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user: 4. 稳定性分析 4.1. 软件介绍 FLAC 3D (Fast Lagrangian Analysis of Continua)由美国ITASCA公司开发的仿真计算软件。能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发生变形和移动(大变形模式)。FLAC 3D 采用了显式拉格朗日算法和混合–离散分区技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。 4.2. 模型构建 根据现场勘察划分的边界条件，为了不影响计算的精度，模型下游边界取到夏日堆积体下游沟侧山梁，上游边界取到上游变形体，前缘为雅砻江右岸，后缘边界高程最高处约2950.0 m处。其中上游边界离滑坡体最近距离为100.0 m，下游边界离滑坡体距离为100.0 m。模型取坐标原点为模型下游与后边界交点，X向为垂直雅砻江方向，指向江的方向为正方向，取长度900.0 m，Y坐标轴为顺雅砻江方向，指向上游为正方向，取宽度600.0 m，Z坐标轴为重力加速度方向，底部取高程2000.0 m，向上为正。由于边坡只受到重力场作用，因此模型边界设定为固定边界约束 [ 8 ]。模型假定边坡岩体应力、应变之间的本构关系为弹塑性 [ 9 ]，岩体的破坏服从摩尔–库仑准则 [ 10 ]。 为了适应地表的复杂起伏状况，计算模型靠近地表部分采用四面体自由剖分，选用较密的网格。模型的下部基岩采用六面体映射剖分。共剖分节点5641个，单元21，399个(图2-计算模型)。 当滑体为地表覆盖层时，滑体采用四面体剖分，共剖分288个节点，698个单元(图2-滑体1)，滑体和变形基岩之间设置接触面模拟滑坡面，接触面剖分为183个节点(图2-滑面1)。 当滑坡发生在强风化变质砂岩中，滑体为两层，第一层为覆盖层，第二层为强风化变质砂岩，滑体共剖分为1227个节点，4386个单元(图2-滑体2)，滑面剖分为771个节点(图2-滑面2)。 4.3. 计算工况 由于滑体1的滑面高于正常蓄水位，稳定性分析中不考虑蓄水的影响，主要考虑天然、地震两种工况；滑体2变形岩体考虑天然、蓄水、地震、地震+蓄水四种工况。地震工况采用动力水平向峰值加速度采用50年超越概率10%的峰值加速度0.167 g [ 11 ][ 12 ]。 4.4. 物理力学参数取值 夏日滑坡物理力学参数根据物理力学试验结果、反演分析及工程地质类比 [ 13 ]并参考《水利水电工程地质勘察规范(GB50287-99)》等规范提出，具体参数值见表1。 图2. 数值模型 Table 1 Physical mechanics parameters of rock mas 岩土体 弹性模量/GPa 泊松比/μ 湿重度/kN∙m −3 饱和重度/kN·m −3 粘聚力/kPa 内摩擦角/˚ 堆积体 1.00 0.34 20.00 21.00 38.00 35.00 破碎砂岩 9.00 0.29 21.00 22.00 70.00 38.00 弱风化砂岩 36.00 0.23 26.00 27.00 300.00 45.00 微风化砂岩 44.00 0.22 27.00 28.00 800.00 50.00 表1. 岩体物理力学参数 4.5. 稳定性计算结果及评价 4.5.1. 安全系数 夏日滑坡稳定性计算成果见表2。 由表2可知，在第一种表层堆积体滑移模式下，天然状态时安全系数为1.20，地震工况时安全系数为1.06，边坡在天然工况下处于稳定状态，在地震工况下处于极限平衡状态；由图3~图4滑面上的安全系数分布可以看出，在地震作用下，安全系数降低了11.7%，在滑面两侧和后缘，原来处于安全状态的区域，部分处于危险状态，同时在滑面前后缘边界，出现了一些的破坏区，由于堆积体的坡脚松动和后缘出现拉张作用，导致坡脚和后缘安全系数降低。 由表2可知，第二种强卸荷变形岩体滑移模式下，天然状态时安全系数为1.36，地震工况时安全系数为1.18，较天然状态降低了13.2%，蓄水工况时安全系数为1.28，较天然状态降低了5.9%，蓄水+地震工况时安全系数为1.10，滑体已接近极限平衡状态，较天然状态降低了19.1%；蓄水+地震工况下安全系数降低幅度最大。安全系数如分布图5~图8。 4.5.2. 天然应力场 天然状态下边坡的最大主应力及最小主应力均为层状分布，大主应力 σ 1 最大值为5.38 MPa，小主应力 σ 3 最大值为11.57 MPa。最大主应力在坡脚位置有明显的应力集中现象，在坡表附近应力等值线几乎与坡面平行，随边坡深度的增加，最大主应力方向开始转变，最大主应力和水平方向的夹角逐渐增大，最终直至铅直，最大主应力值在地表附近趋近与零，并且随深度的增加其值不断变大，在边坡底部最大主应力值最大；最小主应力在边坡内呈渐变分布，靠近临空面最小主应力值趋近与零，从坡表堆积体到深部基岩最小主应力值逐渐变大，在底部出现最大值；从图中可以看出，坡体内的应力场分布特征主要受重力场的控制，坡内应力场的分布符合中国西南应力区斜坡应力场基本特征，该边坡整体处于受压状态，但在滑体边缘地表附近出现不连续的拉应力区，最大拉应力值为0.4 MPa。 4.5.3. 天然工况 在天然工况下，夏日滑坡主要受重力场的影响，主应力沿坡面呈层状分布，最大主应力0.82~5.38 MPa，边坡整体处于受压状态，只要在坡面小部分区域内出现拉应力区；在高程2600 m附近上覆堆积体与基岩接触面上出现轻微的应力集中现象，边坡整体未出现剪应力增量集中带，最大剪应力值为3.84 MPa；塑性区零星的分布于高程2600~2750 m之间，整体处于弹性变形阶段，少量堆积体处于剪屈服阶段；堆积体水平方向上的位移最大值为1.42 cm (见图9)，发生变形的深度和范围都较小。因此，上覆堆积体与下伏基岩的界面为一潜在的滑动界面，但是天然状态下夏日滑坡处于稳定状态。 4.5.4. 蓄水工况 在蓄水至高程2479 m工况下，主应力仍呈层状分布，但最大主应力值增大为1.08~5.96 MPa，最小主应力在堆积体内出现底应力区，但分布范围有限；在边坡的前缘和后缘开始出现剪应力集中带，最大值为6.26 MPa；塑性区在高程2450~2800 m之间呈带状分布，但并未贯通，堆积体前缘处于剪屈服状态，后缘处于拉屈服状态；边坡坡表位移增大，水平方向上的位移最大值为3.07 cm (见图10)，范围有明显的扩大，强卸荷的破碎砂岩也出现了微小的位移，所以强卸荷砂岩与上覆岩体的接触界面为一潜在滑动面，结合3.5.1的计算可知，在蓄水工况下夏日滑坡仍处于安全状态，但是局部会出现小范围的滑塌现象。 4.5.5. 地震工况 在地震工况下，夏日边坡主应力分布主要受控于地震动力作用，边坡最大主应力在坡脚和坡底都出现明显集中，最大主应力值为1.12~8.46 MPa，最小主应力在坡脚出现应力降低区，在堆积体后缘出现拉应力区；剪应力在坡脚出现明显的应力集中，集中位置为滑体的剪出口，最大值为8.75 MPa；塑性区分布范围明显增大，在高程2400~2800 m之间呈带状分布，其贯通率约为80%，堆积体前缘处于剪屈服状态，中部处于拉剪屈服状态，后缘处于拉屈服状态；边坡坡表位移增大，水平方向上的位移最大值为4.11 cm (见图11)，位移主要发生在上覆堆积体和下伏强卸荷破碎砂岩中，且堆积体位移较大，处于极限平衡状态，发生失稳破坏的可能性较大。综合表明，地震工况下边坡的处于极限平衡状态，且地震对上覆堆积体的影响较大。 Table 2 Calculation results of stability coefficient of Xiari landslid 滑面 不同工况安全系数 天然 地震 蓄水 蓄水 + 地震 滑面1 1.20 1.06 / / 滑面2 1.36 1.18 1.28 1.10 表2. 夏日滑坡稳定性系数计算结果 图3. 天然工况下安全系数分布图 图4. 地震工况下安全系数分布图 图5. 天然工况下安全系数分布图 图6. 地震工况下安全系数分布图 图7. 蓄水工况下安全系数分布图 图8. 地震 + 蓄水工况下安全系数分布图 图9. 水平方向位移云图 图10. 水平方向位移云图 图11. 水平方向位移云图