巖質(zhì)邊坡持續(xù)降雨工況下的穩(wěn)定性分析

余鵬

摘 要：伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，交通運(yùn)輸、礦山開(kāi)采、水利及國(guó)防設(shè)施等項(xiàng)目的建設(shè)，工程中遇到巖質(zhì)邊坡的問(wèn)題越來(lái)越多，其不良影響引起了人們的關(guān)注，而邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)則是邊坡工程的核心問(wèn)題，是巖土工程領(lǐng)域的一個(gè)重要課題，該文針對(duì)一巖質(zhì)邊坡采用ABAQUS分析方法對(duì)其的穩(wěn)定情況進(jìn)行分析，首先根據(jù)該邊坡工程地質(zhì)剖面圖及其邊坡物質(zhì)組成和工程地質(zhì)性質(zhì)建立邊坡變形演化計(jì)算模型，再在持續(xù)降雨工況下進(jìn)行數(shù)值模擬分析，最后得出可靠結(jié)論，為該邊坡的除險(xiǎn)加固提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：巖質(zhì)邊坡 ABAQUS 有限元數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TV223 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）02（a）0049-02

邊坡滑坡是地質(zhì)災(zāi)害中的一種，是山體斜坡自然或人為的變形現(xiàn)象，能給人類(lèi)造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失，而邊坡穩(wěn)定性分析是判斷邊坡是否失穩(wěn)、是否需要加固及采取防護(hù)措施的重要依據(jù)，是邊坡工程中最重要和基本的問(wèn)題。

要降低滑坡所造成的危害，則需要對(duì)滑坡進(jìn)行深入的研究，首要任務(wù)就是正確的評(píng)價(jià)滑坡的穩(wěn)定性。

隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬方法也得到迅猛的發(fā)展，目前邊坡穩(wěn)定性分析中也大量采用該方法，該文主要采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬來(lái)對(duì)某水電站一級(jí)廠房后邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)。

1 ABAQUS分析方法

1.1 計(jì)算機(jī)模型建立

ABAQUS分析方法可根據(jù)有限元基本方程、Mohr-Coulomb模型及庫(kù)侖摩擦模型針對(duì)邊坡物質(zhì)組成和工程地質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行建模[1]。

（1）有限元基本方程。

有限元分析是在地質(zhì)體力學(xué)形態(tài)本構(gòu)模型和工程地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上求解地質(zhì)體應(yīng)力及穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)程的數(shù)值模擬方法，以達(dá)到對(duì)地質(zhì)體變形破壞進(jìn)行描述的目的。有限元基本方程包括平衡方程、物理方程和幾何方程。

①平衡方程。

②物理方程。

根據(jù)塑性增量理論，各向同性材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以寫(xiě)成式4。

③幾何方程。

（2）Mohr-Coulomb模型。

Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[2]假定：作用在某一點(diǎn)的剪應(yīng)力等于該點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度時(shí)，該點(diǎn)發(fā)生破壞，剪切強(qiáng)度與作用在該面的正應(yīng)力呈線性關(guān)系。

（3）庫(kù)侖摩擦模型。

ABAQUS中的庫(kù)侖摩擦（Coulomb friction）模型[3]可以用來(lái)描述滑坡體物質(zhì)分異面處之間的相互作用。庫(kù)侖摩擦模型用摩擦系數(shù)來(lái)量化接觸面之間的摩擦行為。如果兩表面間的接觸壓力為，則接觸面之間的摩擦力的上限值為，當(dāng)接觸面上的剪力達(dá)到該上限值時(shí)，接觸面就會(huì)發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。ABAQUS通過(guò)自動(dòng)選擇一個(gè)“彈性滑動(dòng)”的罰剛度因子，表示在粘結(jié)的接觸面之間允許發(fā)生少量的相對(duì)位移，這個(gè)允許的“彈性滑動(dòng)”是非常小比例的特征單元尺寸。

1.2 選取邊界條件

邊界條件是數(shù)值計(jì)算結(jié)果精確程度的重要影響因素，它的選取將直接影響到數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性。邊界條件可分為固定邊界條件，黏性邊界條件，遠(yuǎn)置邊界條件等[4]，具體的選擇根據(jù)工程情況反復(fù)調(diào)試以達(dá)到選擇的合理性。

1.3 單元選取

模型單元選用ABAQUS中的修正6節(jié)點(diǎn)三角形二次平面應(yīng)變單元（CPE6M），此單元精度較高，且能模擬任意的幾何形狀。在模型中，滑動(dòng)帶等比較關(guān)心其應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的部位布置較密的單元，而在滑床布置較疏的單元。

1.4 物理力學(xué)參數(shù)

對(duì)于Mohr-Coulomb模型，需要輸入的參數(shù)為彈性模量，泊松比，內(nèi)摩擦角，凝聚力，密度，剪脹角及初始塑性應(yīng)變等。

2 工程實(shí)例

某水電站一級(jí)廠房后邊坡發(fā)育在兩沖溝之間，平面上呈北東向狹長(zhǎng)型展布，山體三面臨空，沖溝發(fā)育，各條沖溝向上延伸上至尖峰并匯集于尖峰之下，由尖峰山脊向上下游的延伸，在地貌上形成圈椅狀背形態(tài)，各條沖溝座落于圈椅內(nèi)，形成“爪狀”地貌形態(tài)。山坡和沖溝內(nèi)有大量有崩積堆積層，厚度>20m，部分沖溝下雨時(shí)很少見(jiàn)到流水現(xiàn)象。山坡上直徑約15cm以上的部分松樹(shù)、彬樹(shù)在樹(shù)根段可見(jiàn)馬刀形彎曲，具有“馬刀樹(shù)”特征。

2013年的一次持續(xù)降雨，使該邊坡的地下水位急劇上升，滑面的抗剪強(qiáng)度降低、滑體的容重增大、靜水壓力升高，又由于原來(lái)廠房基坑和坡腳的開(kāi)挖破壞了坡體原有的穩(wěn)定，邊坡出現(xiàn)了明顯的位移，現(xiàn)就該邊坡持續(xù)降雨工況下進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2.1 建立計(jì)算模型

根據(jù)該邊坡工程地質(zhì)剖面圖及其邊坡物質(zhì)組成和工程地質(zhì)性質(zhì)建立邊坡變形演化計(jì)算模型，如圖1所示。將邊坡劃分為熔結(jié)凝灰?guī)r滑床，夾碎塊石粉質(zhì)粘土和熔結(jié)凝灰?guī)r破碎帶組成的滑體和泥礫層組成的滑動(dòng)帶。

2.2 滑動(dòng)面抗剪參數(shù)反演

運(yùn)用不平衡推力法反算模型的物理力學(xué)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

2.3 持續(xù)降雨?duì)顟B(tài)下數(shù)值分析結(jié)果

根據(jù)2013年的一次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，持續(xù)降雨?duì)顟B(tài)下水位高程246.9m，張裂縫底高程為244m，則水頭=2.9m，=9.8kN/m3，代入得靜水壓力=28.42kPa，施加于模型中得出持續(xù)降雨下潛在底滑面靜水壓力分布見(jiàn)圖2。

夾碎塊石粉質(zhì)粘土、破碎巖帶、泥礫層和熔結(jié)凝灰?guī)r按表1賦值，采用圖1所示的計(jì)算模型，得到邊坡在持續(xù)降雨條件下的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)成果如圖3～圖8所示。

從以上數(shù)值分析結(jié)果可知，持續(xù)降雨的情況下邊坡最大、最小主應(yīng)力均呈從坡面向深部由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力，在坡面淺層應(yīng)力均為拉應(yīng)力，由此將形成平行坡面的張裂隙及與坡面大角度相交的剪裂隙?；嫔系闹鲬?yīng)力基本上是壓應(yīng)力，最大主應(yīng)力在坡體架空處為拉應(yīng)力，并使滑體內(nèi)部出現(xiàn)局部拉應(yīng)力，符合實(shí)際的情況，因?yàn)榛w在滑動(dòng)的過(guò)程中，在水平運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還有沿滑面的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此在滑面后端連接拉裂縫處會(huì)使滑體發(fā)生拉裂?；瑒?dòng)面上的剪應(yīng)力比較集中，特別是滑動(dòng)面拐彎處。邊坡在水平方向的位移呈前緣位移大，后緣位移?。辉谪Q直方向的沉降呈后緣大，前緣小。位移主要發(fā)生在滑面以上坡體，滑面以下坡體位移很小，說(shuō)明了坡體是沿已知的滑面發(fā)生滑動(dòng)的。同時(shí)，坡體的塑性區(qū)已在泥礫層中形成并與從坡面向下延伸的拉裂縫貫通，采用塑性區(qū)是否貫通作為邊坡失穩(wěn)的判據(jù)，可以判斷邊坡已經(jīng)失穩(wěn)。

3 結(jié)語(yǔ)

有限元數(shù)值模擬方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：不必引入假定條件，便可滿足應(yīng)力、應(yīng)變之間的本構(gòu)關(guān)系；可以比較真實(shí)地模擬邊坡的地形地貌及其復(fù)雜的內(nèi)部地質(zhì)條件；不必事先假定破壞面，破壞發(fā)生于抗剪強(qiáng)度無(wú)法抵抗剪應(yīng)力的位置；計(jì)算結(jié)果可以提供應(yīng)力、應(yīng)變的全部信息。由此，該方法的評(píng)價(jià)結(jié)果具有相當(dāng)?shù)目煽啃裕撨吰滦枰M(jìn)行加固治理。

參考文獻(xiàn)

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[3] 蒙春玲.基于ABAQUS的滑坡穩(wěn)定性研究與抗滑樁優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2007.

[4] 吳繼敏.工程地質(zhì)學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.