基于MIDAS的东刘家沟村黄土滑坡地质灾害稳定性评价

摘 要：以山西省临县刘家会镇东刘家沟村滑坡地质灾害为例，该滑坡为小型推移式土质滑坡，该滑坡长约180 m，宽约200 m，滑体厚度10～20 m，主滑方向约226°，平均坡度30°，滑坡平面形态呈舌形，滑体岩性为第四系上更新统粉土，滑床岩性为第四系中更新统粉质黏土。通过MIDAS有限元分析模块对该滑坡建立几何模型，定义岩土体属性参数，进行稳定性分析计算，得到天然工况和降雨工况下的变形云图。研究表明，天然工况下，该滑坡的安全系数为1.118，处于基本稳定状态；降雨工况下，该滑坡的安全系数为1.033，处于欠稳定状态，与野外调查结果吻合。该模拟结果可为黄土地区该类滑坡的治理设计提供参考依据。

关键词：MIDAS；滑坡地质灾害；稳定性评价；临县

中图分类号：P694 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）08–0-03

临县地处山西省吕梁市西北部，黄河东岸，属黄河流域，总面积约2 979 km2。临县属暖温带大陆性季风气候，一年四季分明。临县多年平均降雨量为518.3 mm，

降雨分布为由东向西递减。地形以黄土丘陵沟壑为主，三面环山。受地质构造、地层岩性等因素的控制，地势总体上是自东向西倾斜，呈东北高西南低，并形成河谷、黄土丘陵、中山等地貌。临县境内黄土滑坡数量较多，对人民生命、财产安全威胁巨大。利用MIDAS分析不同工况下边坡的稳定性，能够科学有效地进行地质灾害防治[1]。

当前，国内外边坡稳定性评价常用的数值软件很多，比较常用的有Geo-Studio、ANSYS、ABAQUS和FLAC3D等，以临县刘家会镇东刘家沟村滑坡为例，该滑坡长约180 m，宽约200 m，滑体厚度10～20 m，主滑方向约226°，平均坡度30°，滑坡平面形态呈舌形，滑体岩性为第四系上更新统粉土，滑床岩性为第四系中更新统粉质黏土，坡体未见地下水出露，滑坡规模为小型土质滑坡，力学机理为推移式滑坡。该滑坡威胁6户20人32孔窑洞；通过地质灾害勘查，结合室内土工试验，利用MIDAS有限元分析软件对东刘家沟村滑坡地质灾害进行稳定性评价，该模拟结果可为黄土地区该类滑坡的形成机理和防治设计提供一定的参考依据。

1 研究区的概况

1.1 气象

根据临县气象观测站多年观测资料，多年平均降雨量为483.99 mm，年际变化明显，最大年降雨量664.8 mm，最小年降雨量319.9 mm。最大日降雨量为136.9 mm（1995年8月1日），最大1 h降雨量为47.4 mm

（1995年8月1日04：40），30 min最大降雨量为34.4 mm

（1995年8月zcecM8qnEcQoben4J/4wkw==1日05：02），10 min最大降雨量为20.2 mm

（1995年8月1日05：12），5 min最大降雨量为12.3 mm

（1995年6月1日15：45），最大冻土深度1.11 m。

1.2 地形地貌

研究区地貌类型为黄土丘陵区，地势总体表现为东北高西南低。该地区黄土广泛分布，大小冲沟密集。地形破碎，呈峁梁沟谷状。月镜河流域内地形基本是东北高西南低，海拔高程在923.7～1 247 m之间，地形梁峁相间，呈树枝状斜梁状，属于典型的黄土丘陵沟壑区。

1.3 地层岩性

研究区所在区域内出露地层较为简单，坡体主要由三叠系下统刘家沟组T1l、第四系中更新统离石组Q2、第四系上更新统马兰组Q3和第四系全新统Q4组成。由旧至新分述如下。

1.3.1 三叠系下统刘家沟组（T1l）

该组岩性以一套较单一的灰紫红、灰红、紫红色薄层及中厚层间厚层长石砂岩为主，夹有紫红色粉砂岩、砂质页岩、砾岩、灰白色石英砂岩，以及灰、灰绿色长石砂岩组成。

1.3.2 第四系中更新统离石组（Q2）

岩性主要为浅红色黏土、亚黏土夹成组出现的棕红色古土壤及灰白色钙质结核层。

1.3.3 第四系上更新统马兰组（Q3）

岩性主要为淡黄、灰黄色粉土、粉砂，粒级均匀，结构较松散，大孔隙，垂直节理发育，渗透性强，湿陷性强，易垮塌，偶夹砂砾石透镜体，且可见细—粗粒长石、石英和云母片。

1.3.4 第四系全新统（Q4）

岩性主要为砂、粉土、砾石等，结构疏松，横向上岩性变化大。

2 MIDAS GTS/NX软件分析

2.1 软件简况

MIDAS GTS/NX是一款利用尖端的计算机图形处理和分析技术研发而成的具有全新理念的64位通用岩土有限元分析软件。MIDAS GTS/NX在建模过程中可以直接导入CAD模型，同时也可以在软件中直接进行建模，网格划分功能也丰富。MIDAS GTS/NX使用最新的图形处理技术和分析功能，这种基于64位求解器的技术对大规模模型分析速度提升效果尤为明显。MIDAS GTS/NX在开发过程中也进行了几千种实例计算，并对比了计算结果同理论计算、其他软件的计算结果，并被应用于大量的工程项目，充分验证了该软件的准确性[2]。

2.2 模型建立

2.2.1 建立几何模型

根据地形测量所得的地形数据截取剖面的线框模型，将剖面的CAD线框模型导入Midas GTS/NX，为了避免边界效应对计算结果的影响，调整了剖面，并根据各地层建立平面单元，模型如图1所示。

2.2.2 定义材料属性参数

参考前人研究成果并结合此次调查临县地区的工程勘察报告，整理了临县地区岩土体相关物理力学参数用于数值模拟，模型材料参数主要包括岩土体的容重、黏聚力、内摩擦角、弹性模量和泊松比等。

2.2.3 网格划分

在有限元模拟计算中，网格的划分对计算的速度和计算结果的精确度具有重要的影响。因此，控制模型的网格尺寸，具体做法为将距边坡坡面较近的网格划分较为密实，随着距边坡坡面距离的不断拉大，网格逐渐增大，这样既能确保计算结果的精确性，又可保证计算速度。共划分了2 693个单元，3个网格组，网格划分结果如图2所示。

2.2.4 边界条件及分析工况

边界条件设定为位移边界条件，在侧面施加水平位移约束，底部施加水平和垂直位移约束，整体模型施加重力荷载。分析类型选择边坡稳定分析中的强度折减法，分析计算天然工况和降雨工况。

2.3 不同工况滑坡位移云图

利用土工试验资料并对模型的岩土体赋值参数，得出天然和降雨工况下X轴、Y轴方向内力（图3、图4）、垂向位移（图5、图6）、等效应变（图7、图8）、水平位移（图9、图10）以及总位移（图11、图12）等计算结果云图。通过计算结果云图可知，在降雨工况下，由于雨水入渗，造成坡体土体比重增加，滑坡滑面抗剪强度下降，X轴、Y轴方向的内力、垂向位移、等效应变、水平位移以及总位移等指标，均呈现增大趋势，在滑坡坡脚出现应力集中的现象，整个滑坡体滑面清晰；对该滑坡的治理，可采用滑坡上部削坡减载，减弱滑坡下滑力；在滑坡后缘外设置截水沟，减少坡体周边的汇水入渗坡体，在滑坡应力集中的部位可设置抗滑桩，挡土墙等支挡措施，增强滑坡抗滑力，提高坡体稳定性。

3 结论

根据计算出的天然和降雨工况下的云图、水平位移云图模拟结果显示，该滑坡水平运动显著，水平位移高值区出现在坡脚地带，滑动面清晰可见。垂直位移云图模拟结果显示，该区域垂直运动较显著，垂直运动最大区域出现在坡顶边缘地带。整体位移云图模拟结果显示，该滑坡坡顶及坡脚位移量最大，发生滑动的可能性最大。其中，天然工况下，该滑坡的安全系数为1.118，处于基本稳定状态；降雨工况下，该滑坡的安全系数为1.033，处于欠稳定状态，与野外调查结果相同。利用MIDAS的分析功能[2]，将影响地质灾害危险性的因素通过数值分析得出滑坡的安全系数。通过研究不同降雨工况下的滑坡稳定性分析，可合理制定滑坡地质灾害治理措施。有效开展不同工况下的危险性分区评价，能够为临县开展国土空间规划、地质灾害风险管控和“十四五”期间地质灾害防治规划提供参考依据。

参考文献

[1] 豆换换，张彦洪，邵峰，等.基于改进的灰色关联度分析法的黄土边坡稳定性分析[J].水利规划与设计，2023（10）：94-96，145.

[2] 李兵，黄迪，刘高.基于Midas的边坡稳定性分析：以焦家崖头滑坡为例[J].甘肃水利水电技术，2017，53（10）：41-43.