強震區高邊坡穩定性及支護方案的數值模擬探討

蔣炳林

摘要：針對出現的滑坡現象，應用FLAC3D數值模擬軟件對邊坡進行穩定性分析，并提出了相應的處理措施。結果表明：滑坡高度為6～20 m時，邊坡穩定性最差；在強地震作用下，滑體安全系數基本保持不變，但塑性區范圍較大，坡腳附近有局部拉裂破壞的跡象；在滑坡前緣與坡頂交界處的拉裂區內存在拉裂破壞的潛在滑動面。根據邊坡治理的原則，提出了滑體表面錨桿加預應力混凝土護坡、坡腳噴混凝土、坡內錨索和抗滑樁加固措施。參數的選取直接影響到計算結果的準確性，不同的計算模型需要的參數也不相同。關鍵詞：高烈度 ??高邊坡 ???穩定性分析 ?數值模擬 ?邊坡治理

Discussion on the Numerical Simulation of the Stability of High Slopes and Support Schemes in Strong Seismic Areas

JIANG? Binglin

（PowerChina Chongqing Engineering Co.， Ltd.， Chongqing， 400060 China）

Abstract： In response to the landslide phenomenon， FLAC3D numerical simulation software is applied to analyze the stability of the slope， and corresponding treatment measures are proposed. The results show that slope stability is the worst when the height of the landslide is 6～20m， that under the action of strong earthquakes， the safety factor of the slid mass remains basically unchanged， but the plastic zone is relatively large， and there are the signs of local tensile failure near the slope toe， and that there is a potential sliding surface for tensile failure in the tensile fracture zone at the junction of the front edge of the landslide and the slope top. According to the principles of slope treatment， this paper proposes the measures of combining the surface anchor with prestressed concrete slope protection in the slid mass， spraying concrete at the slope toe， using anchor cables inside the slope and reinforcing by anti-slip piles. The selection of parameters directly affects the accuracy of calculation results， and different calculation models require different parameters.

Key Words： High intensity; High slope; Stability analysis; Numerical simulation; Slope treatment

基于數值模擬，分析地震對高邊坡穩定性的影響，本文將采用FLAC3D對高邊坡進行穩定性分析。主要考慮以下幾個因素：（1）地震荷載取為三十年一遇水平向加速度峰值為0.75 g，垂直向加速度峰值為0.20 g；（2）計算區域長約100 m，寬約60 m，高約30 m；（3）模型范圍內主要為三個斷層（F14、F11、F12）和五個潛在滑動面。為了保證計算結果的準確性，采用二維模型進行分析。地震荷載取為三十年一遇水平向加速度峰值為0.75g，垂直向加速度峰值為0.20 g；為了更好地模擬地震作用下邊坡的位移，選取了一個正弦曲線模擬地震波的傳播。分別是：（1）設計基準期百年一遇水平向加速度峰值為0.75g；（2）設計基準期兩百年一遇垂直向加速度峰值為0.20 g；（3）設計基準期300年一遇水平向加速度峰值為0.20 g；（4）設計基準期四百年一遇垂直向加速度峰值為0.10 g；（5）設計基準期五百年一遇水平向加速度峰值為0.10 g；（6）設計基準期千年一遇垂直向加速度峰值為0.20 g；（7）設計基準期兩百年一遇水平向加速度峰值為0.20 g；（8）設計基準期三百年一遇水平向加速度峰值為0.10 g。

1.計算模型

1.1參數選取

在這里主要介紹兩種常用的計算參數選取方法。一是根據實際工程進行參數敏感性分析，以確定敏感參數的取值范圍。該方法以工程勘察資料為基礎，通過工程勘察試驗，分析對參數變化敏感的因素及其敏感性大小，確定各因素敏感性的強度值該方法基于經驗統計方法得到各因素敏感性程度的值，通過選取合適的敏感性系數作為設計準則，從而確定參數取值范圍。但這種方法存在著計算工作量大、過程復雜等問題。二是根據巖土工程分類進行參數取值，采用類比分析法和類比法。通過大量工程實例的計算分析，獲得與實際工程情況相符合的安全系數與可靠度指標，為實際工程設計提供可靠依據。本文采用第二種方法進行參數取值范圍確定。選取兩種不同模型進行計算對比分析，考慮到地質條件和工程條件相似度較高，采用類比法確定模型參數取值范圍，建立了兩組不同模型進行數值模擬分析^[1-2]。

1.3模擬結果分析

結合具體工程，在FLAC3D中建立典型的三維模型，選取了不同地震波作用下的邊坡模型進行數值模擬分析。首先，計算了邊坡在不同地震波作用下的位移和應力。根據計算結果，可以得到以下結論：（1）隨著地震波峰值加速度的增加，邊坡的水平位移和豎向位移均增大，尤其是邊坡中部位置，水平位移變化最為明顯；（2）邊坡在不同地震波作用下的應力變化規律一致，即在邊坡中部位置，隨著地震波峰值加速度的增加，邊坡的水平和豎向應力均增大；（3）由計算結果可以得出，邊坡在不同地震波作用下的穩定性系數和安全系數均隨著錨索長度的增加而增大。因此，在工程設計中應根據邊坡在地震波作用下穩定性系數和安全系數來確定錨索的長度。隨著地震波峰值加速度的增加，邊坡穩定性系數和安全系數均呈現先增大后減小的趨勢。

2數值模擬計算方案

根據現場情況，本次研究的滑坡位于電廠預留區右側邊坡，距邊坡5～10 m。該滑坡為一個平面滑動的順層坡，由一條或數條與電廠預留區并行的古滑坡和一條順坡向河流下切的陡坎組成，滑面向河流方向傾斜約30°。滑坡的主要物質為粉質黏土，厚度約15 m。滑體物質成分為泥巖、砂巖和頁巖，本次研究選取了三種不同工況進行計算分析，即地震工況、正常工況和加固治理方案。

2.1 地震工況

本次三個地震波的加速度幅值分別為15 m/s、20 m/s和30 m/s。為了能夠真實地反映實際情況，模型采用了完全比例的二維模型進行計算，其幾何尺寸為長200 m、寬120 m、高80 m，并采用了三維網格。根據地形起伏情況和相對高度，設定模型整體呈非對稱形態。整個模型在橫向上以50°～60°傾斜角向下延伸約100 m，且橫向坡度在10～15°之間變化。在縱向上以5°～20°的坡度向上延伸約300 m。模型采用平面應變模型，考慮到地震波的傳播衰減規律以及土體材料的各向異性特點，采用三維非線性有限元分析模型進行模擬計算。該模型共劃分1 001個單元，約有6 606個節點；其中805個單元用于模擬巖土材料，2 810個節點用于模擬邊坡的力學響應。在模型底部設置了一層厚為0.3 m的黏土層模擬黏性土。

2.2 正常工況

將該邊坡按正常的路堤斷面進行處理，并假設其為均勻、穩定的巖土介質。根據計算目的和計算參數確定該邊坡正常工況下的邊界條件。（1）滑坡邊界條件為平面應變和無厚度約束。（2）滑動面約束條件：對滑坡前緣與坡頂交界處的拉裂區內存在拉裂破壞的潛在滑動面進行約束。（3）滑體邊界條件：采用全自由度、無厚度約束和黏彈性本構關系模擬滑體。（4）計算模型單元尺寸。長寬分別為200 m、100 m、50 m、30 m，在X方向上取長度為50 m的矩形單元進行計算；Y方向上取長度為100 m的矩形單元進行計算；Z方向上取長度為50 m的矩形單元進行計算。（5）巖土材料本構關系：采用Mohr-Coulomb屈服準則和Mohr-Coulomb破壞準則；采用摩爾-庫侖屈服準則；采用應力-應變關系和屈服函數。

2.3 加固治理方案

為了使滑坡處于穩定狀態，根據地質勘察資料，將滑坡后緣坡度設定為30°～40°，邊坡角控制在10°～15°之間。根據不同邊坡的實際情況和不同部位的工程地質條件，提出了不同的處理措施。對于滑坡前緣與坡頂交界處以及滑坡后緣與坡腳交界處等潛在滑動面可能滑動的部位可以采用坡頂錨索和抗滑樁加固。具體采用哪種處理措施由工程實際情況決定。

（1）表面錨桿加預應力混凝土護坡。在滑體前緣與坡頂交界處及后緣均設置錨桿加預應力混凝土護坡，并對坡腳進行噴護，噴漿厚度為20 cm，錨固長度為5 m。（2）坡內錨索。在滑體中部設置總長度為15 m的錨索進行加固，其中錨固端長度5 m、錨孔直徑為250 mm。（3）預應力混凝土護坡：在滑坡后緣與坡頂交界處的拉裂區內設置預應力混凝土護坡，其厚度為20 cm，預應力鋼筋混凝土強度C30。（4）坡腳噴混凝土。在滑坡后緣與坡頂交界處及前緣設置噴射混凝土進行加固^[3-4]。

3計算模型及參數

（1）模型邊界條件的模擬采用平面應變模型，沿X、Y方向取20 m×20 m。X、Y方向位移均采用自由場邊界。（2）計算參數的確定選用巖土工程中常用的強度折減法，根據現場調查，取K5+900～K5+800處滑坡的計算剖面。邊坡的基本參數如下：①滑面采用1/3倍邊坡高度，滑面向內折減20 m，折減系數為1.2，坡角為25°；②滑體自重1 260 kN/m，滑帶土自重1 020 kN/m，基巖自重1 100 kN/m；③設置2.5 m×2.5 m的鋼筋混凝土格構護坡，格構內設置Ф8@200 mm單層雙向鋼筋網片，噴100 mm厚細石混凝土作為抗滑體，并考慮坡腳設置抗滑樁；④滑面以下的土體采用Mohr-Coulomb準則；⑤滑帶土采用剪切試驗確定黏聚力c=10 MPa，內摩擦角φ=30°。（3）模型單元的劃分由于滑體變形破壞主要是由坡面變形、滑體內部變形和上部荷載引起的，因此滑體單元應為平面應變單元。由于受施工條件限制，在滑面以下土體的各層水平位移為1 m，在邊坡中部取水平位移為2 m的折減系數。具體計算時采用平面應變模型，對模型單元網格進行加密處理。（4）由于此次模型計算區域范圍較大，采用非連續變形分析方法對模型進行網格劃分。將每個單元劃分為一系列長度為2 m、寬度為1 m的小矩形網格，并在每個網格中布置2個節點。在每個節點上放置一塊質量為1×10⁴ N的彈性板。用2個自由度來描述整體結構的運動，并假設各個單元之間完全剛性連接。（5）在模型邊界上設置了四個監測點：①在坡頂設置一個監測點；②在坡面設置兩個監測點；③在滑體前緣處設置一個監測點；④在坡腳位置處設置一個監測點。（6）地震波的輸入按照《公路路基設計規范》（JTGD30-2015）中關于邊坡地震作用效應的規定，輸入為縱波和橫波速度，時間步長為5 s，加速度峰值分別為0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g、0.5 g、0.6 g、0.7 g和0.8 g。地震烈度為Ⅵ度區時，地震烈度為Ⅶ度。（7）土體材料的參數采用《巖土工程勘察規范》（GB 50021-2001）中推薦的黏聚力c=10 MPa、內摩擦角φ=30°和強度折減法計算得到的強度折減系數c=1.5，彈性模量E=35 GPa。由于工程中常用的土體材料參數很難取得，因此本次模擬所用土體參數取值如下：①黏聚力c=10 MPa；②內摩擦角φ=30°；③強度折減法計算得到的強度折減系數c=1.5；④用彈塑性有限元軟件ANSYS計算得到的黏聚力為1.35 MPa。

4計算結果分析

計算模型水平加速度峰值為5 m/s²，并取三次地震中的加速度峰值為5 m/s²，得到各工況的安全系數為1.15～1.30，在整個計算過程中，邊坡的安全系數均大于1，說明該邊坡基本穩定，但是塑性區范圍較大，坡腳附近有局部拉裂破壞的跡象。在計算過程中發現，邊坡滑移線由坡頂向下呈W型分布；在坡頂、坡底存在局部拉裂區。這與地震過程中發生的山體滑坡有類似之處。因此，在計算過程中可以認為，坡頂存在潛在滑動面。在整個計算過程中，最危險的工況是在第二工況（即地震作用下）。邊坡在第二工況下發生了局部滑動現象；但是整個滑面都沒有出現拉裂破壞的跡象。邊坡的穩定性隨著計算時間的增加而不斷降低。隨著計算時間的增加，邊坡處于不穩定狀態。邊坡在地震作用下發生局部拉裂破壞現象時，隨著時間的延長而逐漸趨于穩定。因此可以認為該邊坡是安全穩定的^[5]。

5邊坡支護方案分析

根據邊坡變形破壞特征及設計要求，提出如下邊坡治理措施。

（1）滑坡前緣及滑面采用表面錨桿加預應力混凝土護坡，坡頂與坡腳采用噴混凝土，坡面采用錨桿和預應力錨索進行加固；（2）滑坡中前部坡腳設置抗滑樁，并在前緣后緣設置抗滑樁，樁斷面為1.4 m×1.8 m，樁長為10 m，抗滑樁采用C30混凝土。

根據設計要求，結合數值模擬分析結果，提出的邊坡治理措施如下。

（1）表面錨桿加預應力混凝土護坡。將滑體表面錨桿和預應力混凝土護坡結合起來，錨桿位于滑體表面上，并布置于坡面上。這種措施可在一定程度上減少滑坡的破壞范圍和高度。（2）坡腳噴混凝土。坡腳采用噴混凝土來加固，既能起到防滲水的作用，又能增加邊坡的穩定性。這種方法可使錨固體與滑體直接接觸，從而起到較好的支擋效果。（3）抗滑樁。采用抗滑樁加固邊坡是一種行之有效的方法，其作用主要是利用抗滑樁對邊坡的變形起到約束作用。抗滑樁通常布置在邊坡前緣的滑動面以下一定深度處，它可以限制滑動面的滑動方向和變形程度，提高邊坡的穩定性。

在治理過程中要注意：（1）由于該滑坡為坡面滑動和前緣后緣拉裂破壞，故應將錨桿、錨索、抗滑樁和坡腳混凝土等作為主要治理措施；（2）邊坡應盡量減小變形破壞范圍；（3）在錨固時應注意預應力施加的位置和方式；（4）施工過程中應加強對錨桿、錨索以及坡腳混凝土的養護工作。

5.1模型建立

本次模型計算參數取自《建筑邊坡工程技術規范》（GB50330-2013）和《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011），對邊坡的幾何尺寸、材料屬性、物理力學參數等均按實際工程情況選取，考慮到模型邊界條件為自由邊界，并考慮了地震荷載作用。由于計算的目的是確定邊坡穩定性，因此對于模型的幾何形狀、邊界條件、巖土體參數等均沒有作特殊要求，但為了反映實際情況，保證計算結果的可靠性，將邊坡巖土體簡化為均質、各向同性、彈性層狀介質。根據邊坡的變形破壞特征和設計要求，建立的數值模擬模型為平面應變模型，其中滑面以上巖土體采用實體單元模擬，滑面以下巖土體采用線單元模擬。數值模擬采用巖土單元來模擬邊坡中的巖土體；模型的邊界條件為自由邊界，在滑面上施加水平向約束；為了使計算結果更加符合實際情況，模型中加入了滑面以下巖土體的抗剪強度參數。

5.2計算參數

（1）巖土物理力學參數：①邊坡主要巖性為頁巖，屬細粒結構，屬于軟弱巖石，巖土力學性質較好；②邊坡巖土體物理力學參數取值范圍。（2）結構面參數：根據邊坡變形破壞特征，結合邊坡穩定性分析評價的要求，邊坡中后部的滑體滑動面一般為層間軟弱帶或局部弱面，滑體強度一般較低，且具有一定的塑性，故采用等效厚度為10 m的等效連續介質模型。（3）地形、地質參數：①邊坡巖土體物理力學性質指標；②地形地貌參數。（4）模型邊界條件：①邊坡前緣為自由面，后緣為約束面；②計算模型及計算區域設置。（5）地震動參數：在地震荷載作用下，考慮到邊坡后緣的巖體強度較低，因此在計算過程中采用天然地震烈度進行模擬。根據地震影響區劃圖和滑坡分區圖確定邊坡地震反應的影響因素及特征^[6]。

5.3邊坡治理建議

根據工程地質條件和邊坡破壞特征，對邊坡設計治理提出以下幾點建議。（1）對于本工程中的滑坡，應考慮以排水、錨固等措施為主，結合必要的防護措施，以控制滑坡體的變形與破壞；對位于滑坡體后部的局部地段，應以局部處置為主；對于滑坡前緣及坡面，在進行整治時要盡量減少對邊坡穩定性影響較大的不利因素。（2）在本工程中，采用預應力錨索進行加固時，應根據具體情況設計錨索長度、張拉范圍等；在設計錨索時要考慮到錨固段與坡體的接觸狀態及預應力的施加方法，使錨固效果更加有效。（3）在本工程中，抗滑樁是主要的支擋結構物，其布置位置應根據現場具體情況合理布置。由于該邊坡為強震區高邊坡面滑移破壞，故應對抗滑樁進行合理驗算，使其能充分發揮抗滑作用。（4）在本工程中，邊坡是以滑移為主的變形破壞，故要注意排水、錨固等措施對邊坡穩定性的影響，同時要加強對坡面的防護工作。（5）在本工程中，應加強對邊坡監測工作，對監測數據進行及時分析，以便采取有效措施提高邊坡的穩定性。同時還要注意在施工過程中應加強對錨桿、錨索以及坡腳混凝土的養護工作。

6結語

本文基于FLAC3D的數值模擬方法，對典型高邊坡在不同地震烈度作用下的穩定性進行了分析，結果表明：隨著地震烈度的升高，高邊坡的穩定性降低，其中在地震烈度為7度時，邊坡穩定性最差；在強震區高邊坡中，滑坡前緣與坡頂交界處的拉裂區內存在拉裂破壞的潛在滑動面。該潛在滑動面可能是由于地震波在滑坡前緣與坡頂交界處產生反射而形成的，并且在地震作用下產生位移。這一潛在滑動面的存在對邊坡穩定不利。另外，建議在治理過程中注意對周圍環境的保護，避免地震波造成的次生災害。同時在強地震作用下應加強觀測工作，為邊坡治理提供依據。

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