基于Midas GTS / NX 的滑坡穩定性分析及治理方案可行性研究

劉 永，張國和*，楊建華，董 鵬，毛吉成，甘小迎

(中國電建集團貴州電力設計研究院有限公司，貴州 貴陽)

引言

隨著近代科學技術的快速發展，計算機科學與技術在地質工程領域得到了極大的推廣發展與應用，基于計算機有限元數值模擬軟件的計算分析法在滑坡穩定性分析中不斷發展運用，并成為一種新的穩定性分析方法[1]，同時運用數值模擬方法對滑坡的穩定性及治理方案進行分析研究將成為未來研究分析的主要發展趨勢[2]。Midas GTS / NX 作為一種巖土有限元分析軟件，其具有強大的分析計算能力，廣泛適用于巖土工程、樁基工程、地下工程、水利工程等領域[3]，有限元數值模擬方法已經成為滑坡坡穩定性分析中的重要方法，這類方法不但能考慮邊坡巖土體本身的變形對邊坡穩定性的影響，而且能給出邊坡巖土體中應力應變分布，分析邊坡破壞的發生和發展過程等，具有傳統的極限平衡法所不可比擬的優勢[4]。

文章將借助Midas GTS / NX 巖土有限元分析軟件，對滑坡的穩定性及治理方案可行性進行研究，對滑坡在不同工況下的穩定性進行模擬計算[5]，從滑坡穩定性系數，位移及最大剪應變等方面對滑坡穩定性進行分析，并借助Midas GTS / NX 對該滑坡治理方案進行模擬分析，對比采取治理方案前模擬結果，對治理方案的可行性進行進一步分析研究。

1 滑坡概況

該滑坡位于邊坡中上部，兩側沖溝發育，下部受人類工程活動開挖嚴重，滑坡上部坡度在12°～22°之間，中部和下部坡度在43°～60°之間，滑坡平面展布上呈現不規則半橢圓狀，縱向長約120 m，中部寬約220 m，前緣寬約260 m，主滑方向約為240°。滑坡整體平均厚度達24.9 m；滑坡平面面積約2.66×104m2，滑體體積約為69.46×104m3，屬中型滑坡。

根據現場調查及鉆探資料，滑體土厚度在7.5～33.3 m 范圍之間，滑體中間厚，前緣較薄，主要由第四系中更新統離石黃土（Qp2eol）和上更新統馬蘭黃土（Qp3eol）及少量紅黏土組成，土體覆蓋于侏羅系砂巖（J2y）之上。

2 模型建立

根據滑坡主剖面地層狀況和相關地形特征，按照實際尺寸確定模擬剖面的模型大小。依據勘察資料，將滑坡的地層劃分為馬蘭黃土、離石黃土、紅黏土、滑帶土、滑體土以及滑床六大部分，并對相應地層進行合理的網格劃分，從而得到該滑坡穩定性分析模擬的網格模型圖（見圖1）。

圖1 模型網格劃分圖

3 模擬工況及材料賦值

由于滑坡所在區域降雨時間分布極為不均，雨季降雨量較大并常伴有暴雨極端天氣，故滑坡模擬計算采用天然工況和飽和工況兩種狀態。

通過對地質勘察取樣進行室內試驗數據測定，并結合相關工程類比和簡化模型綜合得到各地層參數（見表1），作為用于數值模擬計算的相關賦值計算參數。

表1 材料參數賦值

4 基于Midas GTS / NX 的滑坡穩定性分析

滑坡穩定性狀態評判按照《滑坡防治工程勘查規范》(GBT32864-2016），數值模擬穩定性分析計算采用天然工況和飽和工況兩種狀態。

4.1 天然工況

在天然工況下，由有限元數值模擬計算得出剖面的穩定系數為1.024 3，處于欠穩定狀態。

從天然工況滑坡的位移云圖（見圖2），我們可以較清楚地看到位移最大出現在滑坡后緣附近，這主要是因為滑坡后緣累積變形，在滑坡后部形成較多裂縫導致。而滑坡前部坡腳產生的位移，是由于該段滑體比較薄，容易發生應力集中[6]，這與天然狀態下坡體破壞特征相符合。

圖2 天然工況位移云圖

從剪應變云圖（見圖3）可知，滑坡后部滑面為切割土體形成，而中前部滑面為滑體與基巖接觸面，滑面目前尚未完全貫通。

圖3 天然工況剪應變云圖

4.2 飽和工況

在飽和工況下，據有限元數值模擬計算得出剖面的穩定系數為0.857 6，穩定性較天然狀態明顯降低，滑坡處于不穩定狀態。

從飽和工況下滑坡的位移云圖（見圖4），可以看到位移與天然工況相比，位移量顯著增加，滑坡已經發生變形破壞，整個滑坡已處于不穩定狀態。

圖4 飽和工況位移云圖

從剪應變云圖（見圖5）可以明顯的看出，剪應變在飽和工況下擴展并貫通了整個滑坡體，形成了貫通的滑面，說明在降水持續入滲過程中，黃土內部與基巖接觸面附近產生了貫通滑坡體的軟弱帶，隨著軟弱帶土體抗剪強度大幅度降低，最終滑坡發生剪切破壞貫通滑面，造成滑坡發生滑動。

圖5 飽和工況剪應變云圖

綜合分析得出該滑坡天然狀態下處于欠穩定狀態，在降雨等其他因素作用影響下，滑坡將處于不穩定狀態，隨時可能發生滑動，需要及時采取相關治理措施進行加固治理。

5 基于Midas GTS / NX 的滑坡治理方案可行性分析

5.1 擬采用治理方案

根據滑坡的地形地貌以及工程地質特征，并結合滑坡穩定性分析，設計治理方案為：抗滑樁+擋土板+平整坡面及削坡+截排水

（1） 抗滑樁

根據該滑坡工程地質特征狀況，在滑坡前部設置一排抗滑樁，抗滑樁規格2.5×3 m，樁長21 m。

（2） 擋土板

由于坡體整體結構較為疏松，為防止相鄰抗滑樁之間土體受坡體自身擠壓作用溜出，在相鄰抗滑樁間設計擋土板。

（3） 平整坡面及削坡

根據《建筑邊坡工程技術規范》，按照設計要求，從上到下對滑坡進行削坡處理，對坡體抗滑樁以上坡體按照坡比1:1 進行削坡，每級高度8 m，護坡道平臺寬3 m，并對坡體裂縫及落水洞進行回填夯實處理，確保坡面完整性。

（4） 排水工程

根據研究，隨著水體入滲坡體，土體容重隨之增大，坡體下滑力增加，穩定性降低；另一方面由于黃土整體結構疏松多孔，垂直節理發育，坡面徑流、匯水等侵蝕破壞坡面，并沿土體裂隙下滲，軟化土體形成軟弱帶[7]，做好排水是有效治理滑坡的關鍵。

5.2 治理方案可行性分析

治理方案均嚴格按照邊坡治理規范設計，在天然狀態下設計方案安全系數不小于1.3，暴雨狀態下不小于1.15，為了檢驗治理方案的極限穩定性，模擬選擇在暴雨飽和工況下的治理方案的滑坡穩定性數值模擬。材料參數采取飽和狀態下的參數進行模擬計算分析。

在飽和工況下，治理方案模擬結果穩定性系數為1.183，與治理前飽和工況相比，穩定性得到了顯著的提高，滿足飽和工況安全系數要求，證明該方案能夠達到滑坡治理穩定性要求。

從治理方案的總位移云圖（見圖6）我們可以看出，采取治理方案之后，最大位移雖出現在坡體后緣，但整體位移量較采取方案前大幅度降低，證明治理方案對該滑坡治理效果明顯。

圖6 治理方案位移云圖

從治理方案剪應變云圖（見圖7）可以看出，采取治理方案后，滑坡最大剪應變主要出現在抗滑樁樁后附近，與采取方案之前相比，剪應變值明顯減小，并且不再出現貫通，證明該治理方案加固效果較好，治理方案可行。

圖7 治理方案剪應變云圖

6 結論

本研究主要借助于Midas GTS / NX 有限元模擬軟件，對滑坡在天然工況和飽和工況分別模擬分析，得出天然狀態下滑坡的穩定系數為1.024 3，飽和工況下的穩定系數為0.857 6。從模擬結果分析來看，滑坡從天然狀態過渡到飽和狀態的過程中，滑坡整體位移量逐漸增大，并且坡體內部逐漸形成貫通的滑面；在采取治理方案后，受前部抗滑樁支撐，滑坡位移量得到明顯控制，且不再形成貫通滑面，滑坡穩定性系數增大，能夠滿足規范治理安全系數要求，該治理方案是可行的。通過Midas GTS / NX 有限元模擬軟件能夠較快速準確對滑坡不同狀態下的穩定性進行快速分析判斷，并且能夠有效的對治理方案的治理效果進行比對分析，為相關工程提供一定的借鑒。