某滑坡穩定性的FLAC－3D數值模擬研究

2015-04-25 09:43:58張艷陽任光明

四川輕化工大學學報(自然科學版) 2015年6期

張艷陽，任光明

(地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059)

引言

我國水力資源十分豐富，水電是我國能源組成中一個相當重要的部分。水庫岸坡和古滑坡的失穩一直是水電工程中存在的重大難題。在水電站開發過程中，庫岸邊坡穩定性問題越來越突出，尤其水庫蓄水后的庫岸邊坡穩定性對大壩的安全和水電站的運轉至關重要。1942～1953年間，美國的大古力水庫引發了大約500處岸坡失穩;1965～1969年間，奧地利Cepatsch壩蓄水及水庫運行初期，緊鄰大壩的上游幾處滑坡發生了10余米變形;1963年意大利瓦依昂水庫第二次蓄水時，在庫水位上升至700 m高程時，左岸大壩1.8 km處發生2.5×108m3的巨型滑坡［1］。據統計90%以上的邊坡失穩問題與水有關，庫水位周期性的變化必定會引起庫岸邊坡中地下水位的波動，進而影響庫區邊坡的穩定性。因此，開展邊坡在庫水位變化下的穩定性研究，具有重要意義［2-4］。

1 滑坡區概況

1.1 地質條件概況

滑坡區屬于順向岸坡，地形坡度大致可以分為兩段，以高程2860 m為界:在高程2860 m以下，滑坡地形坡度較陡，地形坡度一般在40°以上，前緣甚至達到了50°;在高程2860 m以上，滑坡地形坡度變緩，地形坡度總體上在30°以下。滑坡基巖為一套薄層～互層狀結構的砂巖夾板巖地層。區內出露有灰綠色砂巖夾灰色板巖(T2-Ss+Sl)、中～薄層砂巖局部夾板巖(T2-Ss)和薄～極薄層板巖局部夾砂巖(T2-Sl)，其中T2-Sl是滑坡主要的基巖地層。巖層總體產狀330°∠50°。

1.2 滑坡基本特征

滑坡平面近似呈舌頭狀。通過布置的鉆孔及平硐揭露了滑帶的位置，調查發現前緣滑體厚約30 m，滑帶產狀290°∠54°。中部滑體厚約42.6 m，在平洞內80 m處發現明顯的彎曲折斷面，折斷面滑帶產狀286°∠55°，折斷面上部巖層產狀183°∠49°，下部巖層產狀332°∠52°，整個平硐內巖層傾向坡外。上部滑體厚約26.2 m，滑帶產狀285°∠45°。滑坡地質剖面圖如圖1所示。

圖1 滑坡工程地質剖面圖

滑坡體的物質組成與基巖有所不同，后緣發育有一條張拉裂縫，拉裂縫走向大致為280°，拉裂縫后緣發育一個拉裂陡坎，陡坎高度約0.3～1.1 m。在拉裂縫上部左側有一落水洞，洞口直徑約70 cm，延伸方向和拉裂縫方向一致，內部擴大呈倒漏斗狀，方量約5 m3。滑坡后緣為正常基巖，基巖巖層傾向與滑坡主滑方向接近。滑坡前緣剪出口部位下部巖層發生反翹，巖層傾向坡內。

2 滑坡成因機制分析

滑坡所在岸坡地層為一套層狀結構巖體，巖層普遍在30 cm以下，大部分甚至在10 cm以下，因此該滑坡區巖層屬于薄層～互層狀巖體。滑坡上部巖體層面產狀330°∠33°，傾向坡外，與滑坡區基巖傾向一致。而下部巖體由于潰曲折斷導致層面產狀178°∠26°，傾向坡內，折斷面產狀140°∠24°。此現象可以認為是巖層在上覆巖體的重力和平行于坡面的最大主應力作用下巖層發生強烈的彎曲折斷變形所致。基于以上分析，可以認為滑坡成因機制為滑移～彎曲變形破壞模式。

3 滑坡穩定性數值模擬分析

調查發現滑坡在天然條件下處于穩定狀態，而在水電站建成蓄水后滑坡區地質條件發生惡化，滑坡是否還能處于穩定狀態對水電站的建設非常重要，因此有必要對滑坡在不同蓄水位條件的穩定性進行FLAC-3D數值模擬研究。

3.1 FLAC－3D軟件簡介

FLAC-3D(fast lagrangian analysis of continua in 3 dimensions)是由Itasca公司研發推出的連續介質力學分析軟件，FLAC-3D采用了顯式拉格朗日法和混合-離散分區技術，能夠非常準確的模擬土質、巖石和其他材料的三維結構受力特性和塑性流動，基于較小內存空間就能夠求解大范圍的三維問題［5-6］。

3.2 計算模型及參數選取

計算模型如圖2所示，順河方向(y軸方向)長度為411 m，垂直河流方向(x軸方向)長度為477 m，模型最大高度(z軸方向)為435 m，即海拔3035 m。模型共劃分37554個節點，197079個單元。計算時僅考慮滑坡的自重應力場，不考慮構造應力場，將模型四周邊界、底部邊界設置為單向約束邊界［7］，根據模型的坡體結構，在建模時將模型概化為4種材料模型［8］，即構成基巖的一套薄層～互層狀結構的砂巖、板巖地層考慮為一種材料，將模型表面風化層考慮為一種材料，坡體考慮為一種材料，滑帶考慮為一種材料。對各材料分別在地表、平硐、鉆孔中取樣，進行相應的實驗分析。根據上述室內外試驗、物探測試成果的整理分析，在對巖質類型、結構面狀態、巖體結構類型和完整性等進行工程特性分析的基礎上，考慮巖體各向異性和賦存環境特征，結合有關規范取值原則［9-10］，提出該滑坡的物理力學參數平均值，滑坡物理力學參數平均取值見表1。

圖2 滑坡FLAC－3D計算模型

表1 滑坡各巖土體力學參數平均值取值表

3.3 計算結果分析

在計算時只考慮上圍堰蓄水2800 m、初期蓄水2925 m和正常蓄水2990 m三種工況進行計算。計算前先將模型在天然狀態下計算至平衡狀態，然后將速度、位移清零，添加蓄水位后繼續計算［11-13］，每一蓄水位計算迭代3000時步，在天然、蓄水條件下，對體系的最大不平衡力進行監測，最大不平衡力是在計算循環中，外力通過網格節點傳遞分配到體系各節點時，所有節點的外力與內力之差中的最大值。最大不平衡力不可能達到零，當它與作用在體系上的外力相比很小時，認為體系達到了力平衡狀態。滑坡的最大不平衡力演化曲線如圖3所示。

圖3 系統最大不平衡力時步演化曲線

由圖3可知，隨著迭代計算的不斷進行，系統不平衡力逐漸降低，滑坡在迭代至1000時步時趨于收斂，系統達到一種平衡狀態，因此，在天然條件下，滑坡體的變形發展最終是趨于穩定的。

由于滑坡前緣坡腳處發生潰曲破壞使得巖體比較破碎，當蓄水至上圍堰水位2800 m高程時，坡腳破碎巖體受到庫水侵潤，計算時對侵入水中巖體的參數按飽和條件進行折減，由計算結果可知滑坡坡腳部位為剪應變集中分布區(圖4)，除此之外坡體內沒有其他明顯的剪應變增量集中分布區，滑坡處于穩定狀態。

圖4 2800 m高程剪應變增量圖

蓄水至初期蓄水位2925 m時，隨著庫水位的抬升，剪應變增量集中帶沿著滑帶向坡體內部發展，從圖5可以看出剪應變增量較大的部分占整個滑帶的30%，其中真正能使滑坡體發生破壞的部分不足整個滑帶的5%。從系統不平衡力演化曲線可以看出，蓄水后系統不平衡力迅速增大，之后隨著時間的推移衰減較快，最后趨于收斂。說明在2925 m蓄水高程時，滑坡穩定性較之前有所降低，但整體處于穩定狀態。初期蓄水位對滑坡穩定性影響不大。

圖5 2925 m水位下剪應變增量圖

當蓄水至正常蓄水位2990 m時，剪應變增量集中帶沿著滑帶向坡體內進一步延伸，由圖6可以看出剪應變增量較大的部分占整個滑帶的70%，但是剪應變增量集中帶并沒有貫通。另外從系統不平衡力曲線可知，2990 m蓄水位下不平衡力迅速升高，之后隨著時間的推移出現了較大振幅的跌蕩，系統不平衡力趨于收斂所需時間也顯著增加，這說明庫水位的抬升使系統達到自我平衡的能力有所降低。以上兩點表明在2990 m蓄水位下，庫水對滑坡穩定性影響較大，滑坡有可能發生局部失穩。