秦嶺山前某滑坡穩定性及變形模擬分析

寇甄濤,包 健,楊 賢

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

滑坡作為自然界最常見的地質災害之一，嚴重威脅著人民的生命財產安全[1]，同時也制約著區域內的工程建設[2]。因此，采用可靠的手段分析滑坡的形成機理、發育特征和穩定性對滑坡災害的預判與防治意義重大。

由于自然界中滑坡分布廣泛且由來已久，因此對滑坡的研究相對成熟[3]。滑坡評價方法目前可分為定性分析和定量分析[4]。定性分析是通過分析影響滑坡穩定性的主要因素從而判斷其失穩的可能性，主要方法包括類比法、圖解法等；定量法基于定性法，通過確定數值表征滑坡穩定程度，是目前普遍適用的分析手段。

數值分析方法是近年來新興的邊坡分析方法，該分析手段克服了傳統方法無法分析邊坡應力應變分布的缺點，并且與實驗、理論等方法互補。其計算精度與材料本構模型選取、邊界條件設定有關，計算效率高，且成本低，為邊坡穩定性分析提供了一種嶄新的思路[5-6]。

本文以秦嶺山前某滑坡為研究對象，在現場調查與實驗的基礎上，采用數值計算分析方法分別分析了二維和三維模型的滑坡穩定性，以期對同類型坡體的穩定性分析提供借鑒。

1 工程地質條件及變形機理

滑坡體位于秦嶺山前某沖溝左岸，溝道較順直，右岸有公路通過，交通便利，河谷整體呈不對稱的“U型”。溝底基巖裸露，自然坡度40°～55°，滑坡體由碎石土組成，坡度下緩上陡。滑坡后緣“圈椅狀”地貌清晰，前緣剪出口明顯。滑體平均厚19 m，主滑方向35°。滑床上部為碎石土，下部出露綠泥石片巖。坡體周圍巖體完整性較好，除巖體內發育幾條小型斷層外，無大規模區域斷裂通過；區域內地下水類型主要可分為孔隙潛水和基巖裂隙水，根據鉆探，地下水位于滑面以下7.5 m，對滑坡穩定性基本無影響。由于滑坡體坡度較陡，在降雨、地震等作用下，滑坡沿基覆界面發生滑動，后緣下坐變形明顯。經現場調查，滑坡目前無變形跡象，整體處于穩定狀態，暴雨季節前緣有滑塌和變形。主滑方向工程地質剖面見圖1。

圖1 主滑方向工程地質剖面圖

滑坡發育于沖溝左岸，為順層巖質滑坡。受區域性斷裂影響，岸坡巖體破碎，完整性差，植被發育，有利于降水快速下滲進入到巖體結構面及層面中，加速薄層狀片巖、層間擠壓帶泥化和軟弱結構面形成。河流在下切過程中，岸坡巖體在卸荷作用下，沿層面拉裂并向臨空方向產生變形，受巖體中傾坡外層面切割后，巖體沿層間軟弱面拉裂并追蹤緩傾坡外的裂隙滑動，最終巖體被剪斷，而發展演化為滑坡。

2 二維模型模擬分析

如前文所述，準確判斷滑坡的穩定性及變形特征有助于預判其變形趨勢。分析計算時，一般按圓弧滑動、平面滑動、折線滑動等方法分析評價穩定性，但上述方法僅可得出穩定系數和條塊間作用力，對于坡體變形、應力應變分布分析略顯乏力。數值計算方法可有效彌補上述短板，當前巖土界各類數值計算軟件如雨后春筍，計算方法日益成熟，已逐漸滲透至科研和生產領域，成為巖土工程分析評價不可或缺的工具。

2.1 模型建立與參數選取

本節采用MIDAS GTS/NX軟件分析計算該滑坡，以主滑剖面(圖1)為依據建立二維分析模型。在建模時對邊坡模型予以必要的簡化，考慮到模型建立的便捷性，滑面單元未單獨劃分網格，而是采用界面單元予以模擬，分析模型如圖2，采用強度折減法計算滑坡穩定性。

圖2 分析模型示意圖

模型參數主要基于試驗數據選取，同時類比相近工程經驗選取，參數選取見表1。

表1 模型材料參數表

2.2 天然工況分析結果

網格賦予天然狀態下的物理力學參數后激活計算，計算結果表明該狀態下滑坡穩定系數Fs=1.32，根據相關規范[7]中規定，滑坡屬基本穩定狀態。

采用強度折減法后，巖土體強度參數有所折減，因此重力作用下的位移并非實際變形，但由于強度參數均按相同比例折減，其變形趨勢仍可作為變形分析參考，計算完成后的位移如圖3、4。

圖3 Y方向位移云圖

重力作用下，模型沿Y方向垂直向下變形，等值線基本呈平行分布，且越靠近地表位移值越大。位移等值線于滑面處發生突變，滑體內高位移值分布明顯多于滑床，最大位移值分別位于滑體后緣處和模型坡頂處，其中坡頂處高位移值由邊界效應導致，可不作為評價依據。X方向位移主要集中在滑體中上部，最大值位于滑體后緣，等值線基本平行分布。綜上，重力作用下，模型最大變形位于滑坡體后緣處，即坡體失穩時該處最先拉裂，易形成圈椅狀后緣。

圖4 X方向位移云圖

模型應力應變特征是分析坡體變形的重要支撐[8]，如圖5、6。模型最大剪應力等值線基本沿平行地表分布，受上覆土壓力影響，最大值為776.3 kPa，位于模型底部，最小值為17.5 kPa，位于地表。在滑面處最大剪應力出現較明顯的突變，滑體后緣出現高應力富集區，說明在重力作用下，滑體后緣承擔著高剪應力，該區域巖土體會優先發生變形破壞。圖7為最大剪應變云圖，數值計算中，模型的最大剪應變分布可表征滑面形成狀態。天然狀態下，剪應變主要分布于滑坡體與滑床碎石土中，高應變區域位于滑體與強風化巖體相接處，最大應變值為1.8 cm，滑體后緣處也出現應變累積。

圖5 天然工況最大剪應力云圖

綜上，天然狀態下模型最大剪應變區域主要集中在滑面中部，但剪應變區域尚未貫通，因此坡體尚處穩定狀態，上述結論與現場調查結果一致。

圖6 天然工況最大剪應變云圖

2.3 飽和工況分析結果

將模型參數更改為飽和參數，然后激活計算。結果表明，飽和工況下，滑坡穩定系數Fs=0.92，處于不穩定狀態。

飽和工況下坡體變形與天然工況相比，滑坡體變形更加明顯，以滑面為界形成強烈的變形差異。滑體位移彌散范圍更大，最大位移是天然工況下的2.5倍。滑體位移主要集中在后緣部位，以順坡向變形為主，前緣變形不大，在坡后土體滑移擠壓作用下剪出翹起，位移等值線反傾坡內。相對而言滑床巖土體變形很小，除滑床后緣發生小范圍變形外，其余部位基本無位移。

最大剪應力分布整體由地表向下逐漸增大，高剪應力在滑體內彌散較廣，最大剪應力為651 kPa，位于模型底部，最小剪應力為85.9 kPa，位于地表，如圖7，滑面處剪應力值驟增至200 kPa，極易發生剪切破壞。此外，滑體中上部巖土體出現高應力集中區，呈塊狀、條帶狀向地表延伸，說明飽和條件下，滑體碎石土的抗剪強度已逐漸無法維持坡體穩定，整體開始出現剪切破壞。

圖7 飽和工況最大剪應變云圖

圖7為飽和工況下最大剪應變云圖，與天然工況相比，此時最大剪應變區域已基本貫通，在基覆界面大幅度擴展，最大應變值為6.52 cm。坡面下部也出現了高應變集中現象，說明在重力作用下，滑面處巖土體也發生屈服破壞，大變形導致坡體前緣開始剪出，坡體處于失穩狀態。上述結論與位移特征對應。

3 三維模型模擬分析

3.1 三維建模思路

二維模型雖建模簡潔，計算快捷，但其本質遵循平面應變假定，并不能體現三維狀態下的應力應變情形。本節借助MIDAS的節點導入擬合功能建立三維模型，由于MIDAS軟件屬數值計算軟件，三維建模優勢不突出，在面對復雜三維地質模型時并不能準確劃分區域，因此需借助其他專業地質建模軟件完成。

本文利用GEO-Modeler軟件進行優化調整。GEO-Modeler建好地表面和地層界面后分別以點群形式導出，然后在讀取軟件內修整優化點群分布及密度，以滿足建模精度。

最后將優化點群導入數值計算軟件擬合建面，并切割分解，從而精確地建立復雜計算模型，數值計算模型如圖8。

圖8 滑坡三維模型網格劃分圖

3.2 計算結果分析

根據現場調查結論與二維模型分析，天然工況下，滑坡目前處于基本穩定狀態，無詳細分析必要。本節僅分析飽和工況下三維模型的變形與應力應變，模型參數選取與邊界條件設定同上節所述。

三維模型計算得飽和工況下滑坡穩定系數Fs=0.852，較二維計算結果其穩定性更差。重力作用下，Z方向(豎直方向)的變形由地表向下逐漸減小，由坡頂向下位移等值線不規則，如圖9，滑體下部位移集中，凸向坡內，說明該段變形較大。Y方向(沿坡面向外)變形如圖10，該方向上位移主要集中在滑體中下部，坡頂和基座基本無變形。飽和狀態下，滑體中下部已經失穩滑塌，大變形逐漸擴散至坡底，滑體前緣有剪出跡象。

圖9 Z方向位移云圖(三維) 圖

圖10 Y方向位移云圖(三維)圖

滑坡的穩定性很大程度上取決于滑面的屈服程度[9]。在研究三維模型應力應變情形時單獨顯示滑面單元，如圖11、12。飽和工況下，滑面處剪應力在110～190 kPa之間，大值主要分布在滑床碎石土中部，說明滑面該部位容易屈服破壞。最大剪應變也呈相似趨勢，高應變值主要分布于滑體與碎石土接觸處，坡體前緣也出現了較大的應變值，最大剪應變為4.1 cm，說明此時坡體中部與前緣同時開始屈服破壞，并產生較大應變值，坡體已處于失穩狀態，此結論與二維分析結果相符。

圖11 滑面最大剪應力分布圖

圖12 滑面最大剪應變分布圖

4 結 論

(1) 滑坡位于秦嶺山前某沖溝內，岸坡巖體破碎，降水沿結構面滲入加速了巖體軟化。河流下蝕期間，岸坡巖體在卸荷作用下沿層面拉裂變形，受傾坡外裂隙切割后，巖體追蹤緩傾坡外的裂隙滑動，最終剪斷并形成現狀滑坡。

(2) 采用MIDAS數值分析軟件對滑坡進行分析計算，二維計算結果表明：自重作用下，滑坡穩定系數Fs為1.32。坡體沿Y方向變形平行地表，X方向的位移主要集中在滑體中上部，最大剪應力值于滑面處出現突變，最大剪應變值集中在滑體中部，但尚未貫通，因此處于穩定狀態。

(3) 飽和工況下，二維計算模型Fs為0.92，滑坡處于不穩定狀態。相比于天然狀態，飽和工況下滑坡變形更加明顯，滑體位移彌散范圍更大。最大剪應力與最大剪應變值均發生驟增，剪應變區已于坡底貫通，坡體變形剪出跡象明顯，已發生整體破壞。

(4) 借助GEO-Modeler軟件建立復雜地質模型，在數值計算軟件中導入點群準確擬合建面，進而建立三維模型。三維計算結果表明：飽和工況下，滑坡穩定系數Fs為0.852，大變形擴散至滑體中下部，前緣剪出跡象明顯，滑床碎石土中部最大剪應力富集，滑體中部與前緣應變值較大，已發生屈服破壞。