变形预测模型在地质灾害综合评估中的应用——以贵州省某地灾害风险评估为例

许启松 任 飞 樊 辉 杨国珍 李明胜

（贵州省减灾中心，贵阳 550000）

0 引言

贵州省位于世界最大的连片岩溶石山地区的中心地带，多为峰丛河谷洼地，具有山高坡陡谷深的特点，加之贵州省生态环境较为脆弱，地质灾害具有“灾种全、灾害重、隐患多、发生频繁”的特点，是全国地质灾害最为严重的省份之一。据调查，全省地质灾害高中易发区面积达13.6 万平方公里，占全省国土面积的77%。通过对近5 年来发生的140 余处主要地质灾害进行统计分析，滑坡占主导地位，约60%，崩塌占20%，泥石流占13%。各类地质灾害往往相伴而生,并引发次生灾害，使危害和影响范围加大，给人民生命财产和经济建设造成巨大损失。

滑坡因其具有多发性、频发性和严重破坏性的灾害特征，已成为地质灾害中的一种重要灾种。降雨是滑坡最重要的诱发因素之一，具有很强的区域群发性和突发性，同时也增加了滑坡的早期识别和防范难度。滑坡灾害危险性评价是滑坡风险研究的基础，亦是实现滑坡灾害预测预警评估，继而制定相应的灾害防治预案的重要手段。

本研究课题以某地质灾害隐患点为例，通过资料收集、野外调查、室内试验，利用FLAC3D 软件建立动态预测模型，为多因素诱发自然灾害的综合性动态评估研究的推广提供基础支持。

1 项目水文和地质情况

本次选取的研究区位于贵州省中东部的高坪矿区内，距贵阳市区150km，属于亚热带温湿气候，春夏季多南风，秋东季多北风。年最高气温34℃，最低气温-5℃，年平均气温约15℃，年降雨量714.8～1375.4mm，年平均降雨量1135.1mm。5～8 月为雨季，降雨量占年降雨量的70%以上。本区域潮湿多雨，相对湿度一般80%左右，最高100%，最低50%，因此边坡的稳定性受雨季影响较大。其主要地层岩土工程地质结构如下：

（1）红黏土层：褐黄色，残坡积成因，裂隙发育，韧性较强，网纹状裂隙较发育，含少量白云岩风化颗粒，渗透系数经验值为：1×10-6～1×10-8（cm/s）；

（2）震旦系上统灯影组（Z2dn）强风化白云岩：岩体极破碎，呈星散状较均匀分布于顶部，渗透系数经验值为：1.2×10-8～4.6×10-9（cm/s）；

（3）震旦系上统灯影组（Z2dn）中风化白云岩：细至中粗粒白云岩，含硅质团块及条带，节理裂隙发育，岩体较破碎，渗透系数经验值为：1×10-9～6×10-（6cm/s）。

研究区边坡岩土工程地质结构剖面图如图1 所示。

图1 研究区边坡岩土工程地质结构剖面示意图

2 预测模型

根据现场实际调查，利用FLAC3D 软件计算将模拟试验段坡体划分为12578 个单元，2988 个节点，建成试验段边坡三维模型。模型中，设为自由边界的区域为边坡的表面，设为固定约束边界的区域位于模型底部，设为单向边界的区域环绕在模型四周。在进行初始力学边界的条件赋值中，不对其构造应力进行考虑，而对自重应力作用下的初始应力作为重要考虑的对象。根据滑坡变形的时间与规律，将研究区边坡产生变形的过程分成两个阶段进行分析。

（1）初步蠕变阶段。利用FLAC3D 软件，结合研究区近10 年的降雨情况，建立暴雨情况下的三维模型，根据研究区内多个监测点的数据变化的趋势，选取典型监测数据序列，与模型所模拟的滑坡变形趋势进行分析比较，直观反映暴雨工况下滑坡的变形趋势和破坏情况。

（2）变形加速阶段。在变形加速阶段，采用多元线性回归模型对滑坡变形趋势进行预测，根据监测点的数据变化的趋势，选取典型监测数据序列，与多元线性回归模型得出的预测值进行对比分析。

图2 三维数值计算模型图

3 稳定性分析及预测

3.1 天然工况的情况

根据FLAC3D 软件计算所得天然工况条件下边坡滑动安全系数为1.64，处于较为稳定的状态。其中，由图3 的位移云图正面图和图4 位移云图侧面图可以看出：滑坡在坡顶强风化白云岩和中风化白云岩交界处附近位移最大，并从坡顶往下逐渐减少，坡脚位移量最小。

图3 天然工况：位移云图正面图

图4 天然工况：位移云图侧面图

从图5 最大主应力图可以看出：应力集中区主要集中在边坡坡表中风化白云岩岩层（FLAC3D 中以拉应力为正，压应力为负）。在坡顶出现拉应力分布区，其应力值和边坡高度成正比。从图6 可以看出：边坡剪应变增量坡顶是最大的，处于较为软弱的状态，并随着深度的加深逐渐减少。

图5 天然工况：最大主应力图

图6 天然工况：剪应变增量云图

3.2 暴雨工况的情况

水是影响该边坡稳定性的主要因素。当黏土浸水膨胀后，大大地降低了颗粒间的黏聚力，从而使抗剪阻力降低，进而降低边坡的稳定性；风化作用使边坡的岩石强度降低的同时，也使岩体内的可溶性矿物析出，加大岩体的裂隙，使岩体的黏聚力大大降低，遇水产生滑移变形。

采用饱和容重及饱和力学参数进行暴雨工况下有限元分析。计算所得暴雨工况条件下边坡滑动安全系数为1.38，处于稳定的状态。由图7 的位移云图正面图和图8位移云图侧面图可以看出：从边坡顶部到边坡的底部位移的趋势呈明显的渐变趋势，在坡脚附近的下部即蓝色的区域，位移等值线随上部区域的变化而急剧变化。也可看出位移分层现象十分明显，说明在一定范围内，该位置的位移急剧增加，是整个边坡位移的转折点。

图7 暴雨工况：位移云图正面图

图8 暴雨工况：位移云图侧面图

从图9 的最大主应力图可以看出：边坡最危险的滑动面最大可能出现在边坡位移突变的地方。从图10的剪应变增量图可以看出：边坡的表面顺着层面出现了一个贯通的剪切破坏面，处于较为软弱的状态，进一步确定了该层面为潜在的滑动面。

图9 暴雨工况：最大主应力图

图10 暴雨工况：剪应变增量云图

4 结束语

本文以贵州省某滑坡监测项目作研究对象，探讨了滑坡变形趋势、边坡监测数据的预处理，以及边坡预测模型对边坡变形的预测研究。根据边坡变形的时间规律，将研究区边坡产生变形的过程分成两个阶段进行分析：在边坡初始变形到边坡失稳阶段，采用快速拉格朗日有限差分法建立FLAC3D 边坡三维模型，模拟暴雨情况下边坡滑动状态，验证建立的模型与实际监测结果反映的变化规律是相符合的，表明利用FLAC3D 软件建立的边坡三维模型进行预测是可行的。