基于Flac-3D的盐源县玻璃村滑坡变形破坏机理数值模拟

王蛟，胡卸文,2，何坤，曹希超

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 610031；2.西南交通大学高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室，成都 610031)

1 引言

中国是亚洲乃至世界上滑坡灾害最为严重的国家之一[1-2]。近年来，由于人类工程活动和极端天气事件的影响，古滑坡复活灾害在国内外都呈急剧上升趋势，造成的人员伤亡和经济损失日益严重[3-13]。巨型古滑坡广泛分布于中国西南部等构造活动区，尽管古滑坡堆积物可以长时间保持稳定或基本稳定，但众所周知，滑坡可能会被后续事件重新激活，前人对于诱发古滑坡复活的机理研究大多针对于地形地貌、降雨、地震等某单一因素[14-17]，而古滑坡本身处于复杂的地质环境中，往往是多种因素的共同作用影响着滑坡的发育和发生，因此古滑坡在多因素条件内外力耦合作用下的复活机制值得更深入的研究。利用数值模拟的方法，能有效揭示滑坡的变形破坏机制，由于其自身优点及良好的商业开发，目前FLAC法(快速拉格朗日法)在边坡变形破坏机理分析中被广泛运用，大量学者应用Flac-3D对边坡进行应力、应变分析，结果表明Flac-3D对于边坡的大变形模拟较有限元法具有巨大优势[18]；利用Flac-3D强度折减法探究土质边坡的稳定性能有效表现出边坡潜在滑移面的动态变化及所在位置[19]。

2018年7月19日凌晨5时40分左右，中国四川省凉山州盐源县桃子乡玻璃村发生一起特大型滑坡地质灾害，滑坡灾害损毁房屋65户186间，因灾损毁耕地约20 hm2，并损毁乡道、桥梁、河道、林地等，估算直接经济损失3 000万元。本文以盐源县玻璃村滑坡为研究对象(图1)，通过现场调查、无人机航拍、室内外试验，总结滑坡区工程地质条件，分析滑坡发育特征，利用Flac-3D软件数值模拟揭示其变形破坏机理。研究成果为该区域灾害预测、避灾减灾提供科学依据，对减少人民生命和财产损失具有重要的社会意义。

图1 滑坡位置及滑前概貌

2 滑坡区地质环境条件

研究区地貌属于中山区，山体后缘高程约3 100 m，前缘高程约2 270 m，相对高差约830 m，坡度5°～40°，滑坡后缘及两侧侧缘坡度陡(图2)。

图2 滑坡区地形地貌

滑坡区属于盐源-丽江台缘拗陷构造带，区内活动断裂居多，玻璃滑坡夹持于北东向卧罗河断裂、麦架坪断层之间，滑坡受通过坡体逆冲断层的影响，下盘为二叠系上统乐平组(P3l)的砂岩、泥质粉砂岩，二叠系上统峨眉山组玄武岩(P3β)逆冲于其上。第四系全新统残坡积层厚约0.5～30 m，上覆于二叠系上统乐平组(P3l)粉砂岩之上；滑坡区表层整体覆盖松散的第四系全新统滑坡堆积层，主要为含碎石粉质黏土，碎石含量约10%～15%，覆盖层厚约0.5～30 m。滑坡区位于桃子沟中游右岸，桃子沟为甲米河左岸一级支流。在滑坡堆积体的后缘发育3条常流水冲沟，水流量在1～3 l/s，水流进入滑坡堆积体后，在中后部形成3处积水水塘，并在中部水塘位置渗流进入土体，在滑坡体前缘以散流状溢出，汇集成水流流入桃子沟内，坡面水流较为混乱。滑坡区多年平均降雨825.3 mm，主要降雨集中于6～9月，占全年的80%，雨型多为暴雨、大暴雨。

3 滑坡特征

3.1 滑坡基本特征

玻璃村滑坡地处四川省凉山州盐源县桃子乡玻璃村7、8组，其中心地理坐标为：东经101°01′19″，北纬27°29′45″。滑坡后缘高程2 652 m，前缘高程2 342 m，前后缘高差310 m，其平面形态总体呈新月形，滑坡纵向上呈陡缓转折，整体坡度约8°～40°，主滑方向300°～338°，北西-南东向长约1 360 m，北东-南西向宽约340～810 m，滑坡面积58.6×104m2，根据钻探可得滑体厚度约3.0～40 m不等，滑坡总体积约1 791×104m3，滑体物质主要由含泥质碎石组成(图3)。

图3 玻璃村滑坡平面图

3.2 滑坡变形破坏特征

据村民回忆，早在1998年滑坡后缘发生过局部地面变形，并形成贯通的地面裂缝。滑坡最早于2018年7月13日下午出现变形迹象，2018年7月14～18日，期间在滑坡中部及部分居民房屋点出现大量张拉裂缝并持续扩大，滑坡两侧发生多处坍塌，中部桥梁及公路被剪断等，大约于19日凌晨约5点40分开始，滑坡全面发生，当时天黑，看不到具体滑动情况，部分村民可听到类似哗哗的水流声，滑坡过程大约持续数十秒。玻璃村滑坡属长滑距碎石土质滑坡，应力释放较彻底，滑坡发生后，其后缘基岩滑床出露，无裂缝，仅在侧缘发育6条剪切裂缝，其中最长裂缝为L1，贯穿破坏居民房屋水泥屋基(图4)。由于滑坡发生后应力释放，在滑坡侧缘形成几处小型土质滑塌(图5)。通过无人机拍摄及现场勘测，获取了滑坡各部位典型特征(图6)。

图4 L1裂缝破坏居民屋基

图5 滑塌HT1

图6 玻璃村滑坡滑后全貌及局部特征

4 滑坡失稳影响因素分析

4.1 古滑坡

根据现场调查资料表明，该滑坡是属于古滑坡的局部复活：复活滑坡体后缘山体平面呈典型圈椅状形态，中部负地形呈弧状凹陷，在陡缓交界处出现一系列串珠状下降泉群(图7)；复活滑坡后缘边界范围以外坡面广泛分布古滑坡擦痕(图8)；通过访问，当地村民在新滑坡发生前，在坡体中部沟道地面下5～6 m深处发现具摩擦痕迹石块。

图7 串珠状下降泉

图8 古滑坡擦痕

4.2 构造活动

滑坡区夹持于北东向卧罗河断裂、麦架坪断层之间，卧罗河断裂与滑坡区相距较远，影响不明显；麦架坪断层由滑坡区中部穿过，是古滑坡形成的主控因素。在滑坡区内二叠系上统乐平组(P3l)及二叠系上统峨眉山玄武岩(P3β)基本上以该断层为界呈断层接触关系，在强烈地应力作用下，断裂带内岩层压扭、压剪特征十分明显，平直交叉结构面发育，角砾化、泥化现象明显(图9a)，炭质页岩等薄层软质岩揉皱、褶曲强烈(图9b)。沿断裂带多发育有小湖沼或山间小洼地，断裂带内的松散物质在长期的流水侵蚀和风化剥蚀作用下极易发生失稳滑动。

图9 麦架坪断层破碎带

4.3 有利的地形地貌条件

玻璃村复活滑坡体在滑动变形前原始地形局部较为平缓，平均坡度一般5°～15°，原地形在纵向上有3处较陡阶坎，第1处为桃子沟老沟道，切割深度达30～50 m，前缘坡度达15°～35°；第2处为原乡道与原桃子沟之间边坡中部地带，发育一较高陡坎，高差30～35 m，阶坎前缘坡度达20°～25°，且该坡面中部发育一顺坡向深切冲沟，达15～20 m，横向变形降低了坡体稳定性;第3处为原乡道南侧高阶陡坎，高差达30～45 m，阶坎前缘坡度达25°～35°。这3处陡坎构成了滑坡很好的临空条件，为滑坡的启动提供了强有力的地形条件(图10)。

图10 玻璃村滑坡地形剖面图

4.4 降雨

根据盐源县气象局资料显示，桃子乡2018年5月1日至7月18日的累积降雨量为817.4 mm，根据气象站数据，这相当于年降水量的73%。该值明显高于近几年同期。7月13日至18日，滑坡区持续长时间低强度降雨，累计降雨量260 mm。7月13日至18日，桃子乡自动雨量观测站资料显示，最大小时降雨量19.8 mm，最大日降雨量56.1 mm。降雨在滑坡破坏前持续了14 d，总降雨量为350.6 mm(表1)。7月14～19日，滑坡区持续强降雨，小时雨强达18～31 mm，此外，在灾害发生前一个月，桃子乡发生了15次中雨(日降雨量超过10 mm)。对于本次滑坡，降雨一方面加速了前缘桃子沟的下切侵蚀，另一方面，堆积体结构松散，裂缝发育，为地表水的集中渗流提供了良好通道，长期降雨入渗使上部滑体岩土体饱和，增加了滑体容重。降雨入渗还使地下水位上升，地下水的静水压力对水位线以下岩土体产生的向上浮托力使滑体的法向应力降低，从而降低了滑体的抗滑力，地下水渗流过程中产生的渗流力增大了滑体的下滑力。同时，由于古滑坡的存在，降雨入渗浸润软化了潜在滑移控制面，造成滑坡进一步失稳。

表1 日降雨量统计

5 基于Flac-3D的滑坡变形破坏机理分析

选取1-1′剖面，通过Ansys建立1∶1滑前地质模型，划分网格后导入Flac-3D对滑坡天然和暴雨工况通过自编函数进行强度折减计算，通过塑性屈服区及最大剪应变增量带的分布情况揭示滑坡的变形破坏机制。1-1′剖面计算模型全长1 525 m(X轴方向)，宽40m(Y轴方向)，高372 m(Z轴方向)；坡体结构分为5组，均采用六面体结构划分，共计115 280个节点，101 730个单元(图11)。滑坡岩土体物理力学参数由反演和室内外试验综合取得，详细取值见表2[5]。

图11 数值模拟计算示意图

表2 岩土体物理力学参数

在天然工况下滑坡稳定性系数为1.08，处于基本稳定状态；最大剪应变增量集中在滑坡第二、三阶陡坎处并向坡体内部逐渐递减(图12)，表明陡坎处滑坡抗滑力主要由滑带前缘提供；塑性区主要分布于两处陡坎及古滑坡后壁，两处陡坎表面小部分为拉应力塑性变形区(图13)，表明此处发生张拉破坏，这与滑坡发生前在其中部出现拉张裂缝互相印证。天然状态下，滑坡中部堆积体虽具有临空变形空间，但在前缘沟口堆积体保持稳定的状态下，前缘堆积体提供的抗滑力足以使后缘堆积体保持稳定。

图12 天然工况下剪应变增量云图

图13 天然工况下塑性屈服区分布图

受持续降雨影响，老滑坡堆积体自重增加，塑性区进一步扩展，堆积体剪切破坏进一步向沟口扩展，坡体表面受拉破坏范围也逐渐扩大，抗剪性能大幅下降，滑坡稳定性系数为0.928，处于失稳状态；坡体3处陡坎剪应变增量带均已贯通形成滑动面；根据局部放大图片显示，滑坡后壁古滑带最大剪应变增量较小且未贯通，最大剪应变增量值由后缘向中部递减(图14、图15)，表明此处虽并未形成滑动面，但降雨入渗作用使古滑带由后缘向前逐渐饱和，当中部陡坎堆积体剪出形成临空面后，古滑坡后壁堆积体在前缘牵引、后缘推移的共同作用下极易沿古滑坡滑带发生滑动。

图14 暴雨工况下剪应变增量云图

图15 暴雨工况下塑性屈服区分布图

通过Flac-3D数值模拟结果，结合玻璃村滑坡滑后地貌特点及原地形特征分析得出，玻璃村滑坡由长期的降雨过程诱发古滑坡局部复活形成，受地形因素影响，其失稳过程可分为5个阶段：

阶段1前缘剪出：在滑坡前缘，降雨致使坡面岩土体自重增加，雨水下渗致使桃子沟右岸土体率先达到饱和，抗剪强度降低，由于桃子沟的长期下切侵蚀作用，滑坡前缘具有高陡临空面，前缘土体由桃子沟道处(原地形第一阶陡坎)率先剪出；由于地形影响，牵引作用未能将坡体整体剪出，而是在原地形第二阶陡坎处拉裂。

阶段2牵引滑动：前一级滑体受底部扬压力及前缘牵引作用剪出后，静水压力迅速减小，停止滑动；前一级滑体滑动后，为后一级滑体提供了临空变形空间，加之降雨入渗使滑体自重增加，后一级滑体在底部扬压力及前缘牵引作用下，在原地形第二个陡坎处产生张拉裂缝，且造成第二处阶坎形成更大临空面，进而发生与前一级滑体相同的变形破坏。

阶段3高速滑动：当上级滑体牵引至滑坡中部公路时(原地形第三阶陡坎)，由于坡体后缘拉张裂缝形成，公路下部临空面发育，后部滑体在后缘静水压力、底部扬压力、前缘牵引作用下沿基覆界面高速滑动，并发生抛洒现象。

阶段4复合滑动：在滑坡上部，古滑坡堆积体的后缘发育3条常流水冲沟，由于流域的生态持水能力受人类活动的影响有所降低，长时间降雨的直接渗流和后缘冲沟径流的入渗使原古滑坡巨厚松散堆积土体趋于饱和状态，增大了土体容重，坡体自重急剧增加，降低了土体的抗剪强度，同时浸润软化了潜在滑移控制面，影响了坡体覆盖层的稳定性，滑坡后缘逐渐失稳并在后缘形成拉裂缝。在前缘牵引，后缘推移的共同作用下，滑体沿着古滑坡滑带迅速向下滑动。当滑体滑动至原中部公路附近，地形及滑动面由陡变缓，滑体下滑力降低，滑动速度减小，加之上级滑动堆积体大量停积于此，使滑动受阻并在局部形成反向缓坡。

阶段5再次失稳：第五级滑动表现为滑坡的再次失稳滑动，受滑坡中部陡缓交界地形影响，大规模岩土体堆积于原中部公路附近，由于堆积体完全饱和，在自重作用下再次失稳滑动，加之土体完全饱和，形成泥流，使得下部物质发生远距离运移，并形成超覆堆积。

此外，在主体滑坡形成后，由于主滑体的牵拉、自身的应力释放及自重作用，在主滑区的两侧形成多处滑塌，滑塌主滑向与滑坡主滑向形成较大的夹角。

6 结论

本文通过对玻璃村滑坡野外调查、室内外试验，分析了玻璃村滑坡的变形历史、破坏特征、形成条件及诱发因素，利用Flac-3D数值模拟揭示了玻璃村滑坡的变形破坏机理，得出以下结论：

(1) 玻璃村滑坡平面形态呈新月形，主滑方向300°～338°，滑坡面积58.6×104m2，滑坡总体积约1 791×104m3，为古滑坡的局部复活。

(2) 基于Flac-3D数值模拟结果，天然工况下滑坡稳定性系数为1.08，处于基本稳定状态，饱和工况下滑坡稳定性系数为0.928，处于失稳状态；滑坡前缘至中部滑动具有牵引式特征，后缘滑体具有前缘临空牵引、后缘推移式特征。

(3) 早期古滑坡堆积层、滑坡滑动面(带)为玻璃村复活滑坡提供了物质条件和滑动面(带)，在降雨及地形因素影响下发生失稳破坏。