基于非線性有限元法的某拉裂松動巖體邊坡失穩(wěn)模式分析

井 向 陽， 吳 瑩， 胡 志 鵬

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

邊坡的失穩(wěn)破壞過程復(fù)雜，影響因素眾多，其失穩(wěn)模式分析是后續(xù)加固設(shè)計的重要依據(jù)之一。在我國當前的高邊坡工程中，基于極限平衡理論的計算方法仍然是基本設(shè)計分析方法，對于較為復(fù)雜的邊坡，還需采用數(shù)值分析方法等手段進行輔助分析[1-2]。目前在工程中普遍采用的數(shù)值分析方法包括連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法(有限單元法、有限差分法、邊界單元法等)和不連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法(離散單元法、塊體單元法、不連續(xù)變形分析法、數(shù)值流形元法等)[3-4]。

相對于傳統(tǒng)的極限平衡分析理論，采用數(shù)值分析方法研究邊坡的失穩(wěn)破壞模式更具優(yōu)勢，可以明確給出邊坡失穩(wěn)破壞的漸進過程、滑移通道的位置和范圍、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)等，在我國高邊坡工程中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[5-6]。其中，有限元強度折減法是較為常用的方法之一，其失穩(wěn)判別依據(jù)主要有特征點位移法、有限元計算不收斂法和塑性區(qū)貫通法等[7-9]。

本文以我國西南地區(qū)某水電站上游水庫庫區(qū)內(nèi)的拉裂松動巖體邊坡為例，采用非線性有限元強度折減法研究該邊坡的穩(wěn)定特性，并重點分析其失穩(wěn)破壞模式，為后續(xù)的工程綜合治理設(shè)計提供一定的技術(shù)支撐。

1 工程概況

某水電站是雅礱江中游梯級開發(fā)的第3級電站，位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)，其正常蓄水位以下庫容約為2.543億m3，工程等級為二等，工程規(guī)模為大(2)型。

該水電站庫區(qū)內(nèi)存在3個拉裂松動巖體(編號分別為1、2、3號，方量分別為808萬m3、400萬m3、50萬m3)，發(fā)育于右岸強卸荷帶的淺表部，結(jié)構(gòu)面強烈松弛，巖體松動明顯，各組裂隙普遍寬張，且橫河向的結(jié)構(gòu)面亦發(fā)生張開，巖體蠕滑-拉裂、滑移-壓致拉裂變形明顯，剪脹擴容，局部可見巖石拉裂、凸點壓碎、巖石轉(zhuǎn)動擾動等現(xiàn)象。

其中，1號拉裂松動巖體最大，位于庫區(qū)右岸(見圖1)，距壩軸線約為740 m，后緣最大高程約為2 710 m，前緣最低高程約為2 460 m，順河長度約為730 m，橫河向?qū)挾燃s為270 m。經(jīng)初步分析，1號拉裂松動巖體的破壞模式主要為滑移拉裂型，由松動巖體中發(fā)育的NNW向或NNE向順坡中緩傾角斷層、擠壓帶和節(jié)理裂隙構(gòu)成潛在的滑移面，由NW向陡傾角結(jié)構(gòu)面構(gòu)成潛在的后緣拉裂面。

圖1 1號拉裂松動巖體平面位置示意圖

2 計算方法及模型構(gòu)建

基于ABAQUS平臺，采用非線性有限元法對1號拉裂松動巖體邊坡進行數(shù)值模擬，其中，對邊坡的失穩(wěn)破壞過程分析采用強度折減法，即對巖體的f、c參數(shù)值進行等比例折減[10-11]。

采用平面4節(jié)點等參實體單元進行建模，3個計算剖面的模型分別見圖2～4。有限元計算坐標系定義為：X軸為橫河向，水平指向右岸；Y軸為鉛直向；Z軸為順河向，由上游水平指向下游。

數(shù)值分析模型對邊坡淺部變形體、卸荷及風(fēng)化界線、巖體質(zhì)量分類界線、主要斷層(F1、F2、F3、F4、F5)和主要裂隙帶(f1系列、f1系列、f5系列、f11系列、f13系列等)進行了精細模擬。

圖2 剖面模型網(wǎng)格圖

圖3 剖面模型網(wǎng)格圖

圖4 剖面模型網(wǎng)格圖

3 計算依據(jù)

3.1 計算工況

針對每個計算剖面，分別考慮天然狀況和蓄水狀況(正常蓄水位為2 560 m)兩種邊坡狀況，均計算持久工況、短暫工況(暴雨)和偶然工況(地震)三種工況。由于松動巖體內(nèi)的裂隙張開，排水性好，暴雨工況下僅考慮巖體參數(shù)的折減，不考慮孔隙水壓力的影響。該區(qū)域的地震基本烈度為Ⅶ度，地震工況下，基巖水平加速度峰值取136gal，地震分布系數(shù)取0.25。

3.2 材料參數(shù)

在數(shù)值計算中，對主要巖體及結(jié)構(gòu)面參數(shù)取值采用其力學(xué)建議指標的0.8分位值。1號拉裂松動巖體的計算參數(shù)見表1。

表1 1號拉裂松動巖體邊坡自然狀態(tài)下的計算參數(shù)

表2 1號拉裂松動巖體邊坡飽水狀態(tài)下的計算參數(shù)

3.3 安全標準

根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(DL/T5353-2006)，確定1號拉裂松動巖體邊坡的類別為B類，安全級別為Ⅱ級，其正常工況、暴雨工況、地震工況的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標準分別為1.05、1.05、1.00。

4 結(jié)果分析

4.1 失穩(wěn)模式

通過對3個典型剖面進行計算分析可知，各工況條件下的邊坡失穩(wěn)破壞特點和規(guī)律基本一致，鑒于篇幅有限，本文僅給出了天然工況下的失穩(wěn)破壞結(jié)果圖(圖5～7)。所示的結(jié)果圖中，藍色區(qū)域表示坡體處于彈性狀態(tài)，彩色區(qū)域表示坡體處于塑性狀態(tài)，k為巖體參數(shù)的強度折減系數(shù)。

通過分析可知，1號拉裂松動巖體邊坡的失穩(wěn)破壞是一個漸進的過程：首先，坡體的上部區(qū)域發(fā)生屈服，出現(xiàn)拉裂破壞；其次，坡腳處的局部巖體發(fā)生屈服，出現(xiàn)松動、滑移；再次，坡體內(nèi)部的局部斷層及裂隙帶發(fā)生屈服，出現(xiàn)滑移、錯動；最后，坡頂?shù)那^(qū)逐漸向下延伸，坡腳的屈服區(qū)逐漸向上延伸，與坡體內(nèi)部的屈服區(qū)連通，形成貫通的滑動通道，導(dǎo)致邊坡整體滑裂失穩(wěn)。

圖8～10給出了3個計算剖面的滑裂失穩(wěn)模式示意圖，進一步分析可知：

(1)圖5剖面的潛在滑裂通道為條帶型，寬度約為7～33米，頂部和底部較窄，中部較寬。下部的滑移通道以順坡向的f5系列軟弱結(jié)構(gòu)面為主，上部的后緣拉裂通道沿著V2類巖體走向。其中，坡腳處的剪出破壞點為接近河床位置，頂部的拉裂破壞點高程約為2 670 m，距河床正常水面的垂直距離約為190 m。

(a)k =0.91 (b)k =1.05

(c)k =1.09 (d)k =1.12圖5 剖面失穩(wěn)破壞過程

(2)圖6剖面的潛在滑裂通道為條帶型，寬度約為8～30 m，頂部和底部較窄，中部較寬。下部的滑移通道以順坡向的f11系列軟弱結(jié)構(gòu)面為主，上部的后緣拉裂通道沿著V2類巖體走向。其中，坡腳處的剪出破壞點接近河床位置，頂部的拉裂破壞點高程約為2 680 m，距河床正常水面的垂直距離約為200 m；

(2)圖7剖面的潛在滑移通道為條帶型，寬度約為11～22 m，頂部和底部較窄，中部較寬。下部的滑移通道以順坡向的f11系列軟弱結(jié)構(gòu)面為主，上部的后緣拉裂通道沿著V2類巖體走向。其中，坡腳處的剪出破壞點接近河床位置，頂部的拉裂破壞點高程約為2 700 m，距河床正常水面的垂直距離約為220 m。

4.2 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

表3給出了1號拉裂松動巖體邊坡在各計算工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。在天然狀況下，邊坡的穩(wěn)定性基本可滿足要求，但是當遭遇暴雨時，圖8剖面的安全系數(shù)偏低，存在較大的滑裂風(fēng)險。在蓄水狀況下，邊坡的安全系數(shù)較天然狀況下的安全系數(shù)均有所降低，其中，圖8剖面的安全系數(shù)最低，存在較大的滑裂風(fēng)險。

(a)k =0.82 (b)k =0.98

(c)k =1.12 (d)k =1.19圖6 剖面失穩(wěn)破壞過程

(a)k =0.87 (b)k =0.98

(c)k =1.11 (d)k =1.16圖7 剖面失穩(wěn)破壞過程

圖8 剖面滑移失穩(wěn)模式示意圖

圖9 剖面滑移失穩(wěn)模式示意圖

圖10 剖面滑移失穩(wěn)模式示意圖

5 結(jié) 論

采用非線性有限元法對某水電站上游庫區(qū)1號拉裂松動巖體邊坡進行了失穩(wěn)模式分析，結(jié)果表明，該拉裂松動巖體邊坡存在圓弧形滑裂破壞風(fēng)險，表現(xiàn)為上部沿V2類巖體走向出現(xiàn)拉裂，下部沿著坡體內(nèi)部的軟弱結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)滑移，且潛在不穩(wěn)定巖體的范圍較大，主要偏向上游側(cè)。

表3 1號拉裂松動巖體邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

針對該區(qū)域地形地質(zhì)條件、控制性結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，應(yīng)當采取適當?shù)募庸烫幚泶胧?/p>