基于離散單元法的錨固巖質邊坡動力響應研究

聶柏松 沈振中 侯冰鈴 江婷

摘要：采用離散元單法和動力時程法，應用UDEC程序，計算某水電站廠房后方順層塊狀巖體邊坡動力響應，計算結果表明：動力荷載作用下未支護巖質邊坡的破壞可劃分成：未滑動、緩慢發展、加速發展和破壞4個階段;邊坡在地震荷載下的破壞是一個累積的過程;錨桿單元的軸力響應曲線與該單元附近的巖體的相對位移時程曲線相關性很好，表明錨桿周邊單元之間相對位移是導致錨桿發揮加固作用的原因之一。研究了錨桿軸力分布規律，并據此提出了邊坡加固優化方案，該加固方案對相似工程具有參考意義。

關鍵詞：邊坡;離散單元法;地震;動力穩定性;錨桿

中圖分類號：TU43 文獻標志碼：A

Abstract：The dynamic failure processes of a block of rock behind the powerhouse of a hydro-power plant was investigated using the universal distinct element code （UDEC），which is based on discrete element method （DEM），and the dynamic time-history method.The result showed that the failure processes of rock slope without support can be divided into four stages：namely un-sliding stage，slow sliding stage，accelerating stage and failure stage.That is to say the failure of rock slope under seismic load is a cumulative process.The axial force response curve of anchor showed a good correlation with the relative displacement of element around the anchor element，which indicated that the latter could be one of factors of the anchor reinforcement effects under earthquake.The optimal proposals for slope strengthening was suggested based on the cable axial force distribution pattern，and it could be used as a reference for the similar projects.

Key words：rock slope;discrete element method;earthquake;dynamic stability;cable

我國許多水利水電工程位于高山峽谷的地震頻發區，其巖體邊坡存在抗震穩定性問題。巖體由結構面和巖石塊體組成，結構面對邊坡動力響應有重要影響。錨桿已廣泛應用于邊坡加固工程中，但其對邊坡動力響應的影響機理尚未完全清楚[1-4]。

目前巖質邊坡動力穩定性評價方法有理論解析法、數值模擬計算法和物理實驗模擬法3大類[5-9]。朱宏偉等[10]基于數值計算，表明錨桿可以降低坡面加速度放大系數，錨固邊坡坡頂的水平位移最大，并提出錨固邊坡動力作用下潛在滑動面的確定方法。葉海林等[11-12]基于振動臺試驗研究發現錨桿軸力從坡外向坡內方向傳遞，地震強度較小時邊坡中下部錨桿的軸力最大，地震強度較大時后邊坡頂部錨桿的軸力增長較快，其軸力值與邊坡中下部錨桿的軸力接近。D.Wullschlager等[13]、朱維申等[14]認為錨桿效果主要體現在提高被錨固的巖土體的材料強度方面。楊雙鎖等[15]提出錨桿發揮加固作用的前提是其與周圍巖體間產生相對位移或者相對位移趨勢，錨桿可以增大錨固體的彈模、黏聚力，同時使其泊松比降低。彭寧波等[16]建立了錨固單結構面邊坡動力模型，提出邊坡巖體的彈模及泊松比對錨桿的錨固能力影響很小。

離散單元法可以模擬有結構面、斷層、節理等非連續面。尤其對于塊狀巖質邊坡動力響應計算，其非連續性的破壞特征是有限單元法等連續性方法所難以模擬的[17-18]。本文采用離散單元法，對某水電站廠房后部順層塊狀巖質邊坡在未支護和支護條件下的動力響應進行了對比計算研究，研究了其位移、加速度及軸力響應，并根據研究成果提出了支護優化方案。

1 工程概況及計算模型

某水電站主廠房后部邊坡為塊狀巖質邊坡，最大開挖高度約30 m，邊坡發育多條結構面及節理，可能對廠房造成安全隱患，分析工程地質資料并研究其破壞型式后，計算采用的典型剖面如圖1，相應離散元模型見圖2。采用M-C準則[19]，邊坡的結構面和節理面采用面接觸的Coulomb滑動模型模擬，相關參數見表1、表2。錨桿橫向間距2.5 m，布置及編號見圖3。表3為錨桿布設角度和長度，錨桿物理力學參數見表4。混凝土護坡厚度為100 mm，相關參數見表5。

為研究邊坡的地震下的動力響應，在邊坡坡面及坡體內部布設一系列考察點，見圖3。坡面共布置24個測點，編號為P1至P24。

靜力計算中，左右邊界為法向約束，模型底部邊界為上下、左右雙向約束;動力計算中，截取邊界采用黏性邊界條件來吸收邊界上的入射波，在模型底部施加靜態邊界，在模型四周施加人工邊界，臨界阻尼比為5%，則局部阻尼比的阻尼系數為0.1571[20]。地震波時程見圖4，加速度峰值為2 m/s2。由于模型底部為黏滯（Viscous Boundary）邊界，故在底部輸入應力時程，應力時程計算公式如下。