滑坡破坏机理分析及稳定性数值模拟

程兴远

（济南市长清区公路事业发展中心，山东 济南 250300）

0 引言

在外部自然条件作用下，边坡有可能突然失稳而造成失稳滑动，小则形成局部塌方，大则形成滑坡事故，造成严重的安全隐患。为此，许多研究人员对边坡稳定性及滑坡失稳进行了相关研究[1-3]。代雪等[4]以某场地高填方边坡和直立边坡为研究对象，基于Geostudio、理正软件以及ANSYS软件，采用M-P法、Bishop法和强度折减法进行边坡稳定分析。武博强等[5]为解决目前在设计中普遍采用的抗剪强度加固区域置换法计算结果偏保守的问题，总结了前人的研究成果，分析了抗剪强度加固区域置换法的计算原理，以内蒙古经乌高速K91+768—K91+798左侧风积沙路堑高边坡为研究对象，基于极限平衡法对置换法的计算准确性进行研究。王蛟[6]为查明四川某滑坡变形破坏机理，通过现场调查、室内外试验及数值模拟等方法，在查明滑坡地质背景基础上，分析其发育特征，并基于Flac-3D有限元软件强度折减法计算滑坡天然及饱和工况下的稳定性系数。通过对比分析两种工况下塑性区及剪应变增量带的分布情况，揭示滑坡的变形破坏机理。

尽管目前对边坡稳定性及滑坡失稳机理已有相关研究，但由于工程地质条件对滑坡失稳具有较大影响，不同环境下滑坡失稳机理不尽相同。为此，本文以山东某滑坡稳定性分析为案例，基于当地工程地质条件，研究分析滑坡失稳破坏机理，并利用三维数值模拟软件进行稳定性分析，为支护加固措施提供指导。

1 工程概况

据现场调查及实地测量，某滑坡平面形态呈长条形，滑体长650～800m，横向宽200～270m，平均厚38m，面积约0.14km2，体积方量约为550.14×104m³，主滑方向为109°，滑坡前缘2 475m，后缘2 732m，总体坡度20°。滑床为强风化泥岩，滑坡后壁高46～57m，平均坡度约为40°，呈圈椅状，滑壁平直，表层覆盖少量残坡积土。前缘经后期人工改造基本被破坏。综上所述，滑坡为大型泥岩切层滑坡，属推移式滑坡。

滑坡中部北侧因滑坡产生的高陡临空面在降雨等外力及其前缘受隆务河的进一步侵蚀切割等原因，致使滑坡体解体产生滑动，形成次级滑坡。次级滑坡平面上呈“舌”状。滑体轴向长280～310m，横向宽50～180m，平均厚21.5m，总面积0.03km2，方量约73.86×104m³，主滑方向为101°，滑坡体后缘高程2 618m，前缘高程2 514m。该次级滑坡后壁位于二级平台前缘。次级滑坡势能已基本释放完，滑体前缘覆盖于四级平台之上。综上所述，该次级滑坡为中型滑坡堆积层土质滑坡，属推移式滑坡。

滑坡体现形成四级平台。一级平台位于滑坡体后缘，由深层滑坡形成，呈NE～SW向分布，面积0.014km2，平台宽180m，长约80m，平台后缘陡壁高46～57m，平均坡度约40°，平台前缘后期人工改造呈阶梯状，前缘坡度约35°，南侧平台较完整，北侧台坎不完整受侵蚀及人为改造呈缓坡状。二级平台位于滑坡体中后部，由深层滑坡形成，呈NE～SW向分布，平台宽155m，长10～40m，前缘整体坡度35～40°，前缘后期人工改造呈阶梯状，面积0.01km2，台面基本完整，坡度8～15°。三级平台位于滑体中部，由深层滑坡形成，呈NE～SW向分布，宽约70m，长10～30m，前缘高约30m，坡度35～50°，面积约为0.002km2，仅残留一部分位于次级滑坡南侧，北侧随次级滑动下滑，台面坡度为5～10°。四级平台位于滑体前部，由次级滑坡形成，呈NS向分布，平台长约70m，宽约170m，前缘经后期人工改造呈陡坎状，已失去原有的地貌形态，前缘坡高约25m，面积约为0.015km，台面基本完整，坡度7°。

此外，滑体上发育有四条小～中型冲沟。冲沟两岸坡体局部发育有小型溜滑体，冲沟南侧植被发育，主要为人工栽植松树及草灌，植被覆盖率达70%，冲沟南侧植被主要为草灌，植被覆盖率为20%。

2 滑坡破坏机理分析

滑坡后壁及前缘坡度较陡，局部处于直立状态，为滑坡不稳定提供了地形条件；滑坡坡脚开挖使坡体形态发生改变，为滑坡滑动提供了空间。滑坡坡度陡立、高差大，导致坡体重力分解力自身沿坡面方向大于抗滑力，形成滑动面（带），地层岩性强度低，使坡体自身抗滑能力降低，在降雨作用下，滑动面经雨水浸泡，滑动面附近岩土体抗剪强度降低，雨水的浸泡、浸润对滑动面上的土体还产生一定的润滑作用，加快滑坡的发生；坡脚位置被当地居民开挖较严重，滑坡坡脚支撑力不断降低，坡体整体稳定性降低。坡体目前持续发生蠕动变形，如果不对滑坡进行治理，任其发展，最终导致滑坡沿滑动面（带）发生滑动。滑坡坡度较陡，局部处于直立状态，滑体坡面裂缝、落水洞及冲沟等变形特征发育较多，在降雨等外因作用下，雨水由裂缝渗入滑体，滑体经雨水浸泡，自身抗剪强度降低，易形成滑坡灾害。

3 数值模拟法稳定性评价

3.1 有限元模型建立

滑坡为泥岩切层滑坡，平面形态呈不规则长条形。滑坡后壁呈半圆形，壁面陈旧，滑坡周界清晰，西侧至丘陵区斜坡带。滑坡主滑方向109°，滑体整体坡度南陡北缓，南侧坡度30～40°，后壁高40～50m，坡度35～45°。滑坡表层突出于坡面，略呈弧形，其坡面整体形态呈凸形，平面呈“舌”状，前缘为不规则弧形。滑体轴向长650～800m，横向宽200～270m，平均厚38m，总面积0.14km2，方量约550.14×104m³。

为尽可能完全地包络整个滑坡区域，同时考虑模型大小对计算速度的影响，模型宽度沿河流方向（Y方向）取6 000m；高度沿垂直方向（Z方向）取原高程2 460～2 750m，最大厚度190m；长度沿临河方向（X方向）取6 000m。模型的上表面为自由面，下底面为固定支座约束，对x、y、z三个方向位移进行约束，左右边界滑动支座约束x水平方向位移，前后边界滑动支座约束y方向位移。

为方便建模型，用SURFER处理等高线后导入ANSYS中生成地表坡面，然后用ANSYS软件建立三维地质模型，划分好网格后导入FLAC3D中计算。ANSYS建好的三维模型见图1。划分网格后的模型总计26 034个节点，125 766个单元。

图1 滑坡ANSYS计算模型

3.2 参数选取

综上已有研究及收集的滑坡详查资料，滑坡稳定性计算物理力学参数取值见表1。

表1 滑坡稳定性计算物理力学参数取值汇总表

3.3 暴雨工况下滑坡变形特征分析

（1）主应力分析

由图2可知，滑坡的应力应变分布情况在岩体分界线部位出现明显的应力集中现象，次次级滑坡压应力集中值高达2.39MPa，坡体上部的拉应力区在增大，并且拉应力的值也有所增加，最大拉应力值达到0.92MPa。并且在次次级滑坡内部的岩层界面及勘察滑面附近出现较大的拉压应力集中现象。结合次次级滑坡主应力和最小主应力的分布情况，拉应力的范围和数值都在增大，在滑坡内部的滑动带附近出现较大的拉应力集中现象。

图2 滑坡主应力云图

（2）位移分析

对比分析，滑坡总位移如图3所示。结合应力特征图可知，暴雨工况下，次次级滑坡的位移变化最大，最大位移值达到2.838m。相比而言，次级滑坡变形位移较小，未有明显的位移发生。

图3 滑坡总位移云图

（3）应变分析

剪应变增量如图4可知，剪切位移的最大值发生在次次级滑坡坡体内部的滑面附近，在岩体分界部位也出现了较大的剪应变增量值，次次级滑坡最大剪应变增量值为0.056MPa，整体上坡体内部的剪切位移主要发生在坡体的变形体内部，特别是在滑带区域和岩体分界部位。

图4 滑坡剪应变云图

总体来说，暴雨作用下滑坡的变形破坏以次次级滑坡最为明显，其最大位移值达2.838m，出现在次次级滑坡滑面及岩层界面附近区域。上述计算结果，说明暴雨对次次级滑坡滑带的岩体强度的弱化作用非常明显，直接导致坡体出现强烈变形现象。

4 结语

本文分析山东某高速公路滑坡的破坏机理，并采用三维数值模拟软件对边坡稳定性进行分析。发现在暴雨工况下，滑坡坡体变形区内均存在较大破坏，但主要集中在次次级滑坡坡体的滑面及岩体界面附近区内，并在滑带区内形成贯通的剪切破坏区，暴雨作用对滑坡坡体的变形破坏影响较大。建议禁止在滑坡区尤其是滑坡前缘随意开挖，同时应规范滑坡区上的用水排放，严禁直接排向滑坡体。鉴于滑坡危害的严重性，建议尽快实施治理措施，实现治理滑坡、消除隐患的目标。