基于PFC2D的貴陽西二環滑坡破壞過程模擬

■ 貴州大學資源與環境工程學院 周瑜

貴州同力巖土工程咨詢有限公司 鄭家金 熊赟

近年來，隨著計算機技術的發展，數值模擬方法在滑坡領域得到廣泛應用。目前的數值模擬方法中，主要包括確定性分析方法和非確定性分析方法兩類，而確定性分析方法又可分為連續介質分析與非連續介質分析方法。其中，連續介質數值分析方法有有限單元法、邊界元法、有限差分法等，非連續介質分析方法有塊體離散元法、顆粒離散元法、關鍵塊體理論、不連續變形分析（DDA法）等[1]-[2]。顆粒流法（PFC）作為離散單元法的一種，是基于離散元的方法來模擬圓盤或球顆粒介質的運動及其相互作用，可以真實地模擬滑坡的失穩破壞過程。目前已廣泛應用于滑坡破壞運動分析之中[3]-[5]。

本文以貴州省貴陽市西二環滑坡為研究對象，采用PFC2D軟件模擬了滑坡從變形失穩到運動終止的動態過程，對滑坡不同關鍵部位顆粒進行位移、速度監測，綜合闡明其破壞運動特征，分析其形成演化機制。研究成果可對貴州地區類似滑坡的形成機制提供一定的參考和借鑒，并為工程決策提供依據。

1.工程概況

滑坡部位于貴陽市西二環北段大關立交橋南1000m，路塹工點位于西二環路線左側，西部苗香對面，此工點處路線走向基本為南北向，地貌類型為低山丘陵。根據現場的地質調查，滑坡區內地層主要有第四系耕植土（Q4pd）、殘坡積層（Q4del）滑坡堆積體和三疊系安順組組（Tla）白云巖構成，地層呈單斜構造，巖層產狀140°∠ 25°，為順向邊坡，巖體受節理裂隙切割、破壞，完整性較差。

滑坡底部高程為1270.10m～1272.16m，滑坡頂部高程為1344.79m。滑坡距離路面垂直高度最大約74.5m，滑坡長度約200m、寬約70m、體積約20.0×104m3。滑坡主滑方向為138°，平面上呈現喇叭狀形態。滑坡初期失穩后，現狀平面地形呈一不規則的中間鼓肚的圓弧狀，前翹后躺。滑坡周界明顯，滑動面具有明顯的滑動擦痕，滑床與滑坡體有明顯辨識度。滑體為第四系含碎石耕植土及強風化、中風化白云巖、角礫狀白云巖。滑面位于中風化白云巖中的軟弱夾層，滑帶土厚度為10mm～35mm。滑動帶上可以清晰地看到磨光面和擦痕，局部有明顯的擾動和拖曳褶皺痕跡，實地調查滑動面擦痕明顯。滑床為灰色中風化白云巖、角礫狀白云巖，薄層狀，節理裂隙發育，層面泥質膠結，受構造切割影響，巖體較破碎、呈塊狀，節理裂隙較發育，其表層擦痕的方向為138°，擦痕方向與主滑方向一致，滑面整體平直（圖1、圖2）。

圖1 西二環滑坡全貌圖

圖2 滑坡1-1′剖面圖

2.計算模型的建立

本文根據滑坡剖面數據，采用PFC中ball-wall方法建立滑坡滑前模型。該滑坡模型長304m、高111m，其中，滑源區長192m、高68m，顆粒最小半徑0.5m、最大半徑1m，顆粒總數為1144個。此次模擬在滑坡前緣、滑坡中部、滑坡后緣共設置了3個監測點，分別用于監控滑坡過程中滑體的速度、位移的變化（圖3）。

圖3 滑坡數值計算模型

3.細觀力學參數的確定

PFC滑坡模擬參數主要包括本征參數和接觸參數，本文主要選取現場反演的方法確定顆粒單元的接觸參數，通過現場參數反演，對所需微觀參數進行賦值使顆粒流的運動狀態與實際狀態基本一致，可認為參數為合理值[6]。具體取值見表1。

表1 滑坡巖土體顆粒細觀參數

4.滑坡破壞過程數值模擬

4.1 變形破壞特征

模擬計算到1000時步時（圖4a、圖5a），坡體中前部顆粒的位移比速度較中后部顆粒大，邊坡整體上位移和速度較小，這是由于滑坡區前緣道路建設切腳開挖形成臨空面，開挖坡向與巖層傾向一致，在重力荷載作用下，致使坡體向坡前臨空方向發生剪切蠕變坡體出現變形；到達10000時步時（圖4b、圖5b），滑坡前緣產生剪切破壞，坡腳顆粒開始剪出，此時，滑坡滑動帶已基本貫通，在坡體壓力作用下滑坡開始滑移；到達20000時步時（圖4c、圖5c），巖體在自重應力的作用下上覆硬巖沿下伏軟弱層面向臨空面方向蠕動滑移，隨著位移量的不斷增加，滑移體逐漸被拉裂解體破壞；到達30000時步時（圖4d、圖5d），中部巖體完全被拉斷，中前部和中后部滑體呈現出明顯位移差和速度差；到達40000時步時（圖4e、圖5e），中前部和中后部滑體位移差繼續增大，滑體前緣巖體向前滑移至公路，與路面發生碰撞發生解體，后部滑體速度逐漸降為0；50000時步時（圖4f、圖5f）滑坡基本停止運動并堆積于坡腳平緩處，滑坡整體最大位移為50m。

圖4 不同迭代步數位移云圖

圖5 不同迭代步數速度云圖

綜上可知，該滑坡破壞模式主要是因為滑坡區前緣由于道路建設切腳開挖形成臨空面，在重力荷載作用下，致使坡體向坡前臨空方向發生剪切蠕變，邊坡的坡體前緣出現了明顯的位移變化與應力集中，說明邊坡的坡體后緣和上部主要承受拉應力作用，容易使邊坡產生張拉裂縫。坡體中存在傾外的弱面，對于層狀結構順向坡，弱面通常為軟弱夾層，一般條件下滑體可沿弱面發生蠕滑；在強降雨條件下大量雨水入滲坡內，滑體容增大，重力勢能增加，滑帶土抗剪強度減小，將沿弱面產生進一步滑移變形，隨著位移量的不斷增加，滑移體逐漸被拉裂解體破壞，形成滑移－拉裂型滑坡。模擬結果與實際變形情況基本一致。

4.2 運動特征分析

通過觀察坡體各部分位移變化曲線（圖6）可知，顆粒曲線在20000時步之內變化基本一致，在20000時步曲線斜率開始增長，曲線由下凹過渡到上凸，滑體進入加速階段，監測顆粒均在25000時步到42000時步之間達到位移最大值，其中，1號顆粒在25000時步附近達到位移峰值15m，2號顆粒在37000時步附近達到位移峰值35m，3號顆粒在42000時步附近達到位移峰值45m。3個監測點位移大小順序為3號＞2號＞1號，滑坡前部位移大于后部位移。

圖6 位移時程曲線圖

通過觀察坡體各部分速度變化曲線，如圖7所示，不同位置監測點達到速度峰值的時刻明顯不同，1號顆粒在20000時步附近率先達到速度峰值，2號顆粒在21000時步附近達到速度峰值，3號顆粒在31000時步附近達到速度峰值。各點速度峰值介于6m/s～8m/s之間。滑動初期，20000時步之前，3個顆粒速度曲線整體變化趨勢一致，在20000時步后，1號顆粒到達峰值后速度迅速減小，在25000時步附近減小為0。2號顆粒在21000時步到達峰值后，速度呈現逐漸減小的趨勢，在38000時步附近減小為0。運行到42000時步3號顆粒速度趨于0，滑坡運動逐漸靜止。

圖7 速度時程曲線

5.結論

貴陽市西二環滑坡長度約200m、寬約70m、體積約20.0×104m3，滑坡主滑方向為138°，滑面位于白云巖中間軟弱夾層，為中型順層滑坡。通過利用顆粒流方法對西二環滑坡失穩破壞過程的數值模擬分析，得出該滑坡變形破壞的力學機制表現為滑移—拉裂。該滑坡整體位移約40m～50m，滑坡前部位移大于后部位移，顆粒最大位移50m，位于滑體前緣；顆粒最小位移15m，位于滑體后緣；整體速度峰值介于6m/s～8m/s之間，速度和位移變化總趨勢為初始高程越低，達到的最大速度和位移越大。

模擬結果表明：降雨為西二環滑坡的直接誘發因素，斜坡變形破壞模式為滑移—拉裂。滑坡滑動最高時速8m/s，最大滑移50m。模擬結果與實際情況基本吻合。由此可見，利用顆粒流法對滑坡的破壞運動過程模擬具有較好的適用性，可為工程決策提供依據。