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滑坡稳定性是工程地质研究的重要课题之一,滑坡是由斜坡演化失稳的一类地质灾害,我国每年由于滑坡引起的直接间接经济损失达200亿元,用于滑坡治理的费用则更高。因此对滑坡的稳定性研究与治理已成为国家及滑坡研究者十分重视的研究领域。
随着学科交叉的相互渗透,研究滑坡稳定性的方法越来越多,尤其最近十年的数值模拟在工程领域中的应用和发展,使工程问题的研究的视野更加开阔。工程中的数值模拟使原本不可见的地质现象、不明了的变形和位移的变化情况生动形象的呈现在眼前。相对于以往的单纯的数值计算和经验估计的结果,数值模拟的结果是个很好的佐证,能将我们对工程事件的研究从数值到三维图形动态分析、从监测预报到假定多种工况情况下的研究,总之,数值模拟的应用使我们能更好的研究工程事件。
滑坡的数值模拟稳定性研究是在滑坡勘察,即地质调查、地表勘测、钻孔取芯分析、地下水检测、室内外试验基础上,对整个滑坡运用数学、计算机学、力学分析手段来评价稳定状态。分析的最终目的是确定在各种外界和边界条件下滑体的稳定状态,诸如天然状态、饱水状态及各种外力、动力叠加状态等,进而对其进行科学治理,为防灾减灾服务。
本论文将着重利用数值模拟来研究复杂受力条件下保扎滑坡的稳定性,课题研究依托于“湖北恩施地质灾害调查研究”,恩施市地处鄂西南褶皱山地,属云贵高原的东延部分,是滑坡灾害频发地区,斜坡变形破坏强烈,现象典型。
保扎滑坡属特大型古滑坡,最早于1960年7月开始滑移,暴雨后该滑坡整体滑移,整体向北东东方向滑移500~600m,滑距达1公里,此后在1975年、1980年、1998年、2000年曾多次局部变形。本文在此情况下选取保扎滑坡进行数值模拟稳定性分析:
本文首先从保扎滑坡的地质特征入手。通过地质调查,勘探资料、监测资料以及试验资料的收集整理,介绍了该滑坡的自然地理状况,包括水文气象和地形地貌。查明了该滑坡的区域地质状况,包括地层岩性、地质构造、水文地质条件等。还研究了滑坡的地质特征,包括滑坡的岩体结构特征、滑坡的周界及形态特征以及物质的结构特征。在了解该滑坡的地质特征的基础上,结合滑坡变形破环现状,分析了影响滑坡稳定性的因素以及形成机理。野外调查资料和监测资料表明,保扎滑坡目前未见任何变形破坏痕迹,整体上基本处于稳定状态。将来可能发生破坏的危险地段为:滑坡前缘、中部陡峭部位和人工开挖的边坡。影响保扎滑坡稳定性最主要的因素是滑坡前缘下切,特别是暴雨、地震等因素叠加时,必将影响滑坡的整体的稳定性。
其次,数值模拟模型的建立。根据地形图,钻孔柱状图确定有限个坐标数据(X,Y,Z),然后通过坐标转换、Lagrange插值方法实现地形与滑动面的拟合来建立地质模型。在已经建立起来的地质模型的基础上,选取典型滑面进行计算。根据室内试验数据以及该地区工程经验值,初步确定岩石参数。根据保扎滑坡的属于多级滑坡且具有一定的几何特征,在数值模拟中,首先利用ANSYS软件强大的前处理功能建立起地质模型,利用ANSYS TO FLAC3D软件将所建立的计算模型导入FLAC3D中,并在天然状态下结合钻孔监测资料采用正交参数设计进行初始参数的反演修正。
然后,进行不同工况下数值模拟。本文应用FLAC3D软件对滑坡的天然状态下、饱水状态下、后缘加载、河流下切情况下的滑坡的稳定性进行模拟,得出如下结论:
(1)通过天然状态下模拟计算,滑坡的整体是稳定的,局部出现塑性区:如中部陡峭部位。这个结果与推测结果一致。
(2)滑坡在饱水状态,模拟结果表明整个施加静水压力的过程中,滑坡整体上是稳定的,但是塑性区域明显增多增大。
(3)分别对次级滑坡的后缘加载的稳定性模拟,模拟的结果表明,加载对保扎滑坡的整体稳定性影响不大,但是会出现明显的位移变化和塑性区的小范围的连通。
(4)滑坡前缘开挖情况下的稳定性进行模拟,模拟的结果表明滑坡在坡脚下切的情况下,稳定性大大降低,有失稳的可能性。
最后,在上述数值模拟的基础上,本文对保扎滑坡的稳定性进行了综合的评价。认为该滑坡在现有情况下整体稳定,但是在所研究的工况下,滑坡体局部区域如前缘、中部陡峭部位有较大的变形,甚至有发生失稳可能性。同时本文对保扎滑坡的防治工作提出了一些防治措施的建议。建议从信息化监测、河岸护坡、控制人工边坡的开挖等几个方面进行防治。