基于FLAC-2D的蓄水過程某涉水滑坡體變形趨勢研究

陳新新，汪綠培

(1.溫州市甌海區(qū)人民政府 瞿溪街道辦事處，浙江 溫州 325016； 2.甌海區(qū)水利局，浙江 溫州 325000)

1 工程概況介紹

某滑坡體位于金沙江與新灘溪交匯處，下距向家壩電站大壩39.4 km，陡崖下為崩滑體后緣，高程約為500 m；陡崖、緩坡相間，地形起伏大?；麦w平面的面積約28.3×104m2，堆積體平均厚度15 m，主滑方向N20°E。

該滑坡體前緣分布高程300～410 m，體積約70×104m3，滑坡體上部分布有大量民房，且公路從滑坡下部通過，路面高程在387 m左右。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該滑坡體在向家壩水庫蓄水前局部地段已產(chǎn)生變形，水庫蓄水至高程354.00 m后，變形進一步加劇，滑體上地表的房屋及地面出現(xiàn)多處裂縫和變形，且目前還有繼續(xù)發(fā)展的趨勢。

2 研究方法簡介

本次邊坡的穩(wěn)定計算采用美國大型有限差分軟件FLAC-2D[1-3]，主要使用滲流模塊和邊坡穩(wěn)定計算模塊。有限差分法滲流計算優(yōu)勢：根據(jù)滲流作用力概念，將作用在滑動面上和劃分土塊表面的水壓力轉(zhuǎn)換為等效體積力，同時把各節(jié)點水頭值換算成各單元滲透力，不需要考慮各單元體接觸面邊界上的孔隙水壓力，從而克服了一般條分法計算略去土條側(cè)邊水壓力的誤差，同時也不需要考慮邊坡外水壓力[4-7]?；麦w中的地下水位隨水庫、河谷水位升降而變化，因而在滑坡體中就會形成飽和區(qū)和非飽和區(qū)。非飽和區(qū)土壤水與飽和區(qū)地下水運動密切相關(guān)，由于水運動導(dǎo)致邊坡巖土體狀態(tài)改變即為飽和與非飽和滲流問題，其滲透各向異性的飽和與非飽和滲流控制方程如下[8-10]：

式中：Kx、Ky分別為巖土體的水平和垂直方向的滲透系數(shù)；ρw為水的密度；mw為比水重；Q為邊界流量；θw為體積含水率及ua；uw為空隙水氣壓與水壓；h為壓力水頭；t為時間。

本次主要采用美國通用有限元軟件ANSYS進行建模，之后導(dǎo)入FLAC-2D進行塑性計算，并運用強度折減法[11-13]計算邊坡穩(wěn)定性，其方法在數(shù)值模擬中較為常用，亦得到巖土工程界的認可。計算模型選取的應(yīng)力場邊界條件為：邊坡底部采用水平和豎直方向的完全約束條件；左右采用水平約束條件；進行滲流場與應(yīng)力場的耦合分析時，有限差分劃分網(wǎng)格中的每個節(jié)點都創(chuàng)建了3個方程，兩個平衡方程(位移)，一個滲流連續(xù)方程(孔隙水壓力)。在耦合固結(jié)分析中，平衡和滲流方程同時被求解。ANSYS建立的滑坡體計算模型見圖1，滑坡體各項物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1。

圖1 滑坡體數(shù)值計算模型

表1 滑坡力學(xué)參數(shù)建議值

為了定量計算蓄水過程中，隨著水位逐漸升高，滑坡體的各項應(yīng)力應(yīng)變特性，選取計算的工況設(shè)置為：蓄水位354 m、水位上升至364 m、水位上升至370 m、水位上升至380 m等4個工況。

3 計算結(jié)果分析

3.1 水平變形分析

分析蓄水過程中坡內(nèi)變形場變化，規(guī)定水平位移以順坡向位移為正(向右)，逆坡向位移為負(向左)，具體計算結(jié)果見圖2。分析可見，當(dāng)蓄水位在354 m時，滑坡發(fā)生水平方向變形的區(qū)域主要位于滑坡前部，最大在1.5 cm左右；滑坡中部平臺部位發(fā)生的位移稍小，大約在1 cm左右；滑坡體后部斜坡發(fā)生位移相對較小。隨著蓄水位逐漸上升，當(dāng)水位上升至高程364 m時，滑坡發(fā)生水平方向變形的區(qū)域主要位于滑坡中部平臺附近，最大約3 cm，此時滑坡體前緣的變形基本趨于穩(wěn)定。隨著水位繼續(xù)升高，分別升高至370和380 m后，滑坡發(fā)生水平方向變形的區(qū)域主要位于滑坡中前部位，最大約3.5 cm左右，而滑坡體后緣變形量稍小。

圖2 滑坡蓄水位354～380 m水平階段位移(單位：cm)

3.2 坡體內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變分析

剪切應(yīng)變是剪切時物體所產(chǎn)生的相對形變量，根據(jù)摩爾-庫倫定理可知，剪切破壞是巖體最典型的破壞形式。因此，確定蓄水位上升過程中坡體內(nèi)部的剪應(yīng)變分布有助于了解滑坡體的破壞機理和趨勢。根據(jù)計算結(jié)果，蓄水位分別在354 m、水位上升至364 m、水位上升至370 m、水位上升至380 m等4個工況的剪應(yīng)變分布。見圖3。

分析圖3可知，當(dāng)蓄水位穩(wěn)定在354 m時，剪應(yīng)變增量區(qū)主要分布在滑坡體前緣土體與基巖交界面處，滑坡體中后部的剪應(yīng)變增量稍??；隨著蓄水位的逐漸升高，剪應(yīng)變增量的主要分布區(qū)轉(zhuǎn)移到滑坡體中后部位置，此處深部的滑帶土逐漸擴展，開始演化成滑裂面，但滑坡體前緣深部未貫通。通過計算，此時滑坡體安全系數(shù)約為1.1，認為滑坡體基本可以保持穩(wěn)定，但穩(wěn)定性較差。

勘探結(jié)果表明，滑坡體組成物質(zhì)大致為黏土、粉質(zhì)黏土夾崩(塊)石、碎石，黏土呈可塑狀，近地表部分呈硬塑狀，連續(xù)分布厚度可達15 m，崩(塊)石原巖為侏羅系中厚-厚層狀粉細砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，裸露于地表的崩(塊)石較少，直徑不大，多在0.2～1 m。據(jù)勘探揭露，滑坡中部至后緣一帶崩(塊)石含量較之前緣有明顯增加，直徑也變大。在滑坡前緣的勘探鉆孔表層揭露有沖洪積成因的粉質(zhì)黏土夾礫石，厚度較小，在1.3～1.9 m，成分較雜，含量變化大，其分布范圍一般在高程420 m以下。由此推斷，滑坡堆積體厚度介于1.3～21.2 m之間，滑動方向70°，見圖4。本次根據(jù)強度折減法計算了滑坡體的極限破壞面，結(jié)果見圖5。計算結(jié)果基本與現(xiàn)場鉆孔揭示的滑裂面一致，可認為本次計算結(jié)果基本合理準確。

圖3 滑坡蓄水位354～380 m剪應(yīng)變增量分布(單位：10-3%)

圖4 現(xiàn)場鉆孔滑帶土推定的滑裂面

圖5 滑坡體極限破壞滑裂面(Fs=1.1)

4 結(jié) 論

本文以有限差分軟件FLAC-2D為計算平臺，以某庫岸滑坡體為研究對象，分析了蓄水位從354 m逐步上升至380 m的過程中該滑坡體的變形趨勢，得到以下結(jié)論：

1) 在蓄水前期，滑坡體發(fā)生水平方向變形的區(qū)域主要位于滑坡前部，中部平臺部位發(fā)生的位移稍?。辉谛钏衅?，滑坡發(fā)生水平方向變形的區(qū)域主要位于滑坡中部平臺附近，最大約3 cm，此時滑坡體前緣的變形基本趨于穩(wěn)定；在蓄水末期，滑坡發(fā)生水平方向變形的區(qū)域主要位于滑坡中前部位，最大約3.5 cm左右，而滑坡體后緣變形量稍小。

2) 當(dāng)蓄水位在354 m時，剪應(yīng)變增量區(qū)主要分布在滑坡體前緣土體與基巖交界面處，滑坡體中后部的剪應(yīng)變增量稍小；隨著蓄水位的逐漸升高，剪應(yīng)變增量的主要分布區(qū)轉(zhuǎn)移到滑坡體中后部位置，此處深部的滑帶土逐漸擴展，開始演化成滑裂面，但滑坡體前緣深部未貫通。此時滑坡體安全系數(shù)約為1.1，滑坡體基本可以保持穩(wěn)定，但穩(wěn)定性較差。

3) 強度折減法確定的滑坡體極限破壞面與勘探鉆孔確定的滑裂面基本一致，驗證了FLAC-2D計算結(jié)果的合理性。