基于FLAC3D的路堑边坡稳定性分析

罗贤欢　吴琦

摘 要：【目的】道路切割坡体、暴雨和车辆荷载等条件会对路堑边坡的稳定性造成极大的影響。本研究以辉县市上八里镇回龙村张沟边坡为例，根据边坡所处的环境特征，分析其在不同工况影响下的变形特征及稳定性，为边坡的防治提供依据。【方法】使用FLAC3D软件对边坡进行数值模拟，研究边坡在天然和暴雨条件下的变形和稳定性，并调用FLAC3D内置的Fish函数对路堑边坡坡前道路车辆产生的动荷载进行模拟，对动荷载下滑坡体内部的变形特征进行分析。【结果】①边坡在天然和暴雨情况下的稳定性系数分别为1.9和1.186；②坡前公路动荷载峰值由1×105 N增加为1×106 N时，坡脚处水平最大应变值增大13.4%，后缘水平最大应变值增大13.2%。【结论】暴雨降低了岩土体的强度，直接破坏了边坡的稳定性，坡前竖直方向动荷载增加了坡体水平方向剪切带的连续性，但其对坡体最大应变量造成的影响较小。

关键词：辉县市；路堑边坡；FLAC3D；动荷载；稳定性

中图分类号：U416.1     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）03-0060-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.03.012

Stability Analysis of Cutting Slope Based on FLAC3D

LUO XianhuanWU Qi

（North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046，China）

Abstract： [Purposes] The conditions of road cutting slope body， rainstorm and vehicle load have great influence on the stability of cutting slope. In this study， zhanggou landslide in Huilong Village， Shangbali Town， Huixian City is taken as an example， to analyzes the deformation characteristics and stability of the landslide under the influence of different working conditions， so as to provide a basis for slope prevention. [Methods] The FLAC3D software was used to simulate the deformation and stability of the slope under natural and rainstorm conditions， and the FLAC3D built-in Fish function was called to simulate the dynamic load generated by the road vehicles before the cutting slope， and the deformation characteristics of the landslide body under the dynamic load were analyzed. [Findings] ① The stability coefficient of the slope in natural and rainstorm conditions is 1.9 and 1.186 respectively; ②When the peak dynamic load of the anterior slope highway increases from 1×105 N to 1×106 N， the horizontal maximum strain value at the slope foot increases by 13.4%， and the horizontal maximum strain value at the posterior edge increases by 13.2%.[Conclusions] The rainstorm reduces the strength of the rock and soil mass and directly destroys the stability of the slope， and the vertical dynamic load before the slope increases the continuity of the horizontal shear band， but the influence on the maximum stress variable of the slope body is small.

Keywords： Huixian city; cutting slope; FLAC3D; dynamic load; stability

0 引言

近年来，在极端天气及人类工程活动的影响下，地质灾害频发，滑坡灾害严重威胁人民的生命财产安全。我国中西部太行山区滑坡时有发生，特别是受到暴雨及人类活动等的影响，边坡很可能失稳，造成不可估量的损失。为完善滑坡的防治预警，需要对不同条件下边坡的稳定性和破坏机理进行分析。目前，数值分析方法已成为滑坡稳定性分析的一种重要方法［1］。使用FLAC3D软件的强度折减功能［2］进行数值计算的优势是可模拟不同工况下边坡的稳定性情况，同时FLAC3D亦能准确高效地反映滑坡潜在滑移面所处的位置及滑坡体内部的变形特征和受力情况。

本研究以辉县市上八里镇回龙村张沟边坡为例，使用FLAC3D作为数值模拟手段分析暴雨和坡前动荷载［3］下张沟边坡的稳定性，从而揭示该边坡的破坏机理，为后续边坡的防治提供依据。

1 边坡区工程概况

1.1 边坡区地理条件

辉县市位于太行山脉与华北平原的交接地带，交通便利，是河南省地质灾害多发区之一。张沟边坡位于辉县市上八里镇回龙村张沟公路东侧，交通条件较好。其气候为暖温带大陆性季风气候，四季鲜明，多年平均降水量为621.58 mm，降水量在时空上分布不均，暴雨主要集中于5—9月，降水量由平原向山区增大，且常有短时强暴雨和连续暴雨，是区域内灾害的主要诱发因素。

1.2 边坡区工程地质条件

边坡区为中山地貌，地势陡峻，地形地貌复杂，地形坡度为14°～34°，总体坡度为21°，西南低东北高，上缓下陡，海拔为1044～1168 m，相对高差124 m，坡体倾向274°。边坡区断裂构造发育，切割强烈，存在较强的侵蚀作用，地层属华北地层大区-山西地層分区-太行山地层小区，出露地层由老到新为中元古界汝阳群云梦山组、古生界寒武系下统辛集组与朱砂洞组、寒武系下中统馒头组，以及新生界新近系和第四系，并以寒武系分布最广，具体如图1所示。主要岩性组成为泥晶灰岩、石英砂岩、灰岩和页岩。

1.3 边坡基本特征

根据野外调查情况，张沟边坡长约为130 m，宽约为100 m，滑坡体厚度为30～60 m，总体积约为7.15×105 m3，为局部岩质顺层边坡。边坡整体呈不规则形，左、右侧以冲沟为界，后缘至山脊陡坎处。边坡前缘因修路切坡形成陡坎，坎高10～30 m，坡面泥晶灰岩风化破碎严重，中间夹有数层软弱夹层，易形成局部岩石悬空带，每年春季开冻及夏季雨水冲刷造成坡面岩石大量坠落。坡脚滑带处常年有水渗出，后缘有圈椅状裂缝出现，雨季时水量增大，将对滑体稳定性产生较大影响。通过对工程钻探、室内土工试验结果及物探资料进行分析，滑动面分布在泥晶灰岩破碎带中，如图2所示。其主要为寒武系下统馒头组第一段底部泥晶灰岩，其岩体破碎，溶孔发育且含有泥质充填，平均厚度为4.0 m，为滑坡体内最大剪应力集中面，滑床为中元古界汝阳群石英砂岩，滑体岩性为寒武系泥晶灰岩、薄层灰岩，局部出露页岩。

2 基于FLAC3D 的边坡稳定性分析

2.1 研究方法

为了深入分析边坡的稳定性和破坏特征，选用FLAC3D软件对该边坡进行仿真模拟。FLAC3D是有限差分法模拟软件，采用显式差分法完成运动方程及动力方程的计算［4］。本研究使用其内置的强度折减法对天然和暴雨条件下边坡的稳定性系数进行计算，并通过Fish函数在坡前公路施加动荷载来研究边坡的变形情况。

2.2 模型建立及参数选取

将研究区5 m×5 mDEM栅格数据导入ArcGIS软件中，使用其“Spatial Analyst工具”的表面分析功能生成等高线，将等高线数据导入Rhino 7软件中，完成边坡模型的建立。该边坡模型沿x轴方向长约290 m，沿y轴方向宽约390 m，沿z轴方向最高点约310 m。为了保证计算的精确性，堆积体、滑动体的网格尺寸为3～4 m，基岩部分的网格尺寸为5 m，模型共划分253 640个节点、311 127个单元，各边界点均耦合。模型顶部坡面边界为自由边界，模型四周边界和其底部均约束法向位移，根据勘探所得资料划分地层，得到模型如图3所示。模型建立后直接导入FLAC3D中，使用FLAC3D内置的Mohr-Coulomb本构模型进行计算。通过钻探取样、室内试验及与该地区相关文献类比［5-6］，得出边坡岩土体计算参数，见表1。

2.3 天然、暴雨条件下边坡的稳定性分析

模拟得出边坡于天然条件下稳定性系数为1.9，处于稳定状态，该状态的边坡中下部存在较为明显的剪切应变区。最大剪应变区位于边坡坡脚处泥晶灰岩和薄层灰岩的接触区域。此时边坡最大剪切应变云图如图4（a）所示，该边坡最大剪切应变增量为0.315，坡脚处出现连续的剪切应变区域。选取主剖面的剖面如图4（b）来观察坡体的应变情况，y方向上剪切变形主要存在前缘处，此时滑体后缘剪切应变较小，且剪切带的整体性较差。最大主应力云图如图4（c）所示。由图4（c）可知，较大的应力区分布于滑体与灰岩接触的后端和滑体后缘部分。可推测由于下渗的雨水从坡脚顺层流出，该区域未达到长期饱和的条件且风化程度较低，成了给边坡提供抗滑力的主要区域。经过分析坡体内部存在滑动趋势，但剪切带内部不连续，说明边坡天然状态下未形成连续的滑动面，整体处于稳定状态。

暴雨工况下边坡后缘出现较为明显的剪切带，如图5（a）、5（b）所示。剪切带一直延伸到破碎带和薄层灰岩的接触处，此时坡体重度增加，滑体前段在水平方向上的应变明显增大，由滑体前缘剪切区域向上扩散，由此可知滑体后部的接触带被逐渐拉张破坏，而边坡前缘后方约10 m处至滑带深处部位的剪应变仍不明显。最大主应力云图如图5（c）所示，由图可知，此时分布在滑带处的应力区更为集中。与天然工况相比，滑体下部的受力区域变小，这表明暴雨工况下滑面开始出现塑性破坏，中下部提供的抗滑力区域也逐渐减小，在长期风化后便会在重力作用下失稳滑动。此时边坡的稳定性系数为1.186，处于极限平衡状态，边坡基本稳定。

根据一系列的模拟结果，得到该边坡在不同工况下主剖面的总位移矢量图如图6所示。由图6可知，天然工况下主要的位移区分布在边坡下部；暴雨工况下，滑体下滑的趋势和规模比天然状态下大得多，初步判断边坡此时即将失稳。

2.4 动荷载作用下边坡的变形特征

除了暴雨对边坡稳定性的影响，坡前公路来往车辆的扰动也可能使边坡内部发生变形破坏［7］。使用FLAC3D内置的Fish函数对边坡施加动力波来模拟过路车辆对道路产生的荷载，以此研究天然工况下竖直方向同频率不同振幅的动荷载对边坡的影响。函数见式（1）。

[wave = 1+ math.sin（zone.dynamic.time.total*100）] （1）

该函数施加的动荷载波为正弦波，加载位置为坡前5～20 m的区域，收敛条件保持一致，“zone.dynamic.time.total”为动力施加的总时间，“wave”的值在0～2之间反复波动，“A”与“wave”之积即为道路实时荷载，对“A”分别赋值1×105 N、2×105 N、3×105 N、4×105 N、5×105 N及1×106 N，得到主剖面y方向应变云图，如图7所示，同时对模型坡脚a点（266.2，45.4，132.2）和后缘b点（263.3，136.4，191.5）的应变增量进行监测。

由图7综合对比图4可知，施加动荷载后滑体前缘在水平方向相较于没有加载时出现更大区域的剪应变，滑体后部应变量增大且剪切带更加均匀，可知在动荷载的作用下，滑动面逐步贯通，加剧了滑体与滑床之间的塑性破坏。然而，随着动荷载的加大，边坡水平方向的应变增加较为缓慢，模拟监测结果如图8所示。当A的值由1×105 N增加到1×106 N时，a点处水平最大应变值增大13.4%，b点处水平最大应变值增大13.2%，说明动荷载大小在有限的范围内对于边坡最大的应变量并无太显著的影响。

3 结论

通过利用FLAC3D数值模拟对比分析天然和暴雨工况下边坡的稳定性，并揭示路堑边坡在坡前公路荷载作用下边坡变形破坏的特征，模拟结果与实际勘察分析结果相吻合，得出以下结论。

①切坡造成坡脚岩体应力集中，在暴雨工况下滑体中下部有较大滑动的趋势，边坡前缘后方约10 m处至滑带深处区域强度相对较高，为提供抗滑力的主要区域。

②天然和暴雨工况下的稳定性系数分别为1.9和1.186，暴雨降低了岩土体的强度，直接破坏了边坡的稳定性。坡前竖直方向动荷载增加了水平方向剪切带的连续性，但对坡体最大应变量的影响较小，长期综合作用下边坡随时有滑动的可能。

参考文献：

［1］徐君，马海渊，高峰，等.基于FLAC3D的平朔东露天矿南帮滑坡区稳定性分析［J］.露天采矿技术，2019，34（4）：64-67.

［2］XU Z X，LI C，FANG F， et al. Study on the stability of soil-rock mixture slopes based on the material point strength reduction method［J］. Applied Sciences，2022，12（22）.

［3］叶四桥，唐红梅，肖盛燮，等.汽车荷载对滑坡稳定性的影响分析［J］.重庆建筑大学学报，2006（5）：106-109.

［4］潘网生，傅良同，李鑫，等.基于FLAC3D的貴州马达岭煤炭采动型滑坡机理研究［J］.煤炭工程，2019，51（12）：160-166.

［5］张勇.河南省山地丘陵区滑坡的发育规律与成因模式研究［D］.西安：长安大学，2018.

［6］周洪福，张卓婷，韦玉婷.基于滑体自重效应的滑带土强度参数取值方法［J］.岩石力学与工程学报，2022，41（5）：1045-1053.

［7］李润，简文彬.动荷载及水位涨落诱发的道路滑坡及其治理［J］.岩土工程界，2009，12（6）：63-66.