伊犁加朗普特滑坡災變效應分析

摘" 要：在對伊犁加朗普特滑坡野外勘察的基礎上，確定其成因類型、形成機理及災變過程。建立了基于主勘探線剖面的加朗普特斜坡地質力學模型，由坡底向上依次為第一、二、三、四級斜坡，運用FLAC 3D開展數值模擬，用摩爾庫倫本構、Mohr-Coulomb 模型收斂標準和強度折減法進行天然工況下斜坡的穩定性分析。計算結果顯示：在天然工況下（考慮自重），加朗普特斜坡的穩定性系數為1.37，斜坡處于穩定狀態。在降雨工況下，穩定性系數為0.98，斜坡處于不穩定狀態。分別模擬斜坡在2種工況下從穩定階段→失穩階段→失穩破壞階段的災變過程，形成總位移、X方向位移、大主應力、小主應力、最大剪切應力、最大剪切應力應變增量和斜坡塑性區云圖，重現了災變過程，為準確認識災變過程、減災防災及災害評價提供參考。

關鍵詞：數值模擬；災變效應；FLAC 3D；加朗普特滑坡；伊犁谷地

伊犁地區黃土分布廣泛，是我國黃土滑坡的重災區之一[1]，加朗普特滑坡是伊犁重要的特大型滑坡之一。該滑坡位于伊犁新源縣則克臺鎮以北約15 km的加朗普特薩依。前人對該滑坡進行了大量研究工作。欒志剛等在分析加朗普特黃土滑坡群的工程地質背景、滑坡特征及成因機制的基礎上，結合工程自身特點，對西南方向的滑坡H4建立了三維模型，利用強度折減有限元法對其穩定性進行分析，并用二維極限平衡法校驗安全系數[1]。劉麗楠等在建立加朗普特黃土滑坡結構模型的基礎上，研究降雨誘發黃土斜坡結構滲流破壞過程與機制，提出了新疆黃土斜坡破壞模式[2]。曹小紅等對新源縣加朗普特滑坡發育特征及孕災機理進行探討，并提出了斜坡防護方案[3]。馬超等運用定性評價法對加朗普特堰塞湖滑坡類型和穩定性進行評價，認為加朗普特滑坡處于基本穩定狀態[4]。尚彥軍等運用沉積相變分析、高密度電法探測、中小尺度地質構造解譯和水文地質條件變化對比等技術方法，揭示了早在1985年12月之前該特大型滑坡就已發生了特大型老滑坡，并提出在斷層和相變影響下，加朗普特滑坡受地震始發而強降雨誘發的新模式[5]。但對于該滑坡的發生過程、滑坡發生時的破壞程度及土體內部應力應變趨勢并未進行研究。鑒于此，本次研究運用數值模擬方法，基于FLAC 3D軟件計算不同工況下加朗普特滑坡的變化特征，進一步揭示降雨和凍融循環作用對坡體穩定性的影響，進行災變效應分析，以期為S316公路的升級改造及制定防災減災提供參考。

1 工程地質背景

1.1" 地形地貌

則克臺溝發源于阿吾拉勒山分水嶺南側，穿越研究區地段為淺切割的緩頂中山地形，海拔1 300～1 800 m。在新源縣附近，地貌形態和地形變化較大，山坡較陡峻，河谷坡度多為25°～40°、個別地方大于40°。則克臺溝北高南低，谷底縱坡坡度為10‰～20‰。

1.2" 地層巖性

研究區周邊出露地層主要為上石炭統伊什基里克組、下—中二疊統烏郎組、中二疊統鐵木里克組、下—中侏羅統三工河組和第四系。其中加朗普特滑坡區內出露地層主要為鐵木里克組、古近系和第四系。鐵木里克組巖性為紫紅色礫巖、粗砂巖、砂巖夾粉砂巖。坡體表面大部分被第四系中、上更新統冰水沉積物、風積黃土、滑坡堆積層所覆蓋，黃土與下伏基巖（鐵木里克組砂巖、礫巖）呈不整合接觸。古近系在滑坡區內多有分布，巖性為棕紅色泥巖、灰白色砂巖等，多分布于第四系覆蓋層之下。第四系出露的地層主要有上更新統風積層、中更新統冰水沉積層及全新統沖積層。

1.3" 水文地質條件

研究區內地下水類型主要是基巖裂隙水和松散巖類孔隙水兩大類。松散巖類孔隙水分布于上覆黃土、滑坡堆積體和溝谷內全新統沖積層中，主要接受大氣降水入滲補給。沿黃土和滑坡堆積體中發育大孔隙和垂直節理由高處向低處徑流，在溝谷中則沿滑坡堆積體和沖積層孔隙由上游向下游徑流；基巖裂隙水包括層狀巖類裂隙水和塊狀巖類裂隙水。研究區內僅分布有層狀巖類裂隙水，分布在研究區東部加朗普特以東和南部則克臺溝兩側，含水層巖性主要為二疊系砂巖、礫巖。

2 加朗普特滑坡特征

加朗普特滑坡為3個同時發生的大型滑坡組成的特大型滑坡，滑坡后壁分別位于滑體的北側、西側、西南側3個方向，形成巨大的圈椅狀（圖1）。滑坡后壁相對高度最高處約110 m，最低處約60 m。西側滑坡后壁位置切割已越過分水嶺，后壁近直立，易發生小型崩塌[3，6-7]，加朗普特滑坡發生后前緣形成了滑坡洼地及滑坡湖，靠近滑坡后緣處地勢相對低洼平坦，低洼處有少量積水，形成滑坡湖。滑坡體南北兩側發育2條滑坡侵蝕溝，分別為南溝與北溝，2條滑坡侵蝕溝切割較深，最深處大于20 m[3，5，8]。侵蝕溝長度北溝大于南溝，北溝延伸至滑坡后緣，匯集了北滑坡與西滑坡及部分西南滑坡后壁出露的泉水，因此水量較大；南溝主要匯集了部分西南滑坡泉水，水量稍小。2條滑坡侵蝕溝為該特大型滑坡體地表水及地下水的主要排泄通道。滑坡體中部發育許多鼓丘，為滑坡滑動時滑體堆積形成。滑坡體主剖面顯示（圖2），滑坡滑動后形成四級臺坎，南側滑坡侵蝕溝穿越的一處臺坎高度達30～40 m，坡度達40°～50°。滑坡體從南北兩側滑入則克臺溝內，堵塞則克臺溝形成滑坡堰塞湖，堰塞湖南北長約570 m，湖水水面面積約10×104 m2[3，8]。

3 加朗普特滑坡穩定性FLAC 3D數值模擬

基于強度折減法的FLAC 3D邊坡穩定性分析，實現了對復雜條件邊坡的穩定性評價，計算過程可反映滑動面動態變化及極限平衡下的形態。本文采用數值模擬方法，利用FLAC3D軟件建立圖2所示加朗普特斜坡主剖面對應的二維數值模型，模擬天然狀態、降雨作用兩種工況的斜坡穩定性。通過強度折減搜索斜坡的穩定系數，探究彈性模量E、泊松比v、抗剪強度參數c、φ值以及凍融循環作用對土體強度劣化、地震荷載對滑坡穩定性的影響。

3.1" 地質力學模型的建立

據實測地質剖面PM1-1′簡化出加朗普特斜坡地質力學模型（圖3），由坡底向坡頂為第一、二、三、四級斜坡，每級斜坡兩側切溝約20 m，后壁臺坎高40 m，每級斜坡坡角40°～50°，坡高170 m、四級斜坡水平長1 500 m，坡面張拉裂隙深度1.5～2.5 m，斜坡黃土厚度大于30 m。

3.2" 天然狀態下斜坡穩定性" " " " " "分析

天然狀態指斜坡不受其它因素影響，在自然重力場下的穩定狀態。在進行天然狀態下斜坡重力平衡模擬時，以天然狀態參數對模型材料進行賦值，并利用試驗所得的參數開展彈性求解法計算。為防止在計算過程中模型出現塑性流動，該方法在數值模擬計算過程中，使用彈性模型將材料的體積模量和剪切模量設為大值。在自然重力場下平衡以后，再使用Mohr-Coulomb模型，將體積模量、剪切模量及其它參數改為真實值，直至最終平衡。

對模型進行靜力計算時，僅對模型底部及兩側位移設置約束，施加自然重力作用，模擬變形滑移的成因模式和破壞運動過程。本文加朗普特滑坡模型用摩爾庫倫本構，Mohr-Coulomb 模型收斂標準為FLAC3D軟件中默認的收斂標準，應用強度折減法進行天然工況下斜坡的穩定性分析。本文簡化的地質力學模型由坡底向上依次為第一、二、三、四級斜坡，輸入表1天然工況下的相關參數，計算出天然狀態下則克臺溝加朗普特斜坡穩定性系數為1.37，天然工況下數值模擬計算結果見圖4，5。

從圖4-a，b可看出，位移最大出現在坡頂后壁一定范圍內，X方向最大位移10 cm，后壁一定高度處發育較多小型崩塌，崩積物堆積在坡上方一定范圍內，加劇斜坡變形失穩。從圖4-c，d可看出，大主應力出現在坡面向下一定范圍內，這與現場地球物理勘探揭示的潛在滑移面較為一致，也是黃土和泥巖結構面處大主應力最大，小主應力則是越向坡體內部越大。從圖4-e，f可看出，最大剪切應力、最大剪切應力應變增量與塑性區發展較為一致，最大剪切應力應變增量與X方向最大位移出現的范圍較為一致，在最上部一級斜坡坡底出現剪應力增大的集中帶、在坡頂向坡體內部一定范圍內出現拉應力增大的集中帶，也就是坡體在變形失穩階段；在斜坡受外力作用下動態發展演化過程中剪應力增大的集中帶范圍逐漸擴大、拉應力增大的集中帶范圍也逐漸擴大，當剪應力增大的集中帶和拉應力增大的集中帶貫通時坡體失穩破壞。結合圖4，5， X方向位移及大主應力、塑性區發展趨勢，塑性區向下部坡體中范圍擴大（圖5）。

3.3" 降雨工況下斜坡穩定性分析

降雨是誘發滑坡的最重要因素之一，其對滑坡穩定性產生影響的過程復雜，作用多樣，且不易開展數值模擬分析。為簡化數值模擬計算難度，采用強度折減法進行降雨條件下的滑坡穩定性分析計算[9-12]，輸入降雨條件下的參數（表2），本文加朗普特滑坡模型用摩爾庫倫本構即設置Mohr-Coulomb模型，計算得出穩定性系數為0.98，斜坡處于不穩定狀態。具體計算結果見圖6，7。

從圖6-a，b可看出，考慮降雨條件下位移最大出現在第三級斜坡坡底向坡內一定范圍內，X方向最大位移27.5 cm，因為第四級斜坡自重及降雨使得水滲入斜坡內部，在坡體內部一定范圍內斜坡土體強度劣化，斜坡變形失穩加劇，在降雨條件下很容易導致斜坡變形、失穩、破壞，降雨條件與地震或凍融循環長期累積效應耦合作用下斜坡失穩易滑。

從圖6-c，d可以看出，考慮降雨條件下大主應力出現在第四級斜坡坡面向下一定范圍內，并向第三級斜坡坡頂向坡底發展、范圍擴大，這與現場地球物理勘探揭示的潛在滑移面較為一致，也是黃土和泥巖結構面處大主應力最大，小主應力則是越向坡體內部越大，可以說明在降雨條件下很容易導致斜坡變形、失穩、破壞。

從圖6-e，f可看出，考慮降雨條件下最大剪切應力、最大剪切應力應變增量與塑性區發展較為一致，最大剪切應力應變增量與X方向最大位移出現的范圍較為一致，即在第四級、第三級邊坡坡底向坡內一定范圍內，先出現剪應力增大的集中帶區域；在第三、第四級斜坡坡底出現剪應力增大的集中帶、在坡頂向坡體內部一定范圍內出現拉應力增大的集中帶，也就是坡體在變形失穩階段；在斜坡受外力作用下動態發展演化過程中剪應力增大的集中帶范圍逐漸擴大、拉應力增大的集中帶范圍也逐漸擴大，當剪應力增大的集中帶和拉應力增大的集中帶貫通時坡體失穩破壞。

塑性區向下部第三、第二級斜坡體中發展、范圍逐漸擴大， X方向位移及大主應力、塑性區發展趨勢相吻合（圖6），推斷該斜坡在降雨條件下很容易導致斜坡變形、失穩、破壞（圖7）。

4 結論

（1） 在天然工況下（考慮自重），加朗普特斜坡處于穩定狀態。在降雨工況下，斜坡處于不穩定狀態。

（2） 在降雨工況下，位移最大出現在第三級斜坡坡底向坡內一定范圍內，大主應力出現在第四級斜坡坡面向下一定范圍內，并向第三級斜坡坡頂向坡底發展、范圍擴大；最大剪切應力、最大剪切應力應變增量與塑性區發展較一致，最大剪切應力應變增量與X方向最大位移出現的范圍較為一致。

（3） X方向位移及大主應力、塑性區發展趨勢相吻合，顯示加朗普特斜坡在降雨條件下很容易導致斜坡變形、失穩、破壞。

參考文獻

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Analysis of the Catastrophic Effects of the Yili Garangput Landslide —— Based on FLAC 3D Numerical Simulations

Cao Xiaohong1，2，Wu Bin1， Shang Yanjun1，2，3，Chun Jianchao2，Xu Tao2，Yang Cheng2

（1. Xinjiang Agricultural University ，Urumqi，Xinjiang，830000，China;2.Key Laboratory of Geological Hazard Prevention of Xinjiang（Xinjiang Institute of Engineering， Urumqi，Xinjiang），Urumqi，Xinjiang，830000，China;3.Institute of Geology and Geophysics， Chinese Academy of Sciences，Beijing，100029，China）

Abstract： On the basis of the field survey of the Ili Garangput landslide， its genesis type， formation mechanism and catastrophic process were determined.A geomechanical model of the Gallant slope based on the main exploration line profile was established， with the first， second， third and fourth slopes in order from the bottom upwards， and numerical simulations were carried out using FLAC 3D.Calculations show that under natural conditions （taking into account self-weight）， the stability coefficient of the Garampt slope is 1.37 and the slope is in a stable condition. Under rainfall conditions， the stability coefficient is 0.98 and the slope is unstable.The slopes were simulated under two working conditions， from the stable stage → unstable stage → unstable damage stage， to form the total displacement， X-direction displacement， large principal stress， small principal stress， maximum shear stress， maximum shear stress strain increment and other clouds， to re-display the in-variation process， for accurate understanding of the in-variation process in disaster mitigation and prevention and disaster evaluation.

Key words：Numerical simulation;Catastrophic effects;FLAC 3D;Garangput landslide;Yili Valley