Adina在堰塞湖蓄水對(duì)岸坡穩(wěn)定性評(píng)估中的應(yīng)用

陳大雷，賈 璐，李 輝

(1.江蘇淮源工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，江蘇 淮安 223009；2.淮安市水利工程建設(shè)管理服務(wù)中心，江蘇 淮安 223001)

1 概述

目前，巖土工程領(lǐng)域內(nèi)對(duì)岸坡穩(wěn)定性分析的研究較多，但具體針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)造成的堰塞湖內(nèi)岸坡穩(wěn)定性的研究較少。鑒于堰塞湖的形成過(guò)程極為復(fù)雜，且蓄水量大，對(duì)下游水工建筑物的安全構(gòu)成了極大的安全隱患。因此，有必要深入研究堰塞湖形成后湖內(nèi)水位上升對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響。

本文研究的堰塞湖庫(kù)區(qū)岸坡構(gòu)造線呈北東向展布，植被茂盛，溝谷多以草甸，坡度一般在30°以上。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)繪及地質(zhì)勘探，橫剖面上主要發(fā)育1組裂隙，裂隙方向與邊坡走向基本一致，是典型的順層岸坡，相對(duì)于逆層岸坡，順層岸坡穩(wěn)定性一般較差。巖體內(nèi)裂隙局部微張，裂隙面平直較粗糙，無(wú)充填，結(jié)合程度較好，貫通性差，縱剖面上裂隙發(fā)育間距大于10m/條，延伸長(zhǎng)度5～10m。并且基巖表面有較厚的覆蓋層，覆蓋層主要由碎石土組成，水位變化后有潛在的滑動(dòng)可能，因此，有必要合理評(píng)估堰塞湖水位變化后該岸坡的穩(wěn)定性。

2 邊坡有限元模型建立

本次岸坡穩(wěn)定計(jì)算平臺(tái)采用Adina巖土有限元軟件[1,2]，堰塞湖內(nèi)水位變化對(duì)巖土的影響基于經(jīng)典的達(dá)西滲流定律[3- 7]進(jìn)行考慮評(píng)估，從而合理反映出水位變化對(duì)岸坡體的影響[3- 7]。

本文研究的堰塞湖岸坡坡度平均33°，潛在滑坡體厚度最大超過(guò)48m。為了便于計(jì)算和軟件進(jìn)行處理，對(duì)該地質(zhì)CAD圖邊界尺寸進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，并將邊坡兩側(cè)進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)展，從而減小邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果造成的影響，岸坡往左側(cè)擴(kuò)展200m，底部往下擴(kuò)展300m，將最終的模型導(dǎo)入有限元軟件Adina中。同時(shí)賦予相應(yīng)的巖體材料特性，材料模型選用常用的彈塑性模型，可準(zhǔn)確描述巖體的塑性變形規(guī)律，屈服準(zhǔn)則為摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則[8- 10]。為了克服網(wǎng)格畸形的情況，采用前處理CAE軟件Hypermesh對(duì)邊坡模型網(wǎng)格進(jìn)行劃分處理，一共2226個(gè)單元，28217個(gè)節(jié)點(diǎn)。研究岸坡的典型剖面模型如圖1所示，通過(guò)室內(nèi)真三軸壓縮試驗(yàn)獲得該岸坡的巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。岸坡模型的底部和左邊界分別施加法向位移約束，從而控制底部邊界僅能橫向變形，左邊界僅能發(fā)生縱向變形。

圖1 堰塞湖岸坡典型剖面及潛在滑坡體分布

圖2 堰塞湖蓄水過(guò)程潛在滑坡體剪應(yīng)力分布/kPa

表1 堰塞湖岸坡潛在滑坡體有限元力學(xué)參數(shù)

該滑坡體垮塌后形成的堰塞湖湖面高程約2890m，之后逐漸上升至最高水位2950m，水位共升高了約60m，因此本次滑坡穩(wěn)定研究分3個(gè)梯度進(jìn)行分析計(jì)算，即初始時(shí)刻2890m，中間2920m，最后2950m。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

在巖土工程領(lǐng)域，巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)碎石土潛在滑坡體岸坡穩(wěn)定影響顯著。在研究堰塞湖水位上升過(guò)程對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響時(shí)需要首先考慮水位對(duì)岸坡坡體內(nèi)部剪應(yīng)力的影響，如圖2所示給出了水位上升過(guò)程3個(gè)階段計(jì)算終端時(shí)刻岸坡巖體內(nèi)的剪應(yīng)力分布云圖，即包括初始時(shí)刻2890m，中間2920m，最后2950m。分析圖2可知：受潛在滑坡體與基巖中間軟弱夾帶的影響，滑坡體整體基本處于應(yīng)力松弛的狀態(tài)，僅在中部出現(xiàn)一定的剪應(yīng)力分布，基巖與滑坡體交界面的中上部為存在較大剪應(yīng)力分布，且隨著水位上升，最大剪應(yīng)力有減小的趨勢(shì)，但不明顯，最終在2400Kpa左右，具體部位處于交界處較陡位置，說(shuō)明該堰塞湖蓄水對(duì)岸坡內(nèi)部巖體剪應(yīng)力分布影響較小。

3.2 穩(wěn)定性分析

基于上述剪應(yīng)力的相關(guān)分析，進(jìn)一步定量分析了堰塞湖內(nèi)水位上升過(guò)程中潛在滑坡體的穩(wěn)定性變化情況。采用Adina自帶的邊坡穩(wěn)定性分析模塊，基于強(qiáng)度折減法相關(guān)原理[11- 12]，計(jì)算得到了3個(gè)階段滑坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2。分析可知：隨著堰塞湖內(nèi)水位的升高，岸坡內(nèi)的潛在滑坡體穩(wěn)定安全系數(shù)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，初始時(shí)刻(水位2890m)岸坡的安全系數(shù)僅有1.18，當(dāng)堰塞湖內(nèi)水位上升至2920m時(shí)，系數(shù)增至1.58，而在最終2950m時(shí)穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到了1.76，堰塞湖內(nèi)水位上升提高了作用于岸坡表面的水壓力，變向的提高了潛在滑坡體的抗滑力，此抗滑作用遠(yuǎn)大于水對(duì)土體的軟化作用。

為進(jìn)一步確定潛在滑坡體的極限破壞部位，如圖3所示給出了各階段岸坡穩(wěn)定數(shù)值計(jì)算至極限狀態(tài)時(shí)的塑性破壞位置，可見(jiàn)各階段的破壞形式和位置均相同，沿巖層分界處的軟弱夾帶分布，剪出口位于滑坡體中部，位置距離坡腳大245m，說(shuō)明潛在滑坡最有可能發(fā)生在邊坡中部和后緣，即產(chǎn)生高位滑坡的可能性最大。

表2 堰塞湖蓄水過(guò)程滑坡體穩(wěn)定安全系數(shù)變化

圖3 堰塞湖蓄水過(guò)程潛在滑坡體極限破壞位置分布

4 結(jié)論

本文以大型有限元軟件Adina為計(jì)算工具，基于強(qiáng)度折減法基本理論，對(duì)某堰塞湖形成后該庫(kù)區(qū)蓄水過(guò)程對(duì)岸坡潛在滑坡體的穩(wěn)定性變化趨勢(shì)進(jìn)行了研究，同時(shí)分析了剪應(yīng)力分布和潛在極限破壞位置，得到結(jié)論如下：

(1)堰塞湖蓄水增加時(shí)，岸坡巖體內(nèi)的剪應(yīng)力分布變化不明顯。

(2)隨著堰塞湖內(nèi)蓄水水位的上升，潛在滑坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸增加。

(3)該岸坡潛在滑坡體各階段的破壞形式和位置均相同，塑性破壞位置沿巖層分界處的軟弱夾帶分布，容易產(chǎn)生高位滑坡。

本文尚未對(duì)滑坡發(fā)生后的影響進(jìn)行評(píng)估，建議后期進(jìn)一步進(jìn)行研究，從而對(duì)評(píng)估災(zāi)害范圍提供借鑒。