寇甄濤,包 健,楊 賢

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

滑坡作為自然界最常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]，同時(shí)也制約著區(qū)域內(nèi)的工程建設(shè)[2]。因此，采用可靠的手段分析滑坡的形成機(jī)理、發(fā)育特征和穩(wěn)定性對(duì)滑坡災(zāi)害的預(yù)判與防治意義重大。

由于自然界中滑坡分布廣泛且由來已久，因此對(duì)滑坡的研究相對(duì)成熟[3]。滑坡評(píng)價(jià)方法目前可分為定性分析和定量分析[4]。定性分析是通過分析影響滑坡穩(wěn)定性的主要因素從而判斷其失穩(wěn)的可能性，主要方法包括類比法、圖解法等；定量法基于定性法，通過確定數(shù)值表征滑坡穩(wěn)定程度，是目前普遍適用的分析手段。

數(shù)值分析方法是近年來新興的邊坡分析方法，該分析手段克服了傳統(tǒng)方法無法分析邊坡應(yīng)力應(yīng)變分布的缺點(diǎn)，并且與實(shí)驗(yàn)、理論等方法互補(bǔ)。其計(jì)算精度與材料本構(gòu)模型選取、邊界條件設(shè)定有關(guān)，計(jì)算效率高，且成本低，為邊坡穩(wěn)定性分析提供了一種嶄新的思路[5-6]。

本文以秦嶺山前某滑坡為研究對(duì)象，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值計(jì)算分析方法分別分析了二維和三維模型的滑坡穩(wěn)定性，以期對(duì)同類型坡體的穩(wěn)定性分析提供借鑒。

1 工程地質(zhì)條件及變形機(jī)理

滑坡體位于秦嶺山前某沖溝左岸，溝道較順直，右岸有公路通過，交通便利，河谷整體呈不對(duì)稱的“U型”。溝底基巖裸露，自然坡度40°～55°，滑坡體由碎石土組成，坡度下緩上陡?；潞缶墶叭σ螤睢钡孛睬逦熬壖舫隹诿黠@。滑體平均厚19 m，主滑方向35°。滑床上部為碎石土，下部出露綠泥石片巖。坡體周圍巖體完整性較好，除巖體內(nèi)發(fā)育幾條小型斷層外，無大規(guī)模區(qū)域斷裂通過；區(qū)域內(nèi)地下水類型主要可分為孔隙潛水和基巖裂隙水，根據(jù)鉆探，地下水位于滑面以下7.5 m，對(duì)滑坡穩(wěn)定性基本無影響。由于滑坡體坡度較陡，在降雨、地震等作用下，滑坡沿基覆界面發(fā)生滑動(dòng)，后緣下坐變形明顯。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，滑坡目前無變形跡象，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨季節(jié)前緣有滑塌和變形。主滑方向工程地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 主滑方向工程地質(zhì)剖面圖

滑坡發(fā)育于沖溝左岸，為順層巖質(zhì)滑坡。受區(qū)域性斷裂影響，岸坡巖體破碎，完整性差，植被發(fā)育，有利于降水快速下滲進(jìn)入到巖體結(jié)構(gòu)面及層面中，加速薄層狀片巖、層間擠壓帶泥化和軟弱結(jié)構(gòu)面形成。河流在下切過程中，岸坡巖體在卸荷作用下，沿層面拉裂并向臨空方向產(chǎn)生變形，受巖體中傾坡外層面切割后，巖體沿層間軟弱面拉裂并追蹤緩傾坡外的裂隙滑動(dòng)，最終巖體被剪斷，而發(fā)展演化為滑坡。

2 二維模型模擬分析

如前文所述，準(zhǔn)確判斷滑坡的穩(wěn)定性及變形特征有助于預(yù)判其變形趨勢(shì)。分析計(jì)算時(shí)，一般按圓弧滑動(dòng)、平面滑動(dòng)、折線滑動(dòng)等方法分析評(píng)價(jià)穩(wěn)定性，但上述方法僅可得出穩(wěn)定系數(shù)和條塊間作用力，對(duì)于坡體變形、應(yīng)力應(yīng)變分布分析略顯乏力。數(shù)值計(jì)算方法可有效彌補(bǔ)上述短板，當(dāng)前巖土界各類數(shù)值計(jì)算軟件如雨后春筍，計(jì)算方法日益成熟，已逐漸滲透至科研和生產(chǎn)領(lǐng)域，成為巖土工程分析評(píng)價(jià)不可或缺的工具。

2.1 模型建立與參數(shù)選取

本節(jié)采用MIDAS GTS/NX軟件分析計(jì)算該滑坡，以主滑剖面(圖1)為依據(jù)建立二維分析模型。在建模時(shí)對(duì)邊坡模型予以必要的簡(jiǎn)化，考慮到模型建立的便捷性，滑面單元未單獨(dú)劃分網(wǎng)格，而是采用界面單元予以模擬，分析模型如圖2，采用強(qiáng)度折減法計(jì)算滑坡穩(wěn)定性。

圖2 分析模型示意圖

模型參數(shù)主要基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)選取，同時(shí)類比相近工程經(jīng)驗(yàn)選取，參數(shù)選取見表1。

表1 模型材料參數(shù)表

2.2 天然工況分析結(jié)果

網(wǎng)格賦予天然狀態(tài)下的物理力學(xué)參數(shù)后激活計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明該狀態(tài)下滑坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.32，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[7]中規(guī)定，滑坡屬基本穩(wěn)定狀態(tài)。

采用強(qiáng)度折減法后，巖土體強(qiáng)度參數(shù)有所折減，因此重力作用下的位移并非實(shí)際變形，但由于強(qiáng)度參數(shù)均按相同比例折減，其變形趨勢(shì)仍可作為變形分析參考，計(jì)算完成后的位移如圖3、4。

圖3 Y方向位移云圖

重力作用下，模型沿Y方向垂直向下變形，等值線基本呈平行分布，且越靠近地表位移值越大。位移等值線于滑面處發(fā)生突變，滑體內(nèi)高位移值分布明顯多于滑床，最大位移值分別位于滑體后緣處和模型坡頂處，其中坡頂處高位移值由邊界效應(yīng)導(dǎo)致，可不作為評(píng)價(jià)依據(jù)。X方向位移主要集中在滑體中上部，最大值位于滑體后緣，等值線基本平行分布。綜上，重力作用下，模型最大變形位于滑坡體后緣處，即坡體失穩(wěn)時(shí)該處最先拉裂，易形成圈椅狀后緣。

圖4 X方向位移云圖

模型應(yīng)力應(yīng)變特征是分析坡體變形的重要支撐[8]，如圖5、6。模型最大剪應(yīng)力等值線基本沿平行地表分布，受上覆土壓力影響，最大值為776.3 kPa，位于模型底部，最小值為17.5 kPa，位于地表。在滑面處最大剪應(yīng)力出現(xiàn)較明顯的突變，滑體后緣出現(xiàn)高應(yīng)力富集區(qū)，說明在重力作用下，滑體后緣承擔(dān)著高剪應(yīng)力，該區(qū)域巖土體會(huì)優(yōu)先發(fā)生變形破壞。圖7為最大剪應(yīng)變?cè)茍D，數(shù)值計(jì)算中，模型的最大剪應(yīng)變分布可表征滑面形成狀態(tài)。天然狀態(tài)下，剪應(yīng)變主要分布于滑坡體與滑床碎石土中，高應(yīng)變區(qū)域位于滑體與強(qiáng)風(fēng)化巖體相接處，最大應(yīng)變值為1.8 cm，滑體后緣處也出現(xiàn)應(yīng)變累積。

圖5 天然工況最大剪應(yīng)力云圖

綜上，天然狀態(tài)下模型最大剪應(yīng)變區(qū)域主要集中在滑面中部，但剪應(yīng)變區(qū)域尚未貫通，因此坡體尚處穩(wěn)定狀態(tài)，上述結(jié)論與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果一致。

圖6 天然工況最大剪應(yīng)變?cè)茍D

2.3 飽和工況分析結(jié)果

將模型參數(shù)更改為飽和參數(shù)，然后激活計(jì)算。結(jié)果表明，飽和工況下，滑坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=0.92，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

飽和工況下坡體變形與天然工況相比，滑坡體變形更加明顯，以滑面為界形成強(qiáng)烈的變形差異?；w位移彌散范圍更大，最大位移是天然工況下的2.5倍?；w位移主要集中在后緣部位，以順坡向變形為主，前緣變形不大，在坡后土體滑移擠壓作用下剪出翹起，位移等值線反傾坡內(nèi)。相對(duì)而言滑床巖土體變形很小，除滑床后緣發(fā)生小范圍變形外，其余部位基本無位移。

最大剪應(yīng)力分布整體由地表向下逐漸增大，高剪應(yīng)力在滑體內(nèi)彌散較廣，最大剪應(yīng)力為651 kPa，位于模型底部，最小剪應(yīng)力為85.9 kPa，位于地表，如圖7，滑面處剪應(yīng)力值驟增至200 kPa，極易發(fā)生剪切破壞。此外，滑體中上部巖土體出現(xiàn)高應(yīng)力集中區(qū)，呈塊狀、條帶狀向地表延伸，說明飽和條件下，滑體碎石土的抗剪強(qiáng)度已逐漸無法維持坡體穩(wěn)定，整體開始出現(xiàn)剪切破壞。

圖7 飽和工況最大剪應(yīng)變?cè)茍D

圖7為飽和工況下最大剪應(yīng)變?cè)茍D，與天然工況相比，此時(shí)最大剪應(yīng)變區(qū)域已基本貫通，在基覆界面大幅度擴(kuò)展，最大應(yīng)變值為6.52 cm。坡面下部也出現(xiàn)了高應(yīng)變集中現(xiàn)象，說明在重力作用下，滑面處巖土體也發(fā)生屈服破壞，大變形導(dǎo)致坡體前緣開始剪出，坡體處于失穩(wěn)狀態(tài)。上述結(jié)論與位移特征對(duì)應(yīng)。

3 三維模型模擬分析

3.1 三維建模思路

二維模型雖建模簡(jiǎn)潔，計(jì)算快捷，但其本質(zhì)遵循平面應(yīng)變假定，并不能體現(xiàn)三維狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變情形。本節(jié)借助MIDAS的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)入擬合功能建立三維模型，由于MIDAS軟件屬數(shù)值計(jì)算軟件，三維建模優(yōu)勢(shì)不突出，在面對(duì)復(fù)雜三維地質(zhì)模型時(shí)并不能準(zhǔn)確劃分區(qū)域，因此需借助其他專業(yè)地質(zhì)建模軟件完成。

本文利用GEO-Modeler軟件進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。GEO-Modeler建好地表面和地層界面后分別以點(diǎn)群形式導(dǎo)出，然后在讀取軟件內(nèi)修整優(yōu)化點(diǎn)群分布及密度，以滿足建模精度。

最后將優(yōu)化點(diǎn)群導(dǎo)入數(shù)值計(jì)算軟件擬合建面，并切割分解，從而精確地建立復(fù)雜計(jì)算模型，數(shù)值計(jì)算模型如圖8。

圖8 滑坡三維模型網(wǎng)格劃分圖

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)論與二維模型分析，天然工況下，滑坡目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，無詳細(xì)分析必要。本節(jié)僅分析飽和工況下三維模型的變形與應(yīng)力應(yīng)變，模型參數(shù)選取與邊界條件設(shè)定同上節(jié)所述。

三維模型計(jì)算得飽和工況下滑坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=0.852，較二維計(jì)算結(jié)果其穩(wěn)定性更差。重力作用下，Z方向(豎直方向)的變形由地表向下逐漸減小，由坡頂向下位移等值線不規(guī)則，如圖9，滑體下部位移集中，凸向坡內(nèi)，說明該段變形較大。Y方向(沿坡面向外)變形如圖10，該方向上位移主要集中在滑體中下部，坡頂和基座基本無變形。飽和狀態(tài)下，滑體中下部已經(jīng)失穩(wěn)滑塌，大變形逐漸擴(kuò)散至坡底，滑體前緣有剪出跡象。

圖9 Z方向位移云圖(三維) 圖

圖10 Y方向位移云圖(三維)圖

滑坡的穩(wěn)定性很大程度上取決于滑面的屈服程度[9]。在研究三維模型應(yīng)力應(yīng)變情形時(shí)單獨(dú)顯示滑面單元，如圖11、12。飽和工況下，滑面處剪應(yīng)力在110～190 kPa之間，大值主要分布在滑床碎石土中部，說明滑面該部位容易屈服破壞。最大剪應(yīng)變也呈相似趨勢(shì)，高應(yīng)變值主要分布于滑體與碎石土接觸處，坡體前緣也出現(xiàn)了較大的應(yīng)變值，最大剪應(yīng)變?yōu)?.1 cm，說明此時(shí)坡體中部與前緣同時(shí)開始屈服破壞，并產(chǎn)生較大應(yīng)變值，坡體已處于失穩(wěn)狀態(tài)，此結(jié)論與二維分析結(jié)果相符。

圖11 滑面最大剪應(yīng)力分布圖

圖12 滑面最大剪應(yīng)變分布圖

4 結(jié) 論

(1) 滑坡位于秦嶺山前某沖溝內(nèi)，岸坡巖體破碎，降水沿結(jié)構(gòu)面滲入加速了巖體軟化。河流下蝕期間，岸坡巖體在卸荷作用下沿層面拉裂變形，受傾坡外裂隙切割后，巖體追蹤緩傾坡外的裂隙滑動(dòng)，最終剪斷并形成現(xiàn)狀滑坡。

(2) 采用MIDAS數(shù)值分析軟件對(duì)滑坡進(jìn)行分析計(jì)算，二維計(jì)算結(jié)果表明：自重作用下，滑坡穩(wěn)定系數(shù)Fs為1.32。坡體沿Y方向變形平行地表，X方向的位移主要集中在滑體中上部，最大剪應(yīng)力值于滑面處出現(xiàn)突變，最大剪應(yīng)變值集中在滑體中部，但尚未貫通，因此處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3) 飽和工況下，二維計(jì)算模型Fs為0.92，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。相比于天然狀態(tài)，飽和工況下滑坡變形更加明顯，滑體位移彌散范圍更大。最大剪應(yīng)力與最大剪應(yīng)變值均發(fā)生驟增，剪應(yīng)變區(qū)已于坡底貫通，坡體變形剪出跡象明顯，已發(fā)生整體破壞。

(4) 借助GEO-Modeler軟件建立復(fù)雜地質(zhì)模型，在數(shù)值計(jì)算軟件中導(dǎo)入點(diǎn)群準(zhǔn)確擬合建面，進(jìn)而建立三維模型。三維計(jì)算結(jié)果表明：飽和工況下，滑坡穩(wěn)定系數(shù)Fs為0.852，大變形擴(kuò)散至滑體中下部，前緣剪出跡象明顯，滑床碎石土中部最大剪應(yīng)力富集，滑體中部與前緣應(yīng)變值較大，已發(fā)生屈服破壞。