基于FLAC3D数值分析在滑坡稳定性评价中的应用

左晓峰，杨 鹏

（1.西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054；2.中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710054）

0 引言

滑坡是一种对人类生产活动造成极大影响的地质灾害，滑坡稳定性分析是滑坡治理的前提，因此对滑坡稳定性做出准确评价是十分必要的。目前滑坡稳定性分析主要有定量分析方法[1～5]和定性分析方法[6～10]，其中定量分析方法主要有极限平衡法和数值分析法；定性分析法有可靠度法、模糊综合评判法、神经网络分析法、自然历史分析法、工程类比分析法。王鹏等[1]将传统条分法和全新剪应力本构模型结合应用于边坡的稳定性研究。杜岩等[2]对平推式滑坡稳定性分析后发现坡体后缘发生阶梯沉降时传统方法计算得到的稳定系数误差较大，提出了考虑阶梯沉降的修正公式。张旭等[3]利用Ansys与FLAC3D数值模拟阐释滑坡不同工况下破坏演化特征与失稳机制。聂永鹏等[4]采用FLAC3D数值模拟方法，分析了在外荷载下滑坡的应力应变发展规律，揭示了外荷载下老滑坡稳定性的变化趋势。刘伊凡等[8]通过模糊数学理论和数值方法对三峡库区典型弱透水型滑坡稳定评价，两种方法结果一致，与实际监测相符。然而定性分析法中的自然历史分析法适用对区域性滑坡的整体稳定性做出评价，工程地质类比法又需要工程地质条件相类似的滑坡做类似评价；不确定性分析方法在滑坡稳定性分析中人为干扰因素往往导致结果有偏差，因此本文采用FLAC3D数值模拟与极限平衡法对比定量研究楼子沟滑坡稳定性。

1 滑坡区工程概况

1.1 滑坡区工程地质条件

滑坡位于陕西省勉县老道寺镇楼子沟村一组，距勉县县城约20 km。滑坡位于北部山区南缘丘陵区，高程在+600 m～+700 m，相对高差约100 m，整体地形为前缓后陡的斜坡地貌，前缘坡度10°左右，发育多条冲沟，被人工改造成阶梯状，后缘较陡，滑坡前缘有通村公路通过，滑坡后缘有一简易灌溉渠，常年有水，同时前缘有水田，滑坡体上修建了房屋，滑坡平面见图1，滑坡剖面见图2，地层岩性自上而下分别为：全新统滑坡堆积层（Q4del）粉质粘土、下更新统冲洪积（Q1al+pl）粉质粘土、新近系（N）泥岩。

图1 滑坡平面示意图

图2 滑坡剖面示意图

1.2 滑坡特征

滑坡后缘以陡坡为界，陡坎高度约5.0 m～8.0 m；滑坡左右两侧以小冲沟为界，滑坡前缘为村民水田，在边界外侧未发现变形迹象，为原始地貌；滑坡中后部地表可见明显下挫（图3a），边界清晰。

图3 滑坡特征

滑坡平面呈一定弧度的长条形，滑坡体长约120 m，宽约300 m，平均厚约5.0 m，体积约21.6×104m3，属中型膨胀土滑坡。滑体物质主要为粉质粘土（图3b），黄褐色为主，土体结构松散，节理裂隙十分发育，土质呈斑块状，掰开后形如石榴粒，可见明显的灰褐色膨胀土矿物，网格状裂缝十分发育，最大宽度3 mm,灰色粘土薄膜附于裂隙表面，表面擦痕明显,裂隙面光滑，手捻有滑感。根据钻孔揭露，多个钻孔中见滑面，滑面光滑，可见擦痕。滑床为粉质粘土，黄褐色，含黑褐色矿物成分，含少量砾石，土体较密实。

1.3 滑坡成因机制

滑坡的是多种影响因素共同作用的结果，综合分析认为，楼子沟滑体表层粉质粘土的自由膨胀率为41%～50%，均大于40%，属膨胀土，具有明显的胀缩性，因而裂隙发育，为雨水入渗创造了条件，降雨入渗增大滑体自重，同时土体遇水软化，强度降低，是滑坡产生的根本原因。

2 FLAC3D滑坡稳定性评价

2.1 FLAC3D滑坡稳定性评价原理简介

FLAC3D分析滑坡稳定性不需要像传递系数法中假定滑动面，也不需要对滑体进行条分，而是采用强度折减法通过折减系数不断对岩土体强度指数c、φ值进行折减，不断增大折减系数，直至滑坡达到临界破坏状态，实际岩土体抗剪强度与此极限平衡状态岩土体抗剪强度的比值即为滑坡安全系数[11]。该模型选用Mohr-Coulomb破坏准则，安全系数定义如下：

式中：折减后的粘聚力；φtrial为折减后的内摩擦角；Ftrial为折减系数。

2.2 建立模型

以滑坡典型剖面为基础，选取滑坡边界，在CAD中建立几何模型，导入有限元软件Ansys对网格进行剖分，共生成35190个单元，40942个节点，之后导入FLAC3D计算分析，几何模型见图4。本模拟研究根据滑坡体周界变形特征结合滑坡体的岩性组合情况，选择Mohr-Coulomb准则。边界约束条件为：左右采用固定X位移边界，前后采用固定Y位移约束，底部进行三向约束，上部为自由边界。本次模拟考虑天然工况和暴雨工况。

图4 数值模拟几何模型

2.3 选取参数

本次模拟的岩土体物理力学参数根据室内试验以及参考文献[12～15]确定，具体参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数表

2.4 数值模拟计算结果分析

图5 两种工况下滑坡塑性破坏

软件不断增大折减系数对岩土体抗剪强度进行折减，岩土体本身的弹塑性决定滑坡在发生变形破坏的过程中岩土体会发生塑性破坏，滑坡在失稳状态下其塑性应变区域必然是贯通的。

图5（a）与图5（b）对比可知：天然工况滑坡安全系数为1.01，塑性变形区并未贯通滑坡体，但局部有塑性变形，尤其在陡坎下部剪切变形明显，表明滑坡自重情况下在地表坡面较陡处，滑坡整体处于欠稳定状态，暴雨工况滑坡安全系数为0.93，塑性变形区完全贯通，滑坡前缘发生剪切变形，后缘拉张变形明显，表明此时滑坡已发生整体失稳，滑坡处于不稳定状态。

图6 两种工况下位移及矢量图

滑坡失稳最直接判据就是发生明显的位移，软件模拟的位移结果是滑坡失稳变形的最直观反映。图6（a）与图6（b）对比可知：两种工况下位移较大区域分布与塑性区分布类似，位移主要发生在坡面较陡处，天然工况下滑坡最大位移为1.8 m，滑体暴雨工况滑坡最大位移为39 m，暴雨工况下位移明显较大，整个滑体发生明显位移，此时滑坡处于不稳定状态。

3 极限平衡法滑坡稳定性评价

本次分析选取极限平衡法中的传递系数法，采用折线滑动法计算公式，对滑坡典型剖面进行稳定性计算，稳定性计算条分简图见图7。

图7 滑坡稳定性计算示意图

稳定性系数计算公式如下：

式中：KS为稳定系数；Ψi为第i计算条块剩余下滑推力向第i+1计算条块的传递系数；Ri为第i计算条块滑动面上的抗滑力，kN/m；Ni、Ti为第i计算条块滑体在滑动面法线、切线上的反力，kN/m；ci、φi分别为计算条块滑动面上岩土体的粘结强度（kPa）、内摩擦角（°）；θi、αi为第i计算条块底面倾角和地下水位面倾角，°；li为第i计算条块滑动面长度，m；Qi为第i计算条块单位宽度岩土体自重，kN/m；Qbi为第i计算条块滑体地表外荷载的单位宽度自重，kN/m；Pwi为第i计算条块单位宽度总渗透力，kN/m。

极限平衡法对不同工况下滑坡的稳定性进行求解，计算所需岩土体力学参数见表1，分析结果见表2，得到在天然工况下稳定系数为1.03，处于欠稳定状态；在饱水工况下稳定系数为0.938，处于不稳定状态。

4 结论

通过数值模拟与传递系数法对楼子沟滑坡稳定性评价得到以下结论：

（1）数值模拟计算得到滑坡在天然、暴雨工况的安全系数分别为1.01、0.93；极限平衡法计算得到滑坡在天然、暴雨工况的稳定性系数分别为1.03、0.938。

（2）两种方法对该滑坡稳定性评价基本一致，楼子沟滑坡在天然工况下是欠稳定状态，在暴雨工况下是不稳定的。