基于FLAC3D軟件的降雨型滑坡穩(wěn)定性分析

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(yàn)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(jì)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(dòng)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(shí)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(cái)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(jì)算［2-3］。但滑坡災(zāi)害是一個(gè)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(yùn)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(shí)，也能有效地表現(xiàn)出邊坡潛在滑移面的動(dòng)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(cái)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(diǎn)，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(diǎn)。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(gè)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）?；驴v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(dòng)；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(dòng)變形。這一變形的時(shí)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(shí)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(dòng)

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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的反復(fù)抬升、下陷，后受喜山運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(jì)降雨量達(dá)到986.5 mm，對比數(shù)據(jù)可知，這幾個(gè)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(jì)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(shí)至22日8時(shí)，發(fā)生本月最大降雨，為172.5 mm。對于這次滑坡來說，長時(shí)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(yùn)用其中的強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)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(diǎn)為85 m。為了計(jì)算精確，堆積體、滑動(dòng)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(gè)節(jié)點(diǎn)、68 915個(gè)單元，各邊界點(diǎn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(shí)雖并未形成滑動(dòng)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(shí)，便會(huì)在重力作用下造成滑坡體滑動(dòng)。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(shí)采取邊坡加固措施，則可能出現(xiàn)新的滑動(dòng)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(diǎn)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(cuò)、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(gè)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(gè)滑坡區(qū)有一定的高差，因此未能整體剪出。

（2）牽引滑動(dòng)。在前緣剪出后，發(fā)生前一級滑動(dòng)，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(dòng)所提供的臨空變形空間，在前緣牽引力以及底部揚(yáng)壓力的作用下發(fā)生牽引滑動(dòng)，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(dòng)。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(shí)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(yáng)壓力、前緣牽引力共同作用下沿基覆界面高速滑動(dòng)，并發(fā)生拋灑現(xiàn)象。

（4）復(fù)合滑動(dòng)。在前面3個(gè)滑動(dòng)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(dòng)，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(shí)地勘察，并開展了相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)，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(jià)，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?yàn)?20°～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?dòng)具有牽引式特征，中部沿強(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(dòng)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(huì)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?yàn)楣こ痰刭|(zhì)勘察與評價(jià)；通信作者劉歲海（1971—），男，陜西咸陽人，副教授，碩士，研究方向?yàn)楣こ痰刭|(zhì)勘察與評價(jià)。

［收稿日期］ 2022-07-15

（責(zé)任編輯 楊傲秋）