天然和降雨工况下某边坡失稳机制数值模拟研究

2022-11-29陈文锐

陕西水利 2022年11期

陈文锐

（广东中灏勘察设计咨询有限公司,广东肇庆 526060）

1 引言

气候变化增加了极端天气的频率,长期的气候变化和海洋温度是影响降雨模式或强度的关键因素[1]。特别是在山区,高强度降雨经常产生土壤侵蚀和相关的碎屑滑坡,持续时间较长的降雨使地表径流渗入斜坡,从而提高地下水水位,破坏边坡稳定性,引发滑坡[2,3]。山体滑坡已成为主要我国工程建设中的主要危害之一。我国大多数破坏性滑坡均是由长时间或强降雨诱发的,大多数由降雨引起的滑坡均为浅层滑坡,滑面深度约数米深,且滑动迅速。多数降雨引起的滑坡在沿着陡坡向下移动时转变为泥石流,尤其是在西南山区沟谷地带,滑坡往往演化为泥石流,造成严重的次生地质灾害[4]。因此,研究滑坡的形成机理,对于滑坡灾害的防治具有重要意义。刘威等[5]以金沙江沃达滑坡为例,通过离散元数值模拟软件分析其滑动过程,研究结果表明,滑坡运动速度最高可达38 m/s,滑坡破坏范围约2.8 km2；贺汇文等[6]采用有限差分数值模拟软件FLAC对某路堑边坡进行稳定性分析,研究结果表明,该边坡失稳后,后部坡体仍处于不稳定状态,将继续下滑；唐建新等[7]通过UDEC离散元数值模拟软件分析某顺层岩质斜坡失稳特征,研究结果表明,该岩质边坡失稳是由于坡体中的软弱结构面受扰动,从而发生滑动；汪磊等[8]以浙江丽水市某滑坡为例,利用Geo Studio软件对不同的降雨工况下坡体水位进行模拟,研究结果表明,强降雨作用会显著降低边坡的稳定性；谢振华[9]基于FLAC3D数值模拟软件,以贵州省某矿山排土场为研究对象,对降雨强度与边坡安全系数的关系进行分析,研究结果表明,降雨是影响排土场斜坡稳定的主要因素；尚敏[10]等利用Geo Studio岩土数值模拟软件模拟某滑坡在降雨作用下的渗流场,研究结果表明,该滑坡失稳的主要原因是由于滑坡内土体在降雨作用下达到饱和,导致坡体内孔隙水压力的急剧增加,从而发生失稳。

然而,以上研究均为分析降雨作用对滑坡的影响机制,缺少在不同工况下滑坡失稳破坏范围的对比分析,本文以某边坡为例,分析其在降雨和天然工况下的变形破坏特征及滑动范围。

2 工程概况

研究区所在地具有亚热带温带过度型气候特征,全年温暖时间较长,多年平均气温17.1℃ ,一般4月～10月平均气温在16℃以上,11月至翌年3月平均气温 6℃左右。区内降雨量丰富,年平均降雨量1619.0 mm。研究区所在地岩土层由第四系全新统素填土,粉质粘土及粉砂岩组成。素填土厚为0.60 m～5.20 m,平均约2.44 m。粉质黏土层厚为1.6 m～2.4 m,平均厚约1.9 m。粉砂岩厚2.5 m～4.4 m,平均厚度为3.5 m。根据现场原位测试及室内土工试验结果,各层岩土相关力学参数见表1。

表1 各土层物理力学参数

3 降雨条件下滑坡变形破坏特征数值模拟

针对降雨条件下的非饱和土的渗流和入渗分析,有限元数值模拟计算方法是常用的分析方法之一,ANASYS中的渗流耦合模块可以较好的用于降雨作用下边坡稳定性进行分析。然而,由于实际滑坡地质条件的复杂性,以及岩土体参数的不确定性,导致数值模拟得到的结果有时难以解释。降雨作用下边坡失稳数值分析涉及许多与土体性质、坡度几何形状、地下水条件、初始条件和降雨特征相关的参数。根据现场勘测,该滑坡地质剖面图见图1。

图1 滑坡剖面图

由图1可以看出,滑坡滑动前的原始地形较为平缓,平均坡度为5°～15°。原始地形在纵向上有三个陡峭的台阶一级台阶深20 m～40 m,前缘坡度18°～33°；二级台阶发育高陡坡,高差35 m～49 m,陡坡前缘坡度达到25°～30°,坡中部沿坡向发育深沟,深约10 m～20 m。三级台阶高差35 m～45 m,坡度20°～30°。这三个陡坡构成了滑坡良好的自由条件,为滑坡的启动提供了有利条件。

如图2所示,利用Ansys建立了1∶1的滑坡滑动前二维地质模型,将其网格化并导入Flac3D中,模拟滑坡自然和暴雨条件下的变形破坏特征,揭示滑坡的变形破坏机制。断面计算模型全长1000 m,高300 m,共1130 个计算单元。

图2 滑坡二维数值模型

剪切破坏面上的强度是逐渐降低的,即滑坡潜在剪切带不同部分土体的抗剪强度并非同时发展到最大值,而是在受集中应力最大部位的土体首先发生剪切或者压缩破坏,进入塑形状态,随着降雨入渗,土体抗剪强度降低,导致塑性区范围不断扩大,直至整个滑面完全进入塑性区。利用快速拉格朗日三维数值计算计算出的剪应变增量,根据数值模拟得到的最大剪应变范围,可以确定边坡内部的最容易失稳的部位,即边坡的最易潜在滑动面,并计算其安全系数,从而可以判断边坡是否稳定。根据数值模拟结果得到天然和降雨工况下,滑体内剪应力分别见图3、图4。

图3 天然状态下边坡剪应力云图

图4 降雨条件下边坡剪应力云图

由图3可知,天然状态下,该边坡在200 m～400 m范围剪应力较大,剪应力值在5.5×102MPa～8.5×102MPa之间,可以看出潜在滑面上的剪应力已超过土体的最大抗剪强度,发生失稳滑动；在500 m～600 m范围内存在另一个潜在滑动区,该滑动区内剪应力值在1.5×102MPa～2.5×102MPa,剪应力小于滑带土抗剪强度,仍可保持稳定状态。

由图4可知,降雨状态下,该边坡在100 m～400 m范围剪应力较大,剪应力值在6.5×102MPa～8.7×102MPa之间,由于降雨入渗导致滑带土抗剪强度降低,滑面上的剪应力超过土体的最大抗剪强度,从而形成滑坡；在400 m～600 m范围的潜在滑动区内,剪应力值在1.8×102MPa～3.0×102MPa之间,同样受降雨入渗的影响,导致土体抗剪强度下降,形成局部滑坡。

目前,多数研究主要采用控制变量法,即针对单一影响因素进行分析,并确定控制参数。一般而言,坡度陡、高差大的斜坡,更有可能受降雨影响而发生失稳下滑[11]。根据数值模拟结果,可以得出天然状态和降雨状态下,坡体内的位移变化情况,见图5。

由图5可知,天然工况和降雨工况下,位移均随着时步增加,且变化趋势一致。在3000 时步内,天然工况下位移呈线性增加,最大位移值为3.12 m。在4000 时步时发生微小下降,随后位移继续增大,在6000 时步位移值为3.52 m,最后保持稳定,说明坡体变形保持稳定状态。降雨工况下,位移在3000 时步增加到2.95 m,在6000 时步位移值为3.52 m,随后继续增加,说明此时边坡已经发生失稳下滑。