基于FLAC 3D的推移式滑坡變形破壞模式及穩定性分析

邱煜珩，舒中潘,張 軍,任占強

(1.西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川成都 611756;2.四川省地質工程勘察院集團有限公司,四川成都 610072)

滑坡是我國山區常見的地質災害之一。依照滑坡的變形破壞模式不同，可將滑坡分為牽引式與推移式兩類。前者主要發生自下而上的變形，表現為后退式漸進破壞；而后者主要發生自上而下的變形，表現為前進式漸進破壞[1]。不同變形破壞模式的滑坡在危害程度和治理方式上均存在顯著差異。

目前在工程上對滑坡的變形破壞模式及穩定性的分析主要基于現場勘察結果，選取特征剖面采用極限平衡法計算穩定系數進行判定，是目前工程界普遍采用的分析方法。但極限平衡條分法在計算原理上對滑坡體進行了諸多簡化，將滑坡巖土體假定為剛性，難以反映滑體內部應力應變特征，穩定系數計算亦偏于保守，易造成治理工程的浪費。為此，諸多學者[2-4]采用多種有限元數值模擬軟件(FLAC 3D、Plaxis、Ansys等)對滑坡的變形破壞模式及其穩定性進行分析。有限元數值模擬方法主要的優勢在于，能夠分析滑坡變形破壞過程中的滑體運動特征及應力-應變分布特征，確定滑坡變形破壞模式，并可以求解較為符合真實情況的穩定系數，減少治理費用。

本文以四川省某覆蓋層土質滑坡作為研究對象，建立滑坡三維地質模型。并基于有限差分軟件FLAC 3D，分別對處于天然、暴雨狀態下滑坡的變形特征及穩定系數進行研究，最后與工程上常用的極限平衡條分法結果進行對比驗證，為類似工程的分析及防治提供參考。

1 工程概況

滑坡地處四川省邛崍市天臺山鎮紫荊村，屬構造侵蝕中山區地貌類型，前后緣相對高差為120 m。滑坡主滑方向為40 °，總體積約為23.8×104m3，為中型覆蓋層土質滑坡。滑坡區介于兩側山脊之間，與兩側山脊一起構成槽型匯水地形。

滑坡上覆土體為第四系全新統崩坡積物(Q4col+dl)，主要為碎塊石土。滑體兩側土體較薄，約9 m，中部土體較厚，約15 m。滑帶土為粉質黏土，厚度約0.3 m。下伏基巖為侏羅系蓬萊鎮組(Jp)泥巖夾砂巖。

2 三維地質模型及邊界條件

滑坡為覆蓋層土質滑坡，故本文將滑坡三維地質模型分為三部分：覆蓋層土體、滑體及下伏基巖。模型長473 m，寬240 m，高230 m。包含339 367個單元，61 710個節點，計算模型示意圖如圖1所示。

圖1 滑坡計算模型

模型底部邊界固定x、y、z方向速度約束；前后邊界固定x方向速度約束；兩側邊界固定y方向速度約束；地表自由。

3 分析工況與參數選取

滑坡區雨量充沛且為一槽型匯水地形，常年受降雨影響，滑體土與滑帶土物理力學性質弱化。據現場勘查結果，滑坡發生明顯變形前曾連續多日降雨，致使滑體后緣發生局部滑塌，前緣發育多條鼓脹裂縫。表明滑坡穩定性主要受降雨影響。故本文主要對滑坡天然和暴雨狀態進行穩定性分析，由室內試驗得知滑體基覆界面處滑帶土物理力學性質與滑體土相差較大，考慮滑帶土厚度相對于模型尺寸較薄，在基覆界面處設置分界面，賦以滑帶土物理力學參數，以分析滑體土與滑帶土共同作用下的滑坡穩定性。

為優化計算速度，對于天然、暴雨兩種狀態的分析采用了擬動力分析方法[5]，即分析滑體土與滑帶土受降雨作用重度增至飽和狀態和抗剪強度降低引起的滑坡變形破壞。主要參數如表1所示。

表1 巖土體物理力學參數

4 基于FLAC 3D的滑坡變形破壞模式及穩定性分析

本節主要結合滑坡位移、最大剪應變增量、塑性區及穩定系數綜合分析滑坡的變形破壞模式以及不同狀態的穩定性。

4.1 滑坡位移特征

天然狀態滑體位移特征如圖2所示。滑體主要發生變形破壞位置位于中上部。受滑坡區地形地貌影響，滑體上部左右兩側坡體變形大于中間坡體。位移量值最大處位于右側坡體后緣，約為0.08 m。滑坡位移沿主滑方向位移迅速衰減。

圖2 天然狀態滑坡總位移云圖

暴雨狀態滑體位移特征如圖3所示。滑坡發生整體變形破壞。滑體上部橫向變形規律與天然狀態相同，位移最大值為0.61 m，約為天然狀態的8倍；而中下部橫向變形則較為均勻。這是由于滑體上部負地形特征明顯；而滑體中下部兩側坡體與中間區域高差并不大。滑坡位移擴展至前緣，位移值約為0.11 m。

圖3 暴雨狀態滑坡總位移云圖

4.2 滑坡應力-應變特征

4.2.1 最大剪應變增量

滑坡最大剪應變增量反映了滑體內部發生剪切變形的區域，其貫通性亦可表明滑坡失穩特征。

由圖4、圖5可知，天然狀態最大剪應變增量集中于滑坡中上部。滑體從上至下剪應變增量顯著減小，表明上部土體局部滑塌造成的推擠作用沿斜坡向下迅速衰減。

圖4 天然狀態滑坡最大剪應變增量云圖

圖5 天然狀態滑坡最大剪應變增量剖面

由圖6、圖7可知，暴雨狀態最大剪應變增量擴展至整個滑體范圍，其最大值出現在滑坡上部。表明滑坡上部易發生大規模剪切破壞，對中下部滑體推擠作用明顯，滑體下部變形逐漸積累，最終形成整體貫通的剪切變形。沿深度方向滑體最大剪應變增量基本分布于滑帶以上巖土體中，表明滑坡已發生沿滑帶的整體滑動。

圖6 暴雨狀態滑坡最大剪應變增量云圖

圖7 暴雨狀態滑坡最大剪應變增量剖面

4.2.2 塑性屈服區域

滑坡的塑性屈服區域用以表征滑坡發生塑性變形的位置。由圖8、圖9可知，天然狀態塑性屈服區域主要集中在滑坡上部。滑體上部右側坡體剪切塑性屈服范圍較大，印證滑坡上部右側為較易發生剪切變形部位。滑坡后緣邊界存在小范圍拉張塑性區，表明后緣易形成張拉裂縫。沿滑體深度方向，滑體上部塑性屈服區域較厚，沿斜坡向下厚度變薄且未形成貫通的剪切屈服面。

圖8 天然狀態滑坡塑性屈服區云圖

圖9 天然狀態滑坡塑性屈服區剖面

由圖10、圖11可知，暴雨狀態滑坡塑性屈服范圍擴展至整個滑體。表明滑坡發生了整體的剪切變形，呈現后緣張拉-整體剪切的變形特征。后緣張拉塑性區發生橫向擴展，表明滑坡后緣拉應力帶擴大，土體發生拉張破壞。沿深度方向剪切屈服擴展至滑帶處，且沿斜坡向下在滑體內完全貫通，表明滑坡已經發生沿滑帶的整體滑動。

圖10 暴雨狀態滑坡塑性屈服區云圖

圖11 暴雨狀態滑坡塑性屈服區剖面

經FLAC 3D內置強度折減法計算得天然狀態穩定系數為1.143，暴雨狀態下穩定系數為1.012。綜合滑坡位移、最大剪應變增量、塑性區及穩定系數結果，表明滑坡天然狀態變形破壞模式表現為后緣首先開裂，土體局部失穩產生向坡下的滑塌，增加滑體中部荷載，滑體剪切變形向中部逐漸積累，呈現前進式漸進破壞特征，滑坡整體處于穩定狀態，具有一定強度儲備。而暴雨狀態滑坡上部發生大范圍滑移變形，對中下部滑體的推擠作用顯著增加，剪切變形擴展至整個滑體，為典型的推移式滑坡。滑坡處于臨界失穩狀態，強度儲備極低。

5 基于極限平衡條分法的滑坡穩定性分析

本節采用工程上常用的極限平衡條分法，選用滑坡主滑方向三條剖面(圖12～圖14)求解滑坡穩定系數，并與數值模擬方法求得的三維滑坡穩定系數對比分析滑坡穩定性。由于極限平衡條分法廣為使用，故原理和公式在此不再敘述。據滑坡防治相關規范，確定滑坡防治安全等級為Ⅲ級，安全系數Kst如下：天然狀態Kst=1.15，暴雨狀態Kst=1.10。滑坡穩定性評價的分級標準見表2，極限平衡條分法計算結果見表3。

表2 滑坡穩定性評價分級標準

圖12 滑坡1-1’剖面條分示意

圖13 滑坡2-2’剖面條分示意

圖14 滑坡3-3’剖面條分示意

由表3可知，滑坡在天然狀態下穩定系數大于1.10，整體處于基本穩定狀態。而在暴雨狀態下穩定系數均小于1.00，滑坡處于失穩狀態。橫向上看，滑坡右側坡體最不穩定，左側穩定性次之，中部再次。這與三維滑坡數值模擬的橫向變形規律較為一致。對比三維滑坡數值模擬穩定系數計算結果對滑坡穩定狀態判斷基本相同，但三維滑坡在天然和暴雨狀態下穩定系數均略高于極限平衡條分法結果。究其原因，三維滑坡的穩定系數計算考慮了巖土體間應力應變關系以及滑體與周圍土體的摩阻力，故所得數值偏大，但更符合真實滑坡變形破壞情況。

表3 極限平衡條分法穩定系數計算結果

6 結論

本文主要運用FLAC 3D軟件對滑坡變形破壞模式及穩定性進行分析，并與極限平衡條分法結果對比，主要結論如下：

(1)基于FLAC 3D軟件對三維滑坡模型進行分析，天然狀態滑坡變形破壞模式為后緣土體局部滑塌失穩，剪切變形向滑體中部逐漸積累，呈現前進式漸進破壞特征；暴雨狀態滑坡上部發生大范圍滑移變形，剪切變形擴展至整個滑體。滑坡符合推移式滑動特征，為典型的推移式滑坡。

(2)基于強度折減法計算三維滑坡穩定系數，滑坡天然狀態穩定系數為1.143，具有一定強度儲備。而暴雨狀態穩定系數為1.012，滑坡處于臨界失穩狀態，強度儲備極低。

(3)對比極限平衡條分法計算得到的穩定系數和滑坡穩定性判斷可知，兩種方法對滑坡穩定性判斷基本相同，由于三維滑坡穩定系數計算考慮了巖土體間應力應變關系以及滑體與周圍土體的摩阻力，故求得穩定系數略高，但更符合真實滑坡的變形破壞。在工程治理時可運用兩種計算方法綜合考慮，減少滑坡治理費用。