張磊 劉歲海 顧彩玉 冉謹(jǐn)滎

［關(guān)鍵詞］ 降雨型滑坡；安全系數(shù)；FLAC3D；數(shù)值模擬；雅安市

［摘 要］ 以雅安市名山區(qū)前進(jìn)鄉(xiāng)林泉村一斜坡為例，通過現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)外試驗以及數(shù)值模擬，在查明滑坡背景基礎(chǔ)上，對其發(fā)育特征進(jìn)行分析；基于FLAC3D軟件，采用強(qiáng)度折減法計算處于天然工況和飽水狀態(tài)下的滑坡安全系數(shù)，通過對比分析兩種工況下的塑性圖和剪應(yīng)變增量云圖來揭示該滑坡變形機(jī)制以及預(yù)測滑坡后續(xù)變化情況，結(jié)果表明：天然工況下安全系數(shù)為1.131，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，飽水狀態(tài)下滑坡安全系數(shù)為1.042，處于不穩(wěn)定狀態(tài)；若受到暴雨等極端天氣或在其他外界因素的影響，極有可能發(fā)生二次滑坡。

［中圖分類號］ TU43? ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A? ［文章編號］ 1000－0941（2023）05－0053－05

近年來，受人類活動和極端天氣影響，我國地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻繁，其中滑坡災(zāi)害的危害最為嚴(yán)重。我國西南部滑坡分布廣泛，盡管許多大型的滑坡堆積物可以長時間保持穩(wěn)定或基本穩(wěn)定狀態(tài)[1]，但眾所周知，在地震、暴雨等極端條件的影響下，滑坡很可能被重新激活。為保障人民群眾的生命及財產(chǎn)安全，應(yīng)積極開展以滑坡穩(wěn)定性分析為基礎(chǔ)的滑坡隱患防治工作。傳統(tǒng)的極限平衡法主要從物理角度出發(fā)，分析滑坡內(nèi)部應(yīng)力的變化以及應(yīng)力之間的相互關(guān)系，進(jìn)行理論性分析和力學(xué)計算［2-3］。但滑坡災(zāi)害是一個極其復(fù)雜多變的非線性過程，不能靠單一的線性描述進(jìn)行準(zhǔn)確分析。目前，數(shù)值模擬已成為滑坡穩(wěn)定性分析的一種重要方法，而運用FLAC3D軟件強(qiáng)度折減法功能進(jìn)行數(shù)值模擬的優(yōu)勢就是在探究土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性同時，也能有效地表現(xiàn)出邊坡潛在滑移面的動態(tài)變化及所在位置［4］。

本研究以2019年7月23日雅安市名山區(qū)前進(jìn)鄉(xiāng)林泉村特大暴雨造成的滑坡為例（滑坡位置見圖1）。目前該滑坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但在暴雨或連續(xù)降雨等不利因素影響下，滑坡將有可能發(fā)生失穩(wěn)破壞，并威脅滑坡前緣4戶13人的生命財產(chǎn)安全和公路安全，估算直接經(jīng)濟(jì)損失360萬元。筆者在充分考慮各種因素對滑坡的影響下，選取FLAC3D軟件作為數(shù)值模擬平臺，采取強(qiáng)度折減法對林泉村滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，以期更有效地揭示滑坡變形機(jī)制。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境

研究區(qū)位于雅安市名山區(qū)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)103°12′04.50″、北緯30°00′47.20″，處于成都平原與盆周山地過渡帶，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)，日照少、無霜期長、四季分明，夏無酷日、冬無嚴(yán)寒，降水量充沛而集中，境內(nèi)降水集中在夏季，尤以7月降水量最大，多大到暴雨、連續(xù)降雨。年平均氣溫15.4 ℃，年平均相對濕度82%。地勢呈西北高、東南低的特點，由北西向南東傾斜，地形地貌以構(gòu)造侵蝕低山為主，包括臺狀丘陵和淺丘平壩。主要河流有4條，大小支流37條，河流總體上呈現(xiàn)流量較小、流程較短的特點。地質(zhì)構(gòu)造屬于新華夏系西部尾段，處于龍門山斷裂帶與四川斷陷盆地的結(jié)合部，區(qū)內(nèi)跨3個二級構(gòu)造帶，即天臺山雁行帶、成都平原凹陷帶和熊坡背斜雁行帶，形成一系列北北東向的褶皺和斷層?；聟^(qū)表層覆蓋第四系全更新統(tǒng)滑坡堆積層（Q4del），主要是粉質(zhì)黏土夾碎石，含量為5%～10%，厚0.5～15.0 m?；路秶獾男逼碌貛Ш突w土之下為第四系全新統(tǒng)殘坡積層（Q4el+dl），厚0.5～15.0 m，局部有碎石，上覆白堊系上統(tǒng)灌口組（K2g），其裂縫發(fā)育一般，內(nèi)部填充粉質(zhì)黏土，巖層產(chǎn)狀為275°∠6°。

1.2 滑坡基本特征

滑坡位于雅安市名山區(qū)林泉村五組?；潞缶壐?10 m，前緣高553 m，前后緣高差57 m，剖面形態(tài)呈階梯形，后部地形較陡，中部平緩，下部又較陡，平面呈圈椅狀（見圖2）。滑坡縱向上無轉(zhuǎn)折，整體坡度20°～25°，坡向120°?；轮鬏S長約135 m，寬約77 m，面積約1.04萬m2，厚約14 m，滑坡方量約14.56萬m3，區(qū)內(nèi)植被覆蓋率達(dá)70%，主要為林木和農(nóng)作物等。其中坡體上主要為林木，巖土層主要為粉質(zhì)黏土夾碎石，為中型土質(zhì)滑坡。

1.3 滑坡變形破壞特征

通過調(diào)查得知，該滑坡失穩(wěn)前已發(fā)生局部變形，并形成連續(xù)貫通的地面裂縫。最早于2019年7月20日下午出現(xiàn)跡象，在這期間，由于居民的房屋老化，加之屋后坡體大多數(shù)為泥質(zhì)沙土，因此在連續(xù)降雨的影響下，坡體早已出現(xiàn)張拉裂縫并持續(xù)擴(kuò)大，滑坡兩側(cè)則有少許變形。隨后幾天降雨持續(xù)，斜坡上部土壤吸收過多水分，質(zhì)量增加，向下部的壓力也在緩慢增加，但由于植被較多，因此暫未形成滑動；而中部與下部多為粉質(zhì)黏土，土體較為松散，隨著雨水滲入，土體有效應(yīng)力降低，容重增加，發(fā)生滑動變形。這一變形的時間差，造成臨空面的形成，在中部和前緣的張拉力下，滑坡后部于23日晚上發(fā)生變形破壞。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，林泉村滑坡為中距碎石土質(zhì)滑坡，應(yīng)力釋放較為分散，滑坡發(fā)生后，后緣滑床出露，滑土體堆積于中部平臺，裂縫較為分散，分布于中后部1處、中部4處及中下部2處，前緣明顯鼓脹，且由于滑坡發(fā)生后應(yīng)力釋放，因此在側(cè)緣形成一處土體溜滑和一處地面下沉，屋后墻受損且裂縫貫通發(fā)育。通過無人機(jī)拍攝和現(xiàn)場實地勘察，得到該滑坡各部位的典型特征，見圖3。

2 滑坡失穩(wěn)影響因素分析

2.1 構(gòu)造活動

滑坡區(qū)位于龍門山強(qiáng)烈抬升區(qū)前緣的凹陷區(qū)，自中三疊世末期，印支運動促使龍門山構(gòu)造帶及寶興背斜古海槽逐漸隆起，形成前緣凹陷之后，經(jīng)歷了晚三疊世印支運動強(qiáng)烈抬升和下陷， 張磊等：基于FLAC3D軟件的降雨型滑坡穩(wěn)定性分析燕山運動的反復(fù)抬升、下陷，后受喜山運動抬升、下陷及后期擠壓，褶皺成山。由于區(qū)內(nèi)凹陷與附近多隆起，因此山體前緣和下部質(zhì)量增加，推力較大，且坡度較陡，形成許多細(xì)小的張拉裂縫，剪切破壞明顯，裂縫內(nèi)的松散物質(zhì)在長期的風(fēng)化侵蝕和流水侵蝕共同作用下，特別容易造成滑動危害。

2.2 降雨因素

雅安市氣象局資料顯示，名山區(qū)2019年5—7月的累計降雨量達(dá)到986.5 mm，對比數(shù)據(jù)可知，這幾個月的降雨量相當(dāng)于該區(qū)全年降雨量的62%，特別是7月的降雨量更是達(dá)到了640.2 mm，是往年的2～3倍。據(jù)資料，名山區(qū)在7月11日發(fā)布了暴雨藍(lán)色預(yù)警，當(dāng)日預(yù)計3 h內(nèi)降雨量將達(dá)到50 mm以上。降雨在滑坡破壞前持續(xù)了17 d，總降雨量為430.1 mm，7月13—21日，滑坡區(qū)持續(xù)降雨，特別是在滑坡發(fā)生前的7月21日20時至22日8時，發(fā)生本月最大降雨，為172.5 mm。對于這次滑坡來說，長時間的降雨一方面使得坡體前緣下切侵蝕速度加快，另一方面使得地下水位上升，減小了滑體的法向應(yīng)力，在張拉應(yīng)力及中上部的推力作用下，斜坡進(jìn)一步發(fā)生失穩(wěn)。

3 基于FLAC3D的滑坡變形分析

圖4為滑坡剖面示意。采用ANSYS軟件建立滑坡模型，并導(dǎo)入FLAC3D，運用其中的強(qiáng)度折減法進(jìn)行計算，在得到滑坡的安全系數(shù)后，通過滑坡的最大剪切應(yīng)變增量以及不同工況下的塑性區(qū)分布圖來揭示滑坡變形機(jī)制。

該滑坡模型沿x軸方向長為210 m，沿y軸方向?qū)挒? m，沿z軸方向最高點為85 m。為了計算精確，堆積體、滑動體的網(wǎng)格尺寸為0.5 m，基巖部分的網(wǎng)格尺寸為1.5 m，模型總共劃分23 274個節(jié)點、68 915個單元，各邊界點均耦合。邊坡模型頂部邊界為自由邊界，模型四周約束法向位移，底部剛性約束，所得到的模型見圖5。采用FLAC3D內(nèi)置的mohr-coulomb本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，所得參數(shù)見表1。

在天然工況下，滑坡的安全系數(shù)為1.131，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，而最大剪應(yīng)力位于邊坡上緣。圖6為天然工況下最大剪切應(yīng)變云圖，由圖6可知，滑動面的大致位置在邊坡上緣及中部，最大剪切應(yīng)變增量為0.351，初步判斷內(nèi)部存在滑動趨勢，但剪切帶內(nèi)部不連續(xù)，僅前緣及中部臺階處有著較明顯的剪切變形，表明該處滑坡抗滑力是由滑帶前緣提供的，可以判斷出未形成連續(xù)的滑動面，整體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7為天然工況下滑坡塑性區(qū)分布，由圖7可知，滑坡的前緣及中部大部分未在張拉屈服狀態(tài)，曾進(jìn)入過張拉屈服狀態(tài)，但最終未發(fā)生塑性破壞；僅有坡體上緣表面出現(xiàn)張拉塑性區(qū)域，內(nèi)部整體穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯塑性貫通區(qū)。這與滑坡發(fā)生前，其中部出現(xiàn)的拉張裂縫相對應(yīng)。由此可知，在天然狀態(tài)下，該滑坡的中間部分堆積體雖具備變形能力，但滑坡前緣堆積體穩(wěn)定不變形的狀態(tài)，為其提供了充足的抗滑力，保障坡體保持穩(wěn)定。但是，若遭暴雨或持續(xù)降雨，則滑帶含水率將上升，滑坡堆積體質(zhì)量增加，塑性區(qū)沿滑帶將進(jìn)一步擴(kuò)展拉伸至坡體前緣，坡體表面受拉伸作用影響，破壞范圍也將逐漸變大。

圖8為飽水狀態(tài)下最大剪切應(yīng)變云圖，由圖8可知，飽水狀態(tài)下滑動面剪切應(yīng)變增量出現(xiàn)較為明顯的連續(xù)區(qū)域，最大剪切應(yīng)變增量0.055 6。在飽水狀態(tài)下邊坡上緣的表層以下大約15 m的位置為剪切應(yīng)變最大值處，且有不斷向下延伸的趨勢，結(jié)合滑坡在飽水狀態(tài)下的安全系數(shù)1.042，判斷滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9為飽水狀態(tài)下滑坡塑性區(qū)分布。由圖9可知，在暴雨條件下，滑坡體的屈服狀態(tài)與天然狀態(tài)下有明顯差別，滑坡體處于飽水狀態(tài)時坡體下滑的規(guī)模比天然狀態(tài)下大得多，且塑性破壞出現(xiàn)明顯貫通區(qū)域直至邊坡下緣，形成滑動帶，通過塑性區(qū)云圖初步判斷滑坡即將失穩(wěn)。由剪應(yīng)力自滑坡上緣向中部乃至前緣遞減可以看出滑坡此時雖并未形成滑動面，但降雨滲入作用使得滑帶逐漸變得飽和，當(dāng)中間堆積體提供的抗滑力不足時，便會在重力作用下造成滑坡體滑動。值得注意的是，沿著強(qiáng)風(fēng)化帶界面已出現(xiàn)明顯剪切塑性破壞區(qū)域，若不及時采取邊坡加固措施，則可能出現(xiàn)新的滑動下推力，造成邊坡大面積滑塌。

根據(jù)一系列數(shù)值模擬結(jié)果，得到不同工況下的水平位移云圖和最大主應(yīng)力云圖，見圖10、圖11。結(jié)合林泉村滑坡后的地形地貌特點以及周圍環(huán)境特征分析得出，林泉村滑坡由于強(qiáng)降雨或連續(xù)降雨導(dǎo)致斜坡坡體后緣下錯、中部拉裂、前緣鼓脹突出、房屋變形這一過程，受地質(zhì)環(huán)境影響，其失穩(wěn)過程可以分為4個階段：

（1）前緣剪出。受長期降雨或強(qiáng)降雨影響，坡體前緣土體達(dá)到飽和，并且研究區(qū)屬于凹陷區(qū)域，受長期下切侵蝕作用，加上中上部的巖土體吸收雨水產(chǎn)生更大的向滑坡區(qū)下部的作用力，使得坡體前緣率先剪出，但是由于整個滑坡區(qū)有一定的高差，因此未能整體剪出。

（2）牽引滑動。在前緣剪出后，發(fā)生前一級滑動，而中部的堆積物在雨水滲透導(dǎo)致質(zhì)量變大的情況下，通過前一級滑動所提供的臨空變形空間，在前緣牽引力以及底部揚壓力的作用下發(fā)生牽引滑動，使第二、第三階梯形成比之前更大的臨空變形面。

（3）高速滑動。隨著前緣剪出，中部也在張拉力作用下發(fā)生撕裂，造成中部臨空。而長時間的降雨滲透導(dǎo)致原斜坡的堆積土逐漸變得飽和，除增加自身容重外，還浸濕軟化了原來的土層，使得其后緣失穩(wěn)，在其后部靜水壓力增大和底部揚壓力、前緣牽引力共同作用下沿基覆界面高速滑動，并發(fā)生拋灑現(xiàn)象。

（4）復(fù)合滑動。在前面3個滑動后，沿著強(qiáng)風(fēng)化帶界面出現(xiàn)明顯剪切塑性破壞區(qū)域，加上雨水滲透，增大了巖土體容重，坡體質(zhì)量急速增長，大大降低了土體的抗剪強(qiáng)度，張拉裂縫不斷擴(kuò)大，在前緣牽引力和后部推移的作用下，滑體跟隨堆積體一起滑動，但是又隨著坡度逐漸趨于平緩，下滑力減小，速度降低。

4 結(jié) 語

對林泉村滑坡進(jìn)行了野外實地勘察，并開展了相關(guān)力學(xué)試驗，對比分析了天然工況和飽水狀態(tài)下滑坡的抗剪強(qiáng)度變化情況，揭示了滑坡變形機(jī)制。對林泉村滑坡進(jìn)行了滑坡穩(wěn)定性評價，得到以下結(jié)論：

（1）林泉村滑坡平面形態(tài)大致呈橢圓形，主滑方向為120°～130°，滑坡面積約為1.04萬m2，厚約14 m，滑坡方量約14.56萬m3，為降雨型滑坡。

（2）由基于FLAC3D的數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，天然工況下滑坡安全系數(shù)為1.131，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；飽和狀態(tài)工況下的滑坡安全系數(shù)為1.042，處于失穩(wěn)狀態(tài)?；虑熬壔瑒泳哂袪恳教卣鳎胁垦貜?qiáng)風(fēng)化帶界面有明顯剪切破壞，后緣具有推移臨空特征。

（3）受地形特征影響，堆積層、滑動帶為滑坡變形提供了基礎(chǔ)，若該地發(fā)生持續(xù)降雨或者暴雨，則該滑坡將會繼續(xù)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

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［作者簡介］ 張磊（1996—），男，貴州遵義人，碩士研究生，研究方向為工程地質(zhì)勘察與評價；通信作者劉歲海（1971—），男，陜西咸陽人，副教授，碩士，研究方向為工程地質(zhì)勘察與評價。

［收稿日期］ 2022-07-15

（責(zé)任編輯 楊傲秋）