【摘要】

在邊坡失穩(wěn)破壞中，降雨入滲下的淺層失穩(wěn)占比極大，其多發(fā)性和易發(fā)性，已給交通建設(shè)、防災(zāi)減災(zāi)等工程帶來(lái)了較大的損失，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視。針對(duì)降雨入滲引起淺層邊坡失穩(wěn)的數(shù)值模擬分析研究的現(xiàn)狀與進(jìn)展開(kāi)展了調(diào)研，并對(duì)已有的研究工作進(jìn)行了梳理和分類，總結(jié)了各個(gè)數(shù)值方法解決降雨入滲下不同類型巖土體邊坡失穩(wěn)各自優(yōu)勢(shì)。最后，指出了目前數(shù)值模擬工作研究仍需要繼續(xù)探索之處，如需要關(guān)注邊坡降雨沖刷面、凍土的凍融循環(huán)等的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，以期對(duì)后續(xù)的研究工作提供指引。

【關(guān)鍵詞】

降雨入滲； 淺層邊坡； 數(shù)值模擬； 有限元； 有限差分； 離散元

【中圖分類號(hào)】U416.1+4【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2023-05-06

［基金項(xiàng)目］國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：42007247）、四川省自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：2022NSFSC1151）;工程材料與結(jié)構(gòu)沖擊振動(dòng)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（項(xiàng)目編號(hào)：20kfgk08）

［作者簡(jiǎn)介］尹進(jìn)（1998—），男，在讀碩士，研究方向?yàn)閹r土工程。

0 引言

我國(guó)每年滑坡、坍塌等邊坡失穩(wěn)災(zāi)害帶來(lái)極大經(jīng)濟(jì)損失，治理邊坡需要更高費(fèi)用。在邊坡失穩(wěn)災(zāi)害中，多數(shù)為降雨引起的邊坡失穩(wěn)變形破壞［1］。其中淺層局部破壞的占比極大，淺層局部破壞雖然沒(méi)有深層整體破壞的規(guī)模大，但發(fā)生的次數(shù)多，誘因也多。如膨脹土、黃土等特殊土體，由于其特殊土體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其容易因降雨引起淺層失穩(wěn)破壞；全風(fēng)化花崗巖、紅層等特殊巖體，長(zhǎng)期風(fēng)化作用下導(dǎo)致其易受降雨影響發(fā)生淺層失穩(wěn)破壞；堆積土、排土場(chǎng)等后期人為形成的邊坡也容易受降雨影響發(fā)生淺層失穩(wěn)破壞等。由于淺層邊坡失穩(wěn)破壞的多發(fā)性和易發(fā)性，已經(jīng)給人們帶來(lái)了交通、經(jīng)濟(jì)等各方面的損失，應(yīng)引起重視。

目前，研究邊坡淺層失穩(wěn)機(jī)理有多種方法，如：理論、試驗(yàn)及數(shù)值模擬等。其中，針對(duì)淺層失穩(wěn)，理論分析法往往只是一種粗略的綜合性近似解答，并將邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題作為剛體極限平衡問(wèn)題來(lái)研究，較少研究滑動(dòng)體內(nèi)部各點(diǎn)的受力狀態(tài)［2］。同時(shí)，由于巖土體的不連續(xù)性和不均勻性，理論分析方法又做了諸多假定，不能有效地反映工程實(shí)際狀況［3］?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)軌蛑苯臃磻?yīng)實(shí)際問(wèn)題，但需考慮季節(jié)、時(shí)間、場(chǎng)地和經(jīng)濟(jì)等多方面的因素，成本過(guò)高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值分析作為一種有效的研究方法，目前已成為研究邊坡淺層失穩(wěn)的主要研究方法之一。數(shù)值分析方法又稱為應(yīng)力應(yīng)變法，通過(guò)編程設(shè)定相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)高效的計(jì)算能力，得到相應(yīng)工程的數(shù)值解，從而為項(xiàng)目建設(shè)提供可靠的分析［4］。本文在閱讀大量文獻(xiàn)后，對(duì)降雨入滲下淺層邊坡失穩(wěn)的數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀及進(jìn)展進(jìn)行了簡(jiǎn)述。

1 有限元法

有限元法是將求解域剖分為有限個(gè)網(wǎng)格單元，先對(duì)局部單元進(jìn)行求解，然后再將單元組合起來(lái)進(jìn)行整體分析。是目前應(yīng)用較廣的數(shù)值分析方法［4］。

ABAQUS有限元分析軟件有著眾多的本構(gòu)模型如Mohr-Coulomb模型等，滲流模塊功能也十分強(qiáng)大，可進(jìn)行滲流和變形的耦合作用等，此外還可進(jìn)行二次編程。全風(fēng)化花崗巖邊坡在長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)降雨沖刷后極易出現(xiàn)淺層失穩(wěn)破壞，劉澤等［5］運(yùn)用ABAQUS有限元軟件建立失穩(wěn)模型，分別對(duì)考慮沖刷和不考慮沖刷的全風(fēng)化花崗巖邊坡進(jìn)行模擬，得到位移等參數(shù)云圖。最后得出降雨沖刷是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)造成水土流失的主要原因。

非飽和土體邊坡在降雨入滲影響下，造成土體內(nèi)部應(yīng)力和滲流互相影響，導(dǎo)致土體淺層迅速飽和出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，王述紅等［6］運(yùn)用ABAQUS有限元軟件，模擬降雨條件下此邊坡滲流和應(yīng)力兩場(chǎng)耦合，得出降雨入滲下淺層塑形破壞面。

四川成都地區(qū)黏性土分布較廣，長(zhǎng)時(shí)高強(qiáng)度降雨影響下，易使黏性土邊坡淺層形成飽和區(qū)使邊坡出現(xiàn)淺層失穩(wěn)破壞，任東興等［7］運(yùn)用ABAQUS有限元軟件計(jì)算，結(jié)合強(qiáng)度折減法，得到降雨入滲條件下此類型邊坡變形分布情況，進(jìn)而得到淺層土體的失穩(wěn)破壞機(jī)理與現(xiàn)場(chǎng)情況基本相同，并給出邊坡修復(fù)方案。

GeoStudio有限元軟件在國(guó)內(nèi)推廣較早，是一款功能全面的巖土工程仿真軟件，自帶Seep/w滲流等八大模塊，在計(jì)算降雨滲流影響邊坡失穩(wěn)問(wèn)題中應(yīng)用廣泛［8］。均質(zhì)土邊坡在降雨影響下，坡腳處易發(fā)生淺層失穩(wěn)破壞，王一兆等［9］運(yùn)用GeoStudio有限元軟件自帶的Seep/w模塊，結(jié)合非飽和滲流理論，得到降雨條件下邊坡滲流結(jié)果，進(jìn)而得出淺層邊坡坡腳處的孔壓會(huì)在降雨時(shí)增大至飽和造成坡腳失穩(wěn)。

降雨入滲下，非飽和土邊坡的滲透性是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素，王江平等［10］運(yùn)用Geo-Studio有限元軟件對(duì)非飽和土邊坡在不同的降雨類型、滲透系數(shù)條件下的降雨入滲過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，采用 Van-Genuchten估算方法得出降雨入滲過(guò)程的孔隙水壓力分布。分析結(jié)果得出降雨強(qiáng)度對(duì)滲透性大的非飽和土邊坡影響大。

呂雨樺等［11］運(yùn)用Geo-Studio有限元軟件自帶的Seep/w、Sigma/w、Slope/w模塊對(duì)降雨入滲下的非飽和土邊坡進(jìn)行滲流、應(yīng)力變形三場(chǎng)的直接耦合數(shù)值模擬，結(jié)果得出淺層邊坡受降雨影響劇烈易造成淺層失穩(wěn)。

在我國(guó)東南地區(qū)分布著開(kāi)挖后易被風(fēng)化，受降雨沖刷影響淺層極不穩(wěn)定的煤系土邊坡，郭友軍等［12］運(yùn)用Geo－Studio有限元軟件的Seep/w模塊和Slope/w模塊，對(duì)煤系土邊坡在降雨沖刷下淺層失穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到降雨作用下土壓力和孔隙水壓力隨時(shí)間變化規(guī)律，分析得出了降雨是煤系邊坡失穩(wěn)的主要因素。

降雨強(qiáng)度和時(shí)長(zhǎng)對(duì)邊坡淺層和深層穩(wěn)定性有著不同程度的影響，郁舒陽(yáng)等［13］ 運(yùn)用Geo-slope有限元軟件內(nèi)嵌的Seep/w和Slope/w模塊，對(duì)不同降雨類型條件下邊坡入滲過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。經(jīng)數(shù)值計(jì)算后得出：不同的降雨類型使土體淺層達(dá)到飽和的時(shí)間不同，降水影響深度和孔壓也不同，并且對(duì)淺層邊坡的安全系數(shù)的影響也不相同。

Plaxis有限元軟件不僅可以進(jìn)行彈塑性、滲流等的計(jì)算，還增加了非飽和土的計(jì)算功能。高速公路、國(guó)道等線路受各方面因素的影響，不能輕易改變，因此沿線常出現(xiàn)高陡邊坡，在長(zhǎng)期風(fēng)化、降雨沖刷等的影響下邊坡淺層易發(fā)生剝落、滑坡等失穩(wěn)現(xiàn)象，王國(guó)欣等［14］以浙江某高速線路隧道洞口邊坡為例，運(yùn)用 Plaxis 有限元軟件模擬了滑坡發(fā)生的過(guò)程，采用彈塑性材料模擬。通過(guò)有效的監(jiān)控動(dòng)態(tài)反饋，能對(duì)出現(xiàn)的隧道洞口邊坡病害進(jìn)行預(yù)測(cè)和加以控制。肖超等［15］基于G209 國(guó)道某段滑坡為基礎(chǔ)，采用Plaxis有限元軟件對(duì)降雨條件下邊坡的開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。理論計(jì)算值和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較吻合，得出邊坡的開(kāi)挖切方和降雨是導(dǎo)致此坡體產(chǎn)生滑動(dòng)的主要原因。

Midas有限元軟件憑借其豐富的功能和簡(jiǎn)易的操作，被大量用于巖土工程領(lǐng)域的研究中。黃土由于其土體的特殊性，容易受天氣的影響發(fā)生淺層失穩(wěn)造成水土流失。葉萬(wàn)軍等［16］以洛川林業(yè)局溝北邊坡為例，采用Midas有限元軟件，對(duì)多次降雨循環(huán)過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算。經(jīng)試驗(yàn)值與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比得出：邊坡穩(wěn)定性受降雨影響較大，長(zhǎng)期降雨會(huì)降低邊坡穩(wěn)定性。

錨桿支護(hù)是邊坡支護(hù)的重要方法，在長(zhǎng)時(shí)降雨地區(qū)邊坡防護(hù)上尤為重要，李帥等［17］運(yùn)用Midas/GTS有限元軟件對(duì)不同降雨量條件下有無(wú)系統(tǒng)錨桿支護(hù)的邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬。

鎮(zhèn)江地區(qū)分布著不同程度的非飽和膨脹土邊坡，降雨是影響邊坡失穩(wěn)最主要的因素，梅嶺等［18］運(yùn)用Midas/GTS有限元軟件對(duì)此類型邊坡不同類型降雨下的入滲過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到邊坡穩(wěn)定系數(shù)在此過(guò)程中的變化規(guī)律。

除了上述主流有限元軟件外，COMSOL有限元仿真軟件可提供多物理場(chǎng)仿真平臺(tái)，以及耦合多個(gè)物理場(chǎng)的功能和工具。秦曉同等［19］提出水熱耦合模型，運(yùn)用COMSOL有限元仿真軟件對(duì)不同強(qiáng)度降雨入滲下凍土邊坡的失穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析得出：降雨越強(qiáng)，淺層凍土達(dá)到飽和越快，凍土內(nèi)部逐漸融化，入滲率逐漸變高。

此外為使結(jié)果更接近現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況，巖土工作者們將理論分析方法與數(shù)值模擬方法結(jié)合研究邊坡失穩(wěn)。連鎮(zhèn)營(yíng)等［20］采用有限元強(qiáng)度折減法法對(duì)開(kāi)挖邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了較為全面的研究。曾亞武等［21］采用有限元極限平衡法，計(jì)算邊坡巖土體內(nèi)滑動(dòng)面上的的應(yīng)力應(yīng)變和位移分布，以求出邊坡滑動(dòng)面的安全系數(shù)。

GeoStudio有限元軟件自帶Seep/w等八大模塊，在研究考慮降雨滲流作用下邊坡失穩(wěn)過(guò)程時(shí)應(yīng)用更多。然而有限元法局限于連續(xù)介質(zhì)的坡體，不適合在處理非連續(xù)介質(zhì)的坡體。有限元法在解決存在大變形邊坡問(wèn)題時(shí)效果也不盡人意［22］。

2 有限差分法

巖土工作者們根據(jù)顯示有限差分原理快速分析的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)出了另一種新的數(shù)值模擬方法——有限差分法。程序?qū)⒂?jì)算區(qū)域內(nèi)的介質(zhì)劃分為若干個(gè)二維單元單元之間用節(jié)點(diǎn)相互連接［23］?；谟邢薏罘址ㄑ芯繙\層邊坡失穩(wěn)的最常用的計(jì)算機(jī)軟件是FLAC系列軟件。FLAC3D是基于快速拉格朗日分析方法的巖土有限差分軟件，能夠準(zhǔn)確描述巖土體材料的非線性破壞 ，廣泛應(yīng)用于各種大型三維巖土工程研究與設(shè)計(jì)［24］ 。

黃土邊坡由于其土體的特殊性，風(fēng)化和降雨容易引發(fā)黃土邊坡發(fā)生淺層破壞［25］。青藏高原東北部地區(qū)分布著廣泛黃土，其邊坡極易因氣候變化產(chǎn)生滑坡等失穩(wěn)破壞，李國(guó)榮等［26］運(yùn)用FLAC2D有限差分軟件對(duì)降雨入滲下該邊坡失穩(wěn)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比得出：短時(shí)降雨使邊坡淺層含水量迅速提高直至飽和，致土體抗剪強(qiáng)度降低直至發(fā)生失穩(wěn)。

氣候變化引起凍土地區(qū)降雨量增大，導(dǎo)致活動(dòng)層沿多年凍土層滑脫，誘發(fā)凍土邊坡發(fā)生淺層失穩(wěn)［27］。霍曉龍等［28］運(yùn)用FLAC3D軟件及內(nèi)嵌的FISH語(yǔ)言，編寫(xiě)了路基計(jì)算參數(shù)隨溫度變化的程序，對(duì)蘭新二線典型凍土路基的凍融變形問(wèn)題進(jìn)行了模擬分析。并驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的有效性與可靠性。

蔣中明等［29］運(yùn)用FLAC3D軟件內(nèi)嵌FISH語(yǔ)言，結(jié)合非飽和滲流理論，編寫(xiě)降雨入滲邊界函數(shù)和非飽和區(qū)滲透系數(shù)變化函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了降雨條件下邊坡飽和、非飽和滲透過(guò)程的模擬。陳亮勝等［30］運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件和內(nèi)嵌的FISH語(yǔ)言，結(jié)合應(yīng)變軟化理論，對(duì)降雨入滲下非飽和膨脹土邊坡進(jìn)行滲流、膨脹變形和應(yīng)變軟化三場(chǎng)耦合的數(shù)值模擬分析，得到邊坡破壞特征。

降雨引發(fā)膨脹土邊坡發(fā)生反復(fù)脹縮變形，產(chǎn)生大量裂隙，形成一個(gè)淺層風(fēng)化帶，最終引發(fā)邊坡淺層土體崩塌破壞［31］。安徽省北沿江馬巢高速公路段，由于線路走線導(dǎo)致其路段沿線分布著大量膨脹土邊坡，極易受降雨開(kāi)挖的影響給日常使用帶來(lái)安全隱患。周峙等［32］運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D對(duì)此路段邊坡降雨前后和雨水侵入深度不同的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，得出此路段邊坡隨著浸水深度增加，邊坡穩(wěn)定系數(shù)大幅降低，說(shuō)明雨水是導(dǎo)致此類膨脹土邊坡失穩(wěn)的主要原因。肖杰等［33］運(yùn)用FLAC2D有限差分軟件內(nèi)嵌FISH語(yǔ)言，結(jié)合熱-固耦合、非飽和二項(xiàng)流模型，實(shí)現(xiàn)了滲流場(chǎng)、位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)淺層邊坡的三場(chǎng)耦合，研究是否考慮土體的吸濕膨脹效應(yīng)與不同降雨類型下對(duì)膨脹土邊坡失穩(wěn)的影響。

裂縫在邊坡中的作用是兩面性的，好的一面有助于排出坡體內(nèi)部地下水，壞的一面是容易受降雨影響造成邊坡失穩(wěn)，馬蓓青等［34］運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件對(duì)長(zhǎng)時(shí)間降雨下裂縫發(fā)展致邊坡失穩(wěn)進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析得出：長(zhǎng)期降雨使黃土邊坡強(qiáng)度降低，形成裂縫又加劇了雨水入滲，最終使邊坡失穩(wěn)。

植被根系對(duì)維持邊坡淺層穩(wěn)定性有著積極作用，利用植被進(jìn)行邊坡防護(hù)，有降低成本、改善環(huán)境等益處。毛正君等［35］運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件，模擬降雨入滲下含不同生長(zhǎng)時(shí)期紫花首蓿根系的黃土淺層失穩(wěn)模型，將黃土體和根系視作整體進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出植被根系的發(fā)育增強(qiáng)了坡體整體的強(qiáng)度，起到了加固的作用。

FLAC3D軟件也可進(jìn)行二次編程，徐文剛等［36］利用 Python編程語(yǔ)言對(duì) FLAC3D進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了“二分法”強(qiáng)度折減法的全面優(yōu)化，既可以提高精度也能節(jié)約時(shí)間。

有限差分法能夠處理非線性變形邊坡，被廣泛應(yīng)用于大變形邊坡的模擬分析上，但仍需把坡體視作連續(xù)介質(zhì)的坡體，處理非連續(xù)性坡體時(shí)不如離散元法。

3 離散元法

有限元和有限差分法，都適合采用連續(xù)介質(zhì)作為研究對(duì)象。對(duì)于研究存在大量不連續(xù)介質(zhì)的邊坡具有一定的局限性［37］。 P. A. Cundall 等［38］首先提出了離散元法（DEM）。離散元法能模擬巖土結(jié)構(gòu)的不連續(xù)、非均質(zhì)的特點(diǎn)，在涉及到軟弱夾層、節(jié)理與裂隙的巖體介質(zhì)邊坡問(wèn)題中，具有很強(qiáng)的適用性。離散元法將研究對(duì)象劃分為若干剛性塊體，塊體之間可以產(chǎn)生平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)賦予不同的塊體接觸關(guān)系研究宏觀介質(zhì)的力學(xué)性態(tài)［39］。

顆粒流程序（PFC）模型的組成單元是許多微小的圓形顆粒，相鄰的顆粒間以特定方式彼此粘結(jié)，形成若干團(tuán)聚體。在運(yùn)行過(guò)程中這些團(tuán)聚體可能會(huì)破壞、受力運(yùn)動(dòng)、相互作用等，由此分析穩(wěn)定性、變形特征、模型的本構(gòu)關(guān)系等。PENG等［40］在PFC軟件中建立了考慮巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)模型。采用綜合巖體（SRM）方法模擬節(jié)理巖體的力學(xué)行為。確定模型微觀參數(shù)，對(duì)此邊坡失穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得出邊坡破壞以局部淺層破壞為主。

煤系土邊坡開(kāi)挖后在風(fēng)化降雨作用下，使邊坡極易出現(xiàn)坍塌、滑坡等失穩(wěn)現(xiàn)象，張鴻等［41］運(yùn)用PFC3D離散元軟件內(nèi)嵌轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)DEM-CFD流固耦合，對(duì)邊坡降雨入滲下的失穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。得出此方法下降雨沖刷是造成煤系土邊坡的失穩(wěn)破壞的主要原因。四川古藺縣某邊坡在長(zhǎng)期降雨影響下，發(fā)生了大型滑坡，李龍起等［42］運(yùn)用PFC2D離散元軟件對(duì)此邊坡失穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值吻合，表明此離散元分析方法可為研究同類型邊坡提供理論指導(dǎo)，同時(shí)對(duì)該邊坡滑坡有預(yù)測(cè)作用。

離散元（DEM）是一種動(dòng)態(tài)的數(shù)值分析方法， 同樣具有二次編程的功能。南軒等［43］運(yùn)用離散元（DEM）軟件的二次開(kāi)發(fā)能力，通過(guò)CFD-DEM耦合方式實(shí)現(xiàn)滲流過(guò)程中顆粒間粘結(jié)力與雨水滲流的變化情況，以此來(lái)模擬滲流邊坡失穩(wěn)過(guò)程。

劉春教授團(tuán)隊(duì)在離散元法的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了離散元軟件MatDEM（矩陣離散元），支持二次開(kāi)發(fā)，支持?jǐn)?shù)百萬(wàn)單元的離散元數(shù)值模擬，以及多場(chǎng)和流固耦合數(shù)值模擬［44］。朱永東等［45］以內(nèi)蒙古元寶山露天煤礦內(nèi)排土場(chǎng)為例，并且運(yùn)用離散元方法（MatDEM）的快速 GPU 矩陣計(jì)算模擬降雨入滲過(guò)程和淺層滑坡全過(guò)程。得到降雨條件下內(nèi)排土場(chǎng)的淺層破壞與運(yùn)動(dòng)特征，成果可為內(nèi)排土場(chǎng)淺層滑坡機(jī)理研究提供參考。

靳福杰等［46］采用離散元分析方法研究蒸發(fā)降雨條件下膨脹土邊坡裂隙的發(fā)展機(jī)理，通過(guò)Geo-studio有限元分析軟件模擬得到此條件下邊坡的含水率分布情況，再運(yùn)用MatDEM離散元軟件得到含水率分布和裂隙的變化情況，得出外部蒸發(fā)、降雨的過(guò)程會(huì)導(dǎo)致邊坡內(nèi)部裂隙的產(chǎn)生和變化。

3DEC離散元數(shù)值模擬軟件自帶各向異性模型、莫爾庫(kù)侖模型、Drucker-Prayer模型等常用模型。寧宇等［47］利用3DEC軟件建立數(shù)值模型，結(jié)合強(qiáng)度折減法對(duì)某水電站高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并與已知計(jì)算方法的結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證該方法的可靠性。

UDEC離散元數(shù)值模擬軟件分析邊坡失穩(wěn)問(wèn)題常與強(qiáng)度折減法結(jié)合適用［48］。雷遠(yuǎn)見(jiàn)等［49］運(yùn)用離散元UDEC與強(qiáng)度折減法結(jié)合，對(duì)含多結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得出邊坡的安全系數(shù)。

離散元法較其他數(shù)值模擬方法，更適合處理非連續(xù)介質(zhì)土體的邊坡。

4 其他數(shù)值模擬方法

除了上述的數(shù)值模擬方法外，還有邊界元法（BEM）、非連續(xù)單元法（CDEM）、不連續(xù)變形分析法（DDA）等應(yīng)用在邊坡問(wèn)題的數(shù)值模擬方法。鄧琴等［50］利用邊界元法得到二維邊坡體內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)。但邊界元法要求事先知道控制微分方程的基本解 ，不能求解大變形問(wèn)題。目前邊界元方法在地下洞室類似結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛 ［51］。

牛犇等［52］運(yùn)用非連續(xù)單元法CDEM建立高精度的三維邊坡模型對(duì)不同降雨條件下的邊坡失穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，實(shí)現(xiàn)降雨入滲下滲流、應(yīng)力兩場(chǎng)耦合，得到邊坡破壞形式，并與強(qiáng)度折減法結(jié)果進(jìn)行比較，研究成果對(duì)此地區(qū)邊坡有指導(dǎo)意義。

不連續(xù)變形分析法（DDA）優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算破壞后的大位移， 如滑動(dòng)、爆破等， 特別適合于極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)。劉國(guó)陽(yáng)等［53］以西藏自治區(qū) G318 國(guó)道某典型滑坡為例，運(yùn)用3D-DDA方法研究巨石崩塌失穩(wěn)特征，分析巨石崩塌失穩(wěn)機(jī)制和巖不同坡形的運(yùn)動(dòng)軌跡特征。

5 結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法已成為研究邊坡淺層失穩(wěn)的重要研究方法之一。從目前的研究現(xiàn)狀可以看出：有限元法是仍然是研究淺層邊坡失穩(wěn)機(jī)理的主流方法，且有限差分、離散元等方法亦在該領(lǐng)域大放異彩。如GeoStudio有限元軟件自帶Seep/w等八大模塊，研究降雨滲流下的淺層邊坡很有優(yōu)勢(shì)。但是在研究大變形邊坡上不盡人意，也局限于研究連續(xù)介質(zhì)土體的邊坡。有限差分法用于研究解決大變形邊坡問(wèn)題，如凍土邊坡失穩(wěn)破壞等。離散元法在處理非連續(xù)介質(zhì)邊坡時(shí)很有優(yōu)勢(shì)，如采用GPU矩陣計(jì)算法的離散元軟件MatDEM，大大提高了計(jì)算速度，能夠處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)邊坡的計(jì)算分析。

需要指出的是：

（1）降雨入滲下考慮固液兩相的數(shù)值模擬雖然已較成熟，但巖土為三相體，當(dāng)前考慮固液氣三相的數(shù)值模擬研究較少。

（2）數(shù)值分析方法在模擬降雨入滲沖刷面時(shí)，仍然與現(xiàn)場(chǎng)沖刷面有較大差距。

（3）數(shù)值模擬法計(jì)算孔隙水壓力問(wèn)題時(shí)，仍然需結(jié)合其他方法進(jìn)行計(jì)算，且數(shù)值分析對(duì)凍土的凍融循環(huán)破壞也不易實(shí)現(xiàn)。

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