基于FLAC 某边坡失稳数值模拟分析

朱 振

（山东省调水工程运行维护中心牟平管理站，山东 烟台 264100）

1 前言

滑坡是斜坡上的岩土体，在降雨、工程开挖、地震等因素的影响下，沿着一定的软弱夹层或者不连续面向下运动的地质现象。我国是一个滑坡灾害频繁的国家，每年因滑坡造成的经济损失高达数百亿人民币，并且造成相当数量的人员伤亡。尤其是在西部山区，地势陡峭，地震频繁，滑坡灾害极其严重，严重制约当地经济发展[1，2］。滑坡的研究主要包括两个方面，一是滑坡形成机制，二是滑坡的治理，正确分析滑坡的形成机制是滑坡治理的前提[3］。胡荣金等[4］采用有限元分析方法，分析了某矿区边坡降雨前后稳定系数的变化情况，结果表明，降雨会导致该边坡稳定系数降低20%以上；李甜等[5］通过ANASYS 软件对四川理县某边坡失稳滑动过程进行模拟，并与实际监测数据进行对比，模拟结果表明ANASYS数值模拟与实际监测数据较为吻合，该数值模拟模型可有效用于滑坡变形破坏分析；陈闻潇等[6］利用连续-非连续耦合方法，分析河南某铁路沿线滑坡失稳机理，研究结果表明，该滑坡失稳主要是由于连续降雨导致的，降雨导致边坡稳定系数由1.21 下降到0.83；朱荣森等[7］利用phase2 软件对黄茨滑坡在天然状态和饱水状态下的稳定性进行计算，研究结果表明，在饱水状态下滑坡位移比天然状态下大50%以上，说明饱水状态下边坡更容易发生失稳；曹水合等[8］基于Massflow 数值模拟软件对金沙江白格滑坡进行模拟，模拟结果表明，滑坡体内仍存在变形调整区域，存在再次发生滑动的风险；刘云生[9］采用有限差分法对顺兴露天煤矿边坡进行稳定性分析评价，分析结果表明，滑坡的发生是由于降雨导致土体重度增加，且降低了潜在滑动面抗剪强度；朱元甲等[10］通过离散元软件PFC 研究了降雨对缓倾边坡稳定性的影响，结果表明随着斜坡倾角的增大，降雨对边坡稳定性影响也随之增大。本文利用有限差分法数值模拟软件FLAC，对某边坡变形失稳过程中的应力状态进行模拟，研究结果揭示了该边坡失稳机制，并根据研究结果提出了相应的防治措施。

2 研究区概况

2.1 地形地貌

研究区地貌形态主要为丘陵地貌，主要包括丘陵地带、侵蚀中低山带、剥蚀堆积地带、冲洪积阶地及河漫滩，具体分布如下：

丘陵地带主要分布于研究区东部，面积约占全区20%～30%，海拔为300 m左右，地势较平坦，坡度一般小于5°，局部地区地势较高，坡度可达10°以上。侵蚀中低山带主要分布于研究区的西北部，为该地区主要地貌形式，占全区总面积50%以上。平均海拔高度500 m 左右，最高峰位于西南部的大青山，海拔3223.8 m，山势陡峭，坡度多在35°～55°，局部存在陡崖峭壁。由于特殊地形，该地区滑坡泥石流灾害频发。剥蚀堆积地带分布于山前洪积扇地带，面积较小，海拔高度较低，受冲击侵蚀作用明显，地面以下分布较厚层松散堆积物，深约5 m～10 m，赋存较丰富的地下水资源，坡度小于5°。冲洪积阶地及河漫滩呈条带状散布于女儿河、五里河、连山河等河流地带，属于河流二、三级阶地，地势较平缓，总地势为西高东低，局部地带由于河流切割作用分布有低山丘陵等。

2.2 地质构造

研究区地质构造形成于燕山运动的第二、三期，中、新元古代，早古生代，晚古生代至早三叠世华北地台地壳活动处于相对稳定时期，以整体升降运动为主。早三叠世末至晚三叠世受印支运动的强烈影响，燕山地区广泛发育近东西向的褶皱和断裂构造；侏罗纪、白垩纪受燕山运动的影响，褶皱和断裂构造进一步发育。研究区内主要褶皱构造有药王庙—白马石褶皱、大背岭背斜、杨家杖向斜、寺儿堡向斜。主要的断裂构造包括：女儿河断裂、松树坳断裂、富儿沟—王家店断裂、寺儿堡断裂、下长茂—寺儿堡断裂。

2.3 水文地质条件

境内地下水资源丰富。地下水可分为四种类型：孔隙水、裂隙水、岩溶水和断裂带地下水。其补给、径流、排泄和动态变化规律受地层岩性、地质构造和地貌的制约，与降雨和地表水密切相关。一般来说，孔隙水动态变化大，径流路径短，排水条件好。属于季节性含水层。在雨季，特别是大雨和暴雨之后，地下水位和水动力压力的升高会促进滑坡等地质灾害的形成；断裂带岩溶水和地下水由于径流路径长，受降雨影响较小。

3 滑坡数值模拟分析

3.1 滑坡概况

研究区滑坡剖面图见图1。

图1 滑坡剖面图

由图1 可知，该滑坡位于海拔300 m～700 m 之间，由灰岩为主的寒武纪、奥陶纪、二叠纪，石炭纪地层组成，坡体结构表现为典型的双层结构，由上硬下软两个地质单元组成。上部地质单元由上寒武统白云岩、钙质白云岩和奥陶系上部白云质灰岩组成，整体强度相对较高。从滑坡的两侧可以看到明显的风化带，滑动面上方是强风化带。滑面以下是弱风化带，强风化带和弱风化带之间的界限清晰。下部地质单元也由两组地层组成，下部基岩为志留系马溪组黄绿色、灰绿色页岩、泥岩及泥质粉砂岩，上部夹黑色页岩。该地层强度低，遇水易软化。钻孔揭露地层上部强风化带厚度约8 m～12 m；崩塌堆积物在结构上可分为三层，上层为边坡和残积土，厚度3 m～5 m，中部为块石和砾石， 下层为砾石， 厚度2 m。由于下伏泥岩的抗风化能力较弱， 基岩表面在上部地质单元和下部地质单元的交界处反映出地形陡峭的山脊， 高度约20 m～30 m。

3.2 数值模拟模型

根据滑坡地质原型，建立如图2 所示的计算模型。该斜坡的应力场在斜坡形成阶段完成后已基本形成，在长期地质过程中构造应力已完全松弛。边坡的组成具有上硬下软双层结构的特点。上部为热液成因形成的白云岩和断层角砾岩组成的较硬地层，下部为页岩、泥岩组成的软弱基底。上坡中部由钙质胶结断层角砾岩组成，整体性好、连续性好、强度高，具有局部分布的特点。

图2 滑坡二维数值模型

图2 为研究区滑坡二位数值模型，模型长800 m，高400 m，划分为2634 个计算网格。该模型分为三部分：基岩、滑坡体、断层，不同区域分别赋值不同的岩土体力学参数。数值模拟计算得到边坡剪应力云图见图3。

从剪应力云图3 可以看出，剪应变主要集中在粘土层与崩积层的接触界面和地基覆盖层界面处，剪应力值高达6×105MPa～1×106MPa；坡顶处剪应力值较低，约为2×105MPa～4×105MPa；在断层处存在较大的剪应力集中，剪应力值为9×105MPa。上层粘土和崩积层大致呈若干断面分布，但有连成带状的趋势，因此，该部分可能成为潜在的滑动面。对于坡后的强风化白云岩，沿强弱风化界面的剪应变增量较小，不可能形成潜在滑动面，一般处于稳定状态。

4 结论

本文在对滑坡现场地质调查的基础上，采用有限差分软件FLAC 建立二维模型，对该边坡失稳过程中的剪应力进行分析，主要结论如下：

（1）数值模拟结果表明，该边坡剪应变主要集中在粘土层与崩积层的接触界面，剪应力值高达6×105MPa～1×106MPa；坡顶处剪应力值较低，约为2×105MPa～4×105MPa。

（2）根据勘察结果，该边坡内部存在断层，且断层处存在较大的剪应力集中，剪应力值约为9×105MPa，高度集中的剪应力对抗滑桩支护措施产生了强烈的破坏作用，从而导致该边坡失稳。

（3）由于受到断层处高度集中的剪应力作用，因此，在对该类型边坡的支护设计时，应采用更大的抗滑桩桩径，并辅以锚杆、锚索等锚固措施。