高密度电法及3D—sigma数值模拟在沂源滑坡研究中的应用

高密度电法及3D—sigma数值模拟在沂源滑坡研究中的应用
[摘要]利用高密度电法探测滑坡体范围及厚度，以得到的相关参数为基础，利用3D-sigma有限元软件建立数值计算模型，计算得出了相应的应力场和位移场图形，模拟分析了该滑坡的稳定性。

结果表明：高密度电法可较为准确的反映滑坡体的范围及滑动面深度，而3D-sigma有限元模拟可直观地反映滑坡体的稳定性及内部应力状态，物探与数值方法相结合的研究思路为滑坡的科学治理提供了依据。

[关键词]岩土工程滑坡高密度电法3D-sigma
0引言
传统方法一般采用现场钻探的方式来确定滑坡体的范围，深度及空间分布情况，但是该方法费时费力且钻探属于一孔之见，难以全面反映滑坡体的情况。

近年来，国内许多学者将物探的方法引入到滑坡研究方面，例如：姜华等[1]将高密度电法应用到滑坡路段地基的勘察中并初步评价其稳定性，廖全涛等[2]将高密度电法引入到鄂西地区滑坡调查中，滕宏伟等[3]将高密度电法运用到滑坡的识别中等等，取得了一定的成果。

本文在传统方法基础上，利用高密度电阻率法和3D-σ有限元模拟相结合的方法对滑坡体区域进行研究。

不但全面的掌握了滑坡体的范围、深度、分布情况，而且全面直观的反映了滑坡体的内部应力状态，从而分析其稳定性并提出了滑坡治理意见。

1滑坡概况
所研究的滑坡位于沂源县西里镇唐庄村隽家峪自然村，地处U字形山谷下部，包括倾向相向的东、西两个子滑坡。

近年以来，每年雨季，两侧坡面均有滑动现象，地表房屋出现裂缝，倒塌现象，局部沉陷深度可达25cm。

该滑坡对当地人民的生命、财产安全具有重大潜在危险。

2高密度电法测试及数据处理
高密度电法反演结果为二维视电阻率断面。

它可以准确地反映二维地质体的电性断面特征。

进而获得滑坡体的纵、横向发育及展布的情况，查明滑坡体空间形态特征、滑动面埋深、可能与滑坡发育相关的断裂情况等[4]。

为了全面得掌握滑坡区域的情况，适当加大了高密度电法勘察的测线密度，在西坡设水平测线4条，垂向测线14条；东坡共设水平测线4条，垂向测线14条。

综合分析高密度电法测试得到的所有电阻率反演图，可得出滑坡体范围如图2红线所示部分；滑坡体深度基本处于30m之内，局部地区达到40m。

本文作为代表给出东坡某纵向电阻率反演图（图3），图3中浅表层杂乱堆积体即为滑坡
体（图中深蓝色部分区域），在电阻率成层较好的分界面处即可视为滑坡面（图3中黄色线条所示位置）。

另外，电阻率反演图表明该滑坡坡面上部区域岩体相对完整，质量情况较好；下部区域岩体比较松散，岩体质量情况较差，地表水容易下渗。

3 3D-σ数值模拟
三维有限元分析软件3D-σ将有限元的快速建模、网格的自动生成、分析结果的可视化及可操作性有机地结合起来，实现了有限分析的高度自动化。

通过定义点、线、面、体和群等对象来进行问题的几何模型定义，通过对分析区域的设定来设定材料参数和进行网格分割数的设定，设定约束条件和荷载条件，然后自动生成计算网格[5]。

3.1 3D-σ计算模型的建立
本模型参照山东省沂源县西里镇唐王村隽家峪滑坡1：500地形图建立，范围为以唐王村隽家峪自然村为中心，包含滑坡区域在内的整个U形谷地，面积0.25km2。

模型采用的坐标系，Y坐标方向为垂向方向，正方向铅直向上，以110m 高程处为零点，根据相关地质资料显示，该地区无较大的构造影响，故计算时仅考虑自重力的作用，不考虑构造应力场。

建立模型时除坡面（临空面）外，将模型四周边界、底边界设置为单向约束边界[6]。

对110高程以上部分建立了三维地质计算模型进行应力变形分析。

模型包含8268个单元，36975个节点。

模拟了不同力学参数的岩土体和材料，包括页岩，砂岩，砂质粘土等。

其中滑坡区域的范围及深度根据物探结果得出，如图4为滑坡区域模型，图中黄色部分表示东部滑坡的范围，红色部分表示西部滑坡的范围。

3.2 模型参数选择
本次数值模拟采用的岩石力学参数大部分根据现场钻孔实验得到的结果，其中钻孔未涉及到的区域采用按岩级赋参数，变形模量采用的是垂直和平行结构面范围中值的平均值；滑坡区域泊松比、抗剪断强度，粘聚力，摩擦角等参照相关地勘资料。

考虑到岩体抗拉强度较低及工程计算的安全度，抗拉强度取值同岩体的抗剪强度相同。

根据滑坡地质结构、滑坡体物理力学特性，将模型简化为8种材料，分别为Ⅱ级岩体的滑坡体下部基岩（灰岩、泥岩），Ⅲ1级岩体滑床（砂岩），Ⅲ2级岩体滑床（页岩），Ⅳ1级岩体第四系覆盖层，Ⅳ2岩体崩坡积物，滑坡体，滑带，松散冲积物。

滑坡岩体力学参数如表1所示。

3.3模拟计算及结果分析
（1）应力场分析
由于边坡基本上无构造应力，故模拟计算只考虑自重应力的情况。

经过3D-sigma计算，得出整个滑坡区域的τxy分色图，τyz分色图，如图5、6所示：
从图5可以看出，xy平面剪应力主要出现在滑坡的上缘部分，从图6可知，yz平面剪应力在西部滑坡的上缘明显集中，实际的村路两侧区域也略微出现应力集中现象，该处对滑坡的稳定性有较大的影响；另外在西部山体背后也有明显增大的现象，但对该村滑坡不造成影响。

（2）位移场分析
经过3D-sigma计算后，得出各方向位移模拟图像如图7、8、9：
综合图7、8、9可以看出，滑坡区域X和Z方向位移相对较小，X方向位移最大值为7mm，Z方向位移最大值为11mm。

主要的位移表现在Y方向上，最大值甚至达到144mm。

根据位移的分布情况，位移相对较大的位置出现在高密度电法确定的滑坡区域的上部，滑坡体内部位移反而不是很明显。

说明滑坡体内部岩体相对稳定，但是滑坡体与外部岩体的接壤区域稳定性很差。