不同危巖體分離面穩定性系數仿真分析

謝 浪

(四川省冶金地質勘查院,四川 成都 610051)

隨著不斷構建開發大型水電工程,各種地質工程問題也逐漸暴露出來,危害著各種工程建設[1]。其中危巖體失穩下落也就是危巖體崩塌一直是一種頻發的地質災害問題,其突發性和破壞性都極強。一旦發生,會造成河道阻塞,對農田等造成破壞,還會引發其他問題[2]。

目前大型水電工程的開發,已經使危巖崩塌問題成為一個研究熱點[3]。對于危巖崩塌問題,需要結合多種技術與學科進行研究[4]。在其研究中,危巖體分離面穩定性系數分析問題一直是一個研究重點,針對該問題進行仿真研究。在該問題的研究中,主要分為2個研究方向:一個是定性方法;另一個是定量方法。2個研究方向均取得豐碩的成果。因此,綜合以往研究方法,設計一種新的滑坡風險區危巖體分離面穩定性系數仿真分析方法,并對該方法進行性能測試。

1 滑坡風險區危巖體分離面穩定性系數仿真分析方法設計

1.1 圖像采集

通過無人機采集滑坡風險區危巖體圖像,獲取更全面、更完整的圖像信息[5]。圖像采集的具體作業流程:

(1)實施現場踏勘,對航拍區域進行確定;

(2)對航線進行設定,并對相關飛行系數進行確定;

(3)布設控制點。對多個控制點進行布設,并對控制點準確的高程信息與位置信息進行量測;

(4)構建統一坐標系,使布設的控制點形成控制網,用于對比校正圖像數據;

(5)通過無人機進行滑坡風險區危巖體圖像的采集拍照,主要通過無人機上搭載的高影像分辨率相機進行圖像采集;

(6)將滑坡風險區危巖體照片文件導出,對影像數據進行檢查與拷貝;

(7)整理定位姿態數據。

1.2 有限元建模

根據采集的滑坡風險區危巖體圖像,構建滑坡風險區危巖體的有限元力學模型。在其有限元力學模型的構建中,使用的軟件是ANSYS有限元分析軟件[6]。

首先明確計算范圍,具體如圖1所示。

結合模型的高(H)將位移邊界條件作為計算范圍的對應外邊界,也就是對于平面數值分析來說,固定左右兩側的水平位移、固定底面豎向位移;對于三維數值分析來說,固定前后左右四面的水平位移、固定底面豎向位移、忽略構造應力,將其作為安全儲備[7]。

在模型構建中,單元的使用與網格的劃分:對于平面數值分析來說,使用的單元為四邊形四節點單元;而對于三維數值分析來說,主要使用六面體單元,在局部使用一部分四面體單元[8]。在劃分單元時,加密坡頂處,其他位置單元不進行加密處理。

具體來說,使用了3種單元類型,四邊形4節點單元、六面體單元、四面體單元分布選用了2D-PLANE42實體單元、3D-SOLID45實體單元以及接觸單元。這幾種單元都具有處理大應變、大變形、膨脹、徐變、塑性的能力[9]。

本構模型選擇Prager-durcker彈塑性模型,各種材料的參數具體如表1所示[10]。

表1 各種材料的參數Tab.1 Parameters of various materials

在構建有限元力學模型時,采用的建模方式為自底向上進行建模。首先構建點,接著由點生成面;面的邊界線是共用的,以保障劃分網格時具有連續性[11]。

1.3 危巖體分離面網絡模擬

根據構建的滑坡風險區危巖體有限元力學模型實施危巖體分離面的網絡模擬[12]。

在進行分離面網絡模擬之前,先進行以下假設:通過單位面積的分離面中心數目對分離面條數進行定義;將分離面傾角和傾向假設為正態分布;將分離面假設成無限長的四邊形;假設分離面跡線中心的對應空間分布是服從均勻分布的[13]。

分離面網絡模擬的具體步驟如圖2所示。

圖2 分離面網絡模擬的具體步驟

根據圖2即可實現危巖體分離面的網絡模擬。

1.4 分離面穩定性系數仿真分析

將滑坡風險區危巖體分離面分為3種類型:滑塌式危巖體分離面、傾倒式危巖體分離面以及墜落式危巖體分離面,分別實施三者的穩定性系數仿真分析[14]。

其中滑塌式危巖體分離面的穩定性系數仿真分析過程:

(1)滑塌式危巖體分離面的滑面較緩,通過下式實施穩定性系數仿真分析:

(1)

式中:Q為滑塌式危巖體分離面的穩定性系數;w為地震力;k為危巖體自重;θ為分離面傾角;t為地震水平作用系數;g為裂隙深度;η為水的重度;C為裂隙內摩擦角度數;L為裂隙粘聚系數[15]。

(2)對于傾倒式危巖體分離面,其由后緣巖體實際抗拉強度控制危巖體破壞,通過下式實施穩定性系數仿真分析:

(2)

式中:Q′為傾倒式危巖體分離面的穩定性系數;a為傾覆點到危巖體重心之間的水平距離;V為迎風面積與風向之間的夾角;H為后緣裂隙上端至下端的垂直距離;h為后緣裂隙實際深度;α為后緣裂隙傾角;h″為后緣裂隙實際充水高度;B為空氣密度;FIK為迎風面積[16]。

(3)墜落式危巖體分離面的穩定性系數仿真分析:

(3)

式中:Q″為墜落式危巖體分離面的穩定性系數;E為危巖體抗彎力矩。

2 工程案例應用

2.1 工程案例選擇

選擇某滑坡風險區進行設計的滑坡風險區危巖體分離面穩定性系數仿真分析方法的應用測試。在該滑坡風險區中,發育有各種危巖體,包括滑塌式危巖體、傾倒式危巖體以及墜落式危巖體。分別針對3種危巖體實施分離面穩定性系數仿真分析,對設計方法的分析性能進行測試。

針對每種危巖體類型分別選擇10處對應危巖體測試設計方法的分析性能,將每種危巖體所對應不同位置的危巖體分離面用序號1～10表示。對3種危巖體分別進行圖像采集,具體如圖3所示。

(a)滑塌式危巖體

由圖3可以看出,滑塌式危巖體由侏羅系上統泥巖、巨厚層砂巖構成;傾倒式危巖體由巨厚層砂巖構成;墜落式危巖體由遂寧組泥巖構成。

3種危巖體的具體數據如表2所示。

表2 3種危巖體的具體數據Tab.2 Specific data of three types of dangerous rock bodies

分別構建3種危巖體的有限元力學模型,并對其分離面進行網絡模擬。在2種工況下利用設計方法進行分離面穩定性系數仿真分析:第1種工況是天然狀態,危巖體分離面承受的主要壓力是裂隙水壓力+自重;第2種工況是暴雨狀態,危巖體分離面承受的主要壓力是裂隙水壓+飽和自重。

2.2 第1種工況下的分離面穩定性系數仿真分析

在天然狀態下,滑塌式危巖體、傾倒式危巖體以及墜落式危巖體分離面穩定性系數的仿真結果如圖4所示。

(a)滑塌式危巖體分離面

由圖4可知,設計方法能夠實現天然狀態下滑塌式危巖體、傾倒式危巖體以及墜落式危巖體分離面穩定性系數的仿真,并且滑塌式危巖體的分離面穩定性系數最大,墜落式危巖體的分離面穩定性系數最小,符合實際情況,證明設計方法分離面穩定性系數的仿真性能良好。

2.3 第2種工況下的分離面穩定性系數仿真分析

在暴雨狀態下,3種危巖體分離面穩定性系數的仿真結果如圖5所示。

(a)滑塌式危巖體分離面

由圖5可知,在危巖體分離面承受的主要壓力是裂隙水壓+飽和自重的情況下,設計方法同樣能夠實現3種危巖體分離面穩定性系數的仿真。仿真結果:滑塌式危巖體分離面仿真穩定性系數>傾倒式危巖體分離面仿真穩定性系數>墜落式危巖體分離面仿真穩定性系數,這符合實際情況,說明設計方法能夠實現多種情況下的危巖體分離面穩定性系數仿真分析。

3 結語

本實驗對滑坡風險區危巖體分離面穩定性系數進行了仿真分析。通過無人機采集滑坡風險區危巖體圖像,構建了危巖體的有限元力學模型,并對危巖體分離面實施了網絡模擬,最后實現了多種危巖體分離面穩定性系數的仿真分析,并且仿真分析結果與實際相貼近,對于危巖體穩定性問題的研究有一定貢獻。