三峽庫區(qū)某滑坡流固耦合分析及失穩(wěn)預(yù)測

王 力,袁 均金,胡秋芬

(1.三峽大學(xué)三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室,湖北 宜昌 443002;2.中國水利水電第九工程局,貴州 貴陽 550008)

三峽庫區(qū)建成后,由于水位的抬升,沿岸地區(qū)自然環(huán)境發(fā)生了顯著的變化,庫水位的上升及周期性波動對庫岸滑坡巖土體物理力學(xué)特性產(chǎn)生顯著影響,亦引起滑坡體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)的改變,兩方面的作用即構(gòu)成滲流場與應(yīng)力場的流固耦合作用問題[1-2]。

為了研究滑坡體在降雨及庫水作用下滲流場、位移場及應(yīng)力場的變化,本文應(yīng)用大型通用有限元軟件ABAQUS對三峽庫區(qū)某滑坡在庫水下降聯(lián)合降雨作用下的滲流場與應(yīng)力場進行三維耦合分析,并結(jié)合監(jiān)測資料得出其應(yīng)力場及位移場變化規(guī)律。

1 滑坡概況

該滑坡位于長江右岸,距三峽大壩壩址56 km,地屬湖北省秭歸縣,滑坡后緣至高程432 m山包鞍部,左右邊界以沖溝為界?；缕矫嫘螒B(tài)呈靴形,剖面形態(tài)呈階梯狀,坡度25°?；聦?00 m,縱長1 000 m,面積40萬 m2。平均厚度40m,體積約1 600萬m3,主滑方向340°。滑坡全貌及滑坡平面見圖1、2。

圖1 滑坡全貌圖

圖2 滑坡平面圖

滑坡區(qū)位于巴東復(fù)向斜和秭歸向斜交匯處,裂隙以層面、南、北、西向為主。發(fā)育于侏羅系下統(tǒng)香溪組粉砂巖、炭質(zhì)粉細砂巖組成的順向坡地層中,斜坡位于長江右岸斜坡,自然坡度約30～45°,坡向340°,具圈椅狀地貌,后緣臺面平坦開闊,平面似葫蘆狀,近東西向展布,總長350 m,寬70～270 m,面積為 41 600 m2,平臺高程164～188 m,向長江微傾。該滑坡為一古滑坡,滑坡體物質(zhì)由碎塊石土組成,碎塊石成分為砂巖、粉質(zhì)砂巖以及泥巖等,碎塊石粒徑0.2～10.0 cm,土石比為6∶4?；瑤榛w與滑床的接觸面,受滑坡動力作用影響,主要由滑體受擠壓形成重粉質(zhì)亞黏土及角礫組成。重粉質(zhì)亞黏土為黃灰色,硬塑狀。角礫成分為砂巖、泥巖,礫徑0.1～2.0 mm,滑帶整體土石比為6∶4～8∶2,滑面形態(tài)為弧線形。滑床由2套巖性構(gòu)成,侏羅系下統(tǒng)香溪組層狀石英砂巖、粉砂塊裂巖組成。順層段滑床由香溪組下段薄——中厚層炭質(zhì)粉砂巖組成,切層段滑床由香溪組中段褐黃色中厚——厚層狀石英砂巖組成。

根據(jù)相關(guān)資料,滑坡的地質(zhì)剖面圖見3圖。

目前在滑坡體上布設(shè)1條監(jiān)測縱剖面,共布設(shè)4個GPS監(jiān)測點,在滑坡體東側(cè)穩(wěn)定基巖上布設(shè)1個GPS基準(zhǔn)點,各監(jiān)測點GPS位移數(shù)據(jù)見圖4。

圖3 滑坡地質(zhì)剖面圖

圖4 該滑坡累積位移—時間曲線與降雨量、庫水位對比關(guān)系圖

2 ABAQUS流固耦合基本原理

在庫水聯(lián)合降雨作用下滑坡體中孔隙流體壓力的變化會引起多孔介質(zhì)骨架有效應(yīng)力發(fā)生變化,這些變化又會反過來影響孔隙流體的流動和壓力的分布。滲流場與應(yīng)力場這種相互影響稱為流固耦合,在水庫水位波動和降雨條件下滑坡體中具有普遍性、基礎(chǔ)性、動態(tài)性和交叉性的特點。應(yīng)力平衡方程[3]和滲流連續(xù)方程如下:

流固耦合方程的求解,還需給出相應(yīng)的定解條件[4],該例滲流邊界條件為混合邊界條件,即一部分邊界水頭給定,另一部分流量給定。固體應(yīng)力場邊界采用混合邊界條件,即固體骨架表面部分邊界已知應(yīng)力,另一部分邊界已知位移。

3 計算模型及計算參數(shù)

根據(jù)該滑坡的地質(zhì)條件和地形地貌特征,選取該滑坡三維數(shù)值計算模型的范圍為:沿水流方向為960 m,垂直水流方向為1 240m,模型底面高程為0 m,計算模型在滑坡平面圖上的位置見圖2。計算域包含滑體、滑帶和基巖,整個計算域剖分了12 054個6面體單元,共計14 272個節(jié)點,三維計算模型與網(wǎng)格見圖5。

以該滑坡地質(zhì)勘查報告中提供的有關(guān)巖土體物理力學(xué)性質(zhì)試驗數(shù)據(jù)及參數(shù)建議值為基本依據(jù),通過智能位移反演方法[5]獲得二維空間有限元分析計算參數(shù)取值范圍見表1。

圖5 模型計算網(wǎng)格圖

表1 該滑坡有限元計算物理力學(xué)參數(shù)取值范圍表

該滑坡流固耦合計算分析采用飽和非恒定滲流與應(yīng)力耦合理論進行,以下對計算中涉及的滲流計算條件和應(yīng)力計算條件的確定進行簡要說明。各滲流邊界條件和應(yīng)力邊界條件見圖6,滑坡計算工況見表2。

圖6 滑坡邊界條件示意圖

表2 計算/物理模型試驗工況及荷載組合表

4 計算結(jié)果

4.1 應(yīng)力計算結(jié)果

水庫蓄水至175 m后 (工況1)大部分區(qū)域拉、壓應(yīng)力分布變化較小。滑體中最大主應(yīng)力范圍為-0.587～0.068 MPa,最大值出現(xiàn)在滑體側(cè)緣,水位由175 m緩降至145 m時 (工況2),滑坡前緣拉、壓應(yīng)力的分布均有較大改變,滑體中下部拉、壓主應(yīng)力場的分布有一定變化?；w中最大主應(yīng)力范圍為-0.589～0.069 MPa,最大值出現(xiàn)在滑體側(cè)緣,庫水位由175 m緩降至145 m又遇到50 a一遇暴雨時(工況3),滑體拉、壓應(yīng)力分布變化較大,滑坡整體應(yīng)力都發(fā)生變化,應(yīng)力變化受降雨影響比較明顯?；w前緣應(yīng)力主要受庫水變動的影響較大,滑體中后部分在降雨作用下拉、壓應(yīng)力發(fā)生明顯變化。降雨結(jié)束時,滑體中最大主應(yīng)力范圍為-0.381 0～0.076 4 MPa,最大值出現(xiàn)在滑體后緣,比較工況1、2、3計算結(jié)果可知,降雨對該滑坡應(yīng)力場的影響較庫水變動作用大?；w最大主應(yīng)力見圖7。

圖7 滑體最大主應(yīng)力圖 單位:kPa

4.2 位移計算結(jié)果

蓄水至175 m后(工況1),滑體中后部發(fā)生較大水平位移,最大水平位移為214.5 mm,滑坡位移較大的區(qū)域為滑體中后緣,位移產(chǎn)生的原因主要是庫水對滑體前部的浮托作用,使滑體抗滑力減小,同時由于滑體中偏后部較為陡峭,導(dǎo)致其水平位移增大。水位由175 m緩至145 m時(工況2),在滑體中后部發(fā)生較大水平位移,最大水平位移值為215.2 mm;滑體后部水平位移在8.4～215.2 mm范圍內(nèi);此工況比工況1所得的位移略大,影響范圍主要集中在滑坡體前緣,說明庫水變化對該滑坡位移變形有一定影響,主要由于水位下降時,滑坡體前緣產(chǎn)生的變形。庫水位由175 m緩降至145 m又遇到50 a一遇暴雨時 (工況3),滑體中后部水平位移很大,最大水平位移226.3 mm;滑體后部水平位移值在30.9～226.3 mm范圍內(nèi),從計算結(jié)果可以看出降雨作用對該滑坡的位移變形有較大影響,主要影響滑體的中后部。水平位移分布見圖9。

圖8 水平位移分布圖 單位:m

綜合工況1～3的數(shù)值計算分析結(jié)果,可知工況3為對該滑坡穩(wěn)定性最不利工況。提取工況3中主滑剖面上的上中下 3個監(jiān)測點ZG287、ZG289、ZG290的位移,并分析監(jiān)測點變形速率等信息,然后根據(jù)這些信息擬合相應(yīng)的數(shù)學(xué)公式。由監(jiān)測曲線(圖4)可以看出,滑坡每年的主要變形發(fā)生在5～9月,這與在每年4、5月份以后,滑坡區(qū)進入雨季,降雨量增大有關(guān),說明降雨是影響該滑坡變形的主要因素,再由計算所得各點水平位移變化速率(見圖9～11)可知,滑坡變形趨勢逐漸減慢,累計位移是逐漸增大的,滑坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 ZG287滑坡水平位移變化速率圖

圖10 ZG289滑坡水平位移變化速率圖

圖11 ZG290滑坡水平位移變化趨勢圖

5 結(jié) 論

(1)強降雨作用對該滑坡穩(wěn)定性的影響較庫水下降大,該滑坡在降雨影響下發(fā)生的變形主要集中在滑坡體后部。

(2)該滑坡三維流固耦合分析所得計算結(jié)果同監(jiān)測資料較為吻合,在計算工況條件下,通過監(jiān)測點位移變化速率圖預(yù)測該滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài),最不利工況為庫水位由175m緩降至145 m,再疊加50 a一遇暴雨。

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