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第 46 卷 第 4 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.4 2018 年 8 月COALGEOLOGY The maximum sliding speed of the landslide was 13.4 m/s, the maximum slippage was 170 m, and the sliding stage lasted for 25 s. The simulation of the movement and failure process of landslide through particle flow has good applicability and can provide basis for engineering decision-making. Keywords landslide; particle flow; numerical simulation; motion process 滑坡破坏运动过程[1]是指“在任一滑坡的自然 地质过程中，由于相互作用着的及其本身变化着的 各种营力因素的综合影响，随时间推移而进行着的 滑坡性状的变化。其表现为斜坡的形变、位移、破 坏等随时间延续而形成的性状变化”。 该过程是一个 动态过程。伴随着土体的滑动、平移、转动和断裂 等，具有宏观上的不连续性，岩土体作为一种非连 续介质，在不同部位的力学性质、应力状态、位移 ChaoXing 116煤田地质与勘探第 46 卷 的规律是不同的。P.A. Cundall [2]在 20 世纪 70 年代 提出了离散单元法，是一种适用于研究非连续介质 动力特性的数值方法。颗粒流法作为离散单元法的 一种，目前一些学者逐步将其应用于滑坡破坏运动 分析之中。廖彪等[3]通过对颗粒间的接触强度和摩 擦系数同时进行折减，直到土坡破坏，得到的折减 系数即为土坡安全系数的结论。王宇等[4]通过采用 PFC2D离散元颗粒流对白河滑坡发生、发展、破坏 的动态演化模拟，反演其渐进发展过程，明确其时 空演化规律，取得了良好的效果。张龙等[5]以鸡尾 山高速远程滑坡为研究对象，利用三维颗粒流离散 元 PFC3D建立三维滑坡模型，对其运动过程进行了 模拟，并对其最大位移、岩体破碎、堆积形态等方 面进行了深入讨论。同霄等[6]以天水市红花咀沟滑 坡为研究对象，利用颗粒流数值分析以及 Lorente 模型、刘希林模型的对比，确定了滑坡泥石流的规 模及危害范围，为滑坡灾害治理提供依据。吴顺川 等[7]以张石高速公路某含软弱夹层类土质路堑边 坡为例，以颗粒间平行连接张拉或剪切破坏为土体 破坏特征，对边坡由张拉和剪切裂隙的出现及扩展 直至边坡变形破坏过程进行模拟，对含软弱夹层类 土质边坡的变形破坏过程进行了深入分析和研究。 马秋娟等[8]利用 PFC2D程序模拟泥石流的启动、运 动及堆积过程，结果为以后数值模拟与工程实践提 供指导。费建波等[9]通过对比 Voellmy 模型和颗粒 流模型，发现当滑坡的深度较浅且滑速较快时，用 Voellmy 模型计算会出现摩擦系数无限大的情况， 而 用颗粒流模型计算的摩擦系数则是一有限值。并将 这两种摩擦模型运用到文家沟滑坡的模拟中，发现 用颗粒流模型的计算结果能更好地反映实测的滑坡 体最终堆积情况。赵阳等[10]对陕南地区无黏性土边 坡进行了离散元模拟，并利用颗粒流模拟方法，对 土体应力应变关系和剪切带形成机理进行了微观数 值模拟，将土体微观结构与对应的宏观力学特性结 合起来，分析了土体剪切带的形成与发展过程。廖 静薇[11]通过室内试验、理论研究和数值模拟等方法 对干湿循环作用下粉质黏土力学特性的劣化规律、 土质边坡的失稳判据和土质边坡稳定性分析方法展 开研究。胡江春等[12]根据黄河宽滑坡的工程地质条 件，建立滑坡体的颗粒流数值模型，从微观角度再 现该滑坡发生、发展以及最终的全过程，为处于不 同变形破坏阶段的滑坡治理提供依据。赵洲等[13]以 颗粒流离散元为研究方法对勉县杨家湾十组堆积层 滑坡破坏方式与运动过程进行数值模拟研究。通过 PFC2D双轴模拟试验所标定的岩土体宏观模拟参数 与室内试验所获取的宏观实测参数进行对比，确定 堆积层滑坡所需的颗粒细观参数，然后将标定的细 观参数代入堆积层滑坡模型，对滑坡破坏方式及运 动过程进行模拟研究。对该类滑坡防治具有一定的 参考意义。 滑坡体作为一种非连续性的复杂地质体，其不 同部位的力学性质、应力状态、变形规律等特征存 在一定的差异性，从而表现出滑坡具有唯一的变形 破坏机制与运动特征。PFC2D数值模拟可用于颗粒 团粒体的稳定、 变形及本构关系等力学性态的分析， 专门用于模拟固体力学大变形问题。它通过圆形离 散单元来模拟颗粒介质的运动及其相互作用，克服 了传统连续介质力学的宏观连续性假设，特别适用 于模拟散体介质力学和颗粒流动问题。综上所述， 本文采用二维颗粒流程序Particle Flow Code 2D模 拟研究刘涧滑坡的破坏运动过程，选用 ball-wall 建 模方法，引入颗粒流PFC2D程序中平行黏结模型， 在双轴数值试验标定所得反映真实饱和土体宏观力 学性质的细观参数的基础上， 进行滑坡模型的建立， 对滑坡不同关键部位颗粒进行位移、速度监测，模 拟分析刘涧滑坡破坏运动过程。 1刘涧滑坡破坏过程数值模拟 1.1刘涧滑坡工程地质概况 刘涧滑坡位于陕西省洛南县城正东约 2 km 处， 县河左岸二级阶地前缘陡坡处，该滑坡规模为中型 堆积层滑坡，2003 年发生初次滑动，地面有明显裂 缝，2006 年 8 月再次发生滑动，近几年每逢雨季斜 坡局部地段常出现微小滑塌现象。该滑坡长 160 m， 宽 740 m，厚 2.8 m，体积 33.15104m3，滑向 110， 前缘高程为 886 m， 后缘高程为 937 m， 高差为 51 m。 自然坡度 1530图 1，坡面平缓处经人工耕种， 土质疏松，坡脚经建房开挖，形成 23 m 陡坎。该 滑坡主要威胁滑坡前缘城关镇刘涧社区居民及城关 镇政府、 洛南仓颉中学等企事业单位共 1 462 人 350 间房屋，危险等级为特大型。边坡工程地质剖面图 见图 2，室内土工试验结果见表 1。 滑坡区地处华北准地台豫西褶皱带南缘，一走 向 EW 的正断层大断裂附近， 新构造运动相对活跃。 根据勘察资料显示，滑坡区地下水主要为第四系松 散覆盖层中孔隙潜水，受大气降水与地表水补给。 斜坡物质组成上部为第四系残坡积粉质黏土，下部 为第四系冲洪积砂砾卵石层。 a. 粉质黏土灰黄色为主，稍湿、密实，局部 含锰质，钙质结核。 b. 砂砾卵石层卵石成份为板岩、片麻岩、黑 ChaoXing 第 4 期陈达等 基于 PFC2D的刘涧滑坡破坏运动过程模拟117 云斜长变粒岩，粒径一般 24 cm，次圆浑圆状， 充填物主要为粗砂、粉土等，中密密实。 刘涧滑坡的变形破坏是其独特的内外因共同作 a 滑坡全貌；b 粉质黏土；c 砂砾卵石块 图 1滑坡特征 Fig.1Characteristics of landslide 图 2刘涧滑坡地质剖面示意图 Fig.2Geological section of Liujian landslide 用的结果，坡体临空，顺向坡地质结构，上部疏松下 部致密的岩土体组合，不良地表排水条件等为内因， 短期强降雨入渗及人类工程活动为外因。 斜坡变形破 坏形式为由坡脚开挖引起自前缘向后部牵引孔隙 水压力诱发的后部向前缘推移式滑塌。 刘涧滑坡具有 后部推移和前部牵引共同作用的力学性质与特征， 表 现为滑坡变形最先发生于坡脚和坡体上部， 坡脚处自 下向上不断牵引，坡体上部由上向下推移、扩展，最 终导致滑坡整体失稳破坏。降雨作为主要诱发因素。 其主要作用为降水入渗使表层土体水分饱和， 坡体荷 载加大，抗剪切能力下降，稳定性降低，再加上前缘 临空，从而导致前缘失稳，引发滑动变形。 表 1土工试验参数 Table 1Geotechnical test parameters 岩性饱和重度/kNm-3孔隙比 e含水率/饱和度/液限/塑限/压缩模量/MPa黏聚力/kPa内摩擦角/ 粉质黏土19.80.73622.79436.420.814.717.820.1 1.2双轴数值试验参数标定 降雨是刘涧滑坡的主要诱因，本文主要研究饱 和状态下的滑体失稳机制与运动过程，因需要建立 岩土体宏观力学参数和细观力学参数间的关系，故 直接对降雨引起的粉质黏土饱和状态强度参数进行 双轴试验标定。滑坡失稳破坏是一个宏观的运动过 程，当对岩土宏观体力学性质进行模拟时，考虑到 计算机性能及模型运算效率，其数值试验的颗粒粒 径及模型尺寸选取与室内试验模型相比可适当放 大，这样既能满足试样颗粒集合与滑体力学特征一 致性的要求又能加快试算过程[11]。为了更好地逼近 土样在微观上的各向异性和不均匀性，故数值颗粒 试样由不同半径的颗粒单元组成[14]，颗粒半径 Rmin 到 Rmax服从高斯均匀分布。经过大量试算，确定颗 粒半径 Rmin0.02 m，Rmax0.04 m，双轴数值模型尺 寸的选取过程中要避免尺寸效应[15]，即模型短边应 大于 40 倍的平均粒径， 综合确定双轴试验模型尺寸 为 3 m6 m。 共生成 2 203 个颗粒。 建立双轴数值试 验模型如图 3 所示，双轴数值模型细观参数如表 2。 通过双轴数值试验来模拟室内常规三轴不排水 剪切条件下饱和粉质黏土的力学试验，颗粒集合模 拟实验室内饱和粉质黏土试样，刚性墙来模拟加载 板，并引入能较好模拟颗粒间抗拉、抗剪和承受弯 矩等黏性土力学特征的平行黏结模型，利用 PFC2D 程序内置的伺服机制控制双轴压缩过程中的围压， 图 3双轴压缩数值试验模型 Fig.3Numerical test model for biaxial compression ChaoXing 118煤田地质与勘探第 46 卷 Table 2Mesoscopic parameters of the biaxial numerical model 密度/ kgm-3 粒径/m 法向刚 度/MPa 切向刚 度/MPa 摩擦 系数 平行黏结参数 法向刚 度/MPa 切向刚 度/MPa 法向抗拉 强度/kPa 切向抗拉 强度/kPa 黏聚力/ kPa 摩擦 角/ 半径 系数 2 0000.020.0420200.320.2202020301 进行多次试算，在不同围压的作用下获得饱和土体 的强度参数，提取应力应变数据，绘制数值试样在 围压分别为 100 kPa、200 kPa、300 kPa 时的应力应 变曲线，并与室内常规三轴试验应力应变曲线拟合 图 4，结果吻合较好。根据摩尔–库伦理论，绘制 摩尔破坏包络线图 5，即可得到土体的黏聚力 c18.1 kPa，内摩擦角φ20，并与室内实验所得饱 和土体的宏观力学参数表 1相比较， 模拟所得力学参 数与试验所得宏观力学参数非常接近，故该组细观参 数可应用于后文中的刘涧滑坡破坏运动过程模拟。 图 4应力应变曲线 Fig.4Stress-strain curve 图 5摩尔破坏包络线 Fig.5Mohr’s envelope 1.3滑坡数值模型的建立 滑坡数值模型在实际工程勘察基础上建立，本 文采用 ball-wall 法构建滑坡模型， 用颗粒组建滑体， 而滑坡的滑床及边界用 Wall 来构建， 该法适用于模 拟滑面已知的滑动过程，具有所需颗粒相对较少， 节省运算时间，能较真实地模拟滑坡的运动特征的 优点[16]。同时，为了更好地模拟由降雨诱发的饱水 工况下滑体破坏运动特征，选取能较好模拟颗粒间 抗拉、抗剪和承受弯矩等黏性土力学特征的平行黏 结模型， 滑体采用的细观参数由双轴数值试验确定。 滑床细观参数由大量的标定试算与实际情况对比得 到。具体建模过程如下 ① 在 Auto CAD 中绘制 11 边坡几何模型并保 存成 DXF 文件。 ② 在 PFC2D中通过 Geometry import 命令将 DXF 文件导入并通过 wall 命令生成墙体。 ③ 通过 Ball attribute 命令在墙体中生成按高 斯分布的颗粒，利用颗粒动态膨胀法[15]进行多次逐 步膨胀直至达到指定的要求。通过多次试算，使其 在重力作用下平衡。 ④ 在滑床的细观参数标定过程中， 发现滑床的 摩擦系数对滑体的运动特征及堆积体的形态存在很 大的影响，由大量的标定试验与实际情况对比得到 摩擦系数的经验值 f0.1，标定过程参考文献[17]中 滑坡基底摩擦系数的标定。 该滑坡模型长 362 m，高 70 m模拟了高程 870940 m 的部分， 其中边坡区长 143 m， 高 51 m， 坡角 20，颗粒最小半径 0.02 m，最大半径 0.04 m， 采用高斯分布，颗粒总数为 7 209 个，数值计算边 坡模型见图 6。 图 6数值计算边坡模型 Fig.6Numerical calculation of slope model 2滑坡破坏数值模拟结果分析 采用 PFC2D程序对滑坡的变形和位移进行计算 分析，对滑坡变形破坏的发生、发展、运动过程进 行仿真模拟。通过观察滑坡的外部形态，为了更好 分析滑坡不同部位变形运动的特征，可将滑坡分为 坡前缘、中前部、中后部、坡后缘 4 个部分图 6， 通过对坡体进行位移变形监测，速度变化监测，反 演滑坡运动破坏的全过程。 2.1破坏特征 首先，对初始滑坡模型进行速度与位移清零， 表 2双轴数值模型细观参数 ChaoXing 第 4 期陈达等 基于 PFC2D的刘涧滑坡破坏运动过程模拟119 然后赋与滑体颗粒及滑床的细观参数，并删除坡体 约束墙，同时运用 set gravity 9.81 命令对滑坡模型 施加重力作用，使得坡体颗粒在重力作用下滑移， 图中坡体轮廓线只起参考作用。 运行 1 000 时步，坡脚及坡体中后部颗粒率先 产生较大位移，是坡脚处开挖致前缘失稳，上部坡 体蠕滑变形累积的结果图 7。运行 6 000 时步，前 缘坡脚颗粒开始剪出，滑坡开始破坏图 8。运行 10 000 时步，滑体不同部位出现速度差异，呈阶梯 状分布，滑体中后部与坡脚剪出带颗粒速度较大， 坡体中前与前缘次之，并出现明显的速度分界，中 后部高速运动颗粒不断的向前推移，坡体上部传递 的能量在中前部锁固段不断以减小孔隙率和克服摩 擦阻力而消耗，表现出坡体中部剪胀扩大，坡中前 与前缘速度的滞后，其次，由于坡脚剪出带的速度 较大，不断地牵引其后部的颗粒，在坡脚处也表现 出明显的速度分段图 9。运行 30 000 时步，坡脚 颗粒以平抛运动方式高速剪出，滑坡整体已具有较 图 71 000 时步位移云图单位m Fig.71 000 step shift cloud map 图 86 000 时步位移云图单位m Fig.86 000 step shift cloud map 图 910 000 时步速度云图单位m/s Fig.910 000 step velocity cloud map 高速度，滑动带此时已经贯通，滑体进入整体加速 阶段图 10。运行 200 000 时步，滑体从滑床完全 滑出，加速阶段过渡到减速阶段，堆积体逐渐静止 图 11。 图 1030 000 时步速度云图单位m/s Fig.1030 000 step velocity cloud map 图 11200 000 时步滑床前缘堆积体形态 Fig.11The morphology of the front edge of the 200 000 time slide bed 2.2运动特征 根据已有研究文献[18-19]可知，对于滑坡体大 变形的运动特征无法直接进行整体监测研究， 因此， 笔者进行间接近似研究，分别选取坡体各关键位置 共 9 个特征颗粒为监测对象进行滑坡体速度与位移 分析，以各特征颗粒运动速度与位移的均值来近似 研究滑坡体的平均运动速度与平均位移特征，以滑坡 左下角为坐标原点，19 号点坐标分别为150,17.4 132,22.1121,24.9105,29.887,3569,42.855,4936, 56.213,65.1图 6，可得速度时程曲线、平均速度 时程曲线、 位移时程曲线与平均位移时程曲线图 12 图 15。 通过观察速度时程曲线，如图 12 所示，不同位 置监测点达到速度峰值的时刻明显不同，整体趋势 是达到最大速度前，越靠近前缘的监测点越先达到 速度峰值，由前缘到后缘速度峰值时刻依次延后。 初始高程越高，达到的速度峰值越大。各点速度峰 图 12速度时程曲线 Fig.12Velocity-duration history curve ChaoXing 120煤田地质与勘探第 46 卷 图 13平均速度时程曲线 Fig.13Average velocity-duration history curve 图 14位移时程曲线 Fig.14Displacement-duration history curve 图 15平均位移时程曲线 Fig.15Average displacement-duration history curve 值介于 1019 m/s，速度峰值最高颗粒位于滑体后 缘，15 s 时达到速度峰值约 19 m/s。滑动初期，前 缘颗粒 1 号曲线和后缘颗粒 9 号曲线斜率较大，运 动特征表现其加速度值大，滑移率先启动；前缘颗 粒 1 号曲线和 2 号曲线出现了 2 次峰值，是滑坡块 体破碎造成。前缘颗粒 1 号曲线随着时间的延续速 度并未趋于零，观察分析视其为滑坡运动过程中质 量微小的滑体粉尘，已滑出观测区域，并不影响滑 坡宏观运动过程的模拟计算。通过分析这些监测结 果，与坡体前缘率先发生滑塌，中后部颗粒向前推 移的复合式变形破坏运动结果相吻合。 在分析滑坡体速度变化情况过程中，通过观察 分析认为，各监测颗粒可分别代表其相近区域内 颗粒的速度变化特征，故根据 9 个监测颗粒各时 刻的平均速度，绘制出平均速度随时间的变化曲 线图 13， 可代表滑坡体的平均速度变化特征， 结果表 明010 s 平均速度呈近似线性增大，约在 10 s 时达 到速度峰值 13.4 m/s，平均加速度 1.34 m/s2；达到 速度峰值后，平均速度先是快速下降；约 20 s 后， 平均速度下降变缓；25 s 以后降速更缓，渐趋于稳 定，但仍有较小速度，约 0.5 m/s；计算时间足够长， 平均速度将会趋于 0。 通过观察位移–时程曲线， 如图 14 所示， 监测颗 粒均在 2025 s 达到位移峰值， 颗粒最大位移 180 m， 为滑体后缘颗粒，最小位移 158 m，为坡前缘颗粒， 总的趋势是初始高程越高，达到的最大位移越大， 后缘 9 号颗粒在 1518 s 阶段出现到达位移峰值后 下降，最终逐渐平缓的现象，这是颗粒在运动过程 中翻越堆积体并静止的结果。 在分析滑坡体位移变化情况过程中，通过观察 分析认为，各监测颗粒可分别代表其相近区域内颗 粒的位移变化特征，故根据 9 个监测颗粒各时刻平 均位移， 绘制出平均位移随时间的变化曲线图 15， 可代表滑坡体的平均位移变化特征，结果表明010 s 平均位移呈逐渐增长，斜率逐渐增大，为加速阶段； 1017 s 平均位移近似呈线性增大，1725 s 平均位 移逐渐增加，斜率逐渐减小，为减速阶段；25 s 后 平均位移变化趋势稳定，最大值约为 170 m，该分 析结果与平均速度时程曲线分析各阶段速度变化情 况一致。 3结 论 a. 降雨为研究区滑坡的直接诱发因素，滑坡变 形破坏模式为坡脚开挖引起自前缘向后部牵引孔 隙水压力诱发后部向前缘推移式滑塌。总体特征为 上部推移，中部剪切，下部牵引。 b. 通过双轴压缩试验标定所得饱和岩土体细 观参数，能反映实际饱和滑坡岩土体的宏观力学性 质，并通过 ball-wall 建模方法将其应用于滑坡模型 数值模拟，反演了滑坡的破坏运动过程。 c. 该滑坡主滑阶段持续 25 s， 010 s 为整体加 速阶段，平均加速度 1.34 m/s2，主滑坡最高时速 13.4 m/s，最大颗粒运动速度为 19 m/s，1125 s 为 整体减速阶段，平均加速度 0.9 m/s2；滑坡整体位 移约 170 m，颗粒最大位移 180 m，位于滑体后缘； 颗粒最小位移 158 m，位于滑体前缘；速度和位移 变化总趋势为初始高程越高， 达到的最大速度和位 ChaoXing 第 4 期陈达等 基于 PFC2D的刘涧滑坡破坏运动过程模拟121 移越大。 参考文献 [1] 胡广韬，张珂，毛延龙，等. 滑坡动力学[M]. 北京地质出 版社，1995. 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