基于3DEC及CATIA的濕陷性黃土高邊坡沖溝模擬分析

□郝楓楠 端木靈子 孫 凱

（1黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司；2河南省城市水資源環(huán)境工程技術(shù)研究中心）

0 前言

在中國北部區(qū)域，例如東北、西北、華北等地，廣泛分布著濕陷性黃土，分為自重濕陷性和非自重濕陷性黃土。其特點是在自重或附加應(yīng)力作用下，受水浸泡后，土體結(jié)構(gòu)被破壞，進(jìn)而發(fā)生顯著的附加變形。因此，在濕陷性黃土地基上進(jìn)行工程建設(shè)，應(yīng)采取一定的地基處理措施，以防止地基濕陷對建筑產(chǎn)生危害。

3DEC 是三維離散單元法程序（Three Dimension Distinct Element Code）的縮寫，是一款基于離散單元法作為基本理論以描述離散介質(zhì)力學(xué)行為的計算分析程序。一般來說，本身承襲了UDEC的基本核心思想，其本質(zhì)是對二維空間離散介質(zhì)力學(xué)描述向三維空間延伸，目前是主流的巖石力學(xué)分析軟件，能夠較為準(zhǔn)確地模擬建筑物的開挖、回填，襯砌、錨固等一系列的力學(xué)行為，被廣泛應(yīng)用于采礦、地下空間、水利工程等領(lǐng)域。

1 概述

南水北調(diào)中線一期穿黃工程位于鄭州市以西約30 km處。南岸連接明渠是一條深挖方渠道，其長度約為5 km，位于邙山黃土丘陵區(qū)，該區(qū)域具有典型的濕陷性。地面高程約為131～163 m，渠底高程111～112 m，邊坡高度為20～52 m。地下水位高程約102～139 m。每10 m 高差設(shè)置一級馬道，馬道寬度為20 m，邊坡坡比為1∶0.70或1∶1，邊坡采用漿砌石或者混凝土骨架植草進(jìn)行防護(hù)。

2016年的一場突破歷史極值的暴雨使得南岸深挖方渠段各級馬道及邊坡均有不同程度的受損，主要體現(xiàn)在暴雨后馬道出現(xiàn)多處局部塌陷，邊坡產(chǎn)生貫穿性沖溝，邊坡產(chǎn)生連通式的洞穴導(dǎo)致邊坡有泥漿冒出。若再有一場大雨，很有可能會導(dǎo)致邊坡滑坡及漿砌石護(hù)坡倒塌，對邊坡穩(wěn)定造成不利影響。

2 模型的簡化與建立

本次模擬的斷面位于K3+800，為渠道的右岸，斷面地層分界及邊坡。該斷面處的邊坡共分四級，前三級邊坡均有較寬的平臺約20 m，而120 m 高程平臺的寬度比較小，約12 m。因此考慮邊坡幾何形狀、坡面防護(hù)、地層開挖時的揭露情況，以及已有沖坑沖溝的位置。本次計算模型范圍選擇130 m平臺以下的兩級邊坡，包含為⑨夾、⑨-2 和⑨下三層地層，均為黃土狀粉質(zhì)壤土。模型的建立采用CATIA 軟件，按實際地層逐個建立。模型范圍為豎向邊坡底部高程為95 m，頂部高程為130 m；左邊以130 m 平臺的最左端，右邊則選取了部分河床底部；沿渠道軸線方向為消除邊界影響，取30 m長。

3 邊界條件及網(wǎng)格

三維建模采用法國達(dá)索公司的CATIA 軟件，模型導(dǎo)入3DEC 采用FLAC3D 和3DEC 前處理輔助程序V1.0。利用STP幾何格式文件，直接把各地層模型轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入3DEC。邊界條件采用輥軸支座，分別在X方向0.00 m、-78.00 m，Y方向0.00 m、30.00 m，Z方向95 m高程處設(shè)置。巖塊參與計算時，采用可變形的塊體，內(nèi)部剖分網(wǎng)格采用四面體自動生成網(wǎng)格，單元尺寸控制為中間部分1.50 m，兩側(cè)為3 m大小，如圖1。

圖1 四面體網(wǎng)格模型圖

4 計算工況及過程

由于沖溝的形成和強降雨或長期降雨有關(guān)，因此本計算僅考慮降雨工況，地下水位較低，計算中未考慮。計算前提需假定130 m高程平臺有連續(xù)的降雨過程，并且坡體內(nèi)部有一定的滲透通道。降雨在開始階段會有一部分產(chǎn)生下滲，一部分產(chǎn)生坡面徑流。隨著徑流的不斷沖刷和下滲水的作用，表面逐漸形成坑狀積水，積水深度達(dá)到一定程度后便會逐漸加大下滲雨水量，從而也會加大坑內(nèi)土的淘刷和沖蝕，進(jìn)而形成連通的下滲和沖蝕通道，并逐漸擴大落水洞的空腔。

計算過程采用逐步計算，總計算共30 000 步，記錄落水洞具有特征性的一些轉(zhuǎn)折點，共計9個特征時刻，如圖2所示。

圖2 Step（500、1 000、2 000、4 000、6 000、8 000、10 000、20 000、30 000時）落水洞縫隙的寬度等值線圖（m）

由以上計算特征時刻點土體內(nèi)裂縫的寬度等值線圖可知，首先在雨水的徑流沖刷及下滲水流的沖蝕下，坡頂面逐漸形成了一個微小的沖坑，寬度約0.05 cm。隨著降雨的持續(xù)，小沖坑的尺寸逐漸擴大至0.07～0.10 cm，并在滲透通道的中上部出現(xiàn)一個稍明顯的孔洞，其尺寸規(guī)模也隨著降雨的持續(xù)逐漸擴大。然后，頂部的沖坑和內(nèi)部的孔洞也逐漸擴大至0.40 cm，此時在滲透通道的末端，也就是滲流逸出部位產(chǎn)生了一定程度的沖刷。不久沖坑的寬度發(fā)展至0.90～1.70 cm，并且頂部的沖坑深度開始有了明顯的變化，頂部沖坑和內(nèi)部孔洞之間的通道逐漸打開，直到最后兩個孔洞連通一起，形成漏斗形狀且深度較深的沖坑，洞口處寬度最大，隨著沖刷的程度逐漸由2.40、3.50、5.80 cm，一直發(fā)展到9.60 cm。

5 結(jié)果分析

由模型計算可知，沖坑、沖溝的形成是一個漸進(jìn)的、緩慢的過程，沖坑、沖溝的形成與坡面防護(hù)、坡面雨水下滲量、坡腳反濾等因素有關(guān)。同時原狀土內(nèi)部已有的孔洞和裂隙也是沖坑、沖溝形成的主要誘因。若存在連通或半連通的滲流通道則會加劇沖坑、沖溝的形成，并且伴隨著多次降雨過程，沖坑、沖溝的范圍和規(guī)模也會越來越大。由于斜坡面有漿砌石護(hù)面，最終導(dǎo)致邊坡的掏空、乃至垮塌。

結(jié)合地質(zhì)情況從理論上分析可知，在強降雨或長期降雨時，大量地表水沿黃土節(jié)理、裂隙下滲至下部土層，導(dǎo)致土體飽和軟化，在動水壓力和靜水壓力的共同作用下，最初形成沖坑、沖溝等現(xiàn)象。之后可能形成橫向、縱向貫通的落水洞或邊坡局部垮塌。最后，坡體在強降雨或長期降雨的影響下，受水體浸泡的土體重量急劇增大，導(dǎo)致邊坡發(fā)生大規(guī)模破壞現(xiàn)象。由于黃土斜坡上部第四系全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)黃土垂直節(jié)理發(fā)育，在雨季尤其是暴雨和連陰雨季節(jié)，雨水會沿著垂直裂隙下滲，使裂隙在動水沖蝕和搬運作用下不斷擴大、塌落形成貫通性沖溝（落水洞）。在長期持續(xù)水動力作用下，貫通性沖溝沿坡體向下發(fā)展、擴大，加劇破壞。

由此可以看出，模型的計算過程與土體力學(xué)理論分析基本一致，能夠較好的反映實際沖溝的形成過程。

6 結(jié)語

通過運用CATIA與3DEC軟件，建立濕陷性黃土高邊坡沖溝三維模型，模擬分析沖溝的形成過程，能夠與土力學(xué)有關(guān)理論相契合，較好地反映了實際沖溝的產(chǎn)生過程，并且可以針對性的提出應(yīng)對措施，具有較為典型的代表性。