普光地区某滑坡稳定性数值模拟分析

傅 玉

中石化石油工程设计有限公司 山东 东营 257000

2020年7月14日20时至18日20时，达州地区出现连续性暴雨天气。7月16日达到了区域性大暴雨标准，其中普光镇为172.5mm。多地发布了暴雨、洪水和地灾预警，发生了滑坡、泥石流等地质灾害，给国家和人民的生命财产造成了极大的威胁[1-3]。谢剑明[4]使用数学统计的方法，建立了浙江区域性的降雨量危险性等级及预警等级划分；钟荫乾[5]在通过对资料对比分析，得出了由降雨滑坡时空分布规律；吴树仁[6]等通过对三峡库区5年的滑坡灾害资料进行统计分析，完成了三峡库区滑坡预警判据的初步研究。

1 滑坡概况

1.1 滑坡土体参数

各土层物理力学参数见表1、图1。

表1 岩、土体物理力学性质设计参数

图1 某气田滑坡典型剖面

1.2 建立高精度模型

模型建立：导入地面数据后，导入钻孔数据划分地层，在GTS NX中生成三维实体，通过实体划分网格，施加自重及边界条件。计算方法采用强度折减法进行边坡稳定性计算。

1.3 模型的建立

该斜坡的人工填土、粉质黏土和砂质泥岩在CAD中绘制地层模型并导入到Madis GTS NX软件中建立三维模型进行数值计算。由于该不稳定斜坡规模较大，选取坡体的主剖面2-2′剖面进行模拟分析，剖面见图2。

坡体上有燃气管道观测井以及管线，其自重较小，稳定性评价时不予以考虑；坡体主要为粉质黏土和基岩，地下水主要为基岩裂隙水和堆积层孔隙水，现场水文观测结果知地下水位不稳定，水量小，未形成统一的水位和水力梯度，故稳定性评价时动水压力也可不考虑[7]。因此，作用于滑体上的力仅有滑体自重。

对该模型中的地层赋予相应的材料参数。为提高模型的精度和运算速度，在保证有限元数值运算收敛的前提下，适当放宽网格的大小，保证运算速度[8]。

1.4 稳定性分析

由模拟结果可知，该斜坡的稳定性系数为0.9，由模拟结果云图（图3和图4）可知，岩土体受重力因素的影响下，斜坡体内的应力呈现分层分布的特征，最大主应力为35kN/m2，最小主应力为15kN/m2。拉应力分布于坡体表面，易产生拉裂破坏。

图3 应力云图

图4 总位移图

由图3、图4可知自然状态下滑坡剪应力集中分布于坡脚。此时滑坡形变量最大为131mm，处于基本稳定状态。降雨降低滑坡稳定性，降雨作用下下滑坡最大位移量达到250mm，形成滑坡。

水平方向最大位移量为193mm，竖直方向最大位移量为184 mm，总变形量216mm，与现场监测数据较吻合。斜坡水平位移量较大的地方主要在上部的粉质黏土中，受上方岩土体压力，水平位移量最大的地方为临空部分，说明斜坡处于不稳定状态。

1.5 现场监测数据

场地内共布置监测点5个，其中滑坡后缘1个，滑床2个，前缘2个，监测点具体见图2。现场监测数据见图5、图6。

图5 土壤含水率监测曲线

图6 地表位移监测曲线

根据土壤含水率现场监测数据可知：2020年7月1日至7月19日，该地区降雨，坡体在降雨持续1天后开始进入蠕滑阶段，当缓慢变形量达到60mm时，蠕滑阶段结束，进入滑动阶段，变形速度保持稳定，于7月16日滑动阶段结束，位移达到102mm时进入剧滑阶段，在几个小时内迅速增大至250mm，发生滑坡。

1.6 破坏机理分析

该不稳定斜坡的坡度约为30°，局部地段为基岩陡坎或人工支挡形成的台坎。由于修建阀室，对坡体进行开挖切坡，形成了高2.5～3.0m的陡坎，开挖回填过程中使斜坡前缘形成陡坡临空面，致使坡脚处应力集中分布，破坏了斜坡土体原有应力平衡，斜坡后缘未设置截水沟，更有利于地表水入渗滑体，降低土体强度，不利于坡体稳定[9]。

斜坡下伏基岩为强风化～中风化砂质泥岩，上部为粉质黏土夹碎块石，结构较松散，渗透性相对较强[10]，遇水后抗剪能力大大降低，为滑坡的形成提供了有利的物质组成条件。

研究区内地形地貌、地层岩性和地质构造条件是斜坡发育的基础条件，斜坡变形的主要诱因为地表水入渗软化覆盖层并提供滑移推动力，地表水的来源主要为大气降雨。斜坡后缘缓坡地段的地层主要为人工填土、粉质黏土和强风化～中风化砂质泥岩，其中粉质黏土结构松散，力学性质低，强风化泥岩破碎裂隙发育，地表水易于强风化基岩与粘性土接触面入渗。因此上部覆盖层与下伏基岩面之间形成潜在的软弱结构面，该结构面力学性质较低，在水作用下抗剪强度骤降，在暴雨期间易形成水运移活跃带。雨季时，大量的降雨入渗斜坡的土体，增加了坡体重度，降低了坡体土层与基覆面的力学性质，造成坡体前缘部分土体已经滑塌变形，后缘土体已出现拉张裂缝，斜坡形成了失稳变形。

2 不同工况下的管道边坡稳定性研究

2.1 挡土墙工况

2.1.1 挡土墙数值模拟分析

运用强度折减法（SRM法）计算边坡的稳定性。

由模拟结果可知，该斜坡的稳定性系数为1.03，由模拟结果主应力云图（图7）可知，岩土体受重力因素的影响下，斜坡体内的应力呈现分层分布的特征，最大主应力为53kN/m2，最小主应力为16kN/m2，均集中在斜坡表层。拉应力分布于坡体表面，易在表面产生拉裂破坏。

图7 挡土墙作用下应力云图

由斜坡位移云图（图8）可知，水平方向最大位移量为42mm，竖直方向最大位移量为112mm，斜坡水平位移量较大的地方主要在上部的粉质黏土中，受上方岩土体压力，水平位移量最大的地方为挡土墙上部。研究坡体出露地层为崩坡积形成的粉质黏土夹碎块石，其渗透性一般。受降雨影响，斜坡会聚了大量地表水向下渗透，对土体浸润、软化增大了土容重同时降低土体的抗剪强度，形成软弱带，使坡体下滑力增大，抗滑力减少，当发展到一定程度，坡体极限平衡状态破坏而发生滑坡。

图8 挡土墙作用下位移云图

2.1.2 挡土墙特性分析

由抗滑桩水平位移云图可知（图9），治理后挡土墙水平位移最大为62mm，最大位移发生在挡墙顶部，位移沿抗滑桩向下部逐渐变小，在中部位移表现为最小，之后位移沿反方向变大。抗滑桩的轴力（图10）沿抗滑桩向下在一定范围内逐渐增大，最大轴力为298kN。

图9 挡土墙水平位移

图10 挡土墙轴力云图

图11 抗滑桩作用下应力云图

2.2 抗滑桩工况

2.2.1 模型的建立

针对灾害点的变形特征和成因机制，根据斜坡整体和局部稳定性计算，采用抗滑桩方式进行治理。

对于抗滑桩材料选择为线弹性模型，抗滑桩的参数设置如表2所示，本剖面布置抗滑桩桩长10m，嵌固段长5m，桩径1.0m，桩中心距2.0m，桩顶设置冠梁，截面尺寸1.0×1.0m，抗滑桩位于挡土墙上部，距离挡土墙水平距离为4m，将抗滑桩相关参数加入到模型中进行数值模拟分析。

表2 抗滑桩参数

2.2.2 抗滑桩支护斜坡稳定性分析

由模拟结果，经抗滑治理后斜坡的稳定性系数为1.3，由治理后的斜坡位移云图（图12和图13）可知，在增加抗滑桩后，斜坡水平方向最大位移为4mm，竖直方向最大位移为11mm，相比治理前位移明显减小，且挡土墙处的位移也明显减小。抗滑桩处位移等值线的趋势指向斜坡内部，上部粉质黏土与下部基岩在抗滑桩的作用下产生了竖向土拱，斜坡上部的土压力经抗滑桩向下部基岩进行传递，治理效果明显。

图12 抗滑桩作用下位移云图

图13 抗滑桩水平位移

2.2.3 抗滑桩特性分析

由抗滑桩水平位移云图可知（图13）,治理后抗滑桩水平位移最大为3mm，最大位移发生在抗滑桩顶部，位移沿抗滑桩向下部逐渐变小，在中部位移表现为最小，之后位移沿反方向变大。抗滑桩的轴力（图14）沿抗滑桩向下在一定范围内逐渐增大，最大轴力为204kN。

图14 抗滑桩轴力云图

由模拟结果（图15和图16）可得到抗滑桩治理斜坡后最大弯矩和最大剪力等自身内力及分布情况，抗滑桩最大弯矩为39kN·m，位于抗滑桩下部。抗滑桩正向最大剪力为13kN，负向最大剪力约为14kN，均位于抗滑桩下部，在进行斜坡治理设计中，可对抗滑桩局部配筋进行优化。

图15 抗滑桩弯矩云图

图16 抗滑桩剪力云图

4 结论

1、斜坡的主要地层为粉质黏土夹碎块石，其渗透性较强，受降雨影响，斜坡会聚了大量地表水向下渗透，使坡体的下滑力增大，抗滑力减少，同时下部挡土墙的泄水孔均失效，水流汇集在挡土墙后，导致挡土墙受土压力和水压力增大而开裂。

2、Madis可以对土质斜坡进行稳定性模拟研究，经数值模拟分析，治理前斜坡位移较大，斜坡产生较大水平位移量位于上部的粉质黏土层，受上方岩土体压力，水平位移量最大的地方为挡土墙上部。经抗滑桩治理后，斜坡位移明显减少，斜坡的稳定性系数增大，斜坡处于稳定状态，方案设计合理。

3、在后期进行该地区地灾治理设计中，可根据数值模拟结果对支护方式选型、局部配筋等进行优化。