基于Midas GTS / NX 的滑坡稳定性分析及治理方案可行性研究

刘 永，张国和*，杨建华，董 鹏，毛吉成，甘小迎

(中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司，贵州 贵阳)

引言

随着近代科学技术的快速发展，计算机科学与技术在地质工程领域得到了极大的推广发展与应用，基于计算机有限元数值模拟软件的计算分析法在滑坡稳定性分析中不断发展运用，并成为一种新的稳定性分析方法[1]，同时运用数值模拟方法对滑坡的稳定性及治理方案进行分析研究将成为未来研究分析的主要发展趋势[2]。Midas GTS / NX 作为一种岩土有限元分析软件，其具有强大的分析计算能力，广泛适用于岩土工程、桩基工程、地下工程、水利工程等领域[3]，有限元数值模拟方法已经成为滑坡坡稳定性分析中的重要方法，这类方法不但能考虑边坡岩土体本身的变形对边坡稳定性的影响，而且能给出边坡岩土体中应力应变分布，分析边坡破坏的发生和发展过程等，具有传统的极限平衡法所不可比拟的优势[4]。

文章将借助Midas GTS / NX 岩土有限元分析软件，对滑坡的稳定性及治理方案可行性进行研究，对滑坡在不同工况下的稳定性进行模拟计算[5]，从滑坡稳定性系数，位移及最大剪应变等方面对滑坡稳定性进行分析，并借助Midas GTS / NX 对该滑坡治理方案进行模拟分析，对比采取治理方案前模拟结果，对治理方案的可行性进行进一步分析研究。

1 滑坡概况

该滑坡位于边坡中上部，两侧冲沟发育，下部受人类工程活动开挖严重，滑坡上部坡度在12°～22°之间，中部和下部坡度在43°～60°之间，滑坡平面展布上呈现不规则半椭圆状，纵向长约120 m，中部宽约220 m，前缘宽约260 m，主滑方向约为240°。滑坡整体平均厚度达24.9 m；滑坡平面面积约2.66×104m2，滑体体积约为69.46×104m3，属中型滑坡。

根据现场调查及钻探资料，滑体土厚度在7.5～33.3 m 范围之间，滑体中间厚，前缘较薄，主要由第四系中更新统离石黄土（Qp2eol）和上更新统马兰黄土（Qp3eol）及少量红黏土组成，土体覆盖于侏罗系砂岩（J2y）之上。

2 模型建立

根据滑坡主剖面地层状况和相关地形特征，按照实际尺寸确定模拟剖面的模型大小。依据勘察资料，将滑坡的地层划分为马兰黄土、离石黄土、红黏土、滑带土、滑体土以及滑床六大部分，并对相应地层进行合理的网格划分，从而得到该滑坡稳定性分析模拟的网格模型图（见图1）。

图1 模型网格划分图

3 模拟工况及材料赋值

由于滑坡所在区域降雨时间分布极为不均，雨季降雨量较大并常伴有暴雨极端天气，故滑坡模拟计算采用天然工况和饱和工况两种状态。

通过对地质勘察取样进行室内试验数据测定，并结合相关工程类比和简化模型综合得到各地层参数（见表1），作为用于数值模拟计算的相关赋值计算参数。

表1 材料参数赋值

4 基于Midas GTS / NX 的滑坡稳定性分析

滑坡稳定性状态评判按照《滑坡防治工程勘查规范》(GBT32864-2016），数值模拟稳定性分析计算采用天然工况和饱和工况两种状态。

4.1 天然工况

在天然工况下，由有限元数值模拟计算得出剖面的稳定系数为1.024 3，处于欠稳定状态。

从天然工况滑坡的位移云图（见图2），我们可以较清楚地看到位移最大出现在滑坡后缘附近，这主要是因为滑坡后缘累积变形，在滑坡后部形成较多裂缝导致。而滑坡前部坡脚产生的位移，是由于该段滑体比较薄，容易发生应力集中[6]，这与天然状态下坡体破坏特征相符合。

图2 天然工况位移云图

从剪应变云图（见图3）可知，滑坡后部滑面为切割土体形成，而中前部滑面为滑体与基岩接触面，滑面目前尚未完全贯通。

图3 天然工况剪应变云图

4.2 饱和工况

在饱和工况下，据有限元数值模拟计算得出剖面的稳定系数为0.857 6，稳定性较天然状态明显降低，滑坡处于不稳定状态。

从饱和工况下滑坡的位移云图（见图4），可以看到位移与天然工况相比，位移量显著增加，滑坡已经发生变形破坏，整个滑坡已处于不稳定状态。

图4 饱和工况位移云图

从剪应变云图（见图5）可以明显的看出，剪应变在饱和工况下扩展并贯通了整个滑坡体，形成了贯通的滑面，说明在降水持续入渗过程中，黄土内部与基岩接触面附近产生了贯通滑坡体的软弱带，随着软弱带土体抗剪强度大幅度降低，最终滑坡发生剪切破坏贯通滑面，造成滑坡发生滑动。

图5 饱和工况剪应变云图

综合分析得出该滑坡天然状态下处于欠稳定状态，在降雨等其他因素作用影响下，滑坡将处于不稳定状态，随时可能发生滑动，需要及时采取相关治理措施进行加固治理。

5 基于Midas GTS / NX 的滑坡治理方案可行性分析

5.1 拟采用治理方案

根据滑坡的地形地貌以及工程地质特征，并结合滑坡稳定性分析，设计治理方案为：抗滑桩+挡土板+平整坡面及削坡+截排水

（1） 抗滑桩

根据该滑坡工程地质特征状况，在滑坡前部设置一排抗滑桩，抗滑桩规格2.5×3 m，桩长21 m。

（2） 挡土板

由于坡体整体结构较为疏松，为防止相邻抗滑桩之间土体受坡体自身挤压作用溜出，在相邻抗滑桩间设计挡土板。

（3） 平整坡面及削坡

根据《建筑边坡工程技术规范》，按照设计要求，从上到下对滑坡进行削坡处理，对坡体抗滑桩以上坡体按照坡比1:1 进行削坡，每级高度8 m，护坡道平台宽3 m，并对坡体裂缝及落水洞进行回填夯实处理，确保坡面完整性。

（4） 排水工程

根据研究，随着水体入渗坡体，土体容重随之增大，坡体下滑力增加，稳定性降低；另一方面由于黄土整体结构疏松多孔，垂直节理发育，坡面径流、汇水等侵蚀破坏坡面，并沿土体裂隙下渗，软化土体形成软弱带[7]，做好排水是有效治理滑坡的关键。

5.2 治理方案可行性分析

治理方案均严格按照边坡治理规范设计，在天然状态下设计方案安全系数不小于1.3，暴雨状态下不小于1.15，为了检验治理方案的极限稳定性，模拟选择在暴雨饱和工况下的治理方案的滑坡稳定性数值模拟。材料参数采取饱和状态下的参数进行模拟计算分析。

在饱和工况下，治理方案模拟结果稳定性系数为1.183，与治理前饱和工况相比，稳定性得到了显著的提高，满足饱和工况安全系数要求，证明该方案能够达到滑坡治理稳定性要求。

从治理方案的总位移云图（见图6）我们可以看出，采取治理方案之后，最大位移虽出现在坡体后缘，但整体位移量较采取方案前大幅度降低，证明治理方案对该滑坡治理效果明显。

图6 治理方案位移云图

从治理方案剪应变云图（见图7）可以看出，采取治理方案后，滑坡最大剪应变主要出现在抗滑桩桩后附近，与采取方案之前相比，剪应变值明显减小，并且不再出现贯通，证明该治理方案加固效果较好，治理方案可行。

图7 治理方案剪应变云图

6 结论

本研究主要借助于Midas GTS / NX 有限元模拟软件，对滑坡在天然工况和饱和工况分别模拟分析，得出天然状态下滑坡的稳定系数为1.024 3，饱和工况下的稳定系数为0.857 6。从模拟结果分析来看，滑坡从天然状态过渡到饱和状态的过程中，滑坡整体位移量逐渐增大，并且坡体内部逐渐形成贯通的滑面；在采取治理方案后，受前部抗滑桩支撑，滑坡位移量得到明显控制，且不再形成贯通滑面，滑坡稳定性系数增大，能够满足规范治理安全系数要求，该治理方案是可行的。通过Midas GTS / NX 有限元模拟软件能够较快速准确对滑坡不同状态下的稳定性进行快速分析判断，并且能够有效的对治理方案的治理效果进行比对分析，为相关工程提供一定的借鉴。