王海芝， 劉海洋， 韓振華*

（1. 北京市地質(zhì)研究所， 北京 100120； 2. 中國科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所， 北京 100029）

0 引言

我國多山， 滑坡災(zāi)害頻繁發(fā)生， 尤其在每年的雨季， 滑坡災(zāi)害嚴(yán)重威脅危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的生命財(cái)產(chǎn)安全。 隨著我國山區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展、 交通建設(shè)、 能源開發(fā)、 旅游開發(fā)等國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的全面展開， 潛在的滑坡災(zāi)害越來越多， 所造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡也逐漸加大， 相應(yīng)的穩(wěn)定性分析對防災(zāi)減災(zāi)來說變得尤為重要。

邊坡穩(wěn)定性分析中最常規(guī)的是極限平衡分析法[1]， 其特點(diǎn)是方便快捷， 很多工程單位采用該方法來計(jì)算、 設(shè)計(jì)。 在工程實(shí)踐中， 可根據(jù)邊坡滑動面的形態(tài)來選擇相應(yīng)的極限平衡法。目前常用的極限平衡法有瑞典條分法、 Bishop法、 Janbu 法、 Sarma 法、 Morgenstern-Price 法和剩余推力法等[2-6]。 然而， 極限平衡分析法不能解決分析邊坡應(yīng)力和應(yīng)變的問題。 后來出現(xiàn)了有限元分析邊坡的穩(wěn)定性， 有限元在解決小變形方面有其優(yōu)越性， 但在解決大變形方面較為不便。 強(qiáng)度折減法由Zienkiewicz[7]于1975 年提出， Ugai[8]、 Duncan[9]、 鄭穎人[10-11]、 趙尚毅[12]、徐平[13]等學(xué)者在有限元強(qiáng)度折減法應(yīng)用方面做了大量的工作， 豐富了邊坡穩(wěn)定性分析的內(nèi)容。

數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展為邊坡穩(wěn)定性分析提供了有利的工具， 尤其是有限元、 有限差分、 離散元等數(shù)值模擬方法的廣泛應(yīng)用， 使深入研究滑坡巖土體內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài)， 以及對坡體內(nèi)外各點(diǎn)的變形模擬成為可能， 為復(fù)雜的滑坡穩(wěn)定性分析開創(chuàng)了一條新的途徑。 FLAC3D軟件作為強(qiáng)度折減法的實(shí)現(xiàn)工具， 進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析， 能考慮巖土體的非線性應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系， 求得邊坡內(nèi)部每一計(jì)算點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變及變形， 同時(shí)可以對連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行大變形分析， 這樣能比較真實(shí)地反映應(yīng)力應(yīng)變情況， 因此， FLAC3D目前已經(jīng)是邊坡穩(wěn)定性分析研究運(yùn)用廣泛的工具[13-16]。

四川羅家青杠嶺歷史上曾發(fā)生滑坡， 對應(yīng)的物源區(qū)和堆積區(qū)特征明顯。 現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明， 羅家青杠嶺滑坡的后緣發(fā)育明顯裂縫， 如若遇到暴雨等不利天氣， 滑坡很有可能失穩(wěn)，嚴(yán)重威脅到當(dāng)?shù)鼐用竦纳拓?cái)產(chǎn)安全。

鑒于四川羅家青杠嶺的滑坡現(xiàn)場非常典型，現(xiàn)場資料較全， 是開展滑坡演化及穩(wěn)定性分析的很好實(shí)例。 一方面， 可以通過現(xiàn)場調(diào)查、 鉆孔、 探槽等方法對滑坡體進(jìn)行了分區(qū)， 進(jìn)一步分析了滑坡的成因機(jī)理。 另一方面， 通過GTS軟件建立了羅家青杠嶺滑坡的三維地質(zhì)模型，利用FLAC3D軟件對滑坡在天然和暴雨兩種狀態(tài)下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析， 進(jìn)而為制定科學(xué)合理的防災(zāi)減災(zāi)對策和措施提供可靠依據(jù)。

1 羅家青杠嶺滑坡概況及特征分析

1.1 工程地質(zhì)條件及滑坡概況

羅家青杠嶺位于四川省西昌市寧南縣幸福鄉(xiāng)月塘村境內(nèi)。 該村共有居民65 戶， 約300人， 大多集中居住在滑坡體前緣地勢平坦處。寧南縣地處于橫斷山區(qū)邊緣， 川滇南北向構(gòu)造體系的中段， 則木河斷裂從坡體前緣穿過， 具有強(qiáng)烈的第四紀(jì)活動性[17]。 羅家青杠嶺滑坡前緣為河谷， 左、 右兩側(cè)以沖溝為界， 后緣基巖出露。 如圖1 所示， 坡體前緣平緩， 后緣地勢較陡， 中部為一凸起的鼓丘。 坡體縱長約1200 m，面積0.55 km2， 海拔高程1000～1690 m， 主滑方向?yàn)?00°。 坡體物質(zhì)為崩坡積與殘坡積塊碎石土， 坡體總方量約為40×104m3。

圖1 羅家青杠嶺斜坡全貌Fig.1 Complete photo of Luojiaqinggangling

1.2 滑坡體巖土分區(qū)

根據(jù)1∶2000 的工程地質(zhì)測量， 結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查， 將滑坡體劃分為4 個(gè)區(qū)域（圖2）。 其中，綠色區(qū)域表示殘坡積土層， 分布在坡體左側(cè)及后緣， 土層較薄， 約1～3 m， 呈黃褐色， 局部有基巖出露。 藍(lán)色區(qū)域表示基巖出露區(qū)， 面積較小， 巖性為奧陶系灰?guī)r， 巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理傾向與坡向基本一致。 紅色區(qū)域表示崩坡積層， 出露于坡體中部， 成分為碎石土， 灰白色， 結(jié)構(gòu)松散， 厚度5～20 m。 坡體表層還堆積了許多大粒徑的塊石， 主要成分為灰?guī)r及膠結(jié)形成的塊體， 已證實(shí)歷史上曾發(fā)生多次崩塌事件[17]。 黃色區(qū)域表示滑坡堆積層， 分布在坡體前緣， 地勢平坦。 堆積體表層主要為夾角礫的粉質(zhì)粘土， 黃褐色， 結(jié)構(gòu)松散， 厚度5～10 m。 堆積體下部主要為碎石土， 碎石含量60%左右，碎石巖性主要為灰?guī)r、 砂巖。 通過鉆孔揭露，整個(gè)堆積區(qū)土層的厚度可達(dá)30 m 左右。

圖2 羅家青杠嶺滑坡巖土分區(qū)圖Fig.2 Geotechnical zonation map of Luojiaqinggangling landslide

1.3 坡體變形特性

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)， 坡體后緣發(fā)育大量地面裂縫。 其中后緣左側(cè)有三條近平行的大裂縫（圖2 紅色線條所示）。 三條裂縫臺階式的分布于坡體后緣， 裂縫長度均大于20 m， 裂縫走向約250°， 與滑坡主滑方向近垂直。 裂縫兩側(cè)錯(cuò)位高差約5～20 cm， 局部地區(qū)裂縫錯(cuò)位可達(dá)40 cm，裂縫周邊的樹木有不同程度的歪斜。 滑坡后緣右側(cè)也有一條規(guī)模較大的地面裂縫（圖3）， 裂縫走向160°， 裂縫兩側(cè)錯(cuò)位高差約20 cm。

圖3 羅家青杠嶺后緣裂縫Fig.3 Ground fracture develops at trailing edge of the landslide

此外， 滑坡后緣坡度較陡處局部有變形、垮塌現(xiàn)象（圖4）， 垮塌方量較小。 垮塌處植被覆蓋率較低， 表層巖土體松散， 以碎石土為主，在降雨或其他外力作用下容易下滑。 有一處部位， 由于土體滑動形成了很明顯的圈椅狀地貌，但規(guī)模不大， 現(xiàn)今已經(jīng)穩(wěn)定。

圖4 坡體后緣局部垮塌Fig.4 The local collapse of trailing edge of the landslide

2 滑坡形成機(jī)理分析

從羅家青杠嶺滑坡周邊地形地貌上看， 邊坡所處區(qū)域位置地形坡度較大， 前緣臨空面較好， 邊坡兩側(cè)沖溝較深， 確定了滑坡側(cè)邊界。后緣裂縫發(fā)育， 滑坡前緣較為平緩， 在地形地貌上具備了滑坡的必要條件。 雖然目前邊坡尚處于整體穩(wěn)定階段， 但后緣和兩側(cè)的滑體邊界已經(jīng)形成。 根據(jù)水文氣象資料， 寧南縣降雨量較豐富， 在連續(xù)降雨情況下， 雨水沿裂縫入滲土體， 可能在土顆粒間形成貫通面或者潛在軟弱面， 同時(shí)滑體自重會急劇增大， 導(dǎo)致下滑力增大， 容易發(fā)生土體的滑動。 而滑坡體上的巖層傾向?yàn)?5°～40°， 坡向?yàn)?00°， 斜坡結(jié)構(gòu)為橫向坡， 且發(fā)育的灰?guī)r強(qiáng)度較高， 發(fā)生基巖滑坡的可能性較小， 所以確定滑坡為土質(zhì)推移式滑坡。 現(xiàn)場調(diào)查認(rèn)為， 羅家青杠嶺滑坡為殘坡積層滑坡， 其破壞機(jī)制為蠕滑拉裂， 破壞方式為推移式。 目前對于殘積物來說處于后緣拉裂隙出現(xiàn)和擴(kuò)展階段， 下一步將繼續(xù)在蠕滑作用下形成滑移面。 在降雨或地震作用下， 將進(jìn)一步發(fā)生滑坡。

據(jù)訪問村民， 該地在坡體前緣建房時(shí)曾挖出過瓦罐、 人骨及大粒徑的塊石， 且該邊坡前緣與周邊坡體相比， 明顯較緩而且向河谷突出。所以推測該區(qū)歷史上曾發(fā)生滑坡。 滑坡發(fā)生后，由于土體下滑， 在坡體中上部形成一大陡坎，在坡體前緣形成滑坡堆積區(qū)。 陡坎處基巖出露較多， 經(jīng)過后期風(fēng)化作用， 巖體裂隙擴(kuò)展， 巖體被裂隙切割成塊后很容易滾落。 經(jīng)過長期的崩落， 坡體中部形成了崩坡積區(qū)， 在崩坡積體的地勢相對平坦區(qū)堆積了大量的大粒徑塊石。判斷這些塊石是由崩塌形成而不是滑坡殘留的主要原因有： 首先， 滑坡體上的巖層傾向?yàn)?5°～40°， 坡向?yàn)?00°， 斜坡結(jié)構(gòu)為橫向坡， 且發(fā)育的灰?guī)r強(qiáng)度較高， 發(fā)生基巖滑坡的可能性較小。 其次， 根據(jù)鉆孔、 探槽揭露的巖土體特征及現(xiàn)場調(diào)查， 坡體中上部在地表以下沒有發(fā)現(xiàn)大粒徑塊石， 僅在滑坡堆積區(qū)， 有兩戶人家建房時(shí)挖出過大塊石。 最后， 坡體上的大部分塊石風(fēng)化程度很弱， 表面比較新鮮， 與堆積區(qū)挖出的巨石差別很大， 所以其形成時(shí)代跟滑坡形成時(shí)代不同。

3 滑坡三維穩(wěn)定性分析

本次采用基于有限差分原理的FLAC3D來開展滑坡穩(wěn)定性分析。 FLAC3D軟件是基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的有限差分程序， 能較好地模擬巖土材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動。 基于強(qiáng)度折減的FLAC 分析法在邊坡工程中得到了廣泛應(yīng)用， 它可以模擬邊坡的變形與破壞行為、 滑動面的位置以及加固效應(yīng)等。

3.1 模型建立

由于FLAC3D對于復(fù)雜模型的建立仍然十分困難， 本文基于有限元軟件Midas/GTS 來實(shí)現(xiàn)FLAC3D的復(fù)雜建模。 Midas/GTS 對邊坡工程進(jìn)行三維建模， 具有建模速度快、 地層分界準(zhǔn)確、有限元精度易于控制等優(yōu)點(diǎn)。

將1∶2000 工程地質(zhì)測繪得到的等高線導(dǎo)入Midas 軟件中建立模型， 然后采用節(jié)點(diǎn)、 單元轉(zhuǎn)換程序?qū)隖LAC3D軟件中進(jìn)行計(jì)算， 模型如圖5 所示。 其中， 1 深藍(lán)色部分表示滑坡堆積體； 2 紅色部分表示崩坡積體； 3 綠色部分和5紫色部分表示基巖； 4 藍(lán)色部分表示殘坡積土。模型長1600 m， 寬1000 m， 最大高度1100 m，最小高度280 m， 共包含48635 個(gè)節(jié)點(diǎn)，256479 個(gè)網(wǎng)格單元。 穩(wěn)定性分析采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型， 不考慮水平構(gòu)造應(yīng)力的作用， 只考慮自重應(yīng)力的作用， 自然坡面為自由邊界， 其他邊界為固定邊界。

圖5 羅家青杠嶺滑坡數(shù)值模型Fig.5 Numerical model of Luojiaqinggangling landside

3.2 參數(shù)選取

模擬過程中， 考慮了天然和暴雨兩種工況（工況Ⅰ和工況Ⅱ）。 依據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)， 參考工程類比及結(jié)合經(jīng)驗(yàn)， 巖土體參數(shù)如表1 所示。

表1 巖土體力學(xué)參數(shù)

3.3 滑坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)模擬的塑性區(qū)位置、 滑體位移及剪應(yīng)變增量對羅家青崗嶺滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

3.3.1 天然狀態(tài)

考慮自重作用下， 模型進(jìn)行初始應(yīng)力至計(jì)算平衡， 利用強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.56。 通過剪應(yīng)變增量云圖（圖6）可大致看出滑坡土體變形比較大的區(qū)域和潛在滑動面的位置： 右側(cè)殘坡積層中的潛在滑動位置處于坡體上坡度較大的區(qū)域， 現(xiàn)場調(diào)查中在該區(qū)域發(fā)育有裂隙， 目前處于擴(kuò)大趨勢； 中部崩坡積層中滑面目前還沒有貫通， 該區(qū)域表層有土體的溜滑現(xiàn)象； 左側(cè)殘坡積層中也發(fā)育有裂隙， 目前滑面有擴(kuò)大趨勢， 在降雨或地震作用下， 該區(qū)域裂縫還會繼續(xù)擴(kuò)大。

圖6 天然狀態(tài)下邊坡剪應(yīng)變增量Fig.6 Shear strain increment of the slope in natural state

3.3.2 暴雨?duì)顟B(tài)

暴雨?duì)顟B(tài)下， 雨水沿裂縫和土體表面滲入到邊坡內(nèi)部， 降低邊坡表層巖土體的強(qiáng)度， 若降雨強(qiáng)度足夠大， 則邊坡表層的殘積土、 坡積土?xí)_(dá)到飽和狀態(tài)， 邊坡失穩(wěn)可能性增大。 暴雨?duì)顟B(tài)下， 利用強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.19。

圖7 為計(jì)算達(dá)到平衡后剪應(yīng)變增量云圖?？梢钥闯?， 土體變形較大的區(qū)域仍然集中在坡體后緣殘坡積區(qū)的兩側(cè)和崩坡積區(qū)后緣， 這與天然狀態(tài)下邊坡破壞臨界狀態(tài)下的破壞位置相一致。 對比圖6 和圖7 可以看出， 暴雨?duì)顟B(tài)下，坡體的剪切應(yīng)變增量明顯增大， 且剪切應(yīng)變增量較大區(qū)域的土體深度也較天然狀態(tài)下有所增大。 從剪應(yīng)變增量云圖來看， 滑體上部位移矢量近乎于坡面平行， 表現(xiàn)為“剪切”， 下部位移矢量漸漸表現(xiàn)為“剪出”。 與之對應(yīng)， 位移平面圖上的表現(xiàn)形態(tài)為： 上部與邊坡表面近乎平行，下部與坡面相交。 這些現(xiàn)象表明， 邊坡的潛在滑動面以淺表層局部圓弧滑動為主。

圖7 暴雨?duì)顟B(tài)下邊坡剪應(yīng)變增量Fig.7 Shear strain increment of the slope under rainstorm condition

上述天然和飽水兩種狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性結(jié)果表明： 天然狀態(tài)下邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)， 而暴雨或連續(xù)降雨使邊坡巖土體強(qiáng)度參數(shù)降低， 導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)大幅降低， 邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

四川羅家青杠嶺滑坡特征明顯、 現(xiàn)場資料較全， 是開展滑坡穩(wěn)定性分析的很好實(shí)例。 通過現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查、 鉆孔、 探槽等手段， 分析了滑坡成因機(jī)理， 并利用FLAC3D采用強(qiáng)度折減法對滑坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析， 主要認(rèn)識如下：

（1） 羅家青杠嶺滑坡特征十分明顯， 滑坡邊界明顯、 后緣裂縫發(fā)育， 屬于小型推移式殘坡積層滑坡。

（2） 現(xiàn)場調(diào)查結(jié)合穩(wěn)定性分析表明， 羅家青杠嶺滑坡在天然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)， 在暴雨?duì)顟B(tài)下， 處于欠穩(wěn)定狀態(tài)， 兩種狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.56 和1.19。

（3） 根據(jù)剪應(yīng)變增量云圖， 羅家青杠嶺滑坡土體變形較大的區(qū)域集中在坡體后緣殘坡積區(qū)的兩側(cè)和崩坡積區(qū)后緣。 坡體后緣左右兩側(cè)裂縫發(fā)育的區(qū)域很容易再次發(fā)生局部滑動， 應(yīng)加強(qiáng)該區(qū)域的監(jiān)測。