基于FLAC3D數值分析在滑坡穩定性評價中的應用

左曉峰，楊 鵬

（1.西安科技大學地質與環境學院，陜西 西安 710054；2.中國有色金屬工業西安勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710054）

0 引言

滑坡是一種對人類生產活動造成極大影響的地質災害，滑坡穩定性分析是滑坡治理的前提，因此對滑坡穩定性做出準確評價是十分必要的。目前滑坡穩定性分析主要有定量分析方法[1～5]和定性分析方法[6～10]，其中定量分析方法主要有極限平衡法和數值分析法；定性分析法有可靠度法、模糊綜合評判法、神經網絡分析法、自然歷史分析法、工程類比分析法。王鵬等[1]將傳統條分法和全新剪應力本構模型結合應用于邊坡的穩定性研究。杜巖等[2]對平推式滑坡穩定性分析后發現坡體后緣發生階梯沉降時傳統方法計算得到的穩定系數誤差較大，提出了考慮階梯沉降的修正公式。張旭等[3]利用Ansys與FLAC3D數值模擬闡釋滑坡不同工況下破壞演化特征與失穩機制。聶永鵬等[4]采用FLAC3D數值模擬方法，分析了在外荷載下滑坡的應力應變發展規律，揭示了外荷載下老滑坡穩定性的變化趨勢。劉伊凡等[8]通過模糊數學理論和數值方法對三峽庫區典型弱透水型滑坡穩定評價，兩種方法結果一致，與實際監測相符。然而定性分析法中的自然歷史分析法適用對區域性滑坡的整體穩定性做出評價，工程地質類比法又需要工程地質條件相類似的滑坡做類似評價；不確定性分析方法在滑坡穩定性分析中人為干擾因素往往導致結果有偏差，因此本文采用FLAC3D數值模擬與極限平衡法對比定量研究樓子溝滑坡穩定性。

1 滑坡區工程概況

1.1 滑坡區工程地質條件

滑坡位于陜西省勉縣老道寺鎮樓子溝村一組，距勉縣縣城約20 km?；挛挥诒辈可絽^南緣丘陵區，高程在+600 m～+700 m，相對高差約100 m，整體地形為前緩后陡的斜坡地貌，前緣坡度10°左右，發育多條沖溝，被人工改造成階梯狀，后緣較陡，滑坡前緣有通村公路通過，滑坡后緣有一簡易灌溉渠，常年有水，同時前緣有水田，滑坡體上修建了房屋，滑坡平面見圖1，滑坡剖面見圖2，地層巖性自上而下分別為：全新統滑坡堆積層（Q4del）粉質粘土、下更新統沖洪積（Q1al+pl）粉質粘土、新近系（N）泥巖。

圖1 滑坡平面示意圖

圖2 滑坡剖面示意圖

1.2 滑坡特征

滑坡后緣以陡坡為界，陡坎高度約5.0 m～8.0 m；滑坡左右兩側以小沖溝為界，滑坡前緣為村民水田，在邊界外側未發現變形跡象，為原始地貌；滑坡中后部地表可見明顯下挫（圖3a），邊界清晰。

圖3 滑坡特征

滑坡平面呈一定弧度的長條形，滑坡體長約120 m，寬約300 m，平均厚約5.0 m，體積約21.6×104m3，屬中型膨脹土滑坡。滑體物質主要為粉質粘土（圖3b），黃褐色為主，土體結構松散，節理裂隙十分發育，土質呈斑塊狀，掰開后形如石榴粒，可見明顯的灰褐色膨脹土礦物，網格狀裂縫十分發育，最大寬度3 mm,灰色粘土薄膜附于裂隙表面，表面擦痕明顯,裂隙面光滑，手捻有滑感。根據鉆孔揭露，多個鉆孔中見滑面，滑面光滑，可見擦痕?；矠榉圪|粘土，黃褐色，含黑褐色礦物成分，含少量礫石，土體較密實。

1.3 滑坡成因機制

滑坡的是多種影響因素共同作用的結果，綜合分析認為，樓子溝滑體表層粉質粘土的自由膨脹率為41%～50%，均大于40%，屬膨脹土，具有明顯的脹縮性，因而裂隙發育，為雨水入滲創造了條件，降雨入滲增大滑體自重，同時土體遇水軟化，強度降低，是滑坡產生的根本原因。

2 FLAC3D滑坡穩定性評價

2.1 FLAC3D滑坡穩定性評價原理簡介

FLAC3D分析滑坡穩定性不需要像傳遞系數法中假定滑動面，也不需要對滑體進行條分，而是采用強度折減法通過折減系數不斷對巖土體強度指數c、φ值進行折減，不斷增大折減系數，直至滑坡達到臨界破壞狀態，實際巖土體抗剪強度與此極限平衡狀態巖土體抗剪強度的比值即為滑坡安全系數[11]。該模型選用Mohr-Coulomb破壞準則，安全系數定義如下：

式中：折減后的粘聚力；φtrial為折減后的內摩擦角；Ftrial為折減系數。

2.2 建立模型

以滑坡典型剖面為基礎，選取滑坡邊界，在CAD中建立幾何模型，導入有限元軟件Ansys對網格進行剖分，共生成35190個單元，40942個節點，之后導入FLAC3D計算分析，幾何模型見圖4。本模擬研究根據滑坡體周界變形特征結合滑坡體的巖性組合情況，選擇Mohr-Coulomb準則。邊界約束條件為：左右采用固定X位移邊界，前后采用固定Y位移約束，底部進行三向約束，上部為自由邊界。本次模擬考慮天然工況和暴雨工況。

圖4 數值模擬幾何模型

2.3 選取參數

本次模擬的巖土體物理力學參數根據室內試驗以及參考文獻[12～15]確定，具體參數見表1。

表1 巖土體物理力學參數表

2.4 數值模擬計算結果分析

圖5 兩種工況下滑坡塑性破壞

軟件不斷增大折減系數對巖土體抗剪強度進行折減，巖土體本身的彈塑性決定滑坡在發生變形破壞的過程中巖土體會發生塑性破壞，滑坡在失穩狀態下其塑性應變區域必然是貫通的。

圖5（a）與圖5（b）對比可知：天然工況滑坡安全系數為1.01，塑性變形區并未貫通滑坡體，但局部有塑性變形，尤其在陡坎下部剪切變形明顯，表明滑坡自重情況下在地表坡面較陡處，滑坡整體處于欠穩定狀態，暴雨工況滑坡安全系數為0.93，塑性變形區完全貫通，滑坡前緣發生剪切變形，后緣拉張變形明顯，表明此時滑坡已發生整體失穩，滑坡處于不穩定狀態。

圖6 兩種工況下位移及矢量圖

滑坡失穩最直接判據就是發生明顯的位移，軟件模擬的位移結果是滑坡失穩變形的最直觀反映。圖6（a）與圖6（b）對比可知：兩種工況下位移較大區域分布與塑性區分布類似，位移主要發生在坡面較陡處，天然工況下滑坡最大位移為1.8 m，滑體暴雨工況滑坡最大位移為39 m，暴雨工況下位移明顯較大，整個滑體發生明顯位移，此時滑坡處于不穩定狀態。

3 極限平衡法滑坡穩定性評價

本次分析選取極限平衡法中的傳遞系數法，采用折線滑動法計算公式，對滑坡典型剖面進行穩定性計算，穩定性計算條分簡圖見圖7。

圖7 滑坡穩定性計算示意圖

穩定性系數計算公式如下：

式中：KS為穩定系數；Ψi為第i計算條塊剩余下滑推力向第i+1計算條塊的傳遞系數；Ri為第i計算條塊滑動面上的抗滑力，kN/m；Ni、Ti為第i計算條塊滑體在滑動面法線、切線上的反力，kN/m；ci、φi分別為計算條塊滑動面上巖土體的粘結強度（kPa）、內摩擦角（°）；θi、αi為第i計算條塊底面傾角和地下水位面傾角，°；li為第i計算條塊滑動面長度，m；Qi為第i計算條塊單位寬度巖土體自重，kN/m；Qbi為第i計算條塊滑體地表外荷載的單位寬度自重，kN/m；Pwi為第i計算條塊單位寬度總滲透力，kN/m。

極限平衡法對不同工況下滑坡的穩定性進行求解，計算所需巖土體力學參數見表1，分析結果見表2，得到在天然工況下穩定系數為1.03，處于欠穩定狀態；在飽水工況下穩定系數為0.938，處于不穩定狀態。

4 結論

通過數值模擬與傳遞系數法對樓子溝滑坡穩定性評價得到以下結論：

（1）數值模擬計算得到滑坡在天然、暴雨工況的安全系數分別為1.01、0.93；極限平衡法計算得到滑坡在天然、暴雨工況的穩定性系數分別為1.03、0.938。

（2）兩種方法對該滑坡穩定性評價基本一致，樓子溝滑坡在天然工況下是欠穩定狀態，在暴雨工況下是不穩定的。