强震区高边坡稳定性及支护方案的数值模拟探讨

蒋炳林

摘要：针对出现的滑坡现象，应用FLAC3D数值模拟软件对边坡进行稳定性分析，并提出了相应的处理措施。结果表明：滑坡高度为6～20 m时，边坡稳定性最差；在强地震作用下，滑体安全系数基本保持不变，但塑性区范围较大，坡脚附近有局部拉裂破坏的迹象；在滑坡前缘与坡顶交界处的拉裂区内存在拉裂破坏的潜在滑动面。根据边坡治理的原则，提出了滑体表面锚杆加预应力混凝土护坡、坡脚喷混凝土、坡内锚索和抗滑桩加固措施。参数的选取直接影响到计算结果的准确性，不同的计算模型需要的参数也不相同。关键词：高烈度   高边坡    稳定性分析  数值模拟  边坡治理

Discussion on the Numerical Simulation of the Stability of High Slopes and Support Schemes in Strong Seismic Areas

JIANG  Binglin

（PowerChina Chongqing Engineering Co.， Ltd.， Chongqing， 400060 China）

Abstract： In response to the landslide phenomenon， FLAC3D numerical simulation software is applied to analyze the stability of the slope， and corresponding treatment measures are proposed. The results show that slope stability is the worst when the height of the landslide is 6～20m， that under the action of strong earthquakes， the safety factor of the slid mass remains basically unchanged， but the plastic zone is relatively large， and there are the signs of local tensile failure near the slope toe， and that there is a potential sliding surface for tensile failure in the tensile fracture zone at the junction of the front edge of the landslide and the slope top. According to the principles of slope treatment， this paper proposes the measures of combining the surface anchor with prestressed concrete slope protection in the slid mass， spraying concrete at the slope toe， using anchor cables inside the slope and reinforcing by anti-slip piles. The selection of parameters directly affects the accuracy of calculation results， and different calculation models require different parameters.

Key Words： High intensity; High slope; Stability analysis; Numerical simulation; Slope treatment

基于数值模拟，分析地震对高边坡稳定性的影响，本文将采用FLAC3D对高边坡进行稳定性分析。主要考虑以下几个因素：（1）地震荷载取为三十年一遇水平向加速度峰值为0.75 g，垂直向加速度峰值为0.20 g；（2）计算区域长约100 m，宽约60 m，高约30 m；（3）模型范围内主要为三个断层（F14、F11、F12）和五个潜在滑动面。为了保证计算结果的准确性，采用二维模型进行分析。地震荷载取为三十年一遇水平向加速度峰值为0.75g，垂直向加速度峰值为0.20 g；为了更好地模拟地震作用下边坡的位移，选取了一个正弦曲线模拟地震波的传播。分别是：（1）设计基准期百年一遇水平向加速度峰值为0.75g；（2）设计基准期两百年一遇垂直向加速度峰值为0.20 g；（3）设计基准期300年一遇水平向加速度峰值为0.20 g；（4）设计基准期四百年一遇垂直向加速度峰值为0.10 g；（5）设计基准期五百年一遇水平向加速度峰值为0.10 g；（6）设计基准期千年一遇垂直向加速度峰值为0.20 g；（7）设计基准期两百年一遇水平向加速度峰值为0.20 g；（8）设计基准期三百年一遇水平向加速度峰值为0.10 g。

1.计算模型

1.1参数选取

在这里主要介绍两种常用的计算参数选取方法。一是根据实际工程进行参数敏感性分析，以确定敏感参数的取值范围。该方法以工程勘察资料为基础，通过工程勘察试验，分析对参数变化敏感的因素及其敏感性大小，确定各因素敏感性的强度值该方法基于经验统计方法得到各因素敏感性程度的值，通过选取合适的敏感性系数作为设计准则，从而确定参数取值范围。但这种方法存在着计算工作量大、过程复杂等问题。二是根据岩土工程分类进行参数取值，采用类比分析法和類比法。通过大量工程实例的计算分析，获得与实际工程情况相符合的安全系数与可靠度指标，为实际工程设计提供可靠依据。本文采用第二种方法进行参数取值范围确定。选取两种不同模型进行计算对比分析，考虑到地质条件和工程条件相似度较高，采用类比法确定模型参数取值范围，建立了两组不同模型进行数值模拟分析^[1-2]。

1.3模拟结果分析

结合具体工程，在FLAC3D中建立典型的三维模型，选取了不同地震波作用下的边坡模型进行数值模拟分析。首先，计算了边坡在不同地震波作用下的位移和应力。根据计算结果，可以得到以下结论：（1）随着地震波峰值加速度的增加，边坡的水平位移和竖向位移均增大，尤其是边坡中部位置，水平位移变化最为明显；（2）边坡在不同地震波作用下的应力变化规律一致，即在边坡中部位置，随着地震波峰值加速度的增加，边坡的水平和竖向应力均增大；（3）由计算结果可以得出，边坡在不同地震波作用下的稳定性系数和安全系数均随着锚索长度的增加而增大。因此，在工程设计中应根据边坡在地震波作用下稳定性系数和安全系数来确定锚索的长度。随着地震波峰值加速度的增加，边坡稳定性系数和安全系数均呈现先增大后减小的趋势。

2数值模拟计算方案

根据现场情况，本次研究的滑坡位于电厂预留区右侧边坡，距边坡5～10 m。该滑坡为一个平面滑动的顺层坡，由一条或数条与电厂预留区并行的古滑坡和一条顺坡向河流下切的陡坎组成，滑面向河流方向倾斜约30°。滑坡的主要物质为粉质黏土，厚度约15 m。滑体物质成分为泥岩、砂岩和页岩，本次研究选取了三种不同工况进行计算分析，即地震工况、正常工况和加固治理方案。

2.1 地震工况

本次三个地震波的加速度幅值分别为15 m/s、20 m/s和30 m/s。为了能够真实地反映实际情况，模型采用了完全比例的二维模型进行计算，其几何尺寸为长200 m、宽120 m、高80 m，并采用了三维网格。根据地形起伏情况和相对高度，设定模型整体呈非对称形态。整个模型在横向上以50°～60°倾斜角向下延伸约100 m，且横向坡度在10～15°之间变化。在纵向上以5°～20°的坡度向上延伸约300 m。模型采用平面应变模型，考虑到地震波的传播衰减规律以及土体材料的各向异性特点，采用三维非线性有限元分析模型进行模拟计算。该模型共划分1 001个单元，约有6 606個节点；其中805个单元用于模拟岩土材料，2 810个节点用于模拟边坡的力学响应。在模型底部设置了一层厚为0.3 m的黏土层模拟黏性土。

2.2 正常工况

将该边坡按正常的路堤断面进行处理，并假设其为均匀、稳定的岩土介质。根据计算目的和计算参数确定该边坡正常工况下的边界条件。（1）滑坡边界条件为平面应变和无厚度约束。（2）滑动面约束条件：对滑坡前缘与坡顶交界处的拉裂区内存在拉裂破坏的潜在滑动面进行约束。（3）滑体边界条件：采用全自由度、无厚度约束和黏弹性本构关系模拟滑体。（4）计算模型单元尺寸。长宽分别为200 m、100 m、50 m、30 m，在X方向上取长度为50 m的矩形单元进行计算；Y方向上取长度为100 m的矩形单元进行计算；Z方向上取长度为50 m的矩形单元进行计算。（5）岩土材料本构关系：采用Mohr-Coulomb屈服准则和Mohr-Coulomb破坏准则；采用摩尔-库仑屈服准则；采用应力-应变关系和屈服函数。

2.3 加固治理方案

为了使滑坡处于稳定状态，根据地质勘察资料，将滑坡后缘坡度设定为30°～40°，边坡角控制在10°～15°之间。根据不同边坡的实际情况和不同部位的工程地质条件，提出了不同的处理措施。对于滑坡前缘与坡顶交界处以及滑坡后缘与坡脚交界处等潜在滑动面可能滑动的部位可以采用坡顶锚索和抗滑桩加固。具体采用哪种处理措施由工程实际情况决定。

（1）表面锚杆加预应力混凝土护坡。在滑体前缘与坡顶交界处及后缘均设置锚杆加预应力混凝土护坡，并对坡脚进行喷护，喷浆厚度为20 cm，锚固长度为5 m。（2）坡内锚索。在滑体中部设置总长度为15 m的锚索进行加固，其中锚固端长度5 m、锚孔直径为250 mm。（3）预应力混凝土护坡：在滑坡后缘与坡顶交界处的拉裂区内设置预应力混凝土护坡，其厚度为20 cm，预应力钢筋混凝土强度C30。（4）坡脚喷混凝土。在滑坡后缘与坡顶交界处及前缘设置喷射混凝土进行加固^[3-4]。

3计算模型及参数

（1）模型边界条件的模拟采用平面应变模型，沿X、Y方向取20 m×20 m。X、Y方向位移均采用自由场边界。（2）计算参数的确定选用岩土工程中常用的强度折减法，根据现场调查，取K5+900～K5+800处滑坡的计算剖面。边坡的基本参数如下：①滑面采用1/3倍边坡高度，滑面向内折减20 m，折减系数为1.2，坡角为25°；②滑体自重1 260 kN/m，滑带土自重1 020 kN/m，基岩自重1 100 kN/m；③设置2.5 m×2.5 m的钢筋混凝土格构护坡，格构内设置Ф8@200 mm单层双向钢筋网片，喷100 mm厚细石混凝土作为抗滑体，并考虑坡脚设置抗滑桩；④滑面以下的土体采用Mohr-Coulomb准则；⑤滑带土采用剪切试验确定黏聚力c=10 MPa，内摩擦角φ=30°。（3）模型单元的划分由于滑体变形破坏主要是由坡面变形、滑体内部变形和上部荷载引起的，因此滑体单元应为平面应变单元。由于受施工条件限制，在滑面以下土体的各层水平位移为1 m，在边坡中部取水平位移为2 m的折减系数。具体计算时采用平面应变模型，对模型单元网格进行加密处理。（4）由于此次模型计算区域范围较大，采用非连续变形分析方法对模型进行网格划分。将每个单元划分为一系列长度为2 m、宽度为1 m的小矩形网格，并在每个网格中布置2个节点。在每个节点上放置一块质量为1×10⁴ N的弹性板。用2个自由度来描述整体结构的运动，并假设各个单元之间完全刚性连接。（5）在模型边界上设置了四个监测点：①在坡顶设置一个监测点；②在坡面设置两个监测点；③在滑体前缘处设置一个监测点；④在坡脚位置处设置一个监测点。（6）地震波的输入按照《公路路基设计规范》（JTGD30-2015）中关于边坡地震作用效应的规定，输入为纵波和横波速度，时间步长为5 s，加速度峰值分别为0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g、0.5 g、0.6 g、0.7 g和0.8 g。地震烈度为Ⅵ度区时，地震烈度为Ⅶ度。（7）土体材料的参数采用《岩土工程勘察规范》（GB 50021-2001）中推荐的黏聚力c=10 MPa、内摩擦角φ=30°和强度折减法计算得到的强度折减系数c=1.5，弹性模量E=35 GPa。由于工程中常用的土体材料参数很难取得，因此本次模拟所用土体参数取值如下：①黏聚力c=10 MPa；②内摩擦角φ=30°；③强度折减法计算得到的强度折减系数c=1.5；④用弹塑性有限元软件ANSYS计算得到的黏聚力为1.35 MPa。

4计算结果分析

计算模型水平加速度峰值为5 m/s²，并取三次地震中的加速度峰值为5 m/s²，得到各工况的安全系数为1.15～1.30，在整个计算过程中，边坡的安全系数均大于1，说明该边坡基本稳定，但是塑性区范围较大，坡脚附近有局部拉裂破坏的迹象。在计算过程中发现，边坡滑移线由坡顶向下呈W型分布；在坡顶、坡底存在局部拉裂区。这与地震过程中发生的山体滑坡有类似之处。因此，在计算过程中可以认为，坡顶存在潜在滑动面。在整个计算过程中，最危险的工况是在第二工况（即地震作用下）。边坡在第二工况下发生了局部滑动现象；但是整个滑面都没有出现拉裂破坏的迹象。边坡的稳定性随着计算时间的增加而不断降低。随着计算时间的增加，边坡处于不稳定状态。边坡在地震作用下发生局部拉裂破坏现象时，随着时间的延长而逐渐趋于稳定。因此可以认为该边坡是安全穩定的^[5]。

5边坡支护方案分析

根据边坡变形破坏特征及设计要求，提出如下边坡治理措施。

（1）滑坡前缘及滑面采用表面锚杆加预应力混凝土护坡，坡顶与坡脚采用喷混凝土，坡面采用锚杆和预应力锚索进行加固；（2）滑坡中前部坡脚设置抗滑桩，并在前缘后缘设置抗滑桩，桩断面为1.4 m×1.8 m，桩长为10 m，抗滑桩采用C30混凝土。

根据设计要求，结合数值模拟分析结果，提出的边坡治理措施如下。

（1）表面锚杆加预应力混凝土护坡。将滑体表面锚杆和预应力混凝土护坡结合起来，锚杆位于滑体表面上，并布置于坡面上。这种措施可在一定程度上减少滑坡的破坏范围和高度。（2）坡脚喷混凝土。坡脚采用喷混凝土来加固，既能起到防渗水的作用，又能增加边坡的稳定性。这种方法可使锚固体与滑体直接接触，从而起到较好的支挡效果。（3）抗滑桩。采用抗滑桩加固边坡是一种行之有效的方法，其作用主要是利用抗滑桩对边坡的变形起到约束作用。抗滑桩通常布置在边坡前缘的滑动面以下一定深度处，它可以限制滑动面的滑动方向和变形程度，提高边坡的稳定性。

在治理过程中要注意：（1）由于该滑坡为坡面滑动和前缘后缘拉裂破坏，故应将锚杆、锚索、抗滑桩和坡脚混凝土等作为主要治理措施；（2）边坡应尽量减小变形破坏范围；（3）在锚固时应注意预应力施加的位置和方式；（4）施工过程中应加强对锚杆、锚索以及坡脚混凝土的养护工作。

5.1模型建立

本次模型计算参数取自《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）和《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011），对边坡的几何尺寸、材料属性、物理力学参数等均按实际工程情况选取，考虑到模型边界条件为自由边界，并考虑了地震荷载作用。由于计算的目的是确定边坡稳定性，因此对于模型的几何形状、边界条件、岩土体参数等均没有作特殊要求，但为了反映实际情况，保证计算结果的可靠性，将边坡岩土体简化为均质、各向同性、弹性层状介质。根据边坡的变形破坏特征和设计要求，建立的数值模拟模型为平面应变模型，其中滑面以上岩土体采用实体单元模拟，滑面以下岩土体采用线单元模拟。数值模拟采用岩土单元来模拟边坡中的岩土体；模型的边界条件为自由边界，在滑面上施加水平向约束；为了使计算结果更加符合实际情况，模型中加入了滑面以下岩土体的抗剪强度参数。

5.2计算参数

（1）岩土物理力学参数：①边坡主要岩性为页岩，属细粒结构，属于软弱岩石，岩土力学性质较好；②边坡岩土体物理力学参数取值范围。（2）结构面参数：根据边坡变形破坏特征，结合边坡稳定性分析评价的要求，边坡中后部的滑体滑动面一般为层间软弱带或局部弱面，滑体强度一般较低，且具有一定的塑性，故采用等效厚度为10 m的等效连续介质模型。（3）地形、地质参数：①边坡岩土体物理力学性质指标；②地形地貌参数。（4）模型边界条件：①边坡前缘为自由面，后缘为约束面；②计算模型及计算区域设置。（5）地震动参数：在地震荷载作用下，考虑到边坡后缘的岩体强度较低，因此在计算过程中采用天然地震烈度进行模拟。根据地震影响区划图和滑坡分区图确定边坡地震反应的影响因素及特征^[6]。

5.3边坡治理建议

根据工程地质条件和边坡破坏特征，对边坡设计治理提出以下几点建议。（1）对于本工程中的滑坡，应考虑以排水、锚固等措施为主，结合必要的防护措施，以控制滑坡体的变形与破坏；对位于滑坡体后部的局部地段，应以局部处置为主；对于滑坡前缘及坡面，在进行整治时要尽量减少对边坡稳定性影响较大的不利因素。（2）在本工程中，采用预应力锚索进行加固时，应根据具体情况设计锚索长度、张拉范围等；在设计锚索时要考虑到锚固段与坡体的接触状态及预应力的施加方法，使锚固效果更加有效。（3）在本工程中，抗滑桩是主要的支挡结构物，其布置位置应根据现场具体情况合理布置。由于该边坡为强震区高边坡面滑移破坏，故应对抗滑桩进行合理验算，使其能充分发挥抗滑作用。（4）在本工程中，边坡是以滑移为主的变形破坏，故要注意排水、锚固等措施对边坡稳定性的影响，同时要加强对坡面的防护工作。（5）在本工程中，应加强对边坡监测工作，对监测数据进行及时分析，以便采取有效措施提高边坡的稳定性。同时还要注意在施工过程中应加强对锚杆、锚索以及坡脚混凝土的养护工作。

6结语

本文基于FLAC3D的数值模拟方法，对典型高边坡在不同地震烈度作用下的稳定性进行了分析，结果表明：随着地震烈度的升高，高边坡的稳定性降低，其中在地震烈度为7度时，边坡稳定性最差；在强震区高边坡中，滑坡前缘与坡顶交界处的拉裂区内存在拉裂破坏的潜在滑动面。该潜在滑动面可能是由于地震波在滑坡前缘与坡顶交界处产生反射而形成的，并且在地震作用下产生位移。这一潜在滑动面的存在对边坡稳定不利。另外，建议在治理过程中注意对周围环境的保护，避免地震波造成的次生灾害。同时在强地震作用下应加强观测工作，为边坡治理提供依据。

参考文献

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