易滑地層順層邊坡合理坡形UDEC模擬分析

徐杰

摘要：針對重慶三峽地區(qū)易滑地層地質(zhì)特性，充分收集和分析前人的研究資料及成果，運用通用顆粒離散元程序（UDEC）建立三峽庫區(qū)順層三級邊坡模型，模擬過程中主要考慮層面傾角、碎落臺寬度以及粘聚力等參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響，分析模擬計算得出的不同參數(shù)組合下的安全系數(shù)，提出易滑地層三級順層邊坡合理放坡坡形。

關(guān)鍵詞：易滑地層；順層邊坡；UDEC；安全系數(shù)；合理坡形

1 引言

重慶三峽地區(qū)的大型路基災(zāi)害50%以上發(fā)育于三疊系巴東組、侏羅系珍珠沖組及這些地層的崩坡積體中，這類地層可統(tǒng)稱為易滑地層。在公路建設(shè)和運營期間，位于該類地層之上的路基容易出現(xiàn)病害乃至失穩(wěn)造成災(zāi)害。長期以來，重慶三峽地區(qū)易滑地層邊坡的治理一直是公路建設(shè)中的一個棘手的問題。隨著近年來重慶高速公路建設(shè)的飛速發(fā)展，邊坡穩(wěn)定問題也越來越突出。在建設(shè)過程中如何達(dá)到有效評判、提出合理邊坡坡形和預(yù)測邊坡穩(wěn)定性，并進(jìn)一步制定合理的防護(hù)加固方案，已成為相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員所關(guān)注的熱點課題[1]。

通用離散元程序（UDEC，Universal Distinct Element Code）是一個處理不連續(xù)介質(zhì)的二維數(shù)值計算程序軟件。它由離散元與邊界元相互耦合，不僅可以進(jìn)行有裂隙巖體的力學(xué)分析，還可以模擬多節(jié)理巖體熱傳導(dǎo)、地下開挖工程，以及流水、石油等在節(jié)理中的流動問題。在UDEC中，為完整塊體和不連續(xù)界面開發(fā)了多種材料特性模型，用來模擬不連續(xù)地質(zhì)界面以達(dá)到顯現(xiàn)的典型特性。UDEC是基于“拉格朗日”有限元算法較好地模擬塊體系統(tǒng)中的變形和大位移，它不僅能夠?qū)ψ冃螇K體模型特征進(jìn)行靜力和動力響應(yīng)分析，而且還能夠解決非連續(xù)性的剛性體模型的變形移動問題[2]。

本文依托西部交通科技建設(shè)項目，通過對重慶三峽地區(qū)存在的易滑地層路基邊坡進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場調(diào)研，充分收集和分析前人的研究資料及成果，運用通用顆粒離散元程序（UDEC）建立三峽庫區(qū)順層類三級邊坡各種參數(shù)下的模型，進(jìn)行模擬計算分析求出各種不同參數(shù)變化組合下的安全系數(shù)，提出順層邊坡合理放坡坡形。

2 主要參數(shù)及計算模型

邊坡數(shù)值模擬分析主要針對三峽庫區(qū)易滑地層。其巖體主要參數(shù)參照殷躍平[3]等的三峽庫區(qū)重大地質(zhì)災(zāi)害及防治研究調(diào)查分析報告，粘聚力、摩擦角的范圍主要來源李遠(yuǎn)耀[4]等研究的三峽庫區(qū)滑帶土抗剪強度參數(shù)，粘聚力范圍在4～60kPa，摩擦角7°～18°。順層邊坡相關(guān)參數(shù)如表1、表2。

利用通用離散元UDEC軟件，依據(jù)以上巖體層面各種參數(shù)建立三級順層邊坡模型如圖1所示。模型范圍：長60米，高30米，層面厚1米，左、右及底部邊界采用固定邊界。模型為摩爾-庫侖力學(xué)模型。

3 模擬計算分析

對順層三級邊坡探討層面傾角、層面粘聚力、碎落臺寬度、坡比對邊坡的穩(wěn)定性影響。利用UDEC軟件，對給定層面粘聚力、摩擦角工況下的三級順層坡模型通過改變層面傾角、坡比、碎落臺寬度等變量，計算得出邊坡安全系數(shù)，如表3所示。

由表數(shù)據(jù)看出，層面傾角大于-20°和小于-70°時，邊坡安全系數(shù)才滿足規(guī)范要求，對于傾角在-35°～-15°時采用放坡坡比1：1.5碎落臺寬度2米時，邊坡安全系數(shù)也能滿足規(guī)范要求。對于坡比1：0.75，層面傾角大于-25°時隨碎落臺寬度增加安全系數(shù)而降低；對于坡比1：1，層面傾角小于-35°時隨碎落臺寬度的增加安全系數(shù)隨之增加；對于坡比1：1.5層面傾角大于-35°隨碎落臺寬度的增加安全系數(shù)隨之降低，小于-35°時隨碎落臺寬度的增加安全系數(shù)隨之增加。層面傾角在-35°左右安全系數(shù)基本上是最低的?？梢姡⒉皇瞧路诺脑骄?，安全系數(shù)就越大，當(dāng)坡比給定時，應(yīng)分析天然工況與暴雨工況層面間的粘聚力對邊坡安全系數(shù)的影響。

對給定的層面傾角為-20°、-30°和摩擦角為12°，通過改變層面粘聚力、碎落臺寬度、坡比，利用UDEC軟件模擬計算分析得出邊坡安全系數(shù)如下表4。

由圖2可以看出，相同層面傾角、碎落臺寬度下，相同層面粘聚力下的邊坡安全系數(shù)隨著坡比的增大而增加；相同層面傾角、碎落臺寬度、坡比下，隨著粘聚力的增加邊坡安全系數(shù)是增大的。

由表4中數(shù)據(jù)可知：（1）當(dāng)層面傾角為-20°時：碎落臺寬度為2米，粘聚力c小于30kPa時，三種坡比均不合理，需采取預(yù)加固；c在30～55kPa時，放坡1：1.5較合理；c大于55kPa時，三種坡比都合理；碎落臺為4米，粘聚力c在小于20kPa時，三種坡比均不合理，需采取預(yù)加固；c在20～40kPa時，放坡1：1.5較合理；c大于40kPa時，放坡1：1.5、1：1較合理；（2）當(dāng)層面傾角為-30°時：碎落臺寬度為2米，粘聚力c小于50kPa時，三種坡比均不合理，需采取預(yù)加固； c大于50kPa時，放坡1：1.5較合理；碎落臺為4米時，三種坡比均不合理，需采取預(yù)加固。

4 結(jié)束語

重慶三峽地區(qū)易滑地層邊坡的治理一直是公路建設(shè)中的一個棘手的問題，本文針對易滑地層順層三級邊坡利用離散單元法（UDEC）顯示求解安全系數(shù)，進(jìn)行模擬分析滑帶粘聚力、碎落臺寬度、層面傾角、坡比等因數(shù)的改變對其安全系數(shù)的影響，在模擬過程還考慮巖體剛度的變化，并得出以下結(jié)論：

（1） 巖體剛度系數(shù)的選取對安全系數(shù)的計算有一定的影響，但影響并不明顯，節(jié)理的剛度的選取不能太小，會直接影響安全系數(shù)的求解；

（2）

層面傾角為-15°～-35°、不同碎落臺寬度、層面粘聚力下的順層三級邊坡合理放坡坡形如表5所示。層面粘聚力在35～50kPa時，放坡坡比小于1：1較合理，當(dāng)粘聚力較小時，可適當(dāng)增加碎落臺寬度或減緩放坡坡比。

參考文獻(xiàn)

[1]胡輝.重慶三峽地區(qū)易滑地層路基邊坡安全度評價方法研究[D].重慶交通大學(xué)碩士論文，2010.

[2]Itasca Consulting Group. Inc.UDEC（Universal Distinct Element Code）user's manual， Version3.0[R].[s.l.]： Itasca Consulting Group.inc. 1996.

[3]殷躍平等.長江三峽庫區(qū)移民遷建新址重大地質(zhì)災(zāi)害及防治研究[M].北京：地質(zhì)出版社，2004.

[4]李遠(yuǎn)耀，殷坤龍，柴波等.三峽庫區(qū)滑帶土抗剪強度參數(shù)的統(tǒng)計規(guī)律研究[J].巖土力學(xué)，2008，29（5）：1419-1424，1429.