基于FLAC 3D的云南省沙壩村滑坡穩定性分析

摘要：

為了分析云南省丘北縣沙壩村滑坡穩定性，基于FLAC 3D軟件數值模擬方法，通過Rhino 6軟件與Griddle 2.0插件建立了滑坡穩定性分析模型，通過模擬天然工況與暴雨工況條件下滑坡位移與內部應力狀態，計算該滑坡的安全系數。結果表明：該滑坡在天然工況下安全系數為1.426，處于穩定狀態；暴雨工況下，該滑坡安全系數為1.020，處于失穩邊緣，滑坡后部剪應變增量集中，可能產生裂縫。研究成果可為制定針對性的滑坡防治措施提供參考。

關鍵詞：

滑坡； FLAC 3D； 數值模擬； 穩定性分析； 安全系數； 云南省

中圖法分類號：P642.22

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.07.006

文章編號：1006-0081（2024）07-0035-06

0 引 言

沙壩村地處云南省丘北縣雙龍營鎮北部山區，在2018年的丘北縣地質災害詳細調查項目中，沙壩滑坡被判定為欠穩定滑坡，整村被劃定為高風險區。由于丘北縣降雨較集中，且沙壩村有發生災害先例，一旦再次發生滑坡，將造成巨大的人員、財產損失，因此，對該滑坡進行穩定性分析十分必要。

如今國內外對滑坡穩定性分析方法的研究已較為成熟，可分為定性分析法、定量分析法以及非確定性分析法［1］。數值模擬分析作為定量分析法中的一種，由于其便捷且適用多環境的特性，已成為現今最常用的一種穩定性分析方法。

FLAC 3D軟件在滑坡穩定性分析方面具有多重優勢。采用強度折減法結合數值模擬，能夠準確模擬出巖土體的位移、應力、塑性區等［2］，或模擬出治理工程的受力狀態［3］，同時求得滑坡的安全系數［4-5］，從而能夠更真實地反映地質體的復雜性。FLAC 3D軟件還可以進行不同工況下的滑坡穩定性模擬，如暴雨［6-9］、地震［10-11］；對不同環境進行模擬，如公路邊坡［12］、隧道開挖［13］、庫岸滑坡［14］；對不同形式滑坡進行模擬，如米貝復式滑坡［15］、推移式滑坡［16］。此外，軟件提供了豐富的前后處理工具，可對模擬結果進行可視化處理和分析，進一步深化對滑坡機制的理解。

本文通過FLAC 3D軟件對沙壩村滑坡進行了天然工況與暴雨工況下的變形演化規律以及穩定性分析，并提出了相應治理措施建議，以為滑坡防治提供參考。

1 滑坡概況

1.1 氣象水文

丘北縣地處低緯季風氣候區，具有南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶和南溫帶等多種氣候類型。主要氣候特點：四季不分明，干濕季明顯，立體氣候突出。

據丘北縣氣象站1986～2015年觀測資料：多年平均降雨量1 126.0 mm，年最大降雨量1 467.5 mm，年最小降雨量731.8 mm；日最大降雨量104.9 mm，日最大降雨量平均值69.5 mm；每年5～10月為雨季，11月至次年4月為旱季，雨季降雨量占全年降雨量的84.1％，6～8月降雨量占全年降雨量的53.2%。丘北縣整體降雨量呈現東北高、西南低的特點。

丘北縣境內有大小河流166條，分屬于珠江水系的南盤江流域和紅河水系的瀘江流域，南盤江流域面積占全縣總面積的98%，瀘江流域面積占全縣總面積的2%。

研究區沙壩村年平均降雨量1 250 mm且降雨集中在6～8月，附近無水系，因此本文選取暴雨工況對滑坡穩定性進行模擬。

1.2 地質情況

滑坡所在區域云南省丘北縣沙壩村屬于低山斜坡地貌。斜坡整體坡度約45°，坡型為復合型滑坡，主滑方向為145°，后緣存在拉張裂縫，前緣有少量垮塌、滑落，附近未見斷層、褶皺等地質構造露頭。據《云南省國土資源遙感綜合調查》，研究區地震烈度較低，為穩定區，區域穩定性較好。該滑坡后緣高程為1 461.05 m，前緣高程為1 362.67 m，相對高差約100 m。滑體最大長度為200 m，最大寬度為300 m，成分主要為第四系殘坡積物碎石土，平均厚度約40 m，總體積約為240 000 m3。下伏基巖地層為法郎組上段（T3f2），主要巖性為石英細砂巖夾泥巖、粉砂巖及含礫砂巖。滑坡全貌見圖1。

2 三維地質模型及計算原理方法

2.1 模型邊界條件

該滑坡為巖土復合滑坡，所處位置有大量民房建筑，基本無覆蓋層，故本文所建立的三維地質模型分為滑體與下伏巖層兩部分。模型長350 m，寬275 m，高210 m。包含73 684個單元，15 580個節點，計算模型示意如圖2所示。

模型底部邊界施加完全約束，前后邊界以及兩側邊界施加法向約束，頂面沒有約束，處于自然狀態。該模型初始應力只考慮自重應力，不考慮其他應力的影響。

2.2 強度折減法計算原理

在摩爾庫倫模型中，抗剪強度折減理論指通過折減系數Ftrial逐漸減小巖土體的抗剪強度指標（黏聚力c和內摩擦角φ），得到折減后的新一組抗剪強度指標（ctrial和φtrial）進行有限差分分析，直至邊坡破壞的臨界狀態，此時獲得的折減系數就是安全系數。抗剪強度指標的折減計算如下：

ctrial=c/Ftrial

φtrial=arctan（tanφ/Ftrial）

2.3 參數選擇

研究區域雨季雨量充沛，曾于2012年6月發生災情，故本文主要分析滑坡位于自然和暴雨（土體飽和）工況下的穩定性。計算所采用參數如表1所示，滑坡剖面如圖3所示，滑坡剖面監測點設置如圖4所示。

3 結果分析

3.1 天然工況下滑坡穩定性分析

3.1.1 位移分析

利用FLAC 3D軟件對滑坡在天然工況下的穩定性進行分析，得到天然狀態下的滑坡總位移和1-11剖面位移如圖5所示。

由圖5（a）可知，天然工況下，滑坡最大總位移為69.8 mm，位移集中在高差相對更大的滑體后部，滑坡整體安全系數為1.426；由圖5（b）可知，1-11剖面上的最大位移為62.5 mm，同樣位于滑體后部。綜上可知，在天然工況僅受重力影響下，滑體后部位移程度最大，整體位移變形水平較小。

為了更加準確地分析滑體變形規律，對天然工況下1-11剖面上不同位置監測點進行分析，如圖 6 所示。

由圖6可知：在天然工況下，在滑坡變形停止后，監測點1處位移最大為44.5 mm，監測點5處位移最大為3.6 mm，從監測點1至監測點5位移逐漸減少，即滑坡變形主要發生在中后部，越靠近滑坡前緣，變形越小；滑坡整體穩定。

3.1.2 應力分析

由圖7可知，從滑坡表面隨深度增加，模型最大主應力值均勻增大，整體均表現為壓應力，且無應力突變現象。因此，從應力狀態看，在天然工況下，模型整體受壓且最大主應力較低，未發現應力突變和集中現象，滑體整體穩定性良好。

3.1.3 最大剪應變增量分析

分析滑坡在天然工況下的最大剪應變增量（圖8）可知，最大剪應變增量集中在模型后部，滑坡中部及前部的分布比較均勻且最大剪應變增量較小，地層連接處未見集中。滑體從上至下剪應變增量顯著減小，表明上部土體局部滑塌造成的推擠作用沿斜坡向下迅速衰減。

3.1.4 塑性區分析

由圖9可知，在天然工況下，滑坡塑性區分布均勻，且未形成連續貫通的區域，表明此時滑坡處于穩定狀態。

3.2 暴雨工況下滑坡穩定性分析

3.2.1 位移分析

由圖10可知，暴雨工況下，滑坡整體最大位移為171.1 mm，集中在滑體后部，滑坡整體安全系數為1.020；1-11剖面上的最大位移為154.2 mm，同樣位于滑體后部。綜上可知，在暴雨工況下，滑體后部位移程度最大，中前部位移量逐漸減少。

滑坡整體表現為多級滑坡，可沿滑坡中部坡度較緩平臺區分為上下兩級。飽水狀態下，上部坡體因坡度較大，首先失穩并發生滑動，于中部平臺堆積后引發整個滑坡體復活，產生整體下滑。

由圖11可知，在暴雨工況下，在滑坡變形停止后，監測點1處位移最大為93.5 mm，監測點5處位移最大為7.6 mm，從監測點1至監測點5位移逐漸減少，即滑坡變形主要發生在中后部，越靠近滑坡前緣，變形越小，滑坡整體較為穩定。

3.2.2 應力分析

由圖12可知，在暴雨工況下，滑坡淺層為拉應力，其下均為壓應力，壓應力隨深度均勻增大，滑坡模型發生應力突變，因此，從應力狀態看，在暴雨工況下，滑坡可能會在淺層應力突變處發生滑動。

3.2.3 最大剪應變增量分析

分析滑坡在暴雨工況下的最大剪應變增量（圖13）可知，最大剪應變增量集中在模型后部、中部以及中后部地層連接處，前部增量較小，隨地層深度增加，最大剪應變增量逐漸增大。云圖顯示明顯條帶貫通滑體前后部，且暴雨工況下該滑坡安全系數為1.02，表明在暴雨工況下，滑坡可能會沿潛在滑動面發生整體滑塌，滑坡整體穩定性較差。

3.2.4 塑性區分析

由圖14可知，在暴雨工況下，滑坡形成了明顯的塑性貫通區域，說明沙壩滑坡在暴雨條件下處于失穩狀態，模擬結果與所得安全系數相吻合。

3.3 天然工況與暴雨工況滑坡穩定性對比分析

根據以上模擬結果分析，天然工況下，滑坡整體位移較小，無應力突變現象且塑性區分布均勻，表明滑坡處于穩定狀態；暴雨工況下，滑坡整體出現明顯位移且坡度較大，后部地區位移較大，發生應力突變并存在明顯塑性貫通區域，表明滑坡此時處于不穩定狀態，模擬結果與安全系數計算結果相符。

4 滑坡防治措施建議

根據云南省降雨數據分析，丘北縣降雨主要集中在雨季7～8月份，呈現連續且短期降雨量集中的特點。結合數值模擬結果，給出以下防治措施建議。

（1） 采用坡面排水與設置抗滑樁相結合的方案。可在滑坡體后緣以及中部分別設置一道截水溝，再于坡體側緣設計兩條地表排水溝。抗滑樁可設置在滑坡后緣高程約1 460 m處，數值模擬結果表明，暴雨工況下，此處易發生變形滑塌。

（2） 設立普適型監測預警設備，包括雨量計、后緣裂縫處設置位移計等；加強群防群測，設立警示牌以及派遣專人定期巡視等；如房屋已有損傷、墻體開裂，應建議居民搬遷至安全地帶；規劃避險路線等。

5 結 論

本文主要以云南省丘北地區沙壩村滑坡為研究對象，采用數值模擬的方法對天然和暴雨工況下滑坡的變形和穩定性進行了分析，得到以下結論。

（1） 模擬結果顯示滑坡天然工況下處于穩定狀態，暴雨工況下，滑坡中后部會發生較大的變形，可能會沿地層分界發生滑塌，安全系數為1.020，此時滑坡已接近失穩。

（2） 采用“坡面排水+設置抗滑樁”和“設立普適性監測預警設備+群防群測”的方式均可有效預防災害發生以及降低災害損失，應結合現實情況予以實施。

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（編輯：高小雲）

Stability analysis of landslide based on FLAC 3D in Shaba Village，Yunnan Province

JIANG Tao1，LIU Suihai1，WANG Zhixiong2，HAN Minsai1

（1.School of Environment and Resources，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621000，China； 2.Sichuan Yekan Design Group Co.，Ltd.，Chengdu 610000，China）

Abstract：

In order to analyze the stability of the landslide in Shaba Village，Qiubei County，Yunnan Province，based on the FLAC 3D numerical simulation method，the landslide stability analysis model was established by Rhino 6 software and Griddle 2.0 plug-in，and the safety factor of the landslide was calculated by simulating the landslide displacement and internal stress state under natural and rainstorm conditions. The results showed that the safety factor of the landslide was 1.426 under natural conditions，which was in stable state，and under rainstorm condition，the safety factor of the landslide was 1.020，which was at the edge of instability. The shear strain increment at the rear of the landslide was concentrated，which may cause cracks. The research results can provide a reference for the formulation of targeted landslide prevention and control measures.

Key words：

landslide； FLAC 3D； numerical simulation； stability analysis； safety factor； Yunnan Province