基于2D-Block崩塌隱患體破壞軌跡研究

黨亞倩，吳亞敏

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，鄭州，451100）

0 引言

崩塌主要是巖土體在重力作用下產(chǎn)生的，特點是塊體不規(guī)則、松散、沒有整體性。大型的巖石崩塌在發(fā)生失穩(wěn)破壞后，會以流動的方式夾帶體積超過10×104m3以上的巖屑，移動至遠超過其原始巖坡高度的距離[1]。崩塌的特點有發(fā)生時間不確定性、規(guī)模差異大、運動速度極快、主要沿垂直方向墜落、破壞作用急劇等，可在較短時間內(nèi)造成嚴重的損失和破壞，帶來了極大的生命和財產(chǎn)安全威脅。趙旭根據(jù)運動學(xué)原理將崩塌落石分為墜落、滑動、滾動和彈跳等階段[2]；唐紅梅將崩塌下落分為初始位移階段、碰撞階段、滑動階段和滾動階段[3]。

由于崩塌破壞運動過程、運動軌跡的研究比較復(fù)雜，實際破壞運動過程很難用理論方法描述，所以本文以某崩塌隱患體為例，運用2D-Block對其失穩(wěn)破壞、運動過程進行數(shù)值模擬，并對其破壞過程和運動規(guī)律進行系統(tǒng)分析，預(yù)測崩塌危害范圍。

1 模型建立和邊界條件

1.1 工程概況

某崩塌隱患體相對地面高差74m，為一小型高位巖質(zhì)崩塌隱患體。斜坡頂部山體坡角15°～35°，中下部山體地形陡峻，坡度80°～90°，孤石林立，局部地方近直立，表面基巖風(fēng)化較強烈，內(nèi)部中等風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，崩向250°，見圖1。

上部裂隙，產(chǎn)狀為 253°∠85°，長4.5m，寬約2m，深約8m。下部節(jié)理裂隙，產(chǎn)狀為255°∠81°，延伸2～6m，張開度2～10cm；這組結(jié)構(gòu)面基本上把其切割成了不規(guī)則柱狀體，控制了其穩(wěn)定性。

1.2 模型建立和邊界條件

把實際測量的工程地質(zhì)剖面作為地質(zhì)模型，模型寬約7m，高約15.5m，結(jié)構(gòu)面是以層面、各節(jié)理面作為單元而劃分的（圖2），并將模型的右邊界、下邊界和公路作為模型的固定位移邊界，也就是說確定這些邊界在模擬過程中不發(fā)生橫向、豎向位移。

圖1 崩塌隱患體形態(tài)

圖2 崩塌隱患體地質(zhì)模型

力學(xué)參數(shù)的選取是由塊體和節(jié)理之間的本構(gòu)關(guān)系所確定的，并在該崩塌的試驗數(shù)據(jù)和前人的經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，選取的力學(xué)參數(shù)如表1、表2。

表1 數(shù)值模擬采用的參數(shù)值（天然工況）

表2 數(shù)值模擬采用的參數(shù)值（飽和工況）

表4 跟蹤塊體坐標和位移（工況2）

表5 跟蹤塊體坐標和位移（工況3）

2 模擬結(jié)果

2.1 破壞軌跡分析

數(shù)值模擬中，在天然、飽和、地震三種工況下，通過在破壞運動過程中跟蹤塊體05、塊體07、塊體08，得到這三個塊體運動前和運動后的形心坐標，從而得到這三個塊體運動前后的形心位移，具體見表3、4、5。

通過在運動過程中跟蹤塊體05、塊體07和塊體08，得到這三個塊體的運動軌跡，見圖3-圖5。從圖中可以看出崩塌體的運動軌跡是不規(guī)則的，我們把塊體運動軌跡大致分為：巖體裂隙出現(xiàn)和變形，崩塌體在重力加速度下的自由落體運動，塊體與塊體之間、塊體與坡體基巖之間的相互碰撞后改變方向的減速運動，塊體與下部坡體基巖的相互碰撞后的彈跳或倒轉(zhuǎn)運動四個階段[4]。第一階段：在自身重力作用、孔隙水壓力等作用下，產(chǎn)生拉張裂縫，并不斷擴大，巖體自身出現(xiàn)應(yīng)力的重分布，進而拉張裂縫從上到下逐漸貫穿；第二階段崩塌體慢慢地離開母巖，并發(fā)生倒轉(zhuǎn)運動；崩塌體內(nèi)部節(jié)理也在重力作用下，也順著節(jié)理方向開始出現(xiàn)了裂隙，并有墜落趨勢；第三階段巖體后方的裂縫進一步擴大，上部砂巖已經(jīng)完成倒轉(zhuǎn)運動脫離母巖，在初始速度下做自由落體運動，斜坡的高度、開始落體運動時的初速度決定了崩塌體的運動距離和影響范圍；第四階段崩塌體在重力的作用下完成了破壞運動的全過程，在與地面碰撞彈跳后，巖體停止運動并堆積下來。因為公路比較平整，所以與公路的碰撞彈跳后，水平位移不會很大，因此翻滾運動也不會發(fā)生。

圖3 崩塌隱患體的運動軌跡（工況1）

圖4 崩塌隱患體的運動軌跡（工況2）

圖5 崩塌隱患體的運動軌跡（工況3）

2.2 影響范圍分析

離散元數(shù)值模擬中，考慮到塊體與塊體之間、塊體與坡體基巖之間的相互碰撞，以及碰撞的過程中塊體的方向和加速度的改變等情況，這些導(dǎo)致了塊體在破壞運動過程中不規(guī)則的運動軌跡，而且這種運動軌跡是不能通過理論計算方法計算得到的。

崩塌隱患體的運動距離受巖體開始自由落體運動時的初速度、斜坡高度等影響，從模擬圖可以看出，塊體05是三個塊體中高度最高的，所以在破壞運動過程中塊體05應(yīng)為速度最模擬結(jié)果大、距離最模擬結(jié)果遠，各工況下塊體的運動軌跡見圖3-圖5。塊體05形心的坐標、位移可以通過表3、4、5得到，塊體05形心位移可以通過形心坐模擬結(jié)果標得到，即工況1狀態(tài)下水平位移距離S1=37.89m，影響范圍為899.624 2m2；工況2狀態(tài)下，水平位移距離中S2=83.037 8m，影響范圍為1 792.206 1m2；工況3狀態(tài)下，水平位移距離中S2=93.224 8m，影響范圍為2 335.091m2；而在崩塌隱患體真正的水平距離S'還應(yīng)該考慮崩塌隱患體的形狀、大小和崩塌隱患體堆積的形態(tài)，所以S1'=44.660 2m，S2'=89.808 0m，S3'=99.995m，具體見表6。

表6 不同工況下崩塌隱患體的水實際測量的平運移距離及影響范圍

3 結(jié)論

根據(jù)崩塌隱患體特征、破壞模式及變形破壞跡象，運用2D-Block離散元軟件對崩塌隱患體進行破壞和運動過程進行了模擬，預(yù)測了崩塌危害范圍，結(jié)果表明在天然工況下崩塌危害水平位移為44.660 2m，影響范圍為899.624㎡；在暴雨工況下，崩塌危害水平位移為89.808 0m，影響范圍為1 792.206 1㎡；在地震工況下，崩塌危害水平位移為99.995m，影響范圍為2 335.091m2。