朱 濤

(福建省地質(zhì)工程勘察院，福州，350002)

緩傾滑坡[1-4]是眾多滑坡中較為特殊的一類滑坡，其中的“緩傾”指的是滑動(dòng)面的傾角較為平緩(為5 °～ 15°)，有時(shí)甚至近于水平。該類滑坡的滑動(dòng)面土體內(nèi)摩擦角往往大于滑面傾角，按照傳統(tǒng)的極限平衡理論，沒有特殊的原因難以發(fā)生滑坡，但實(shí)際上這類滑坡卻屢見不鮮。我國(guó)的緩傾滑坡主要分布在三峽庫(kù)區(qū)中段萬(wàn)州、重慶一帶，四川盆地及周邊地區(qū)，以及黃土高原等地。其中，事發(fā)于四川省巴中市南江縣的一系列滑坡則是我國(guó)緩傾滑坡事故中最為典型的案例[5]。該縣于2011年9月16日期間發(fā)生了千余處滑坡，這些滑坡沿著呈現(xiàn)“光面”形式的界面而滑動(dòng)。該類邊坡上覆土層較薄，巖層傾斜角度較緩，使得重力導(dǎo)致的下滑力較小，因而根據(jù)傳統(tǒng)的極限平衡理論，應(yīng)該具有較高的穩(wěn)定性，一般不易發(fā)生失穩(wěn)破壞。然而，數(shù)以千計(jì)的緩傾滑坡在降雨期間不約而同地陸續(xù)發(fā)生，有力地證明了其發(fā)生是由于十分特殊的成因機(jī)理和形成條件。雖然少量的緩傾滑坡發(fā)生并不會(huì)造成過大的危害，但這種大規(guī)模群集性的土質(zhì)滑坡往往都發(fā)生在人員居住的密集區(qū)域，存在的大片良田和村落聚集地，因而必須引起足夠的重視。

雖然目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)常規(guī)滑坡進(jìn)行了較為深入而全面的研究[6]，但是，對(duì)于近年來(lái)頻繁發(fā)生，分布在廣大農(nóng)村的中小型緩傾滑坡的研究仍然相對(duì)較少。由于這類中小型緩傾滑坡給人不具備發(fā)生滑坡條件的錯(cuò)覺，因此在前期不會(huì)引起足夠的重視，甚至還出現(xiàn)人為加劇滑坡形成與發(fā)展的行為。一旦滑坡形成，必然造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡。而這些滑坡的治理經(jīng)費(fèi)會(huì)給經(jīng)濟(jì)原本就欠發(fā)達(dá)的農(nóng)村地區(qū)和山區(qū)帶來(lái)更大的壓力。因此，筆者充分利用數(shù)值計(jì)算手段的優(yōu)越性，選取三明明溪烽林場(chǎng)施工工地緩傾滑坡作為工程實(shí)例進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以期能夠建立起該類滑坡的地質(zhì)概念模型、變形破壞力學(xué)模式和數(shù)值計(jì)算模型，以便為將來(lái)該類滑坡的治理提供依據(jù)。

1 工程實(shí)例分析

所研究的緩傾滑坡位于三明明溪烽林場(chǎng)在建工地的開挖邊坡，是福建省內(nèi)較為罕見的土質(zhì)緩傾滑坡。該滑坡位于侵入巖與沉積碎屑巖的接觸帶上，特殊的巖土體組合和獨(dú)特的水文地質(zhì)條件， 形成了該滑坡獨(dú)特的變形破壞特征(圖1)。

圖1 明溪烽林場(chǎng)工地滑動(dòng)面及滑床特征圖Fig.1 Sliding surface and slide bed characteristic diagram in Mingxifeng forest site1—素填土；2—粉土；3—有機(jī)質(zhì)土；4—泥巖殘坡積土；5—花崗巖殘坡積土；6—全風(fēng)化花崗巖；7—強(qiáng)風(fēng)化泥巖；8—強(qiáng)風(fēng)化花崗巖；9—中風(fēng)化花崗巖；10—滑動(dòng)面；；12—鉆孔

該滑坡主軸長(zhǎng)230 m，前緣寬260 m，前后緣高差35 m，滑坡面積接近6×104m2，滑坡體的平均厚度為13 m，潛在體積76×104m3，主滑方向近正西，沿主滑方向坡面總體坡度8° ～ 10°，主滑段滑面傾角約6°?；虑熬墳檎降慕ㄔO(shè)用地，地面出現(xiàn)隆起現(xiàn)象(照片1)，在建廠房墻體開裂?；虑熬壩挥谂璧刂小⑶安?，為地下水排泄區(qū)，出露地層為一套厚度數(shù)米至十?dāng)?shù)米的有機(jī)質(zhì)土(照片2)，呈軟塑或流塑狀，具有流變性質(zhì)。場(chǎng)地東側(cè)為人工填土邊坡(滑坡后緣)，寬度約210 m，高度7～9 m，坡度65°。

照片1 滑坡前緣的隆起和地面開裂Photo.1 Uplift of landslide front and ground cracking

照片2 滑坡前緣有機(jī)質(zhì)土出露Photo.2 Organic soil exposure in landslide front

場(chǎng)地周邊屬剝蝕丘陵地貌， 總體地勢(shì)為東高西低， 山頂標(biāo)高一般 350～450 m， 個(gè)別山頭超過500 m，山頂渾圓，山脊平緩圓潤(rùn)，相對(duì)高差60～90 m，最大相對(duì)高差 280 m，自然坡度一般 15°～25°。主要溝谷呈北東-南西向，為“U”型谷，溝底平緩開闊，形似一個(gè)口朝西的嗩吶狀?；聟^(qū)微地貌為平緩的山間小盆地，南北寬約 370 m，東西長(zhǎng)約450 m，三面環(huán)山，開口朝西，左右兩側(cè)為小溪溝，右側(cè)溪溝為常年流水溪溝，溪溝中上部沖溝發(fā)育。

初步的勘察分析結(jié)果表明，該滑坡主要受到強(qiáng)降雨影響，雨水大量滲入巖土體，增加了巖土體的容重，同時(shí)降低了土體的抗剪強(qiáng)度，增大了下滑力，同時(shí)，由于雨水的持續(xù)軟化作用，邊坡中形成了一條坡度十分緩的軟弱滑帶，從而導(dǎo)致了滑坡的發(fā)生。

2 滑坡工程實(shí)例的有限元模擬

2.1 有限元模型

采用ANSYS/LS-DYNA[7]軟件對(duì)滑坡進(jìn)行模擬，經(jīng)過一定的簡(jiǎn)化，建立了單個(gè)單元厚度的滑坡有限元模型(圖2)。邊坡模型長(zhǎng)度為370 m，左側(cè)高度為110 m，右側(cè)高度為50 m，單元?jiǎng)澐謴纳现料?顏色由淺到深)的土層分別是粉土、有機(jī)質(zhì)土、花崗巖殘積土、全風(fēng)化花崗巖和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。其中，黑色單元為單層厚度的潛在滑動(dòng)面單元，該滑動(dòng)面是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察、室內(nèi)試驗(yàn)成果，并結(jié)合反演分析和工程類比的方法所獲得的。

土體采用Mohr-Coulomb模型來(lái)描述，主要的本構(gòu)參數(shù)為土體密度、黏聚力、內(nèi)摩擦角和彈性模量，計(jì)算參數(shù)值采用試驗(yàn)得到的土體材料參數(shù)(表1)。

圖2 滑坡的有限元模型Fig.2 Finite element model of landslide

2.2 計(jì)算工況

根據(jù)文獻(xiàn)得知[8]，緩傾滑坡的主要誘發(fā)因素為地下水產(chǎn)生的靜水壓力和浮托力，以及由于地下水和降雨作用導(dǎo)致的土體強(qiáng)度參數(shù)值的降低(即生成了軟弱滑動(dòng)面)。再考慮到不同工況下的地下水位的特點(diǎn)，各工況之間的差別在于，地下水位越高，對(duì)滑坡后緣產(chǎn)生的靜水壓力以及滑坡體底部產(chǎn)生類似三角形分布的浮托力也就越大，因而對(duì)滑坡穩(wěn)定性就越不利。同時(shí)，水位線以上的土體采用天然土體材料參數(shù)，而水位線以下的土體則需要采用飽和土體材料參數(shù)。

有鑒于此，通過軟弱滑動(dòng)面的生成、滑坡體后緣的靜水壓力和滑坡體底部的浮托力的施加來(lái)考慮降雨量大小，以及地下水對(duì)滑坡的影響，筆者采用以下3種不同地下水位工況進(jìn)行綜合分析。

表1 試驗(yàn)得到的土體材料參數(shù)

天然工況：地下水位取勘察鉆孔的實(shí)際水位，水位線位于滑坡后緣裂隙以上10 m處，也即h1=10 m，因而最大靜水壓力和浮托力為γwh1=100 kPa。地下水位以上巖土體采用天然狀態(tài)參數(shù)，地下水位以下采用飽和狀態(tài)參數(shù)(圖3-a)。

雨季工況：地下水位取高水位(根據(jù)雨季期間監(jiān)測(cè)孔揭露的地下水水位)，水位線位于滑坡后緣裂隙以上20 m處，也即h2=20 m，最大靜水壓力和浮托力為γwh2=200 kPa。地下水位以上巖土體采用天然狀態(tài)參數(shù)，地下水位以下采用飽和狀態(tài)參數(shù)(圖3-b)。

極端暴雨工況：考慮滑坡體處于全飽水狀態(tài)，水位線位于坡體表面，也即h3=30 m，最大靜水壓力和浮托力為γwh3=300 kPa。滑坡巖土體全部采用飽和狀態(tài)參數(shù)(圖3-c)。

圖3 不同地下水位計(jì)算工況的力學(xué)概化模型Fig.3 The generalized mechanical models for calculating under different groundwater level conditions

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

趙尚毅等[9]認(rèn)為，對(duì)于一般的均質(zhì)土坡平面應(yīng)變問題，在ANSYS程序中將迭代次數(shù)設(shè)定為1 000次，將力和位移的收斂系數(shù)設(shè)定為0.000 01完全可以保證足夠的計(jì)算精度。因此，在 ANSYS 程序的D-P強(qiáng)度準(zhǔn)則中采用非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則(膨脹角為0)進(jìn)行計(jì)算，力和位移的收斂標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)均取為0.000 01，最大迭代次數(shù)為1 000次，一次性施加重力荷載，也即荷載增量步設(shè)置為1步，有限元求解器選用ANSYS程序提供的稀疏矩陣求解器選用全牛頓-拉普森迭代方法。

各工況的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，天然工況的安全系數(shù)為0.95，雨季工況的安全系數(shù)為0.92，極端暴雨工況的安全系數(shù)為0.86，邊坡基本都處于不穩(wěn)定或者欠穩(wěn)定狀態(tài)，尤其是在雨季和極端暴雨情況下，該邊坡穩(wěn)定性較差。因此，亟需采取合適的治理措施，對(duì)邊坡進(jìn)行加固處理，以免發(fā)生滑塌。

此外，邊坡被破壞時(shí)滑動(dòng)面上節(jié)點(diǎn)位移和應(yīng)變將產(chǎn)生突變，滑動(dòng)面位于水平位移和應(yīng)變突變的地方，因此可在ANSYS程序中通過繪制邊坡等效應(yīng)變?cè)茍D來(lái)確定滑動(dòng)面。有限元強(qiáng)度折減法滑動(dòng)面展示(圖4)，位移云圖通過大小為0.1(即10%)的應(yīng)變尺度來(lái)顯示。顯而易見，由于事先生成了強(qiáng)度參數(shù)較低的一層圓弧形的軟弱滑動(dòng)面單元，因而計(jì)算得到的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面都發(fā)生于這層單元之中，整層單元都呈現(xiàn)大應(yīng)變狀態(tài)。

圖4 有限元強(qiáng)度折減法滑動(dòng)面展示Fig.4 Sliding surface display of strength reduction finite element method

2.3.2 滑坡變形

3種不同工況的滑坡水平向位移云圖對(duì)比，其中黑色邊框表示未變形的邊坡輪廓，用于與變形后的邊坡進(jìn)行對(duì)照。為了更清楚地顯示對(duì)比結(jié)果，將邊坡變形都放大了3倍。

(1)由于軟弱滑動(dòng)面的存在，天然工況下的邊坡也出現(xiàn)了較大的水平位移(圖5-a)，滑坡體后緣區(qū)域出現(xiàn)了一定的位移集中現(xiàn)象(滑坡體后緣的位移云圖整體呈深色)，而坡腳則出現(xiàn)一定的隆起。在滑坡現(xiàn)場(chǎng)也觀測(cè)到了類似的滑坡前緣地面隆起、開裂的現(xiàn)象，因而，數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性在一定程度上得以證明。

(2)由于地下水位的抬升，雨季工況下導(dǎo)致滑坡后緣的靜水壓力和滑坡底部的浮托力有所增大，使得邊坡的整體變形也有所增加，前緣隆起現(xiàn)象也出現(xiàn)了加劇趨勢(shì)，滑坡體的位移集中現(xiàn)象也明顯擴(kuò)大(圖5-b)。

(3)在極端暴雨情況，由于邊坡處于最不利的受力狀態(tài)和土質(zhì)條件下，因而邊坡的位移也急劇增大，滑坡前緣的隆起明顯遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原始地面(圖5-c)，因此，亟需采取合適的治理措施，對(duì)邊坡進(jìn)行加固處理，以免發(fā)生進(jìn)一步滑塌。

圖5 3種不同工況下邊坡的水平向位移云圖(單位：m)(變形放大3倍)Fig.5 Horizontal displacement nephogram of the slopes under 3 different working conditions

通過3種不同工況對(duì)比也可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于這類坡度較緩、滑面傾角較小的邊坡，一般情況下是難以發(fā)生明顯滑坡的，即使坡體中生成了軟弱滑帶，但是由于滑動(dòng)面的土體內(nèi)摩擦角大于滑面傾角，滑坡變形相對(duì)也不會(huì)太劇烈。然而，對(duì)于暴雨工況，由于滑坡體底部浮托力的作用，加上后緣裂隙充盈水分使得滑坡推力大大增加，從而使得邊坡出現(xiàn)劇烈的變形，前緣隆起急劇增大，導(dǎo)致邊坡在傾角很小的情況下發(fā)生滑塌。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)通過數(shù)值模擬計(jì)算，形象地還原了緩傾滑坡的變形與破壞，并且得到了不同工況和不同地下水條件下的邊坡位移，能夠?yàn)閷?lái)該類滑坡的研究和預(yù)判提供一條可行之路。

(2)所研究的邊坡坡度較緩，因此，在良好土質(zhì)條件下，邊坡穩(wěn)定性很強(qiáng)，安全系數(shù)達(dá)1.54，邊坡變形也較小，說明這類坡度很緩的邊坡，一般情況下是不容易發(fā)生滑坡的，緩傾滑坡的形成是受到特殊的地下水因素影響。

(3)通過調(diào)整作用在滑坡后緣的靜水壓力和滑坡底部的浮托力來(lái)表征降雨和地下水對(duì)緩傾滑坡的影響，結(jié)果表明，該緩傾滑坡在天然工況、雨季工況和極端暴雨工況下，安全系數(shù)分別為0.95，0.92和0.86。因此，從滑動(dòng)面傾角上分析，該邊坡一般應(yīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，但實(shí)際上由于地下水所導(dǎo)致的力學(xué)作用，使得該邊坡處于不穩(wěn)定或者欠穩(wěn)定狀態(tài)，尤其是在雨季和極端暴雨情況下，穩(wěn)定性較差，亟需采取合適的治理措施，對(duì)邊坡進(jìn)行加固處理，以免發(fā)生滑塌的危險(xiǎn)。

(4)在天然工況、雨季工況和極端暴雨工況下，滑坡的位移逐漸增大，前緣的隆起逐漸變得更劇烈，滑坡體的整體位移集中現(xiàn)象的越發(fā)明顯。

1 馮文凱，石豫川，柴賀軍，等. 緩傾角層狀高邊坡變形破壞機(jī)制物理模擬研究. 中國(guó)公路學(xué)報(bào), 2004, 17(2).

2 張群，許強(qiáng)，李江，等. 南江“9·16”群發(fā)性緩傾淺層土質(zhì)滑坡特征與成因機(jī)制研究. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào), 2015, 24(3).

3 范宣梅，許強(qiáng)，黃潤(rùn)秋，等. 四川宣漢天臺(tái)特大滑坡的成因機(jī)理及排水工程措施研究. 成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2006, 33(5).

4 黃國(guó)平，柳侃，葉龍珍. 明溪烽林場(chǎng)滑坡形成機(jī)理及防治措施. 江西理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 35(5).

5 朱亮. 巴中黑山坡平推式滑坡成因機(jī)制及變形破壞演化過程分析.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院, 2014.

6 許強(qiáng)，范宣梅，李園，等. 板梁狀滑坡形成條件、成因機(jī)制與防治措施. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2010, 29(2).

7 Hallquist, J.O. . LS-DYNA Keyword User's Manual (971 R6.0.0). Livermore:Livermore Software Technology Corporation, 2012.

8 杜瀟翔. 貴州省習(xí)水縣程寨滑坡形成機(jī)制及穩(wěn)定性研究.成都：成都理工大學(xué), 2013.

9 趙尚毅，鄭穎人，張玉芳. 極限分析有限元法講座——Ⅱ有限元強(qiáng)度折減法中邊坡失穩(wěn)的判據(jù)探討. 巖土力學(xué), 2005, 26(2).