基于耦合的某變電站邊坡變形破壞過程研究

柴平穩(wěn)，李 漪，李 柯，賀修安，劉胡杰

(1.國網(wǎng)經(jīng)濟技術研究院有限公司，北京 102209；2.湖北省電力勘測設計院有限公司，湖北 武漢 430040; 3.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

1 概述

山區(qū)修建變電站會形成一定的人工邊坡，該類邊坡屬于永久性邊坡，其具有工程性質(zhì)差,強度低且不均勻等特點,在土質(zhì)及地質(zhì)結(jié)構方面與自然邊坡存在著明顯的區(qū)別,工程實踐中，該類邊坡也引起了諸多學者的關注[1]，李振團針對卡拉變電站自然邊坡可能存在的變形失穩(wěn)特征進行分析，然后對邊坡加固措施作了一些初步的探討[2]；唐朝暉以邊坡填土性質(zhì)及幾何形狀作為邊坡穩(wěn)定性的影響變量，對填土邊坡穩(wěn)定性的可靠度進行分析[3]；文高原等研究了人工夯實填土邊坡在降雨前后的破壞模式[4]。

由于邊坡的物理力學參數(shù)具有明顯的不均勻性，現(xiàn)今難以用理論求解方法對其變形失穩(wěn)特征進行分析，隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)值模擬方法作為一種成本低和效果明顯的計算方法被廣泛應用于邊坡穩(wěn)定性評價，早期的研究中均采用單一的數(shù)值方法作為研究手段，如張龍利用顆粒流軟件建立三維數(shù)值模型，研究重慶武隆雞尾山高速遠程滑坡可能的堆積形態(tài)及影響范圍[5]；李龍起基于離散元顆粒流數(shù)值軟件對含軟弱夾層的類土質(zhì)邊坡破壞過程進行仿真模擬，通過監(jiān)測坡體位移、 應力以及速度，綜合分析了滑坡破壞模式及破壞規(guī)律[6]；陳鑫以離散元方法得到的結(jié)果為基礎，對滑坡危險性進行評價[7]；Lu 和Zhou[8-9]也采用顆粒流方法研究了滑坡變形特性，不同數(shù)值計算方法具有不同的優(yōu)劣性，基于非連續(xù)力學的顆粒流方法能夠模擬滑坡變形后的大變形大位移，可以模擬滑坡可能失穩(wěn)后的動態(tài)過程，但是對于邊坡滑床而言，若仍然采用顆粒流方法去模擬，需要生成大量的顆粒，影響計算進度，和實際工程也相差較大，此時滑床適合采用連續(xù)介質(zhì)力學去分析，隨著研究的深入發(fā)展，兼具連續(xù)介質(zhì)與離散元方法的數(shù)值計算方法開始出現(xiàn)，并逐漸成為巖土工程領域的熱點研究手段，Gianvito[10]也將連續(xù)和非連續(xù)方法結(jié)合對滑坡變形特征進行研究；張鐸等[11]以尾礦壩邊坡為研究對象，對耦合和非耦合兩種模型進行對比分析，研究表明耦合算法可以對邊坡滑移帶形成過程的細觀力學特征，如力鏈分布、土體細觀組構發(fā)展等進行分析，可以更細節(jié)的研究邊坡破壞機理；嚴瓊等[12]采用連續(xù)-離散耦合數(shù)值分析方法對某露天鐵礦邊坡開挖過程中其邊坡應力應變特征進行分析，從宏觀和細觀角度對邊坡的失穩(wěn)機制進行了較為全面的探索；孫新坡等[13]基于離散元和有限差分耦合算法研究了巖土體動力學過程。鑒于以上情況，本文基于有限差分-顆粒流耦合數(shù)值模擬新技術，研究邊坡的變形過程。首先根據(jù)邊坡平面地形圖建立邊坡三維地質(zhì)概化模型，然后將邊坡殘坡積層用顆粒流填充，最后建立三維連續(xù)-離散耦合數(shù)值模型，分析了邊坡變形破壞特征，最后與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，分析了該變電站邊坡的失穩(wěn)特征[14]。

2 某變電站邊坡工程地質(zhì)條件及失穩(wěn)特征

2.1 地形地貌

某變電站站址原始地貌屬于丘陵地貌，地勢起伏較大。站址范圍原為水泥有限責任公司場地，現(xiàn)已廢棄?，F(xiàn)地形為原場地開山堆填而成。整個站址東高西低，呈三級臺階狀。邊坡坡腳現(xiàn)自然標高374 m左右，場平標高364.5 m。場平后，邊坡坡腳將再行向下開挖10 m左右，變電站東側(cè)將形成最大高度約35 m的挖方邊坡，該邊坡整體表現(xiàn)為東高西低；坡腳高程364.5 m左右，后緣高程395 m左右，地表坡度從邊坡后緣至前緣近似呈兩段直線，邊坡坡度在20°～45°之間，邊坡前緣為擬修變電站，邊坡所在場地如圖1所示。

2.2 地層巖性

站址場地巖土分布主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積層，下伏基巖為三疊系上統(tǒng)沙鎮(zhèn)溪組泥質(zhì)粉砂巖。場地內(nèi)巖土層特征按剖面圖2中順序由上而下敘述如下：殘坡積層：黃色、黃褐色，稍濕，稍密～中密。主要成分為碎石土，占60%以上，碎石直徑1 cm～20 cm，最大可達200 cm，一般粒徑10 cm；粉質(zhì)黏土占40%左右。泥質(zhì)粉砂巖：黃色、青灰色，強風化，泥質(zhì)結(jié)構，薄層～中厚層狀構造，基巖面起伏較大，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎。為場地基巖，全場分布，層頂埋深0.70 m～13.40 m，層頂標高352.94 m～380.85 m，層厚1.00 m～6.00 m。

2.3 邊坡變形特征分析及監(jiān)測

邊坡上覆土體為典型的殘坡積物，巖體黏結(jié)強度較低，結(jié)構較為破碎，地層產(chǎn)狀與邊坡為順向坡，前期的工程開挖為其提供了良好的臨空條件，在降雨條件下，巖土體抗剪強度降低，邊坡面向臨空面的下滑力超過邊坡抗滑力，使得邊坡失穩(wěn)。由于邊坡高度較大，坡度較陡，巖體自身應力在挖方邊坡形成后重新分布，坡頂形成張裂縫，加上各種外力的作用，該處邊坡對工程建設可能造成地質(zhì)災害隱患。 該邊坡體積量較大屬于中型土質(zhì)邊坡，從現(xiàn)場調(diào)查來看，該土質(zhì)邊坡存在多處細小裂縫，土體內(nèi)部孔隙發(fā)育，已經(jīng)存在滑坡邊緣位置出現(xiàn)較小型的滑塌，在降雨或人類工程活動等不確定的影響因素下，邊坡可能發(fā)生更大體積的失穩(wěn)破壞，邊坡前緣為擬修變電站，針對該邊坡，設置從坡頂至坡腳不同部位的監(jiān)測點，其監(jiān)測點布置平面圖如圖3所示，本次監(jiān)測始于 2018年4月20日，截止于 2018年10月6日，共觀測約6個月，累計觀測 16期測量數(shù)據(jù)，圖3中J11～J16為邊坡監(jiān)測點。

3 邊坡耦合數(shù)值模型

3.1 連續(xù)-離散耦合原理

連續(xù)-離散耦合是對連續(xù)介質(zhì)力學模型的進一步改進，即對巖土破壞大變形區(qū)域采用離散元進行精細化模擬，其余區(qū)域采用連續(xù)介質(zhì)單元，整個模型以連續(xù)域為主體，離散域為附加體。

本次耦合方法采用有限差分FLAC軟件和顆粒流PFC軟件相結(jié)合進行分析，耦合的工作原理是通過將PFC的墻面(wall)上的接觸力和力矩等價為墻面頂點的力，這些力再通過剛度分配原理傳遞給網(wǎng)格點或單元節(jié)點，力的計算是針對三角形墻面的三個網(wǎng)格頂點(見圖4)。

(1)

在運算模式下，整個系統(tǒng)滿足力與力矩平衡條件，有：

(2)

(3)

則切向單位矢量為：

(4)

3.2 邊坡數(shù)值模型

具體建模步驟如下：根據(jù)滑坡工程地質(zhì)平面圖，提取等高線數(shù)據(jù)，然后進行差值離散化，建立研究區(qū)域三維曲面，根據(jù)該曲面形成三維地質(zhì)體，然后利用鉆孔數(shù)據(jù)擬合得到殘坡積層和下層砂巖的三維曲面，將巖層曲面與地質(zhì)體進行布爾運算，形成具有分組的三維地質(zhì)模型，根據(jù)殘坡積層模型三維邊界，采用顆粒進行填充，最后建立耦合數(shù)值模型如圖5所示。整個耦合模型長260 m，寬290 m，高220 m，滑體顆?？倲?shù)115 989個，滑床共生成單元22 148個，計算中對滑床底邊界進行固定，設置重力加速度，讓整個模型只受重力作用，并設置B11～B16共6個監(jiān)測點，監(jiān)測坡面不同部位形變量。

3.3 計算模型選擇及參數(shù)設置

PFC中提供了多種顆粒相互接觸的力學模型，本次計算選擇應用較為廣泛的平行黏結(jié)模型，平行黏結(jié)模型不僅能夠表征顆粒間在法向和切向的接觸關系，還能描述顆粒間的扭轉(zhuǎn)特性，其基本力學關系如下:

1)力學平衡關系。

(5)

其中，ΔF，ΔU，K分別為接觸力、接觸位移和接觸剛度；n,s分別為法向和切向。

2)力矩平衡關系。

(6)

其中，ΔM，Δθ分別為力矩和轉(zhuǎn)角；J，I分別為轉(zhuǎn)動慣量和慣性矩。

該模型可以在不同實體之間傳遞顆粒間力和力矩等多個力學參量，當應力超過了相應的黏結(jié)強度時，平行黏結(jié)斷裂，可適用于模擬邊坡失穩(wěn)破壞動力學過程。另外，在計算有限單元的應力應變特征時，采用摩爾庫侖準則，在選擇耦合模型計算參數(shù)時，由于沒有完整的理論能夠從微觀性質(zhì)來有效匹配宏觀行為，采用PFC用戶手冊中推薦的步驟來匹配參數(shù)性質(zhì)，以減少迭代校核過程，再參考資料給的耦合計算方法，給出了自然工況下本文數(shù)值計算中的參數(shù)如表1，表2所示[15]。

表1 邊坡PFC模型參數(shù)

表2 邊坡基巖物理力學參數(shù)

4 結(jié)果分析

4.1 邊坡破壞過程分析

圖6表示的是邊坡不同時步位移等值線變化云圖，從100時步邊坡位移云圖可以看出，在重力作用下，邊坡后緣處開始出現(xiàn)變形，變形量較小，此時基巖層無變形。當運行到200步時，變形范圍擴大到坡中部位，顆粒位移級數(shù)進一步增大，此時基巖層受到滑坡變形的影響，存在微小變形；隨著運算時步的增加，變形范圍擴大至整個殘坡積層，顆粒都有變形的跡象，基巖層也有一定位移量；當計算步數(shù)增大到一定時，顆粒位移繼續(xù)增大，并有往下滾動的趨勢，可以預見的是，殘坡積層最后會沿著基覆界面堆積到坡腳處甚至更遠的地方。

4.2 邊坡監(jiān)測變形量分析

根據(jù)現(xiàn)場位移監(jiān)測點J11，J12，J13，J14，J15和J16監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算設置的相對應B11，B12，B13，B14，B15和B16監(jiān)測點數(shù)據(jù)對比分析。得到了邊坡不同部位位移特征，對比結(jié)果見圖7，最大監(jiān)測位移量統(tǒng)計見表3，結(jié)果表明：

1)耦合數(shù)值計算得到的坡頂及坡中位移量略大于現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，源于數(shù)值計算中離散顆粒的不均勻性，不規(guī)則的三維滑體邊界下，顆粒大小不一，顆粒間存在間隙，一般而言，顆粒越小，越更能真實反映土體相互作用特征，但是過小的顆粒運算過于龐大，影響計算效率，另外顆粒本身具有一定的流動性，而真實的土體之間存在復雜的相互作用，其相互黏結(jié)，對彼此影響較大，而坡腳處的位移相差不大，總體上，無論是現(xiàn)場監(jiān)測還是數(shù)值計算結(jié)果得到各監(jiān)測點的變化量相差較小，邊坡上位移監(jiān)測點最終變化范圍在2 mm～5 mm，反映了耦合模型的可靠性。

2)各個位移監(jiān)測點顯示滑坡運動主要分為初始變形階段、勻速變形階段和加速運動階段，位移變化曲線近似呈S形，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和耦合數(shù)值計算結(jié)果相近，驗證了耦合模型模擬殘坡積邊坡失穩(wěn)過程的可靠性。

3)分析坡體坡頂、坡中以及坡腳3個不同部位位移變化曲線可以得到，坡頂整體變形速率較大，位移大小近似與時間呈正相關，表明了邊坡破壞的持續(xù)性特征；坡中位移時程關系具有較為明顯的分段性，具有初始變形、勻速最后加速的三階段特點，但位移最大值小于坡頂位移；坡腳位移時程關系顯示，邊坡前緣處在前期較長時間內(nèi)處于緩慢變形階段，在邊坡整體變形較大時，邊坡坡腳處位移量開始增大。

4)邊坡各個部分變形在繼續(xù)增大，表明邊坡破壞的極大可能性，急需治理。

表3 監(jiān)測點最大位移量統(tǒng)計

5 結(jié)論

具有殘坡積層的邊坡具有工程性質(zhì)差,強度低且不均勻等特點,在土質(zhì)及地質(zhì)結(jié)構方面與自然邊坡存在著明顯的區(qū)別,難以準確預測預報，一旦發(fā)生失穩(wěn)破壞，將極大的威脅到基礎工程設施的安全運營，以某變電站邊坡為研究對象，基于現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)值模擬手段研究邊坡變形破壞過程，本文研究得出以下結(jié)論：

1)在重力作用下，邊坡變形破壞過程分階段完成，邊坡首先在坡頂位置處出現(xiàn)變形，隨著運算時步的增加，邊坡變形范圍進一步擴大，最后整個殘坡積層邊坡均有變形跡象，另外，運算時步越大，離散域位移量以及連續(xù)域位移量均進一步增大。

2)通過現(xiàn)場位移量監(jiān)測數(shù)據(jù)和耦合數(shù)值模擬結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，邊坡變形趨勢整體一致，位移時程曲線近似呈S型曲線，驗證了耦合模型在研究邊坡變形破壞過程中的可靠性。

3)進一步分析邊坡不同坡體部位變形特征時，可以得到：坡頂位移量均大于坡中和坡腳位移量，其中坡頂變形速率較大，變形特征較為明顯，坡中變形特征具有明顯的分階段特點，坡腳變形特征由緩慢變形變成加速變形，整體來看，邊坡變形持續(xù)增大，需盡快治理。

4)本研究成果可為實際邊坡研究提供參考意義。后續(xù)在其他工程項目上，可結(jié)合邊坡暴雨工況、暴雨+地震工程工況的不同取值做進一步的研究。