基于PFC2D的滑坡破坏及运动过程模拟

王思齐

摘 要：以勉县安咀村滑坡为研究对象，采用基于离散元法的颗粒流程序（PFC），以Ball-Wall法建立滑坡模型，对滑坡运动破坏的全过程进行模拟分析。结果表明：滑坡经过缓慢的蠕滑变形后首先在坡脚产生局部破坏，逐级向上牵引，坡体变形越来越大，形成整体滑动，整体表现为牵引式破坏特征。

关键词：滑坡；颗粒流；数值模拟；运动过程

中图分类号：P642 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）02-0079-03

Abstract： Taking the landslide in Anzui Village in Mian County as the research subject， the landslide model was established using the Particle Flow Code（PFC）. Based on the discrete element method and the Ball-Wall method， the whole process of landslide motion failure was simulated and analyzed. The results show that： after the slow creep deformation， the landslide first produces local failure at the foot of the slope， and gradually pulls upward， and the deformation of the slope body becomes larger and larger， forming the whole sliding， which shows the characteristics of traction failure as a whole.

Keywords： landslide； granular flow； numerical simulation； motion process

1 概述

滑坡作为一种常见的地质灾害，具有非线性、突发性和动态性等特点，既对人民生命财产安全构成较大的威胁，也对社会经济造成重大的损失，因此对滑坡破坏过程及运动特征等相关的研究具有重要的意义。

近年来很多学者应用离散元法对滑坡运动过程及特征进行了研究，赵洲等[1]以杨家湾滑坡为研究对象，以离散元理论为基础，模拟分析了滑坡渐进破坏的运动过程；张小雪等[2]采用颗粒流方法对粘性土坡的全过程进行模拟，并通过双轴试验确定了岩土体细观参数，所得结果与实际情况基本吻合；杜永彬等[3]建立了徐家寨滑坡的离散元数值模型，监测了滑坡不同位置颗粒的位移和接触力，分析了滑坡的变形破坏；胡江春等[4]通过介绍颗粒流理论，建立滑坡工程实例模型，从微观的角度呈现滑坡的破坏过程，分析了该滑坡的稳定性，为滑坡的防治提供了参考；毕钰璋等[5]采用离散元软件对牛眠沟滑坡碎屑化的不同阶段进行模拟和分析，并研究了碎屑流在不同摩擦系数下的运动距离，且推算出了实地摩擦系数；张永柱等[6]对白家包滑坡进行了数值模拟，采用倾斜加载和强度折减法两种方式对边坡加载，监测了边坡不同位置的颗粒，并对比分析了两种方法的结果。这些学者都运用了离散元法对滑坡的变形进行了研究，该方法克服了传统连续介质的宏观连续性假设，适用于散体介质的大变形实际问题。

本文以勉县安咀村滑坡为研究对象，结合现场地质调查，对滑坡的工程地质条件进行了介绍，并采用颗粒流法模拟了滑坡的发生、发展过程。

2 滑坡概况

安咀村滑坡位于陕西省勉县镇川乡安咀村，坡长约180m，宽约210m，厚约4m，体积约为226000m3，属于中型膨胀土滑坡。滑坡平面为马蹄形，滑坡后缘是裂缝错动形成的陡坎，地形呈圈椅状，高程为500～505m，滑坡前缘边界是居民房前的陡坎，高程约485～487m，前后缘高差约为20m，滑坡的左侧以陡坎为界，右边以冲沟为界，平均坡度约8°，主滑方向为190°。滑坡局部因修建房屋形成高约2.0～4.0m的陡坎，边坡工程地质剖面图如图1。滑坡区位于阳平关-勉县大断裂以南，该区域构造运动和岩浆活动不太强烈，出露地层主要为志留系页岩、第三系泥岩和第四系中、下更新统冲洪积物。地下水主要为松散覆盖层孔隙水，赋存在第四系中更新统粘性土中。

3 滑坡破坏及运动过程模拟

3.1 参数选取

PFC数值模拟过程中使用的是岩土体颗粒的细观参数，根据滑坡岩土体的实际物理性质，对饱和状态下的粘性土进行双轴试验[1]，确定该模型的细观参数如表1所示。

3.2 模型建立

基于PFC建立滑坡模型的方法有Ball-Ball法和Ball-Wall法两种，本文采用Ball-Wall法用颗粒组建滑体，用Wall来构建滑床和边界，既减少了颗粒数量又可以节省运算时间[7]。根据取得的细观参数，通过削坡方式建立了安咀村滑坡数值模型，如图2所示。

3.3 模拟结果分析

采用PFC2D软件对滑坡的位移和速度进行监测，对滑坡发生、发展的全过程进行数值模拟。通过模拟分析可得，当计算到40000步时（图3a），坡脚和陡坎处的颗粒有明显的位移变化，最大的位移达到7.9m，且坡脚处发生变形。当运算到10万步时（图3b），滑坡上部位移较小，滑坡前缘和中部的颗粒位移逐渐增大，坡脚滑移距离增加，发生剪切破坏，强度降低，削弱了滑坡的抗滑能力，导致滑坡进一步发展。模型计算到20万步（图3c），滑坡前缘滑移速度加快，由于滑坡前端的滑动牵引着后部的颗粒下滑，使滑坡后缘发生错动，此时滑体最大位移达到了31.1m。当模型运算到50万步时（图3d），滑坡体中部已经滑出滑面，在地面上滑移，由于地面的摩擦阻力，滑坡滑动缓慢处于减速阶段，并逐渐趋于稳定，堆积于坡脚，此时颗粒的最大位移为42.6m。

根据该滑坡的发育特征选择森协宽法[8]对该滑坡的滑距进行预测，计算公式为

Log（H/L）=0.1-0.094logV （1）

计算出该滑坡的滑动距离为43.4m，基于颗粒流法模拟出的结果与该方法的预测滑动距离基本一致。

4 结论

（1）离散元颗粒流程序PFC可以有效的模拟岩土体的非连续性、大变形以及破坏过程，可以直观的表现滑坡的破坏运动过程。

（2）該滑坡的破坏过程表现为：先在坡脚处产生局部破坏，然后随着土体强度降低逐渐向上牵引发展，沿着土层中的软弱接触面发生滑动形成滑坡，表现为典型的牵引式破坏方式。

（3）通过模拟分析，得出该滑坡的最大位移量为42.6m，与通过滑坡运动距离经验预测公式所得结论基本一致。

参考文献：

[1]赵洲，魏江波.基于颗粒流方法的堆积层滑坡运动过程模拟[J].煤田地质与勘探，2017，45（06）：111-116+122.

[2]张小雪，王滨生，迟玉鹏，等.边坡稳定分析的颗粒流方法研究[J].哈尔滨工程大学学报，2015，36（05）：666-670.

[3]杜永彬.太大公路徐家寨滑坡运动的数值模拟[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2008，27（06）：1099-1102.

[4]胡江春，杨成林，徐晓晨，等.颗粒流法及其在库岸滑坡稳定分析中的应用[J].中原工学院学报，2016，27（04）：61-64+90.

[5]毕钰璋，付跃升，何思明，等.牛眠沟地震滑坡碎屑化全过程离散元模拟[J].中国地质灾害与防治学报，2015，26（03）：17-25.

[6]张永柱，吴剑，王能永，等.基于离散元法的滑坡模拟研究[J].山西建筑，2016，42（26）：79-81.

[7]曹文，李维朝，唐斌，等.PFC滑坡模拟二、三维建模方法研究[J].工程地质学报，2017，25（02）：455-462.

[8]协森·宽.滑坡滑距的地貌预测[J].王念秦，译.铁路地质与路基，1989（3）：42-47.