恩子坪2#滑坡体稳定性数值模拟

(华北水利水电大学 资源与环境学院，郑州 450045)

1 研究背景

近些年来，在靠近大坝水库岸边修建的水电站，首要考虑的问题就是库岸边坡的稳定性。我国西南地区，地处深山峡谷，水流湍急，水力资源丰富，正是开发水电的首选地区。但这些地区的地质条件复杂，往往酝酿着大型滑坡体[1-5]。这些滑坡体位于降雨充沛的深切峡谷地区，其方量大、变形分布较为零散、规律性相对较差，在暴雨作用下极易出现大量拉裂缝，发生局部坍塌，危及当地居民的生命财产安全及近坝库区水电站的正常运行。因此，合理评估并科学预测滑坡体稳定性就显得非常必要。

目前，在进行滑坡稳定性分析时众多学者主要从力学[6]、安全系数法[7-10]、极限平衡法[11-13]、数值分析[14-17]等方法对滑坡体的滑移变形机制展开研究。从这些研究可以看出，大多数滑坡体的稳定性都与降雨及库区水位变化有关。鉴于此，为了全面分析滑坡体的稳定性，可通过底摩擦模型试验对滑坡的成因机制进行定性分析，再结合有限元软件迈达斯(MIDAS-GTS)将滑坡的地形数据及滑体剖面直接导入，从而得到滑坡体的三维模型，并在软件内部进行各工况下滑坡稳定性的数值计算，由此判断滑坡的稳定性。这是上述纯计算方法如力学、极限平衡法等所做不到的。

本文以恩子坪2#滑坡体工程为依托，采用三维有限元软件迈达斯(MIDAS-GTS)对滑坡体的稳定性展开研究，详细分析了滑坡体在天然工况、枯水位工况及洪水位工况下的稳定性，为这些地区滑坡灾害的安全监测、分析和治理提供参考。

2 滑坡体概况

2.1 工程地质条件

恩子坪2#滑坡的基本地貌类型为河道强烈下切的中山峡谷地貌，属于亚热带季风气候带，区内干湿明显于四季交替，5—10月份为丰水期，雨水充足，占全年降水量的80%以上；11月份至第二年4月份为枯水期，降雨稀少，其地下水补给主要来源于大气降水。滑坡区内出露的基岩地层主要为奥陶系中统巧家组和大菁组，覆盖层主要为崩塌堆积物、崩坡堆积物，岩层的产状为NE20°～40°，SE∠15°～25°。滑坡区内构造比较简单，并没有贯穿整个滑坡体的大断层，只有一个产状为N10°E，NW∠80°的小断层。工程区的地震基本烈度为Ⅷ度，离坝址40 km区域内，无6级以上地震记录历史，场地内的地震险情主要来自于外部地震带活动所带来的影响。

2.2 滑坡体形态特征及规模

恩子坪2#滑坡体位于金沙江左岸，白鹤滩坝址下游约8.6 km(河道距离)。滑坡体横向长670～830 m，纵向长150～180 m(不包括后缘拉裂缝)，面积约1.2×106m2。滑坡堆积物平均厚度约85 m，滑坡体总方量约1.02×106m3，其滑坡区域的地质概况，如图1所示。

图1 恩子坪2#滑坡体边界示意图Fig.1 Sketch map of the boundary of Enziping2# landslide

滑坡形态上呈“月牙”形状，整个区域内地势总体上呈现出西北高、东南低，起伏地形，沟谷发育，切割深，表现出纵横交错的格局，大多数沟谷为“V”字形，沟坡比降大，一般都>1.2%。以金沙江为界，主要沟谷及山势走向为：左岸为近南北向，右岸为北东向。

3 滑坡成因机制分析

3.1 滑坡形成机制

恩子坪2#滑坡形成之前，原近坝岸坡为光滑的斜坡，稳定性较差，常酝酿着大变形和破坏。随着强烈的地壳抬升，金沙江纵深进入斜坡的前沿，造成斜坡前沿临空，加之岩层倾角与原始地形坡度接近，这为岩体顺层滑移变形的产生创造了有利条件。此外，原始边坡体主要是由奥陶系中统巧家组(O2q)地层构成的岩体，其中的薄层粉砂质泥岩和泥灰岩的力学性质比较差，构造运动很容易诱发顺层错动带的形成；其抗风化能力较低，遇水易软化，这种情况下，长期遭遇地下水浸泡时很容易产生泥化，由此构成了底部滑移的边界，2组陡倾构造面与层面组合也降低了岩体的完整性。同时金沙江深切导致临空高度较大，使得岸坡岩体具备了滑动破坏的条件。

在暴雨条件下，裂隙后缘的高水头压力增加了边坡岩体的推力，在多种因素综合作用下，边坡易失稳滑动。边坡的滑移使得后缘产生了宽大裂缝，导致水头压力迅速减小，前缘发生倒塌破坏，失稳块体堆积入江，对后部滑体形成支撑，滑动停止。滑坡变形破坏演变过程如图2所示。

图2 恩子坪2#滑坡演变过程示意图Fig.2 Evolution process of the Enziping 2# landslide

3.2 滑坡物理模拟及其稳定性分析

采用全自动化底摩擦试验设施将实验对象的剖面按照一定比例做成的模型平直放在图3(a)所示的平直段上，并使模型的破坏方向或滑动方向与皮带方向一致，自动化底摩擦仪试验设备如图3(b)所示。

图3 自动化底摩擦仪试验设备Fig.3 Test equipment for automatic bottom friction

依据恩子坪2#滑坡的天然地质条件和滑坡体剖面图，在物理模拟试验中，对滑坡体进行缩小，取滑坡体的0.2%进行模拟分析。材料选用可塑性材料，主要由重晶石粉(60%)、石英砂(30%)及液体石蜡(10%)等混合而成；用2层锡纸中间加少量的滑石粉来代替滑坡的底部滑动面。模型共分为11层，每层厚度为1.9 cm，层间用一张锡纸隔开。本次实验主要对滑坡体前缘在2次开挖过程中的变形破坏进行模拟，来反映滑坡成因机制，试验模型如图4所示。

图4 恩子坪2#滑坡底摩擦试验模型Fig.4 Model of bottom friction test for Enziping2# landside

从滑坡体2次开挖的模拟结果(图5)可以看出，恩子坪滑坡在第1次开挖之后，出现了变形破坏，但是变形不明显，卸荷回弹现象也不是很明显，滑坡处于基本稳定状态。第2次开挖是在第1次开挖的基础上进行的，开动试验仪器后不久，在坡体后缘及中部就产生了自坡面向坡内近垂直发育的2条滑移-拉裂缝，后缘拉裂缝宽1～3 mm，坡体中部拉裂缝宽1～2 mm(图5(c))。随着试验的进行，拉裂缝的宽度不断增大，并在前缘发生掉块现象(图5(d)—图5(f))。这是由于第1次开挖之后，滑坡前缘的临空高度进一步变大，在第2次开挖之后，整个滑坡体在重力作用下向临空面下滑，变形破坏迹象加大(图5(g))。滑坡体先是沿着在后缘产生的拉裂缝隙，向前缘滑动，使前缘发生掉块现象，接着由于金沙江的下切作用，掉块速度加快，最后堆积在水下堆积物处，到一定的程度形成阻碍作用，滑动暂时停止。

图5 恩子坪2#滑坡开挖过程模拟Fig.5 Simulation of the excavation process ofEnziping 2# landside

从以上分析可以看出：恩子坪滑坡产生的主要原因是由于金沙江的下切导致坡体前缘临空，在自重应力场作用下，沿底滑面产生顺层滑动破坏，其制动机制主要是由于江底堆积物的阻碍作用使得整个坡体的变形破坏过程暂时停止。

4 基于数值模拟的滑坡体稳定性分析

4.1 计算模型

根据研究区已获取的钻孔资料，结合野外勘探资料，得出滑坡体剖面图如图6所示。根据坡体剖面图采用三维有限元软件迈达斯(MIDAS-GTS)建立模型，坡体模型共划分107 369个单元，485 465个节点，x向为滑移面方向，y向为金沙江流向，z向为坡高方向，如图7(a)所示。其中，模型底面高程为458 m，滑动区厚度为0.85 m，模型以地表为自由曲面，其余3面均采用光滑面的法向位移约束，以保持整个系统受力体系的平衡。模型分区如图7(b)所示。

图6 滑坡体剖面图Fig.6 Profile of landslide mass

图7 滑坡数值模型及分区图Fig.7 Partitions of the numerical model

假设模型中的岩石土层为均质弹塑性材料，破坏规律符合摩尔-库伦准则，岩土体计算中采用摩尔-库伦本构模型。模型中各材料类型的物理力学参数根据室内力学试验、现场大剪试验及类似工程经验确定，如表1所示。

表1 各材料物理力学参数取值Table 1 Physical and mechanical parameters of materials

4.2 计算结果分析

针对滑坡体潜在的破坏失效模式，主要从各工况下的应力、应变、塑性区变化等方面对2#滑坡体的稳定性展开研究，其不同工况组合如表2所示。

表2 工况组合Table 2 Working conditions

4.2.1 工况1

通过模拟计算，得到边坡在工况1(天然状态)下的安全系数为1.065 6。天然状态下x方向位移、应力变化云图如图8所示，图例中的百分数为云图各种颜色所占比例。由图8可知，天然工况下滑坡x方向上的位移量从基岩到滑体逐渐变大，最大位移量出现在滑体的中前部，位移变化范围为50.5～88.6 cm；滑坡体x方向的水平拉应力变化主要集中在水下堆积物处，此时边坡处于基本稳定状态。

图8 天然状态下x方向位移、应力云图Fig.8 Contours of displacement in x direction andstress at natural state

图9 工况2下滑坡体数值模拟结果Fig.9 Numerical simulation result of landslide slopeunder working condition 2

4.2.2 工况2

图9为工况2(枯水位)下滑坡体数值模拟分析图。由图9(a)、图9(b)可知，在枯水位工况下，滑坡体滑移面上的位移分布规律与工况1下的基本一致，最大位移量变化范围为72.8～135 cm，相比工况1最大位移量也在增大；滑坡体x方向的水平拉应力也主要集中在水下堆积物处，最大拉应力为781.9 kPa。

由图9(a)可知，滑坡在溪洛渡回水至水位上升之后，其变形主要集中在滑体和水下堆积物处，且开始向下滑移(图中黑线为滑坡变形前的轮廓)。对比工况1，滑坡变形最大的部位出现在滑体和水下堆积物处，同时也是水平拉应力集中的部位，这说明了拉应力对滑坡的稳定性有重要影响。计算得出滑坡的安全系数为0.863 3，水位上升使得滑坡的安全系数降低了0.2，此时，边坡处于不稳定状态。

4.2.3 工况3

图10为工况3(洪水位)下滑坡体数值模拟分析图。由图10(a)、图10(b)可知，水位上升后滑坡的位移变形沿着基岩至滑体逐渐变大，最大位移量为185 cm，出现在滑体位置；滑坡体x方向水平拉应力主要集中在水下堆积物处，与工况1一致，其最大值为1 191.0 kPa，相比工况1其拉应力在增大。

由图10(a)可知，滑坡变形依然集中在滑体和水下堆积物处，与工况2不同的是，滑体是向滑坡内部变形，这是由于水位上升将覆盖层冲走的缘故。计算得出滑坡的安全系数为0.76，说明水位上升使得滑坡的安全系数降低了0.1，此时，边坡处于不稳定状态。

图10 工况3下滑坡体数值模拟结果Fig.10 Numerical simulation result of landslide slopeunder working condition 3

5 结 论

本文在滑坡成因机制定性分析的基础上，采用数值模拟手段，对恩子坪2#滑坡体在天然状态、枯水位及洪水位3种工况下的稳定性进行了探讨，得出如下结论：

(1)滑坡的位移变化由基岩到滑体逐渐变大；其变形主要受拉应力的控制，拉应力主要集中在滑体和水下堆积物处，在水下堆积物处达到最大值，这与滑坡物理模拟中滑移在水下堆积物处被制动相一致。

(2)滑坡体在自然状态下的安全系数为1.065 6，滑坡基本稳定；水位上升至枯水位后安全系数下降了0.2，拉应力及变形量随之增大，滑坡呈现出不稳定状态；在暴雨条件下，稳定性系数降低至0.76，变形量进一步增大，达到185 cm，此时，滑坡有局部失稳下滑的可能。

(3)溪洛渡回水位变化及暴雨过后水位上升造成滑带软化，加之江水冲刷水下堆积物，使滑坡体安全系数下降，严重影响其稳定性。考虑到恩子坪2#滑坡体范围广、方量巨大、地质条件复杂等，因此，需布置长期变形监测系统，加强对雨季滑坡体的预警预报工作。