别为第一和第三主应力。

1.3 考虑土体结构性的滑坡动态稳定性系数

随着剪切变形的发展，滑坡体不同部位土体结构性损伤程度不同，因而土体强度和变形参数分布呈现空间差异性。传统强度折减法仅能获得参数初始赋值情况下的稳定性，无法求解力学参数呈现空间差异性分布状态下的滑坡的稳定性。针对这一问题，本文基于fish 语言读取特定时刻滑坡的力学参数和应力状态分布，采用局部强度折减法获取特定时刻滑坡的稳定状态。

2 滑坡渐进破坏过程分析

从变形演化特征和受力状态角度，滑坡包含牵引式滑坡、推移式滑坡两类。牵引式滑坡由于河流冲刷、浸泡或人工开挖等削弱了坡脚的支撑力，逐步引起后续土体下滑；推移式滑坡则是由于滑坡中上部崩塌或落石堆载等造成斜坡整体滑移。库水位升降容易导致坡脚岩土体劣化，坡脚抗力降低，因而，库岸滑坡多以牵引式滑坡为主。

滑坡的发生是渐进的，不同类型滑坡因其诱发机制不同，其渐进破坏过程应差异较大，为详细对比分析不同类型滑坡发生、发展过程的差异性，基于上述理论分别对推移式滑坡和牵引式滑坡的渐进破坏过程和应力位移特征进行了细致的比较分析。

2.1 推移式滑坡

2.1.1 计算模型概述

推移式滑坡计算模型坡高13 m，坡比1∶1.5，坡脚至右边界的距离等于10 m，坡顶至左边界的距离为15 m。模型共划分为1 604个单元，3 410个节点。模型两侧为法向约束边界，模型底部采用固定约束，模型尺寸及网格划分具体如图2所示，土体力学参数列于表1。

图2 推移式滑坡计算模型Fig.2 Calculation model of push-type slope

表1 推移式滑坡土体力学参数Tab.1 Soil mechanical pparameters of push-type slope

2.1.2 渐进破坏过程分析

以应力水平达到1 作为剪切破坏的判定条件、以最小主应力大于等于抗拉强度作为张拉破坏的判定条件，并依据剪切塑性应变更新折减单元，所得推移式滑坡渐进破坏过程如图3所示：先是中上部发生剪切破坏，而后剪切破坏单元同时向上部和坡脚方向延展，最终形成贯通的剪切破坏面。推移式滑坡以剪切破坏为主。

图3 推移式滑坡渐进破坏过程Fig.3 Failure process of push-type slope

2.2 牵引式滑坡

2.2.1 计算模型概述

牵引式滑坡计算模型坡高13 m，坡比1∶2，坡脚至左边界的距离等于2 m，坡顶至右边界的距离为13 m。模型共划分为960个单元，2 054 个节点。模型两侧为法向约束边界，模型底部采用固定约束，模型尺寸及网格划分具体如图4所示，土体力学参数列于表2。

表2 牵引式滑坡土体力学参数Tab.2 Soil mechanical parameters of pull-type slope

图4 牵引式滑坡计算模型Fig.4 Calculation model of pull-type slope

2.2.2 渐进破坏过程分析

同样以应力水平达到1 作为剪切破坏的判定条件、以最小主应力大于等于抗拉强度作为张拉破坏的判定条件，并依据剪切塑性应变更新折减单元，所得牵引式滑坡渐进破坏过程如图5所示。

图5 牵引式滑坡渐进破坏过程Fig.5 Failure process of pull-type slope

牵引式滑坡的渐进破坏过程与推移式滑坡不同，牵引式滑坡首先自坡脚发生剪切破坏并逐渐扩展至滑坡中部，中上部岩土体失去下部支撑发生张拉-剪切复合破坏，进一步导致滑坡顶部发生张拉破坏。牵引式滑坡中下区域以剪切破坏为主，中上区域以拉剪破坏为主，而坡顶则以张拉破坏为主。

3 滑坡成因机制及力学特征分析

滑坡的渐进破坏过程不同，归根于其成因机制和力学特征的差异，由此也应因地制宜地选择不同的加固处理方式。现分别阐述推移式滑坡、牵引式滑坡的成因机制和力学特征。

3.1 推移式滑坡成因机制及力学特征

推移式滑坡滑面剪切力和抗剪力演化特征如图6所示。随着滑坡渐进破坏过程的推进，推移式滑坡滑面中下部的剪应力逐渐增大，而抗剪力小幅降低。这是由于推移式滑坡中上部土体滑移挤压下部土体，导致下部土体下滑力增大，且滑面的剪切滑移使滑面强度参数弱化，因而抗滑力有所降低。

图6 推移式滑坡滑面应力演化特征Fig.6 Slip surface stress characteristic of push-type slope

推移式滑坡滑面应力水平演化特征如图7所示。初始状态时，推移式滑坡中部应力水平较高，而坡顶和坡脚应力水平均相对较低，随着渐进破坏过程的推进，坡顶应力水平小幅增加，而滑面中下部应力水平增长较快，这可能与滑坡滑移中后期中上部土体挤压导致该部分应力水平增大明显。

图7 推移式滑坡滑面应力水平演化特征Fig.7 Slip surface stress level distribution of push-type slope

为进一步分析滑坡渐进破坏过程中滑面位移的演化特征，分析了滑面不同位置处推移式滑坡位移增量（即当下时刻相对于前一分析时刻的增量）演化特征，如图8所示。初始时，滑坡中上部位移增量较大，而后滑面中下部位移增量超过中上部位移增量，充分说明推移式滑坡初始时中上部首先出现滑移并发生剪切破坏，中上部滑移土体的挤压增大了下部土体的下滑力，促使下部土体迅速滑移，位移增量迅速增大，随后滑面整体滑移量骤增，但下部土体增量仍大于中上部。推移式滑坡位移增量的演化特征与滑面单元的屈服破坏过程一致。

图8 推移式滑坡位移演化特征Fig.8 Slip surface displacement increment characteristic of push-type slope

综合滑面屈服破坏、应力和位移增量演化特征，推移式滑坡的主滑段在滑坡中部，牵引段为滑坡上部，下部岩土体则主要其抗滑作用。推移式滑坡的成因机制为：主滑段首先失稳滑移，导致牵引段失去支撑产生滑移，进而主滑段和牵引段一起挤压抗滑段，导致抗滑段下滑力迅速增大并产生较大位移增量，最终整体发生较大滑移形成贯通剪切破坏面。因此，从灾害防治角度，对于推移式滑坡，应重点“强腰”，从源头控制滑坡滑移并进一步演化破坏。

3.2 牵引式滑坡成因机制及力学特征

牵引式滑坡滑面剪切力和抗剪力演化特征如图9所示。由于牵引式滑坡破坏面是张拉-拉剪-剪切复合型破坏面，滑面上抗剪力、剪切力分布略显杂乱无序。整体上，初始时滑面中部剪切力较大，坡脚和坡顶剪切力相对较小；滑面中上部抗剪力较大，而靠近坡脚的中下部则抗剪力较小，因而牵引式滑坡的中下部首先发生剪切破坏，而非坡脚局部单元。随着渐进破坏过程的推进，滑面中部抗剪力和剪切力均有所下降，但抗剪力下降较多，因而牵引式滑坡剪切破坏单元逐步向上演化。但对于坡顶部分单元，其抗剪力虽随渐进破坏过程有所降低，但其值始终大于剪切力，该部分不发生剪切破坏。

图9 牵引式滑坡滑面应力演化特征Fig.9 Slip surface stress characteristic of pull-type slope

牵引式滑坡滑面应力水平演化特征如图10所示。从滑面应力水平来看，对于牵引式滑坡，初始时滑坡中下部应力水平较高，中上部应力水平则相对较低，靠近坡顶处应力水平极低；随着渐进破坏过程的推进，中上部应力水平增大明显，尤其接近整体破坏状态时该部分应力水平陡增，而此时中下部应力水平反而略有降低。

图10 牵引式滑坡滑面应力水平演化特征Fig.10 Slip surface stress level distribution of pull-type slope

牵引式滑坡位移增量演化特征如图11所示。从滑面位移演化过程来看，牵引式滑坡自局部剪切破坏到整体贯通性破坏，位移增量自坡脚向坡顶逐步递减，滑坡中下部位移增量增速大于中上部，尤其到滑移中后期，坡脚位移增长迅猛，呈不可控态势。

图11 牵引式滑坡位移增量演化特征Fig.11 Slip surface displacement increment characteristic of pull-type slope

综合滑坡渐进破坏过程、应力和位移演化特征，牵引式滑坡主滑段在坡脚，牵引段为滑坡中上部，无明显抗滑部分。牵引式滑坡的成因机制为：主滑段因抗剪力不足以平衡剪切力发生剪切滑移，使临近土体失去支撑抗剪力进一步降低并发生剪切滑移，并如多米诺骨牌般依次传递到滑坡中上部，过程迅速，因而上部滑面抗剪力发挥不充分，顶部以张拉破坏为主。从位移演化特征来看，牵引式滑坡一旦启滑，位移发展迅猛，呈不可控态势。从灾害防治角度，对于牵引式滑坡，应重点“固脚”对滑坡进行防治。

4 滑坡动态稳定性分析

不同类型滑坡其渐进破坏过程、应力位移演化特征均有所不同，尤其是牵引式滑坡位移增长到一定程度即呈不可控态势，因而滑坡的稳定性演化特征也应差异明显。为分析滑坡在渐进形成过程中稳定性的变化，在不同损伤状态的基础上，基于局部强度折减法整理了牵引式滑坡和推移式滑坡的稳定状态演化规律，见图12所示。

图12 不同类型滑坡动态稳定性Fig.12 Dynamic stability for different type slope

牵引式滑坡模型初始稳定性为1.19，推移式滑坡的初始稳定性为1.28，在发生较大剪切变形后，推移式滑坡的稳定性系数长时间维持在1.03～1.05的欠稳定状态，而牵引式滑坡在发生较小的剪切变形后稳定性系数迅速降低至0.55 左右，具有突发和不可控性；这与杨光华等［20］从滑坡预警位移角度所得结论相一致。因而，实际工程中应特别关注滑坡的滑前迹象，及时发现前缘隆起或后缘张裂缝，把握加固时机，并依据位移发展特征，决策加固位置和方案。