FLAC3D在官庄滑坡稳定性分析的应用

眭敏磊，郝青苗，蒋居津，章新荣，刘 恋

(江苏省地质矿产局第一地质大队，江苏 南京 210041)

0 引言

FLAC3D软件将强度折减技术与数值模拟相结合，可以在得出边坡应力、位移、塑性区的同时求得边坡的危险滑面及安全系数，可以直观地得出边坡的稳定性[1-2]。

本文以贵州官庄水电站右岸滑坡体为研究对象，尝试用FLAC3D强度折减法对其稳定性进行分析，总结出一些规律与认识，并与现场调查结果比较，探讨FLAC3D在边坡稳定性分析中的应用及关键性问题。

1 计算方法

本文选取ANSYS软件建立模型，求出计算网格后导入FLAC3D程序，充分利用两者的优点，优化分析过程。主要采用强度折减法，通过有限差分软件FLAC3D对模型进行分析计算，得出滑坡体的安全系数以及应力、应变、位移等云图，进而对滑坡的稳定性进行有效分析[3-5]。

FLAC3D在计算稳定系数时，单次稳定系数的计算过程主要以数值计算的收敛性作为失稳判断依据[6]。

2 工程地质概况

官庄水电站工程区位于贵州省北部，工程区地貌为溶蚀～侵蚀中山和中低山地貌区，河流流向总体为南北向。在工程区右岸存在巨型古滑坡堆积体，左岸分布有转角洞滑坡体。

古滑坡堆积体所在河段河谷为不对称的“V”型河谷，河谷宽30 m～80 m。右岸总体为顺向边坡，425 m高程(公路)以下自然坡角35°～63°；425 m～700 m高程自然坡角17°～32°，下游侧局部达到65°～80°；700 m高程以上转为陡壁、峻坡地形，高差70 m～110 m；陡壁之上地形坡度又有所变缓，坡度28°～41°。

古滑坡堆积体顺河长400 m～1 000 m，横河宽620 m～780 m，前缘临河，后缘高程670 m～760 m。上游侧470 m高程以下地形坡度42°～44°，470 m～475 m高程地形平缓，为一台地，475 m～620 m高程地形坡度22°～33°，620 m～640 m高程地形坡度又变缓至5°，640 m以上高程至后缘灰岩陡壁地形坡度变为32°～36°；下游侧地形坡度总体24°左右。地质平面示意图见图1。

3 FLAC3D数值模拟及参数选取

模型边坡的主滑方向为S35.5°W，走向S54.5°E。模型以主滑方向的反方向为X轴正方向，竖直向上为Y轴正方向，走向NE为Z轴正方向。Y轴采用实际高程，建立直角坐标系，按照滑坡体形态，利用Surfer，ANSYS，FLAC3D等软件建立三维坡体模型(见图2)。

根据现场提供的地质资料，滑坡体模型选取了19个剖面，模型自下向上分为3个组，分别是底层的P1m2深灰中厚层至块状生物碎屑灰岩、含泥质灰岩，中间的夹层及上部的碎块石土、巨石块石堆积。在模型上表现为6个部分，分别为：1，2，3部分的基岩，4为巨石块石堆积，5为碎块巨石，6为基岩。

计算所采用参数见表1。

表1 滑坡堆积体三维数值计算参数表

4 计算结果

根据工程实际需求分别对6种工况进行计算，结果见表2。

表2 6种工况下滑坡体计算结果统计表

计算结果可见除暴雨工况外，坡体稳定系数均大于1.3，而暴雨工况下，安全系数低于1.3，本文取蓄水前暴雨+洪峰水位工况进行分析。

4.1 主应力场规律分析

计算表明，暴雨、洪峰水位时滑坡体较为平滑，为层状分布，并在坡脚高程约400 m处出现应力集中效应，对稳定性不利。从剖面Z=250 m和剖面Z=750 m的应力分布图(如图3，图4所示)可见，剖面周边最大主应力为压应力，基本顺坡面方向延伸至坡脚。边坡内部最大主应力方向与水平轴的夹角逐步变大至铅直；岩土分界面附近区域的最大主应力方向变化大且迅速，但并未影响主应力分布的总体走势，表明边坡深部土体主要受铅垂方向的压应力作用，体现为受压屈服。

4.2 塑性区规律分析

整体上塑性区分布范围较为有限(见图5)。塑性区主要集中在坡体表面堆积体坡脚较陡处，浅色区域代表坡体处于剪切屈服状态，深色区域代表坡体处于拉张屈服状态，整个塑性区面积大约占边坡表面积的1/3。根据计算结果，坡体其他部分未处于屈服状态，整体稳定性较好。

4.3 剪切应变及稳定系数分析

计算表明，暴雨、洪峰水位时Ⅱ区滑坡的整体安全系数Fs为1.21，滑坡处于稳定状态。数值计算分析可得，坡体的左侧碎石块石堆积处以及后缘较陡处可能处于失稳状态。速度矢量基本平行于坡面向下，主要集中在坡脚右侧的单元内，可能发生剪切破坏。剪切应变主要集中在坡脚右侧隆起处及坡体后缘夹层附近(如图6，图7所示)，为坡体最有可能发生破坏的部位，该处地形较陡，坡体可能在该处沿土层内部局部滑弧滑动或者坍塌[7]。

4.4 位移规律分析

计算结果表明：相对于其他工况，暴雨+洪峰水位工况下滑坡体位移明显增大，坡体变形主要限于堆积体中、下部区域。Y方向位移总体表现为下沉，最大下沉区与X方向最大位移区一致(如图8所示)。出现局部最大沉降的区域位于滑坡坡体右后边缘处，整体面积较小；X方向局部最大位移出现区域与Y方向局部最大沉降区一致，坡体其他部位的X方向位移量值都较小(如图9所示)。坡体最大变形区位置与塑性区位置及速度位移矢量计算结果相吻合。

5 结语

1)计算表明，天然状态下滑坡处于稳定状态，结果与现场地质踏勘相对应，模型建立及参数取值是正确可靠的。

2)在蓄水前，最大水平位移区在堆积体中部上游段；在蓄水后，最大水平位移区在堆积体坡脚上游段，而最大竖直位移区在滑坡体的上游段，蓄水对其基本没有影响。

3)主应力基本为层状分布，以压应力为主。

4)塑性区主要集中在坡体靠近上下游边界附近，没有在坡体内形成连续的贯通区，坡体整体稳定。

5)剪应力集中带与塑性区分布位置基本吻合。

6)根据计算结果，滑坡体在所取工况下坡体稳定系数均大于1.2，滑坡处于稳定状态。