基于FLAC 3D 的強降雨作用下臨夏紅層滑坡穩定性研究＊

儲益旭，周建偉，白玉輝，顧 俊，楊 澳

（西北民族大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730000）

2018 年7 月18 日，甘肅省遭遇特大暴雨，導致甘肅省臨夏回族自治州多處受災。臨夏市由于連夜的強降雨導致山體發生滑坡，致使房屋倒塌以及人員傷亡。經實地考察研究后，發現該地發生滑坡的主要原因是紅層土分布較廣。由于紅層工程穩定性較差，在經歷強降雨后易產生滑坡災害。本研究以臨夏回族自治州多茨一、二回線路臨夏段工程處的滑坡的土體為研究對象。通過利用FLAC 3D 軟件進行數值模擬，分析地面的沉降和滑坡的位移情況以及應力分布狀況，并以此對該地區的滑坡的防災減災工作提供參考依據。

1 紅層的成理、性質以及分布

1.1 紅層的成理、性質

紅層成理普遍為巖性復雜的陸相碎屑沉積，如礫巖、砂巖、和泥巖等，也有蒸發巖夾層。大型盆地中紅層的沉積分異現象比較明顯，盆地邊緣多為洪積相的礫巖和角礫巖；在盆地中部，沉積物粒徑逐漸減小，多為河流相和湖泊相的細砂粉砂泥巖或黏土狀或鐵質、鈣質膠結，巖性較弱[1]。

1.2 紅層的分布

我國多數省份都有著紅層分布的跡象。根據相關研究顯示，我國紅層的總面積大約有826 389 km2，約占國土總面積的8.61%，分布詳情見表1。

表1 主要省份紅層統計一覽表

2 FLAC 3D 的計算方法及特點

2.1 FLAC 3D 軟件的計算方法

FLAC 3D 是由美國ITSCA 公司開發的一種可以應用于各種巖土工程的連續介質力學分析以及大型有限差分析軟件，該軟件可以把土樣在不同應力條件下的變形狀況以一種直觀的形式顯示出來。

FLAC 3D 軟件是一種基于快速拉格朗日算法的三維顯式有限差分法程序，利用顯式差分法來進行求解運動方程和動力方程[2]。軟件內有一條自動查找安全系數的內嵌命令-solve fos，該命令就是利用強度折減法來求解邊坡的安全系數[3]。在計算時一般采用Mohr-Coulomb 準則進行判定，內摩擦角φ和黏聚力c 對其穩定性有著較大的影響。強度折減法先確定邊坡的原始內摩擦角φi和原始黏結力ci，然后將φi、ci的正切值同時除以折減系數K[4]。在得出計算結果K 之后，對其不斷進行折減試算，直到該邊坡達到臨界破壞狀態，此時計算得出的Kcr即為該邊坡的安全系數F。

2.2 FLAC 3D 軟件的特點

FLAC 3D 采用混合離散法模擬材料的塑性流動或屈服特性，該方法相較于有限元法中所采用的降階積分更加合理。該軟件采用顯示方法進行求解，對于已知的應變增量，可以很方便地將其求出，得到平衡力，同實際中的物理過程一樣，可以跟蹤系統的演化過程[5]。在進行邊坡數值建模時，可以選擇三維或二維模型，采用二維模型能顯著地提高計算效率，但是二維計算模型不能考慮空間范圍內被結構面控制的邊坡形態特征，而采用Ansys 進行建模，借鑒其強大的前處理功能，可建立被結構面控制的邊坡三維數值模型，在Ansys 里面劃分網格，并借助網格轉換插件，最終導入到FLAC 3D 中。

3 數值模擬

3.1 研究區域

本研究取樣地為甘肅臨夏回族自治州多茨一、二回線路臨夏段工程處某紅層滑坡。

3.2 模型建立

本研究以對當地滑坡地形進行勘察，并在CAD中建立幾何模型導入Ansys 后，再導入FLAC 3D，對當地土體取樣進行土工試驗得出土體的物理化學性質，并依據這些數據完善FLAC 3D 計算模型。模型寬211 m、高52 m、厚50 m，網格基本為4 mm×4 mm×4 mm的六面體網格，坡面位置進行單元加密，計算模型端部邊界施加水平速度約束，模型底部為固定邊界。建立模型如圖1 所示，天然、飽和工況下的單元參數見表1、表2。

圖1 數值模型圖

表1 實體單元參數（天然）

表2 實體單元參數（飽和）

3.3 數值模擬計算結果分析

3.3.1 天然工況

天然工況下最大位移位置處于坡底部位，如圖2所示。天然工況方向最大水平位移與總位移大小趨于一致，同樣發生在模型底部，說明該邊坡破壞主要發生的是底部的水平位移。天然工況下x 方向最大水平位移比y 方向水平位移小一個數量級，并且發生區域主要集中在模型頂部，說明邊坡位移仍以y 方向水平位移為主，x 方向為輔。

圖2 天然狀態下總位移云圖

最大剪切應變率即滑動帶，通過對天然狀態下切應變增量云圖（圖3）的分析可以得出，滑動主要發生在土層第二層與第三層的交界面，形成了明顯的剪切滑動帶，并且在坡頂積累，在坡腳滑出，是典型的單滑動面破壞型邊坡。坡腳位置形成的次滑動帶，并沒有貫通，也沒有產生較大變形。邊坡整體變形主要是向下變形，并且在底部達到最大。

圖3 天然狀態下切應變增量云圖

模型最大主應力因滑動帶的剪切位移，滑動帶位置出現拉應力集中，如圖4 所示。最小主應力變化也同樣集中在滑動帶位置，但是整體上最小主應力相較于未發生滑坡時變化并不明顯。

模型第二主應力，也在滑動帶位置出現拉應力集中。由圖4 可看出坡頂及坡腳位置同樣也出現了壓應力集中現象。觀察方向的主應力可得出，在滑動帶頂部及坡腳出現拉應力集中，但是在坡面處，出現多處壓應力集中。因方向不是滑動帶作用的主方向，因此方向主應力，并沒有太大變化，壓應力及拉應力集中的數值也與其他方向不在一個數量級上，因為無需重點關注。方向主應力，是重力作用的主應力方向，在滑動帶位置，方向主應力變化明顯，出現了拉壓應力集中交替出現的現象，表明滑動帶位置的應力突變明顯，坡頂及坡腳都出現了壓應力集中，并且說明模型以軸應力為主導應力方向，如圖5 所示。

圖4 天然狀態下最大主應力云圖

圖5 天然狀態下z 方向應力云圖

3.3.2 飽和工況

飽和工況下，模型的總位移比天然工況下小一個數量級，但是出現最大位移的位置相同，總位移模型底部如圖6 所示；模型方向水平位移發生在模型底部，如圖7 所示，與總位移方向一致；模型方向最大水平為位移與天然工況的方向位移規律相同，主要發生在模型頂部，并比方向小一個數量級，說明方向，即豎直方向為主位移方向。最大剪切應變仍發生在第二層與第三層的界面處，并在坡頂開始滑動，在坡腳滑出。

圖6 飽和狀態下總位移云圖

圖7 飽和狀態下y 方向位移云圖

觀察可得出，飽和工況下，最大主應力在滑動面上下，坡腳處出現拉應力集中。最小主應力，在滑動面在坡頂及坡腳處出現壓應力集中（圖8），最大壓應力，該值已超過土體本身的抗壓強度。

圖8 飽和狀態下最小主應力云圖

第二主應力的規律與天然工況下的大致一樣，壓應力集中現象主要出現在滑動面頂部，而拉應力集中現象則出現在坡腳處。方向主應力，在坡面主要出現壓應力集中，在坡頂小范圍內出現拉應力集中（圖9），方向主應力，不是應力的主要變化方向，因為方向主應力的數值與其他方向相比偏小，且沒有出現應力集中現象；飽和工況下，方向主應力仍為主應力方向，在滑動面位置出現了壓應力集中和拉應力集中交替出現的現象，規律與天然工況相同，說明滑動帶位置的應力突變明顯（圖10）。

圖9 飽和狀態下x 方向正應力云圖

圖10 飽和狀態下z 方向正應力云圖

4 結論及建議

4.1 結論

（1）在天然工況邊坡位移以y 方向水平位移為主要方向，x 方向為輔。邊坡整體的變形方向主要是向部下變形，在底部時達到最大。滑動主要發生在土層第二層與第三層的交界面，形成了明顯的剪切滑動帶，并且在坡頂積累，在坡腳滑出，以z 軸應力為主導應力方向。

（2）在強降雨、土體飽和工況下，出現最大位移的位置同天然工況，都位于模型底部，最大剪切應變仍發生在第二層與第三層的界面處，并在坡頂開始滑動，在坡腳滑出。z 方向仍為主應力方向，在滑動面位置出現了壓應力集中和拉應力集中交替出現的現象，說明該滑動帶位置的應力突變現象最為明顯。

4.2 建議

根據FLAC 3D 軟件數值模擬得出的結果，可以考慮在滑坡底部處打入合適尺寸的抗滑樁，樁體連接地層的第二層和第三層以增加該滑坡的穩定性，防止在強降雨天氣下發生滑坡。