基于FLAC3D的高海拔環(huán)境下降雨對(duì)公路沿線山體崩塌的影響研究

摘 要：崩塌是西藏自治區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的主要災(zāi)種之一，隨著雨季的時(shí)間和降雨量增加，崩塌發(fā)生的可能性也會(huì)隨之增加。選取東經(jīng)90°52′51.9″，北緯29°42′8.2″處的崩塌點(diǎn)作為文章的主要研究對(duì)象，在基于FLAC3D建立仿真模型，運(yùn)用動(dòng)力計(jì)算得出邊坡的位移量，分析山體在雨季時(shí)的穩(wěn)定性，在降雨量達(dá)到500mm時(shí)，山體會(huì)發(fā)生變形并產(chǎn)生崩塌。

關(guān)鍵詞：崩塌；降雨量；FLAC3D技術(shù)；穩(wěn)定性

引言

西藏拉薩境內(nèi)處于高寒高海拔地區(qū)，氣候條件惡劣，加之河谷兩側(cè)山體高峻陡峭，山體的風(fēng)化十分嚴(yán)重，加之拉薩雨季的降雨，從而形成了山體的崩塌。[1]G109拉薩至羊八井公路段沿線山體邊坡，體積較大，植被少，穩(wěn)定性差，極易發(fā)生崩塌災(zāi)害。[2]文章選取G109拉薩至羊八井路段進(jìn)行考察，共發(fā)現(xiàn)10余處崩塌。這些災(zāi)害會(huì)對(duì)周圍的交通、建筑物、農(nóng)田以及人類正常生活造成巨大威脅。

日本學(xué)者齋騰在20世紀(jì)60年代提出的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)公式，可作為崩塌預(yù)報(bào)研究工作的起點(diǎn)。我國(guó)國(guó)內(nèi)1996年李天斌和陳明東提出了V氏反函數(shù)模型，1997年黃潤(rùn)秋和許強(qiáng)提出了協(xié)同預(yù)報(bào)模型，取得了重要進(jìn)展。但是我國(guó)對(duì)于崩塌的預(yù)警研究在高海拔地區(qū)還未得到推廣和普及。[3-6]文章選取G109拉薩至羊八井路段的崩塌點(diǎn)為研究背景，通過FLAC3D對(duì)崩塌點(diǎn)在高海拔降雨條件下分析山體的穩(wěn)定性，可以得到邊坡變形、位移矢量圖、從而對(duì)邊坡的滑動(dòng)趨勢(shì)和變形情況作出逼真的模擬并且對(duì)邊坡的變形作出準(zhǔn)確的判斷。[7]

1 地質(zhì)條件

G109為進(jìn)藏公路中的主動(dòng)脈，是世界上海拔最高、線路最長(zhǎng)的柏油公路，也是目前通往西藏路程最短的公路。其中拉薩至羊八井公路段全線長(zhǎng)為85.1Km，位于西藏東南部，是連接拉薩與羊八井的重要交通樞紐，由于位于高寒高海拔地區(qū)，氣候條件惡劣，公路一側(cè)山體地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂構(gòu)造和節(jié)理褶皺發(fā)育，巖體的風(fēng)化強(qiáng)烈，大量的松散堆積層廣泛覆蓋于斜坡的凹陷部位，加之受大氣、周圍地區(qū)地震以及人類活動(dòng)影響等因素影響，對(duì)G109構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，沿線山體的穩(wěn)定性差，如遇強(qiáng)降雨降水極有可能會(huì)引發(fā)崩塌，進(jìn)而導(dǎo)致災(zāi)難的發(fā)生。[8]

1.1 氣象條件

G109拉薩至羊八井路段屬于高原溫帶干旱季風(fēng)氣候，以空氣稀薄、干燥缺氧、陽光充足、低溫寒冷，日溫差大為特征。夏季多雨，雨季集中在6-9月份，年平均降水量為200-650mm，年最大降水量796.6mm。[9]據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2011-01-01到2015-10-01，拉薩共出現(xiàn)：多云813天，雨527天，晴254天，雪73天，陰8天；羊八井所在的當(dāng)雄縣共出現(xiàn)：多云798天，雨445天，雪229天，晴175天，陰13天。降雨天數(shù)占的比例是31.46%、26.57%，由此可見降雨對(duì)山體的穩(wěn)定性有著不可忽視的影響。

1.2 地形地貌

G109拉薩至羊八井段是高山河谷地貌，地處青藏高原中南部、喜馬拉雅山脈北側(cè)，地處雅魯藏布江支流拉薩河中游河谷平原屬于藏南山原湖盆骨地區(qū)，沿線山地海拔多在4000米以上，線上越向西，海拔越高，山勢(shì)陡峻，河谷深切，多呈“V”字形分布。[10]

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

G109拉薩至羊八井處于岡底斯-念青唐古拉板片中段，岡底斯陸緣火山-巖漿弧中部。該地域在石炭紀(jì)-早二疊世為古特提斯活動(dòng)邊緣海，晚二疊世為陸棚淺海盆底環(huán)境，三疊紀(jì)末為楔形大洋，侏羅紀(jì)為火山島弧，侏羅紀(jì)末期至早白堊紀(jì)早期為濱淺海、沼澤，晚白堊世逐漸抬升為陸，上新世隨青藏高原而隆升。[11]堆龍德慶縣境內(nèi)的構(gòu)造單元以邱桑斷層為界，分為德慶鄉(xiāng)斷隆構(gòu)造帶和堆龍弧內(nèi)盆地構(gòu)造帶兩大部分。境內(nèi)地層屬拉薩地層分區(qū)，出露有石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、第三系和第四系地層。境內(nèi)火山活動(dòng)強(qiáng)烈且頻繁，巖漿巖分布面積較廣，主要有火山巖和侵入巖。

1.4 影響邊坡穩(wěn)定性的因素

崩塌的發(fā)生是其內(nèi)因和外因綜合作用的結(jié)果，除了巖土類型、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌等內(nèi)因外，還有就是地震；融雪、降雨；地表沖刷、浸泡和不合理的人類活動(dòng)等外因有關(guān)。其中降雨因素尤其明顯，特別是大暴雨，暴雨和長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)降雨，使地表水滲入坡體，軟化巖土及其中軟弱面，產(chǎn)生孔隙水壓力等從而誘發(fā)崩塌。[12]

2 模型的建立

在G109拉薩至羊八井的路段中，崩塌的山體的巖性為花崗巖，所以在文章中我們主要研究花崗巖巖性的易崩塌山體。在G109東經(jīng)90°52′51.9″，北緯29°42′8.2″處選取一個(gè)易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的崩塌點(diǎn)，經(jīng)實(shí)地考察此段邊坡橫長(zhǎng)50m，縱寬200m-300m，面積約為4880m2，實(shí)圖如圖1。在不考慮地下水和爆破及天然地震等外界條件的情況下，創(chuàng)建出的模型共劃分結(jié)點(diǎn)123670個(gè)，單元135468個(gè)，采用八節(jié)點(diǎn)等參四邊形單元，經(jīng)程序計(jì)算得到的離散數(shù)據(jù)、可得到計(jì)算模型的位移和穩(wěn)定系數(shù)。創(chuàng)建出的模型如圖2所示，花崗巖的具體巖體參數(shù)詳見表1。

3 穩(wěn)定性計(jì)算分析

3.1 計(jì)算方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》（DB50/143-2003）中對(duì)崩塌的分類，此處崩塌屬于后緣有陡傾裂隙、滑面緩傾的滑移式崩塌。所以，應(yīng)采用公式（1）計(jì)算穩(wěn)定性。

Q-地震力（KN/m），按公式Q=？孜e×W確定，式中地震水平作用系數(shù)？孜e取0.05；

K-危巖穩(wěn)定性系數(shù)；

c-后緣裂隙粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值（KPa）；當(dāng)裂隙未貫通時(shí)，取貫通段和未貫通段粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值按長(zhǎng)度加權(quán)和加權(quán)平均值，未貫通段粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值取巖石粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值的0.4倍；

？準(zhǔn)-后緣裂隙內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值（KPa）；當(dāng)裂隙未貫通時(shí)，取貫通段和未貫通段內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值按長(zhǎng)度加權(quán)和加權(quán)平均值，未貫通段內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值取巖石內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值的0.95倍；

？茲-軟弱結(jié)構(gòu)面傾角（°），外傾取正，內(nèi)傾取負(fù)；

W-危巖體自重（KN/m3）。

Kf為穩(wěn)定系數(shù)。

3.2 穩(wěn)定性判斷結(jié)果

根據(jù)公式（1）得出穩(wěn)定系數(shù)如表2所示。

3.3 數(shù)值模擬分析

利用三維有限差軟件FLAC3D對(duì)崩塌進(jìn)行數(shù)值模擬，為了數(shù)值模擬的結(jié)果更加準(zhǔn)確、實(shí)際，文章數(shù)值模擬了以下四種條件下滑坡體的穩(wěn)定情況：組合一：天然條件，荷載組合為自重+天然狀態(tài)孔隙水壓力；組合二：降雨達(dá)到250mm的條件，荷載組合為自重+暴雨?duì)顟B(tài)孔隙水壓力；組合三：降雨達(dá)到500mm的條件，荷載組合為自重+暴雨?duì)顟B(tài)孔隙水壓力，組合的位移圖3中的（a）、（b）、（c）所示。

由圖3可見，當(dāng)降雨量逐漸增加，山體的位移也隨之增大，表明山體已經(jīng)出現(xiàn)破壞并失去穩(wěn)定，由此可以得出，降雨量越大，裂隙就越大，山體的位移也就越大，直至出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

通過對(duì)災(zāi)害區(qū)域野外勘查、理論分析并通過FLAC3D數(shù)值模擬得出以下結(jié)論：（1）邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果為山體在靜止孔隙水壓力增大條件下處于滑動(dòng)狀態(tài)。（2）現(xiàn)場(chǎng)勘查和穩(wěn)定性計(jì)算表明，山體在天然條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是在持續(xù)降雨和暴雨?duì)顟B(tài)下，穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備較低，山體可能會(huì)失穩(wěn)而產(chǎn)生崩塌，而且在地下水和爆破及天然地震等外界條件的作用下，山體的穩(wěn)定性會(huì)更低。因此，應(yīng)該對(duì)該山體進(jìn)行一定的加固和防治措施，這樣才能避免災(zāi)害的發(fā)生。

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作者簡(jiǎn)介：斯朗擁宗（1980-），女，研究方向?yàn)樾崩瓨騽?dòng)力特性分析。

*通信作者：田榮燕（1980-），女，漢族，講師，碩士，道路工程。