1、降雨影响下的滑坡稳定性数值模拟分析摘要：降雨是诱发滑坡的最主要外部因素之一，降雨诱发滑坡的机理可概括为力的作用和对强度的影响。本文通过有限元计算某工程在降雨期间滑体处于不同饱和度下的位移、应力、应变增量值，分析滑坡在降雨影响下的稳定性，当坡体处于饱水状态时，安全储备较低，建议应该采取适当的措施保持滑体的稳定性。 关键字：降雨 滑坡 饱和度 数值模拟 中图分类号：P642.22 文献标识码：A 引言 滑坡是自然界常见的一种地质灾害，滑坡的发育分布及其危害程度与地质环境条件、气象水文及植被条件、人类经济工程活动等因素有着极为密切的关系。众多因素可以归为内部和外部因素两大类，内部因素主要有地形地貌、
2、地层岩性、岩土体结构条件和断裂构造等，而外部因素主要包括降雨作用、地震作用、植被作用和人类工程活动的影响等方面。大量统计资料表明自然界绝大部分滑坡都是发生在降雨期间或降雨之后，毫无疑问降雨是诱发滑坡的最主要外部因素之一。暴雨触发滑坡以 1982 年四川万县地区云阳等县最为严重，1982 年 7 月中下旬该地区降雨量为 600700mm，最大降雨过程降雨量达 350420mm，诱发了全地区数万处滑坡。1996 年 7 月秭归万塘村孔家槽土滑坡由于当时连续三天降雨量达到 277mm 而发生滑坡灾害。在我国的大部分地区，经常由于降雨而触发滑坡，因而降雨量、地下水等与边坡的位移量、稳定性等有密切的关系
3、。很多学者从降雨量、降雨的强度等方面分析了降雨与滑坡的关系，如谢剑明、殷坤龙等通过相关性分析建立了有效降雨量模型，得到了浙江省区域性滑坡发生的临界降雨量和降雨强度阈值。徐则民、黄润秋等从滑坡孕育过程中水岩的力学作用、物理作用、化学作用三个方面研究了降雨对滑坡的影响。降雨与滑坡关系的分析为滑坡防治措施的研究奠定了良好的理论基础。 1 降雨诱发滑坡的机理 降雨诱发滑坡的机理相当复杂，是多因素综合作用的结果，总体可归纳为降雨促使滑面剪应力增大、滑带土抗剪强度降低，主要表现在以下几个方面：一是力的作用，在降雨过程中，地表水进入岩土体使滑体由天然含水状态转变为饱水状态，从而增大了滑体的重量，使滑面的剪应
4、力增大；二是降雨入渗形成的地下水与岩土体产生润滑、泥化、软化及水化等作用，改变了岩土体的力学特性，导致岩土体粘聚力下降，基质吸力减小，抗剪强度降低；三是降雨入渗后导致边坡内地下水位上升，在坡脚处难以及时排除，产生静、动水压力导致滑移；同时地下水位升高时对滑体产生浮托作用，降低了滑体的抗剪力；四是当降雨在地表形成坡面径流时，会对坡面形成冲刷力及动水压力，侵蚀坡脚，破坏坡体，改变边坡结构和应力分布，使处于极限平衡状态的坡体产生滑动。 本文以某工程中的滑坡体为研究对象，工程区由凝灰岩、钙质砂岩组成，岩体完整性好，滑坡堆积体集中位于基岩上，与基岩呈不规则弧形接触，地质勘测表明，在正常情况下，该滑体基本
5、稳定，但若受到大型降雨的影响，随着滑体饱和度的增加，滑体的粘聚力和内摩擦角等物理力学参数将降低，因而滑体有可能处于不稳定状态。本文将通过 ANSYS有限元来计算受到大型降雨的影响滑体在不同饱和度下的位移、应力、应变值，分析降雨对滑坡的稳定性的影响。 2 实例分析 2.1 滑坡物理力学参数及计算模型的建立 计算中岩土体的物理力学参数是在室内试验资料及结合相关规范综合分析的基础上选取的，滑体在正常状态下的饱和度为 16.4%，其与饱和度的关系如表 1 所示。 基岩的物理力学参数为：弹性模量，泊松比，容重， ， 。 表 1：滑体物理力学参数与饱和度的关系 该模型的建立采用有限元软件 ANSYS 建立
6、二维平面应变计算模型。由于边界范围的大小直接影响着计算精度，因次在模型建立过程中为了减小边界效应对计算结果的影响，模型宽取为 1610m，左边界高为506m，右边界高 198m。模型建立中边界条件为左右两侧约束 X 方向的位移，底边约束 X，Y 方向的位移，模型的上部边界取为自由面。具体如图1 所示。 图 1:滑坡二维有限元模型 2.2 计算结果分析 依据滑坡体在不同饱水状态下的物理力学参数和建立的二维有限元模型，对滑坡体在不同饱水状态工况下的稳定性进行了有限元分析，限于篇幅，本文仅就天然状态、饱和度为 50%及饱水状态下的稳定性进行分析对比。 图 2图 4 为初始状态下即天然状态下滑体的位移
7、、剪应力、剪应变图。 图 2：初始状态下的位移场/m 图 3：初始状态下剪应力云图/Pa 图 4：初始状态下剪应变云图 从上述应力应变图可以看出，天然状态下滑体基本处于稳定状态，但在滑体与基岩的交界面上的滑坡体下部出现了明显的应力、应变集中现象，此处的滑体处于最不利状态。 图 5图 7 为滑坡体饱和度为 50%时相对于天然状态下的位移增量、剪应力增量、剪应变增量图。 图 5：饱和度为 50%时的位移增量/m 图 6：饱和度为 50%时剪应力增量/Pa 图 7：饱和度为 50%时剪应变增量 从饱和度为 50%的位移、应力、应变增量图来看，随着饱和度的增加滑坡体的中上部产生一定的位移、应力、应变增
8、量，位移增量在滑坡体中部达到 4.2mm 左右，应力增量在滑体与基岩的交界面上为 0.032MPa，在滑体中上部应力增量为 0.058MPa。 图 8图 10 为滑坡体饱和度为 100%时相对于天然状态下的位移增量、剪应力增量、剪应变增量图。此时坡体处于最不利受力状态。 图 8：饱水状态位移增量/m 图 9：饱水状态剪应力增量/Pa 图 10：饱水状态剪应变增量 从上述图中可以得到，最不利状态下滑体的中上部的位移发生相对较大的变化，相对于天然状态，滑体位移增量为 1.6cm 左右，同时最大剪应力增量在滑体与基岩的交界面上为 0.087MPa，在滑体中上部应力增量为 0.148MPa。 综上分析
9、可知，滑体随着降雨量的增加，滑体的位移、应力、应变随之增大，当滑体处于最不利状态时，虽然滑体的下部处于相对稳定状态，但滑体中上部已经达到塑性状态，在最不利状态下滑体的安全储备较低，在实际工程中应该采取一定的措施予以防治，从而保持滑体的稳定性。 3 结语 降雨是诱发滑（边）坡发生的主要因素之一，研究降雨对滑坡稳定性的影响十分主要，本文通过一个工程实例，采用有限元分析软件 ANSYS对滑坡的稳定性进行了初步的计算分析，主要得到以下结论： 1）降雨不仅增加了滑体的重量同时还削弱了滑面抗剪强度，从而导致滑坡的稳定性不足。 2）在天然状态下滑体基本处于稳定状态，但在饱水状态下滑体的安全储备较低，发生灾害
10、的可能性大，因次要尽量控制滑体的饱和度，保证滑坡的稳定。 3）基于以上的计算分析可知，降雨对滑（边）坡的影响很大，建议在一些降雨较多的地区要采取必要的排水、截水措施，如地面排水、浅层地下排水、深层地下排水、地表护填、地面截水、地下截水等措施。 参考文献： 1 孙广忠中国典型滑坡M 北京: 科学出版社，1988 2 谢剑明，刘礼领，殷坤龙等浙江省滑坡灾害预警预报的降雨阈值研究J 地质科技情报，2003,22(4) 3 徐则民，黄润秋，范柱国滑坡灾害孕育激发过程中的水-岩相互作用J 自然灾害学报，20052. 4 卞世俊降雨诱发滑坡机制研究及防治措施J 西部探矿工程，2010，5：3-5 5 殷坤龙，汪洋，唐仲华降雨对滑坡的作用机理及动态模拟研究J 地质科技情报，2002，21 6 谢守益，徐卫亚降雨诱发滑坡机制研究J 武汉水利电力大学学报，1999，2
