李勤光

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

滑坡災(zāi)害是一種常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害,具有不可避免性的特點(diǎn),但采用防災(zāi)減災(zāi)措施,可以最大限度地降低災(zāi)害損失。制定防災(zāi)減災(zāi)措施前,需首先對(duì)滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行相關(guān)分析。關(guān)于滑坡穩(wěn)定性分析方法,自弗倫紐斯提出圓弧滑動(dòng)法以來(lái),已經(jīng)出現(xiàn)了包括極限平衡法、數(shù)值模擬方法等多種方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,采用包括有限元法、有限差分法在內(nèi)的數(shù)值模擬方法分析邊坡穩(wěn)定性已被廣泛應(yīng)用。

西南某庫(kù)岸滑坡位于我國(guó)西南某省一新縣城建設(shè)規(guī)劃區(qū),滑坡體上將進(jìn)行新縣城的部分建設(shè)工作。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料、庫(kù)岸滑坡影響因素調(diào)查,基于強(qiáng)度折減理論,運(yùn)用FLAC3D數(shù)值分析工具,對(duì)自然狀態(tài)和蓄水狀態(tài)下的滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行綜合穩(wěn)定性分析。

1 滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件

該滑坡體地形上總體西高東低,地面高程840～1 115 m,最大相對(duì)高差375 m,屬中、低山斜坡地貌。場(chǎng)區(qū)大渡河側(cè)坡度較陡,平均坡度為40°～50°,最陡段坡度達(dá)到60°,流沙河側(cè)坡度相對(duì)平緩,坡度一般為10°～25°。場(chǎng)地區(qū)沖溝較發(fā)育,沖溝規(guī)模多較小。

地層主要有第四系全新統(tǒng)人工堆積層(Q4ml)、全新統(tǒng)殘坡積層(Q4el+dl)、全新統(tǒng)滑坡堆積層(Q4del)等松散層,奧陶系下統(tǒng)紅石崖組(O3h)基巖地層。基巖為大致北東傾向的單斜巖層?；露逊e層主要由第四系全新統(tǒng)滑坡堆積層(Q4del)構(gòu)成,成分主要為耕植土、粉質(zhì)黏土、塊石土、角礫土等組成。

研究區(qū)的地下水與地表水均貧乏。地表水來(lái)源主要靠大氣降水補(bǔ)給,區(qū)內(nèi)沖溝較發(fā)育,平時(shí)多為干溝,僅雨季有季節(jié)性水流。沖溝上段多叉枝狀,下段切割較深而窄,溝床多基巖裸露。

2 基于強(qiáng)度折減的FALC3D穩(wěn)定性分析

2.1 計(jì)算模型

本文基于圖1所示的三個(gè)地質(zhì)模型建立三維的數(shù)值計(jì)算模型(如圖2)。模型邊界條件為左、右邊界水平方向約束,底部邊界固定約束,上部為自由邊界。計(jì)算時(shí),僅考慮自重應(yīng)力作用,暫不考慮構(gòu)造應(yīng)力的影響。兩個(gè)水平方向尺寸分別為800 m、1 000 m。模型共有14 127個(gè)節(jié)點(diǎn),12 336個(gè)單元。模型中各物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)勘察報(bào)告、工程地質(zhì)類(lèi)比及參考相關(guān)規(guī)范手冊(cè)最終確定,如表1所示。

圖1 場(chǎng)區(qū)地質(zhì)模型

圖2 FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型

巖土類(lèi)型黏聚力C/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)體積模量K/MPa剪切模量M/MPa泊松比μ容重γ/(N/m3)古滑坡堆積層2413313.3E106188E1060.351890坡積層3321622.2E106207.4E1060.252100強(qiáng)風(fēng)化砂巖10026595.2E106409.8E1060.222400軟弱面-14515525E106242.3E1060.32200中風(fēng)化砂巖120030444.4E106333.3E1060.22500基巖150035476.2E106434.8E1060.152800

2.2 計(jì)算條件

由于天然力、人類(lèi)活動(dòng)及工程開(kāi)挖等,現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)許多高大的陡坎。這些陡坎在進(jìn)行整體邊坡穩(wěn)定性強(qiáng)度折減運(yùn)算時(shí),很容易就出現(xiàn)不收斂及局部剪應(yīng)變?cè)隽康呢炌?造成計(jì)算中斷,從而影響整個(gè)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的繼續(xù)。為此,本文分兩步計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性,首先：進(jìn)行FLAC3D強(qiáng)度折減運(yùn)算,計(jì)算邊坡在陡坎影響下的局部安全系數(shù)；然后再對(duì)陡坎進(jìn)行治理基礎(chǔ)上進(jìn)行第二步FLAC3D強(qiáng)度折減運(yùn)算,計(jì)算邊坡整體的穩(wěn)定性。

(1)局部穩(wěn)定性

計(jì)算過(guò)程從折減系數(shù)為1.00(即F=1.00)開(kāi)始,然后以每步長(zhǎng)為ΔF=0.01遞增,直至邊坡局部發(fā)生破壞為止(圖3～圖10)。從圖3～圖10可以看出,坡體剪應(yīng)變?cè)隽?SSI)隨著折減系數(shù)的增加而逐漸增大,而剪應(yīng)變?cè)隽枯^大的地方,最易變形破壞,最可能成為潛在的滑動(dòng)面；相反,剪應(yīng)變?cè)隽枯^小或者是基本上沒(méi)有什么變化的部位,一般不易變形破壞,也不可能成為潛在的滑動(dòng)面；且當(dāng)折減系數(shù)為1.08時(shí),計(jì)算不再收斂,說(shuō)明當(dāng)折減系數(shù)為1.07時(shí),邊坡局部(陡坎處)剪應(yīng)變?cè)隽窟_(dá)到最大,此時(shí),邊坡局部沿陡坎發(fā)生變形破壞。

圖3 折減系數(shù)為1.00時(shí)的SSI

圖4 折減系數(shù)為1.01時(shí)的SSI

圖5 折減系數(shù)為1.02時(shí)的SSI

圖6 折減系數(shù)為1.03時(shí)的SSI

圖7 折減系數(shù)為1.04時(shí)的SSI

圖8 折減系數(shù)為1.05時(shí)的SSI

圖9 折減系數(shù)為1.06時(shí)的SSI

圖10 折減系數(shù)為1.07時(shí)的SSI

圖11 折減系數(shù)為1.00時(shí)的SSI

(2)整體穩(wěn)定性

對(duì)邊坡局部的陡坎采取一定的措施后,計(jì)算整個(gè)邊坡的穩(wěn)定性。同樣,折減計(jì)算過(guò)程從折減系數(shù)為1.0(即F=1.0)開(kāi)始(如圖11),然后以每步長(zhǎng)為ΔF=0.1遞增,直至計(jì)算不再收斂,然后降低步長(zhǎng)ΔF=0.01遞增,直至邊坡剪應(yīng)變?cè)隽控炌?邊坡整體發(fā)生變形破壞為止。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看,折減系數(shù)在1.0、1.1、1.2、1.3、1.35時(shí),剪應(yīng)變?cè)隽恐饾u增大,但尚未從坡頂?shù)狡履_貫通,雖然邊坡體內(nèi)部已有部分出現(xiàn)剪切破壞的跡象,但由于剪應(yīng)變?cè)隽繘](méi)有整體貫通,所以邊坡整體還是處于穩(wěn)定狀態(tài)。但當(dāng)折減系數(shù)為1.36時(shí)(如圖12),在邊坡上部剪切破壞的基礎(chǔ)上,滑動(dòng)面進(jìn)一步貫通,此時(shí),滑動(dòng)面已貫穿邊坡上部土體內(nèi),邊坡將沿該滑動(dòng)面發(fā)生變形破壞。數(shù)值模擬計(jì)算在折減系數(shù)為1.4時(shí)不再收斂,為此降低折減系數(shù)步長(zhǎng)ΔF,計(jì)算最終收斂于F=1.36。

圖12 折減系數(shù)為1.36時(shí)的SSI

2.3 蓄水狀態(tài)下的穩(wěn)定性計(jì)算

水庫(kù)正常蓄水后,由于水的物理、化學(xué)作用,將會(huì)使岸坡的荷載和岸坡的材料性質(zhì)發(fā)生變化,而這些變化很可能導(dǎo)致岸坡失穩(wěn)以及古滑坡復(fù)活,從而會(huì)對(duì)縣城建設(shè)、通航、水庫(kù)庫(kù)容等產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此,本文對(duì)正常蓄水條件下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析。

該邊坡地面高程在840～1 115 m之間,而正常蓄水位為850 m?？梢?jiàn),坡腳部分將浸沒(méi)在正常水位以下。模擬時(shí)，850 m水位面以上邊坡的容重采用天然狀態(tài)下的容重,水位面以下部分的容重取有效容重,以此來(lái)進(jìn)行水庫(kù)蓄水狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定性模擬和計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)折減系數(shù)為1.04時(shí),計(jì)算不再收斂,坡腳剪應(yīng)變?cè)隽砍霈F(xiàn)局部貫通現(xiàn)象,邊坡安全系數(shù)降為1.04,說(shuō)明隨著庫(kù)水位升至850 m,坡腳的穩(wěn)定性顯著降低(如圖13、圖14所示)。

圖13 折減系數(shù)為1.00時(shí)的SSI

圖14 折減系數(shù)為1.04時(shí)的SSI

3 結(jié)論

本文所研究邊坡不僅關(guān)系到水庫(kù)的安全運(yùn)營(yíng),還牽涉到當(dāng)?shù)匦驴h城的穩(wěn)定發(fā)展,邊坡破壞后將會(huì)給社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境帶來(lái)重大影響。因此,根據(jù)相關(guān)規(guī)范《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》，《滑坡防治工程勘查規(guī)范》,其邊坡級(jí)別應(yīng)屬1級(jí)邊坡,也即水庫(kù)蓄水正常運(yùn)營(yíng)狀況下,其邊坡安全系數(shù)應(yīng)達(dá)到1.25以上。

計(jì)算表明：天然狀況下,邊坡局部陡坎、陡壁處可能出現(xiàn)變形及破壞的情況,局部處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；而邊坡的整體穩(wěn)定性還是比較好的,傳遞系數(shù)法安全系數(shù)為1.336,FLAC3D強(qiáng)度折減法安全系數(shù)為1.36,滿足規(guī)范要求,整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)庫(kù)水位蓄至850 m高度時(shí),邊坡的安全系數(shù)降低至1.04,邊坡欠穩(wěn)定,坡腳在庫(kù)水的浸泡、侵蝕等作用下很容易變形破壞,一旦坡腳破壞,在滑坡前緣的拉動(dòng)下,很可能造成滑坡整體的不穩(wěn)。因此,為保證水庫(kù)的正常運(yùn)營(yíng)及新縣城的安全，必須對(duì)該邊坡進(jìn)行切實(shí)有效的防治。

參考文獻(xiàn)

[1] Fredlund, D.G. & Krahn, J. Comparison of slope stability methods of analysis. Canadian Geotechnical Journal， 1977，14(3):429-439

[2] 陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析——原理、方法、程序[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2003

[3] 趙尚毅,鄭穎人,鄧衛(wèi)東.用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行節(jié)理巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(2):254-260

[4] 陳祖煜.土質(zhì)滑坡穩(wěn)定分析——原理方法程序[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2003

[5] 李新平,郭運(yùn)華,彭元平,等.基于FLAC3D的改進(jìn)邊坡極限狀態(tài)確定方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(增2):5287-5291

[6] 陳新澤,唐輝明,楊有成,等.基于FLAC3D強(qiáng)度折減法滑坡三維穩(wěn)定性研究——以三峽庫(kù)區(qū)白果樹(shù)古滑坡群為例[J].水文地質(zhì)與工程地質(zhì)，2008(2):24-29

[7] 劉建國(guó).水下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模式的探討[J].上海鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，21(2):35-38