■ 貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 周瑜

貴州同力巖土工程咨詢有限公司 鄭家金 熊赟

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法在滑坡領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前的數(shù)值模擬方法中，主要包括確定性分析方法和非確定性分析方法兩類，而確定性分析方法又可分為連續(xù)介質(zhì)分析與非連續(xù)介質(zhì)分析方法。其中，連續(xù)介質(zhì)數(shù)值分析方法有有限單元法、邊界元法、有限差分法等，非連續(xù)介質(zhì)分析方法有塊體離散元法、顆粒離散元法、關(guān)鍵塊體理論、不連續(xù)變形分析（DDA法）等[1]-[2]。顆粒流法（PFC）作為離散單元法的一種，是基于離散元的方法來(lái)模擬圓盤或球顆粒介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)及其相互作用，可以真實(shí)地模擬滑坡的失穩(wěn)破壞過(guò)程。目前已廣泛應(yīng)用于滑坡破壞運(yùn)動(dòng)分析之中[3]-[5]。

本文以貴州省貴陽(yáng)市西二環(huán)滑坡為研究對(duì)象，采用PFC2D軟件模擬了滑坡從變形失穩(wěn)到運(yùn)動(dòng)終止的動(dòng)態(tài)過(guò)程，對(duì)滑坡不同關(guān)鍵部位顆粒進(jìn)行位移、速度監(jiān)測(cè)，綜合闡明其破壞運(yùn)動(dòng)特征，分析其形成演化機(jī)制。研究成果可對(duì)貴州地區(qū)類似滑坡的形成機(jī)制提供一定的參考和借鑒，并為工程決策提供依據(jù)。

1.工程概況

滑坡部位于貴陽(yáng)市西二環(huán)北段大關(guān)立交橋南1000m，路塹工點(diǎn)位于西二環(huán)路線左側(cè)，西部苗香對(duì)面，此工點(diǎn)處路線走向基本為南北向，地貌類型為低山丘陵。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)調(diào)查，滑坡區(qū)內(nèi)地層主要有第四系耕植土（Q4pd）、殘坡積層（Q4del）滑坡堆積體和三疊系安順組組（Tla）白云巖構(gòu)成，地層呈單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀140°∠ 25°，為順向邊坡，巖體受節(jié)理裂隙切割、破壞，完整性較差。

滑坡底部高程為1270.10m～1272.16m，滑坡頂部高程為1344.79m?；戮嚯x路面垂直高度最大約74.5m，滑坡長(zhǎng)度約200m、寬約70m、體積約20.0×104m3?；轮骰较?yàn)?38°，平面上呈現(xiàn)喇叭狀形態(tài)?；鲁跗谑Х€(wěn)后，現(xiàn)狀平面地形呈一不規(guī)則的中間鼓肚的圓弧狀，前翹后躺?；轮芙缑黠@，滑動(dòng)面具有明顯的滑動(dòng)擦痕，滑床與滑坡體有明顯辨識(shí)度?；w為第四系含碎石耕植土及強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化白云巖、角礫狀白云巖?；嫖挥谥酗L(fēng)化白云巖中的軟弱夾層，滑帶土厚度為10mm～35mm。滑動(dòng)帶上可以清晰地看到磨光面和擦痕，局部有明顯的擾動(dòng)和拖曳褶皺痕跡，實(shí)地調(diào)查滑動(dòng)面擦痕明顯?；矠榛疑酗L(fēng)化白云巖、角礫狀白云巖，薄層狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，層面泥質(zhì)膠結(jié)，受構(gòu)造切割影響，巖體較破碎、呈塊狀，節(jié)理裂隙較發(fā)育，其表層擦痕的方向?yàn)?38°，擦痕方向與主滑方向一致，滑面整體平直（圖1、圖2）。

圖1 西二環(huán)滑坡全貌圖

圖2 滑坡1-1′剖面圖

2.計(jì)算模型的建立

本文根據(jù)滑坡剖面數(shù)據(jù)，采用PFC中ball-wall方法建立滑坡滑前模型。該滑坡模型長(zhǎng)304m、高111m，其中，滑源區(qū)長(zhǎng)192m、高68m，顆粒最小半徑0.5m、最大半徑1m，顆?？倲?shù)為1144個(gè)。此次模擬在滑坡前緣、滑坡中部、滑坡后緣共設(shè)置了3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別用于監(jiān)控滑坡過(guò)程中滑體的速度、位移的變化（圖3）。

圖3 滑坡數(shù)值計(jì)算模型

3.細(xì)觀力學(xué)參數(shù)的確定

PFC滑坡模擬參數(shù)主要包括本征參數(shù)和接觸參數(shù)，本文主要選取現(xiàn)場(chǎng)反演的方法確定顆粒單元的接觸參數(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)反演，對(duì)所需微觀參數(shù)進(jìn)行賦值使顆粒流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)基本一致，可認(rèn)為參數(shù)為合理值[6]。具體取值見(jiàn)表1。

表1 滑坡巖土體顆粒細(xì)觀參數(shù)

4.滑坡破壞過(guò)程數(shù)值模擬

4.1 變形破壞特征

模擬計(jì)算到1000時(shí)步時(shí)（圖4a、圖5a），坡體中前部顆粒的位移比速度較中后部顆粒大，邊坡整體上位移和速度較小，這是由于滑坡區(qū)前緣道路建設(shè)切腳開(kāi)挖形成臨空面，開(kāi)挖坡向與巖層傾向一致，在重力荷載作用下，致使坡體向坡前臨空方向發(fā)生剪切蠕變坡體出現(xiàn)變形；到達(dá)10000時(shí)步時(shí)（圖4b、圖5b），滑坡前緣產(chǎn)生剪切破壞，坡腳顆粒開(kāi)始剪出，此時(shí)，滑坡滑動(dòng)帶已基本貫通，在坡體壓力作用下滑坡開(kāi)始滑移；到達(dá)20000時(shí)步時(shí)（圖4c、圖5c），巖體在自重應(yīng)力的作用下上覆硬巖沿下伏軟弱層面向臨空面方向蠕動(dòng)滑移，隨著位移量的不斷增加，滑移體逐漸被拉裂解體破壞；到達(dá)30000時(shí)步時(shí)（圖4d、圖5d），中部巖體完全被拉斷，中前部和中后部滑體呈現(xiàn)出明顯位移差和速度差；到達(dá)40000時(shí)步時(shí)（圖4e、圖5e），中前部和中后部滑體位移差繼續(xù)增大，滑體前緣巖體向前滑移至公路，與路面發(fā)生碰撞發(fā)生解體，后部滑體速度逐漸降為0；50000時(shí)步時(shí)（圖4f、圖5f）滑坡基本停止運(yùn)動(dòng)并堆積于坡腳平緩處，滑坡整體最大位移為50m。

圖4 不同迭代步數(shù)位移云圖

圖5 不同迭代步數(shù)速度云圖

綜上可知，該滑坡破壞模式主要是因?yàn)榛聟^(qū)前緣由于道路建設(shè)切腳開(kāi)挖形成臨空面，在重力荷載作用下，致使坡體向坡前臨空方向發(fā)生剪切蠕變，邊坡的坡體前緣出現(xiàn)了明顯的位移變化與應(yīng)力集中，說(shuō)明邊坡的坡體后緣和上部主要承受拉應(yīng)力作用，容易使邊坡產(chǎn)生張拉裂縫。坡體中存在傾外的弱面，對(duì)于層狀結(jié)構(gòu)順向坡，弱面通常為軟弱夾層，一般條件下滑體可沿弱面發(fā)生蠕滑；在強(qiáng)降雨條件下大量雨水入滲坡內(nèi)，滑體容增大，重力勢(shì)能增加，滑帶土抗剪強(qiáng)度減小，將沿弱面產(chǎn)生進(jìn)一步滑移變形，隨著位移量的不斷增加，滑移體逐漸被拉裂解體破壞，形成滑移－拉裂型滑坡。模擬結(jié)果與實(shí)際變形情況基本一致。

4.2 運(yùn)動(dòng)特征分析

通過(guò)觀察坡體各部分位移變化曲線（圖6）可知，顆粒曲線在20000時(shí)步之內(nèi)變化基本一致，在20000時(shí)步曲線斜率開(kāi)始增長(zhǎng)，曲線由下凹過(guò)渡到上凸，滑體進(jìn)入加速階段，監(jiān)測(cè)顆粒均在25000時(shí)步到42000時(shí)步之間達(dá)到位移最大值，其中，1號(hào)顆粒在25000時(shí)步附近達(dá)到位移峰值15m，2號(hào)顆粒在37000時(shí)步附近達(dá)到位移峰值35m，3號(hào)顆粒在42000時(shí)步附近達(dá)到位移峰值45m。3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移大小順序?yàn)?號(hào)＞2號(hào)＞1號(hào)，滑坡前部位移大于后部位移。

圖6 位移時(shí)程曲線圖

通過(guò)觀察坡體各部分速度變化曲線，如圖7所示，不同位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)達(dá)到速度峰值的時(shí)刻明顯不同，1號(hào)顆粒在20000時(shí)步附近率先達(dá)到速度峰值，2號(hào)顆粒在21000時(shí)步附近達(dá)到速度峰值，3號(hào)顆粒在31000時(shí)步附近達(dá)到速度峰值。各點(diǎn)速度峰值介于6m/s～8m/s之間?；瑒?dòng)初期，20000時(shí)步之前，3個(gè)顆粒速度曲線整體變化趨勢(shì)一致，在20000時(shí)步后，1號(hào)顆粒到達(dá)峰值后速度迅速減小，在25000時(shí)步附近減小為0。2號(hào)顆粒在21000時(shí)步到達(dá)峰值后，速度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，在38000時(shí)步附近減小為0。運(yùn)行到42000時(shí)步3號(hào)顆粒速度趨于0，滑坡運(yùn)動(dòng)逐漸靜止。

圖7 速度時(shí)程曲線

5.結(jié)論

貴陽(yáng)市西二環(huán)滑坡長(zhǎng)度約200m、寬約70m、體積約20.0×104m3，滑坡主滑方向?yàn)?38°，滑面位于白云巖中間軟弱夾層，為中型順層滑坡。通過(guò)利用顆粒流方法對(duì)西二環(huán)滑坡失穩(wěn)破壞過(guò)程的數(shù)值模擬分析，得出該滑坡變形破壞的力學(xué)機(jī)制表現(xiàn)為滑移—拉裂。該滑坡整體位移約40m～50m，滑坡前部位移大于后部位移，顆粒最大位移50m，位于滑體前緣；顆粒最小位移15m，位于滑體后緣；整體速度峰值介于6m/s～8m/s之間，速度和位移變化總趨勢(shì)為初始高程越低，達(dá)到的最大速度和位移越大。

模擬結(jié)果表明：降雨為西二環(huán)滑坡的直接誘發(fā)因素，斜坡變形破壞模式為滑移—拉裂?；禄瑒?dòng)最高時(shí)速8m/s，最大滑移50m。模擬結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合。由此可見(jiàn)，利用顆粒流法對(duì)滑坡的破壞運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬具有較好的適用性，可為工程決策提供依據(jù)。