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        基于MIDAS的東劉家溝村黃土滑坡地質(zhì)災(zāi)害穩(wěn)定性評價

        2024-10-27 00:00:00張宏偉
        農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究 2024年8期

        摘 要:以山西省臨縣劉家會鎮(zhèn)東劉家溝村滑坡地質(zhì)災(zāi)害為例,該滑坡為小型推移式土質(zhì)滑坡,該滑坡長約180 m,寬約200 m,滑體厚度10~20 m,主滑方向約226°,平均坡度30°,滑坡平面形態(tài)呈舌形,滑體巖性為第四系上更新統(tǒng)粉土,滑床巖性為第四系中更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土。通過MIDAS有限元分析模塊對該滑坡建立幾何模型,定義巖土體屬性參數(shù),進行穩(wěn)定性分析計算,得到天然工況和降雨工況下的變形云圖。研究表明,天然工況下,該滑坡的安全系數(shù)為1.118,處于基本穩(wěn)定狀態(tài);降雨工況下,該滑坡的安全系數(shù)為1.033,處于欠穩(wěn)定狀態(tài),與野外調(diào)查結(jié)果吻合。該模擬結(jié)果可為黃土地區(qū)該類滑坡的治理設(shè)計提供參考依據(jù)。

        關(guān)鍵詞:MIDAS;滑坡地質(zhì)災(zāi)害;穩(wěn)定性評價;臨縣

        中圖分類號:P694 文獻標(biāo)志碼:B 文章編號:2095–3305(2024)08–0-03

        臨縣地處山西省呂梁市西北部,黃河?xùn)|岸,屬黃河流域,總面積約2 979 km2。臨縣屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,一年四季分明。臨縣多年平均降雨量為518.3 mm,

        降雨分布為由東向西遞減。地形以黃土丘陵溝壑為主,三面環(huán)山。受地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性等因素的控制,地勢總體上是自東向西傾斜,呈東北高西南低,并形成河谷、黃土丘陵、中山等地貌。臨縣境內(nèi)黃土滑坡數(shù)量較多,對人民生命、財產(chǎn)安全威脅巨大。利用MIDAS分析不同工況下邊坡的穩(wěn)定性,能夠科學(xué)有效地進行地質(zhì)災(zāi)害防治[1]。

        當(dāng)前,國內(nèi)外邊坡穩(wěn)定性評價常用的數(shù)值軟件很多,比較常用的有Geo-Studio、ANSYS、ABAQUS和FLAC3D等,以臨縣劉家會鎮(zhèn)東劉家溝村滑坡為例,該滑坡長約180 m,寬約200 m,滑體厚度10~20 m,主滑方向約226°,平均坡度30°,滑坡平面形態(tài)呈舌形,滑體巖性為第四系上更新統(tǒng)粉土,滑床巖性為第四系中更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土,坡體未見地下水出露,滑坡規(guī)模為小型土質(zhì)滑坡,力學(xué)機理為推移式滑坡。該滑坡威脅6戶20人32孔窯洞;通過地質(zhì)災(zāi)害勘查,結(jié)合室內(nèi)土工試驗,利用MIDAS有限元分析軟件對東劉家溝村滑坡地質(zhì)災(zāi)害進行穩(wěn)定性評價,該模擬結(jié)果可為黃土地區(qū)該類滑坡的形成機理和防治設(shè)計提供一定的參考依據(jù)。

        1 研究區(qū)的概況

        1.1 氣象

        根據(jù)臨縣氣象觀測站多年觀測資料,多年平均降雨量為483.99 mm,年際變化明顯,最大年降雨量664.8 mm,最小年降雨量319.9 mm。最大日降雨量為136.9 mm(1995年8月1日),最大1 h降雨量為47.4 mm

        (1995年8月1日04:40),30 min最大降雨量為34.4 mm

        (1995年8月zcecM8qnEcQoben4J/4wkw==1日05:02),10 min最大降雨量為20.2 mm

        (1995年8月1日05:12),5 min最大降雨量為12.3 mm

        (1995年6月1日15:45),最大凍土深度1.11 m。

        1.2 地形地貌

        研究區(qū)地貌類型為黃土丘陵區(qū),地勢總體表現(xiàn)為東北高西南低。該地區(qū)黃土廣泛分布,大小沖溝密集。地形破碎,呈峁梁溝谷狀。月鏡河流域內(nèi)地形基本是東北高西南低,海拔高程在923.7~1 247 m之間,地形梁峁相間,呈樹枝狀斜梁狀,屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。

        1.3 地層巖性

        研究區(qū)所在區(qū)域內(nèi)出露地層較為簡單,坡體主要由三疊系下統(tǒng)劉家溝組T1l、第四系中更新統(tǒng)離石組Q2、第四系上更新統(tǒng)馬蘭組Q3和第四系全新統(tǒng)Q4組成。由舊至新分述如下。

        1.3.1 三疊系下統(tǒng)劉家溝組(T1l)

        該組巖性以一套較單一的灰紫紅、灰紅、紫紅色薄層及中厚層間厚層長石砂巖為主,夾有紫紅色粉砂巖、砂質(zhì)頁巖、礫巖、灰白色石英砂巖,以及灰、灰綠色長石砂巖組成。

        1.3.2 第四系中更新統(tǒng)離石組(Q2)

        巖性主要為淺紅色黏土、亞黏土夾成組出現(xiàn)的棕紅色古土壤及灰白色鈣質(zhì)結(jié)核層。

        1.3.3 第四系上更新統(tǒng)馬蘭組(Q3)

        巖性主要為淡黃、灰黃色粉土、粉砂,粒級均勻,結(jié)構(gòu)較松散,大孔隙,垂直節(jié)理發(fā)育,滲透性強,濕陷性強,易垮塌,偶夾砂礫石透鏡體,且可見細(xì)—粗粒長石、石英和云母片。

        1.3.4 第四系全新統(tǒng)(Q4)

        巖性主要為砂、粉土、礫石等,結(jié)構(gòu)疏松,橫向上巖性變化大。

        2 MIDAS GTS/NX軟件分析

        2.1 軟件簡況

        MIDAS GTS/NX是一款利用尖端的計算機圖形處理和分析技術(shù)研發(fā)而成的具有全新理念的64位通用巖土有限元分析軟件。MIDAS GTS/NX在建模過程中可以直接導(dǎo)入CAD模型,同時也可以在軟件中直接進行建模,網(wǎng)格劃分功能也豐富。MIDAS GTS/NX使用最新的圖形處理技術(shù)和分析功能,這種基于64位求解器的技術(shù)對大規(guī)模模型分析速度提升效果尤為明顯。MIDAS GTS/NX在開發(fā)過程中也進行了幾千種實例計算,并對比了計算結(jié)果同理論計算、其他軟件的計算結(jié)果,并被應(yīng)用于大量的工程項目,充分驗證了該軟件的準(zhǔn)確性[2]。

        2.2 模型建立

        2.2.1 建立幾何模型

        根據(jù)地形測量所得的地形數(shù)據(jù)截取剖面的線框模型,將剖面的CAD線框模型導(dǎo)入Midas GTS/NX,為了避免邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響,調(diào)整了剖面,并根據(jù)各地層建立平面單元,模型如圖1所示。

        2.2.2 定義材料屬性參數(shù)

        參考前人研究成果并結(jié)合此次調(diào)查臨縣地區(qū)的工程勘察報告,整理了臨縣地區(qū)巖土體相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)用于數(shù)值模擬,模型材料參數(shù)主要包括巖土體的容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量和泊松比等。

        2.2.3 網(wǎng)格劃分

        在有限元模擬計算中,網(wǎng)格的劃分對計算的速度和計算結(jié)果的精確度具有重要的影響。因此,控制模型的網(wǎng)格尺寸,具體做法為將距邊坡坡面較近的網(wǎng)格劃分較為密實,隨著距邊坡坡面距離的不斷拉大,網(wǎng)格逐漸增大,這樣既能確保計算結(jié)果的精確性,又可保證計算速度。共劃分了2 693個單元,3個網(wǎng)格組,網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

        2.2.4 邊界條件及分析工況

        邊界條件設(shè)定為位移邊界條件,在側(cè)面施加水平位移約束,底部施加水平和垂直位移約束,整體模型施加重力荷載。分析類型選擇邊坡穩(wěn)定分析中的強度折減法,分析計算天然工況和降雨工況。

        2.3 不同工況滑坡位移云圖

        利用土工試驗資料并對模型的巖土體賦值參數(shù),得出天然和降雨工況下X軸、Y軸方向內(nèi)力(圖3、圖4)、垂向位移(圖5、圖6)、等效應(yīng)變(圖7、圖8)、水平位移(圖9、圖10)以及總位移(圖11、圖12)等計算結(jié)果云圖。通過計算結(jié)果云圖可知,在降雨工況下,由于雨水入滲,造成坡體土體比重增加,滑坡滑面抗剪強度下降,X軸、Y軸方向的內(nèi)力、垂向位移、等效應(yīng)變、水平位移以及總位移等指標(biāo),均呈現(xiàn)增大趨勢,在滑坡坡腳出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象,整個滑坡體滑面清晰;對該滑坡的治理,可采用滑坡上部削坡減載,減弱滑坡下滑力;在滑坡后緣外設(shè)置截水溝,減少坡體周邊的匯水入滲坡體,在滑坡應(yīng)力集中的部位可設(shè)置抗滑樁,擋土墻等支擋措施,增強滑坡抗滑力,提高坡體穩(wěn)定性。

        3 結(jié)論

        根據(jù)計算出的天然和降雨工況下的云圖、水平位移云圖模擬結(jié)果顯示,該滑坡水平運動顯著,水平位移高值區(qū)出現(xiàn)在坡腳地帶,滑動面清晰可見。垂直位移云圖模擬結(jié)果顯示,該區(qū)域垂直運動較顯著,垂直運動最大區(qū)域出現(xiàn)在坡頂邊緣地帶。整體位移云圖模擬結(jié)果顯示,該滑坡坡頂及坡腳位移量最大,發(fā)生滑動的可能性最大。其中,天然工況下,該滑坡的安全系數(shù)為1.118,處于基本穩(wěn)定狀態(tài);降雨工況下,該滑坡的安全系數(shù)為1.033,處于欠穩(wěn)定狀態(tài),與野外調(diào)查結(jié)果相同。利用MIDAS的分析功能[2],將影響地質(zhì)災(zāi)害危險性的因素通過數(shù)值分析得出滑坡的安全系數(shù)。通過研究不同降雨工況下的滑坡穩(wěn)定性分析,可合理制定滑坡地質(zhì)災(zāi)害治理措施。有效開展不同工況下的危險性分區(qū)評價,能夠為臨縣開展國土空間規(guī)劃、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險管控和“十四五”期間地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃提供參考依據(jù)。

        參考文獻

        [1] 豆換換,張彥洪,邵峰,等.基于改進的灰色關(guān)聯(lián)度分析法的黃土邊坡穩(wěn)定性分析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計,2023(10):94-96,145.

        [2] 李兵,黃迪,劉高.基于Midas的邊坡穩(wěn)定性分析:以焦家崖頭滑坡為例[J].甘肅水利水電技術(shù),2017,53(10):41-43.

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