天然和降雨工況下某邊坡失穩機制數值模擬研究

陳文銳

（廣東中灝勘察設計咨詢有限公司,廣東 肇慶 526060）

1 引言

氣候變化增加了極端天氣的頻率,長期的氣候變化和海洋溫度是影響降雨模式或強度的關鍵因素[1]。特別是在山區,高強度降雨經常產生土壤侵蝕和相關的碎屑滑坡,持續時間較長的降雨使地表徑流滲入斜坡,從而提高地下水水位,破壞邊坡穩定性,引發滑坡[2,3]。山體滑坡已成為主要我國工程建設中的主要危害之一。我國大多數破壞性滑坡均是由長時間或強降雨誘發的,大多數由降雨引起的滑坡均為淺層滑坡,滑面深度約數米深,且滑動迅速。多數降雨引起的滑坡在沿著陡坡向下移動時轉變為泥石流,尤其是在西南山區溝谷地帶,滑坡往往演化為泥石流,造成嚴重的次生地質災害[4]。因此,研究滑坡的形成機理,對于滑坡災害的防治具有重要意義。劉威等[5]以金沙江沃達滑坡為例,通過離散元數值模擬軟件分析其滑動過程,研究結果表明,滑坡運動速度最高可達38 m/s,滑坡破壞范圍約2.8 km2；賀匯文等[6]采用有限差分數值模擬軟件FLAC對某路塹邊坡進行穩定性分析,研究結果表明,該邊坡失穩后,后部坡體仍處于不穩定狀態,將繼續下滑；唐建新等[7]通過UDEC離散元數值模擬軟件分析某順層巖質斜坡失穩特征,研究結果表明,該巖質邊坡失穩是由于坡體中的軟弱結構面受擾動,從而發生滑動；汪磊等[8]以浙江麗水市某滑坡為例,利用Geo Studio軟件對不同的降雨工況下坡體水位進行模擬,研究結果表明,強降雨作用會顯著降低邊坡的穩定性；謝振華[9]基于FLAC3D數值模擬軟件,以貴州省某礦山排土場為研究對象,對降雨強度與邊坡安全系數的關系進行分析,研究結果表明,降雨是影響排土場斜坡穩定的主要因素；尚敏[10]等利用Geo Studio巖土數值模擬軟件模擬某滑坡在降雨作用下的滲流場,研究結果表明,該滑坡失穩的主要原因是由于滑坡內土體在降雨作用下達到飽和,導致坡體內孔隙水壓力的急劇增加,從而發生失穩。

然而,以上研究均為分析降雨作用對滑坡的影響機制,缺少在不同工況下滑坡失穩破壞范圍的對比分析,本文以某邊坡為例,分析其在降雨和天然工況下的變形破壞特征及滑動范圍。

2 工程概況

研究區所在地具有亞熱帶溫帶過度型氣候特征,全年溫暖時間較長,多年平均氣溫17.1℃ ,一般4月～10月平均氣溫在16℃以上,11月至翌年3月平均氣溫 6℃左右。區內降雨量豐富,年平均降雨量1619.0 mm。研究區所在地巖土層由第四系全新統素填土,粉質粘土及粉砂巖組成。素填土厚為0.60 m～5.20 m,平均約2.44 m。粉質黏土層厚為1.6 m～2.4 m,平均厚約1.9 m。粉砂巖厚2.5 m～4.4 m,平均厚度為3.5 m。根據現場原位測試及室內土工試驗結果,各層巖土相關力學參數見表1。

表1 各土層物理力學參數

3 降雨條件下滑坡變形破壞特征數值模擬

針對降雨條件下的非飽和土的滲流和入滲分析,有限元數值模擬計算方法是常用的分析方法之一,ANASYS中的滲流耦合模塊可以較好的用于降雨作用下邊坡穩定性進行分析。然而,由于實際滑坡地質條件的復雜性,以及巖土體參數的不確定性,導致數值模擬得到的結果有時難以解釋。降雨作用下邊坡失穩數值分析涉及許多與土體性質、坡度幾何形狀、地下水條件、初始條件和降雨特征相關的參數。根據現場勘測,該滑坡地質剖面圖見圖1。

圖1 滑坡剖面圖

由圖1可以看出,滑坡滑動前的原始地形較為平緩,平均坡度為5°～15°。原始地形在縱向上有三個陡峭的臺階一級臺階深20 m～40 m,前緣坡度18°～33°；二級臺階發育高陡坡,高差35 m～49 m,陡坡前緣坡度達到25°～30°,坡中部沿坡向發育深溝,深約10 m～20 m。三級臺階高差35 m～45 m,坡度20°～30°。這三個陡坡構成了滑坡良好的自由條件,為滑坡的啟動提供了有利條件。

如圖2所示,利用Ansys建立了1∶1的滑坡滑動前二維地質模型,將其網格化并導入Flac3D中,模擬滑坡自然和暴雨條件下的變形破壞特征,揭示滑坡的變形破壞機制。斷面計算模型全長1000 m,高300 m,共1130 個計算單元。

圖2 滑坡二維數值模型

剪切破壞面上的強度是逐漸降低的,即滑坡潛在剪切帶不同部分土體的抗剪強度并非同時發展到最大值,而是在受集中應力最大部位的土體首先發生剪切或者壓縮破壞,進入塑形狀態,隨著降雨入滲,土體抗剪強度降低,導致塑性區范圍不斷擴大,直至整個滑面完全進入塑性區。利用快速拉格朗日三維數值計算計算出的剪應變增量,根據數值模擬得到的最大剪應變范圍,可以確定邊坡內部的最容易失穩的部位,即邊坡的最易潛在滑動面,并計算其安全系數,從而可以判斷邊坡是否穩定。根據數值模擬結果得到天然和降雨工況下,滑體內剪應力分別見圖3、圖4。

圖3 天然狀態下邊坡剪應力云圖

圖4 降雨條件下邊坡剪應力云圖

由圖3可知,天然狀態下,該邊坡在200 m～400 m范圍剪應力較大,剪應力值在5.5×102MPa～8.5×102MPa之間,可以看出潛在滑面上的剪應力已超過土體的最大抗剪強度,發生失穩滑動；在500 m～600 m范圍內存在另一個潛在滑動區,該滑動區內剪應力值在1.5×102MPa～2.5×102MPa,剪應力小于滑帶土抗剪強度,仍可保持穩定狀態。

由圖4可知,降雨狀態下,該邊坡在100 m～400 m范圍剪應力較大,剪應力值在6.5×102MPa～8.7×102MPa之間,由于降雨入滲導致滑帶土抗剪強度降低,滑面上的剪應力超過土體的最大抗剪強度,從而形成滑坡；在400 m～600 m范圍的潛在滑動區內,剪應力值在1.8×102MPa～3.0×102MPa之間,同樣受降雨入滲的影響,導致土體抗剪強度下降,形成局部滑坡。

目前,多數研究主要采用控制變量法,即針對單一影響因素進行分析,并確定控制參數。一般而言,坡度陡、高差大的斜坡,更有可能受降雨影響而發生失穩下滑[11]。根據數值模擬結果,可以得出天然狀態和降雨狀態下,坡體內的位移變化情況,見圖5。

由圖5可知,天然工況和降雨工況下,位移均隨著時步增加,且變化趨勢一致。在3000 時步內,天然工況下位移呈線性增加,最大位移值為3.12 m。在4000 時步時發生微小下降,隨后位移繼續增大,在6000 時步位移值為3.52 m,最后保持穩定,說明坡體變形保持穩定狀態。降雨工況下,位移在3000 時步增加到2.95 m,在6000 時步位移值為3.52 m,隨后繼續增加,說明此時邊坡已經發生失穩下滑。

圖5 不同工況下坡面監測點位移值

4 結論

本文利用有限差分軟件FLAC,對某滑坡在天然和降雨工況下的變形破壞特征進行模擬,主要結論如下：

（1）天然狀態下,該邊坡在200 m～400 m范圍剪應力較大,剪應力值在5.5×102MPa～8.5×102MPa之間,最大滑動距離為3.52 m。

（2）降雨狀態下,由于降雨入滲導致滑帶土抗剪強度降低,剪應力值在6.5×102MPa～8.7×102MPa之間,導致該邊坡在100 m～400 m范圍內,400 m～600 m范圍內均發生了滑坡。

（3）對比兩種工況下的數值模擬結果可知,降雨會導致滑坡發生的概率增加,且破壞范圍變大,因此在工程設計中應加以重視。