基于離散單元法的錨固巖質(zhì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)研究

聶柏松 沈振中 侯冰鈴 江婷

摘要：采用離散元單法和動(dòng)力時(shí)程法，應(yīng)用UDEC程序，計(jì)算某水電站廠房后方順層塊狀巖體邊坡動(dòng)力響應(yīng)，計(jì)算結(jié)果表明：動(dòng)力荷載作用下未支護(hù)巖質(zhì)邊坡的破壞可劃分成：未滑動(dòng)、緩慢發(fā)展、加速發(fā)展和破壞4個(gè)階段;邊坡在地震荷載下的破壞是一個(gè)累積的過程;錨桿單元的軸力響應(yīng)曲線與該單元附近的巖體的相對(duì)位移時(shí)程曲線相關(guān)性很好，表明錨桿周邊單元之間相對(duì)位移是導(dǎo)致錨桿發(fā)揮加固作用的原因之一。研究了錨桿軸力分布規(guī)律，并據(jù)此提出了邊坡加固優(yōu)化方案，該加固方案對(duì)相似工程具有參考意義。

關(guān)鍵詞：邊坡;離散單元法;地震;動(dòng)力穩(wěn)定性;錨桿

中圖分類號(hào)：TU43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：The dynamic failure processes of a block of rock behind the powerhouse of a hydro-power plant was investigated using the universal distinct element code （UDEC），which is based on discrete element method （DEM），and the dynamic time-history method.The result showed that the failure processes of rock slope without support can be divided into four stages：namely un-sliding stage，slow sliding stage，accelerating stage and failure stage.That is to say the failure of rock slope under seismic load is a cumulative process.The axial force response curve of anchor showed a good correlation with the relative displacement of element around the anchor element，which indicated that the latter could be one of factors of the anchor reinforcement effects under earthquake.The optimal proposals for slope strengthening was suggested based on the cable axial force distribution pattern，and it could be used as a reference for the similar projects.

Key words：rock slope;discrete element method;earthquake;dynamic stability;cable

我國(guó)許多水利水電工程位于高山峽谷的地震頻發(fā)區(qū)，其巖體邊坡存在抗震穩(wěn)定性問題。巖體由結(jié)構(gòu)面和巖石塊體組成，結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)有重要影響。錨桿已廣泛應(yīng)用于邊坡加固工程中，但其對(duì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)的影響機(jī)理尚未完全清楚[1-4]。

目前巖質(zhì)邊坡動(dòng)力穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法有理論解析法、數(shù)值模擬計(jì)算法和物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M法3大類[5-9]。朱宏偉等[10]基于數(shù)值計(jì)算，表明錨桿可以降低坡面加速度放大系數(shù)，錨固邊坡坡頂?shù)乃轿灰谱畲?，并提出錨固邊坡動(dòng)力作用下潛在滑動(dòng)面的確定方法。葉海林等[11-12]基于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)錨桿軸力從坡外向坡內(nèi)方向傳遞，地震強(qiáng)度較小時(shí)邊坡中下部錨桿的軸力最大，地震強(qiáng)度較大時(shí)后邊坡頂部錨桿的軸力增長(zhǎng)較快，其軸力值與邊坡中下部錨桿的軸力接近。D.Wullschlager等[13]、朱維申等[14]認(rèn)為錨桿效果主要體現(xiàn)在提高被錨固的巖土體的材料強(qiáng)度方面。楊雙鎖等[15]提出錨桿發(fā)揮加固作用的前提是其與周圍巖體間產(chǎn)生相對(duì)位移或者相對(duì)位移趨勢(shì)，錨桿可以增大錨固體的彈模、黏聚力，同時(shí)使其泊松比降低。彭寧波等[16]建立了錨固單結(jié)構(gòu)面邊坡動(dòng)力模型，提出邊坡巖體的彈模及泊松比對(duì)錨桿的錨固能力影響很小。

離散單元法可以模擬有結(jié)構(gòu)面、斷層、節(jié)理等非連續(xù)面。尤其對(duì)于塊狀巖質(zhì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算，其非連續(xù)性的破壞特征是有限單元法等連續(xù)性方法所難以模擬的[17-18]。本文采用離散單元法，對(duì)某水電站廠房后部順層塊狀巖質(zhì)邊坡在未支護(hù)和支護(hù)條件下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算研究，研究了其位移、加速度及軸力響應(yīng)，并根據(jù)研究成果提出了支護(hù)優(yōu)化方案。

1 工程概況及計(jì)算模型

某水電站主廠房后部邊坡為塊狀巖質(zhì)邊坡，最大開挖高度約30 m，邊坡發(fā)育多條結(jié)構(gòu)面及節(jié)理，可能對(duì)廠房造成安全隱患，分析工程地質(zhì)資料并研究其破壞型式后，計(jì)算采用的典型剖面如圖1，相應(yīng)離散元模型見圖2。采用M-C準(zhǔn)則[19]，邊坡的結(jié)構(gòu)面和節(jié)理面采用面接觸的Coulomb滑動(dòng)模型模擬，相關(guān)參數(shù)見表1、表2。錨桿橫向間距2.5 m，布置及編號(hào)見圖3。表3為錨桿布設(shè)角度和長(zhǎng)度，錨桿物理力學(xué)參數(shù)見表4。混凝土護(hù)坡厚度為100 mm，相關(guān)參數(shù)見表5。

為研究邊坡的地震下的動(dòng)力響應(yīng)，在邊坡坡面及坡體內(nèi)部布設(shè)一系列考察點(diǎn)，見圖3。坡面共布置24個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為P1至P24。

靜力計(jì)算中，左右邊界為法向約束，模型底部邊界為上下、左右雙向約束;動(dòng)力計(jì)算中，截取邊界采用黏性邊界條件來吸收邊界上的入射波，在模型底部施加靜態(tài)邊界，在模型四周施加人工邊界，臨界阻尼比為5%，則局部阻尼比的阻尼系數(shù)為0.1571[20]。地震波時(shí)程見圖4，加速度峰值為2 m/s2。由于模型底部為黏滯（Viscous Boundary）邊界，故在底部輸入應(yīng)力時(shí)程，應(yīng)力時(shí)程計(jì)算公式如下。