基于Flac3D 的某土质边坡稳定性分析

潘长胜PAN Chang-sheng

（广州市城市规划勘测设计研究院，广州 510060；广东省城市感知与监测预警企业重点实验室，广州 510060）

0 引言

滑坡作为一种常见的地质灾害在我国频繁发生并且分布广泛，不仅破坏基础设施，影响各工程的施工与建设，还阻碍国家的经济建设与发展进程，并对人民群众的生命财产安全造成严重的影响。滑坡地质灾害如果处理不及时，将会造成一定的设施破坏、财产损失甚至是人员的伤亡[1-3]。因此，研究分析滑坡地质灾害的成因和机理及滑坡的防治措施等一直是工程地质领域的热点问题。

瞬时暴雨或长期降雨等条件下诱发滑坡是土质边坡中最容易发生的类型[4]。针对降雨条件下的边坡稳定性，众多学者主要从多个方面进行了相关的研究。目前边坡稳定性分析评价的主要方法是极限平衡法和数值模拟法。数值模拟分析方法包括有限单元法、有限差分法、离散单元法等。李安润等[5]通过极限平衡法和有限元数值分析方法，对降雨条件下某堆积体边坡进行了稳定性分析，并提出了合理的防治措施。Chang 等[6]采用PFC 数值模拟软件分析研究了某黄土滑坡在地表水入渗条件下边坡的失稳破坏过程。回恒酉等[7]采用传统极限平衡理论的条分法和数值模拟的Flac3D 方法进行对比分析，得出Flac3D法分析条件更加完善，在理论上更加可靠，而条分法计算理论理想化，计算结果偏保守的结论。李振江等[8]通过GeoStudio 软件对暴雨工况下的南京某下蜀土滑坡进行了模拟分析，研究了暴雨条件下边坡的孔隙水压力和位移变化，并对应急治理措施进行了检验分析。张树轩等[9]利用Flac3D 模拟分析了甘肃天水红旗山黄土滑坡的稳定性，为潜在强震区地震滑坡的变形机理及防震减灾研究提供了可靠依据。

Flac3D 数值模拟法是近年来比较流行的边坡稳定性计算分析方法，主要应用于土质滑坡，在岩质滑坡方面，相对应用较少。本文以江苏西南部一土质边坡为研究对象，结合现场监测数据，采用Flac3D 软件对边坡进行稳定性评价及变形破坏机理分析，为滑坡防治提供参考。

1 工程概况

1.1 边坡基本特征

江苏省西南部某一典型土质边坡现状如图1 所示。研究区位于某东侧山麓处，属于构造剥蚀低山丘陵区。人类工程活动对原始地形地貌的改造较强烈，地质环境也发生了不同程度的改变，坡体的稳定性长期受到不利的影响。该边坡总体地势西高东低，整体坡向75°，整体高差约39m，自然坡度约22°。边坡基岩岩性为侏罗系中下统象山群石英砂岩，岩层产状为155°∠25°，岩体呈中薄层状，结构面主要发育两组25°∠75°，87°∠85°，岩体强风化～中风化，属软岩～较坚硬岩，岩体破碎～较完整，工程岩体分级为Ⅴ～Ⅲ级。基岩覆盖层为素填土和下蜀组粉质黏土，素填土层厚度2.3～4.1m，平均厚度3.2m，下蜀组粉质黏土厚度0.8～1.3m，平均厚度6.9m。

图1 研究区域现状

由于降雨的影响，该边坡局部坡段发生了滑坡地质灾害，导致坡脚部分挡墙及砖砌围墙产生变形破坏，此外由于工程切坡作用，破坏了坡体原有的稳定状态，形成了新的滑坡地质灾害隐患，对辖区内的居民群众、建筑物造成了严重的安全威胁。主要研究的潜在滑坡如图2 所示。

图2 潜在滑坡

1.2 滑坡变形破坏机理分析

根据现场调查结果可知，主要研究区域潜在滑坡主要为下蜀组土质滑坡灾害。构造剥蚀低山丘陵地貌，地形起伏较大，是产生滑坡的有利地形。由于工程建设，对其西侧边坡进行了切坡处理，切坡高差约5.1～8.5m，坡脚坡度陡立，为滑坡提供了临空面条件；边坡表层土体主要为素填土及下蜀组粉质黏土，一般为可塑-硬塑，多具有一定的胀缩性，垂直节理裂隙发育，地表土体结构松散，有利于降雨入渗；雨水的入渗劣化上部土体的物理力学性质，使土体含水量增高、重度增大、土体强度减弱，造成边坡土体软化，从而造成滑坡地质灾害的发生。同时裂隙充水使斜坡受到静水压力作用，使斜坡增加一个向着临空面的侧向推力，诱发滑坡；连续降雨入渗补给后形成地下水并向斜坡下方渗流，由于水力梯度的作用，会对斜坡产生动水压力，其方向与渗流方向一致，指向临空面，对斜坡稳定不利。

从外部因素方面来看，研究山体坡脚处的人类工程活动，对坡脚进行人工开挖，改变了原始的地形形态，破坏了边坡原有的稳定状态，为加坡体发生滑动变形增加了可能性。

通过现场调查以及室内综合分析，研究滑坡为牵引式土质滑坡，坡体上部的粉质黏土层遇水后膨胀饱和，重度增加，强度降低，抗滑力减弱，导致坡体软化变形，坡体易沿贯通滑动面在坡脚剪出，形成滑坡。滑坡体潜在滑动面为圆弧形。

2 边坡模型建立

本次数值模拟采用Flac3D 模拟软件进行分析。通过AutoCAD、Ansys 等软件进行边坡数值计算模型的建立和网格的划分，将建好的模型通过接口导入到Flac3D 中进行计算分析。边坡的计算模型如图3 所示，模型长60m，宽45m，坡顶最高处高程29m，坡脚最低处高程约13m，底面高程0m。下层基岩为石英砂岩，上覆土层为下蜀组粉质黏土。

图3 边坡模型

3 边坡稳定性分析

边坡的稳定性计算采用摩尔-库伦模型，基于强度折减法，计算边坡在自重工况和暴雨工况下的稳定性系数，并根据滑坡位移分析滑坡变形破坏机理。

3.1 自重工况

通过野外钻探取样、室内直剪试验的方法得到模型中岩土材料基本物理力学参数，再根据前人资料、勘察数据和经验类比综合确定计算所涉及的参数。自重工况下计算模型中各层岩土体的物理力学参数具体见表1。

表1 自重工况边坡稳定性计算参数

图4 为研究边坡在自重条件下的总位移云图，由图可知，边坡在自重工况下稳定系数为1.36，处于稳定状态，边坡最大位移为5.83cm，最大位移发生在坡体表层右侧中下部，与实际情况（图2 潜在滑坡）相符。潜在滑动面位于土体内部，为圆弧形滑动。潜在滑动面上粉质黏土受剪应力作用，发生剪切破坏；潜在滑动面上部土体主要受张拉应力作用，发生拉张破坏，局部可能发生应力集中，促使拉裂缝的产生，为边坡沿潜在滑动面滑动创造了更有利的条件。

图4 自重工况下边坡位移云图

3.2 暴雨工况

暴雨工况下模拟采用岩土体饱和参数，计算模型中各岩土体物理力学参数表如表2 所示。

表2 暴雨工况边坡稳定性计算参数

暴雨工况下，边坡稳定性分析总位移云图如图5 所示。由图5 可知，边坡在自重工况下稳定系数为0.97，处于不稳定状态，边坡最大位移为12.75cm，最大位移仍发生在坡体表层右侧中下部。对比自重工况下可以发现：暴雨工况下，边坡稳定性大幅降低，边坡滑动位移明显增大，滑动范围也更广。边坡受降雨影响，下蜀组粉质黏土抗剪强度降低，坡体饱水、自重增大，下滑力和抗滑力发生改变，影响边坡稳定性。与自重工况下相同，潜在滑动面上粉质黏土主要受剪应力作用，发生剪切破坏；潜在滑动面上部土体受张拉应力作用、发生应力集中现象明显，促使拉裂缝的产生。同时拉裂缝作为雨水下渗的通道，随着时间改变越来越大，联通程度也越来也高，造成边坡沿潜在滑动面滑动，增加了边坡的不稳定性。

图5 暴雨工况下边坡位移云图

4 边坡监测位移分析

图6 为滑坡2022 年J1、J2、J3 监测点位移值统计图，从图6 可以看出，位于坡体中部的J1 点位移值最大，最大位移值为11.6cm。而位于坡体中上部的监测点J2 和位于坡体中下部的监测点J3 的最大位移值相对较小。

图6 边坡监测数据统计

与Flac3D 计算结果结果相对比可以发现，数值模拟计算结果与现场监测得到的数据具有较好的一致性，相同部位的位移值相差不大，数值模拟结果可靠。根据位移值变化趋势可以发现，6 月、7 月、8 月份是坡体位移值上升最快的时间段，这3 个月雨水相对较多，雨水是造成坡体加速滑移的最大因素，因此暴雨工况下坡体位移值最大。

5 结论

以江苏西南部某土质边坡为研究对象，结合现场监测数据，采用Flac3D 数值模拟法进行稳定性评价及变形破坏机理分析，得到以下结论：

①研究边坡为典型的下蜀组土质滑坡，受工程建设对坡脚的开挖等影响，边坡坡面较陡立，为坡体的滑动破坏提供了临空面和剪出口，存在滑坡地质灾害隐患。

②通过Flac3D 数值模拟软件计算分析得出：在天然情况下边坡处于稳定状态，受暴雨作用后，位移值由天然情况下的5.83cm 增大至12.75cm，滑坡稳定性系数同时显著降低至0.98，边坡处于不稳定状态，需要进行加固治理，滑坡防治需着重考虑雨水对坡体的影响。

③将监测数据与数值模拟结果相对比发现，数值模拟计算结果与现场监测得到的数据具有较好的一致性，相同部位的位移值相差不大，雨水爆发的季节滑坡发生滑移的几率更高，数值模拟分析结果可靠。

④建议对该边坡采用削坡减载、锚杆格构梁加固并进行坡面绿化以及布设截排水沟等措施进行加固治理。