沈桑桑 盧曉春 蔣建偉

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2. 三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

崩塌堆積體其主要變形破壞模式主要包括邊坡表面石塊滾動(dòng)、沿邊坡內(nèi)部滑動(dòng)、沿原河谷岸坡滑動(dòng)．主要表現(xiàn)為多層面和復(fù)雜性，地質(zhì)勘測(cè)不能確定其危險(xiǎn)滑動(dòng)面；若單一地依據(jù)地質(zhì)勘測(cè)確定其危險(xiǎn)滑動(dòng)面也不符合安全性評(píng)價(jià)要求．故本文通過(guò)采用基于有限單元法的ABAQUS軟件進(jìn)行三維計(jì)算來(lái)確定崩塌堆積體的危險(xiǎn)滑動(dòng)面．同時(shí)堆積體物質(zhì)來(lái)源為上部花石崖危巖體邊坡的崩塌物，以及沖溝兩岸岸坡崩塌物，堆積體的物質(zhì)形狀會(huì)隨著時(shí)間推移而變化，導(dǎo)致其力學(xué)特性參數(shù)無(wú)法確定．力學(xué)參數(shù)又對(duì)最終安全計(jì)算結(jié)果與評(píng)價(jià)具有重要影響，故本文通過(guò)參數(shù)敏感性分析為確定力學(xué)參數(shù)提供依據(jù)．

1 工程概況

根據(jù)金沙水電站樞紐工程布置及地質(zhì)勘察報(bào)告，金沙水電站壩址區(qū)及近壩庫(kù)段的不良地質(zhì)主要有橫貫樞紐上、下游右岸導(dǎo)流明渠邊坡的2號(hào)撓曲體(包括牛筋樹(shù)堆積體及2號(hào)撓曲體)、上游右岸的花石崖危巖體及其下覆的崩塌堆積體等．

花石崖崩塌堆積體邊坡較陡，坡角30°左右，以粗顆粒的塊石為主，前緣伸入江內(nèi)，厚度大，重心低；蓄水后前緣被淹高度12 m，受庫(kù)水浸泡和沖刷等作用可能會(huì)產(chǎn)生局部滑塌．如發(fā)生大面積滑坡或大落差崩塌，輕則將影響施工期左岸施工場(chǎng)區(qū)的安全，阻塞河道，形成堰塞湖；同時(shí)塌滑體入江引起的涌浪將直接危及大壩在施工期安全及運(yùn)行期水電站的安全高效運(yùn)行，產(chǎn)生一系列的次生災(zāi)害．重則將沖毀建筑物及設(shè)備，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成大量人員傷亡．故對(duì)崩塌堆積體進(jìn)行穩(wěn)定性分析必不可少．

2 計(jì)算方法

2.1 材料本構(gòu)關(guān)系[6]

1)材料屈服準(zhǔn)則

考慮到巖石材料抗拉、抗剪能力較弱的特點(diǎn)，本研究中巖石材料采用最大拉應(yīng)力和Mohr-Coulomb準(zhǔn)則相結(jié)合的判斷準(zhǔn)則．當(dāng)材料產(chǎn)生受拉破壞時(shí)，采用最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，即

F1=σ1-Rt=0

式中，Rt為抗拉強(qiáng)度．

當(dāng)材料產(chǎn)生剪切破壞時(shí)，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，材料的應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到下列極限時(shí)，材料屈服，即：

|τ|=c-σtanφ

式中，τ為最大剪應(yīng)力，σ為作用在同一平面上的正應(yīng)力，c為材料的凝聚力，φ為材料的內(nèi)摩擦角．

2)材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，計(jì)算中巖石被視為理想彈塑性材料，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分為兩個(gè)階段，第一階段為彈性變形階段，第二階段為塑性變形階段．單向受力時(shí)，當(dāng)應(yīng)力小于屈服極限σs時(shí)，材料處于彈性階段；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到σs時(shí)，材料即進(jìn)入塑性狀態(tài)．然而在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)條件下，材料的某一點(diǎn)產(chǎn)生塑性變形時(shí)，應(yīng)力也必須滿足復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的屈服條件．一般來(lái)說(shuō)，屈服條件是6個(gè)應(yīng)力分量的函數(shù)，可表示為：

F(σx，σy，σz，σxy，σyz，σzx)=C

式中，C為與材料有關(guān)的常數(shù)，F(xiàn)為屈服極限．將某點(diǎn)的6個(gè)應(yīng)力分量帶入上式，如果F

2.2 剛體極限平衡法

建立在極限平衡原理基礎(chǔ)上的剛體極限平衡方法的基本原理為：1)在分析滑坡的受力和變形過(guò)程中，忽略滑體的內(nèi)部變形，認(rèn)為滑體為不可變形剛體；2)假定滑體處于極限強(qiáng)度狀態(tài)；3)在考慮穩(wěn)定安全系數(shù)后，滑體在所受各種荷載的作用下處于平衡狀態(tài)；4)在計(jì)算分析中，將滑坡體分為若干豎向土條．由于對(duì)土條分界面上的作用力作出的簡(jiǎn)化和假定不同，出現(xiàn)了各種計(jì)算分析方法[7]．

在這里對(duì)于花石崖崩塌堆積體沿原河谷邊坡滑動(dòng)破壞模式的剛體極限平衡分析采用的分析方法主要為Morgenstern-Price法．Morgenstern-Price首先對(duì)任意曲線形狀的滑裂面進(jìn)行了分析，導(dǎo)出了滿足力的平衡及力矩平衡條件的微分方程式，然后假定兩相鄰?fù)翖l法向條間力和切向條間力之間存在對(duì)水平方向坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)整個(gè)滑動(dòng)土體的邊界條件求出問(wèn)題的解答．

3 堆積體邊坡計(jì)算分析

3.1 危險(xiǎn)滑動(dòng)面的確定

3.1.1 計(jì)算模型建立

為了計(jì)算花石崖崩塌堆積體的應(yīng)力狀態(tài)，本文采用基于有限單元法的ABAQUS軟件建立了其對(duì)應(yīng)的有限元計(jì)算模型，計(jì)算模型如圖1所示．

圖1 花石崖崩塌堆積體及山體三維網(wǎng)格示意圖

在計(jì)算模型的建立中，主要基于以下原則來(lái)確立計(jì)算模型：

1)嚴(yán)格按照實(shí)際地形建模：根據(jù)地形地質(zhì)圖，在建立計(jì)算模型時(shí)考慮了實(shí)際地形特性；

2)考慮崩塌堆積體材料分區(qū)：為精確模擬崩塌堆積體的應(yīng)力狀態(tài)，在建立有限元計(jì)算模型時(shí)考慮了崩塌堆積體的材料分區(qū)；

3)合理網(wǎng)格數(shù)量劃分：在滿足計(jì)算精度的條件下盡量提高計(jì)算效率，本計(jì)算模型采用漸變的網(wǎng)格劃分方法．計(jì)算模型的單元類(lèi)型為C3D4，整個(gè)模型包括66 641個(gè)結(jié)點(diǎn)，348 538個(gè)單元，其中崩塌堆積體包括12 199個(gè)結(jié)點(diǎn)，56 368個(gè)單元．

在計(jì)算中主要考慮堆積體自重、降雨以及地震等作用．

計(jì)算邊界條件采用理想約束條件．其中模型底部邊界面上的節(jié)點(diǎn)受X、Y、Z3個(gè)方向約束，沿著河道方向兩端的節(jié)點(diǎn)受X方向約束，垂直于河道方向兩端僅受Y方向約束．

3.1.2 計(jì)算參數(shù)

經(jīng)過(guò)鉆孔勘察實(shí)驗(yàn)，崩塌堆積體的堆積物質(zhì)為大塊石夾碎石巖屑、沖積物，以塊石、漂石為主，夾少量卵石、礫砂與碎石土．依據(jù)相關(guān)地勘資料及力學(xué)試驗(yàn)成果，初步確定計(jì)算所采用各地層的主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1．

表1 花石崖崩塌堆積體各土體的物理力學(xué)參數(shù)建議值表

3.1.3 計(jì)算工況

由于目前堆積體邊坡已經(jīng)形成，為了確保在工程建設(shè)過(guò)程中以及今后電站建成后的長(zhǎng)期運(yùn)行中的邊坡的安全，需要分析施工期水位、正常蓄水位和校核洪水位下的崩塌堆積體邊坡穩(wěn)定性．作用在該崩塌堆積體邊坡上的主要荷載有邊坡自重，降雨荷載以及地震荷載．根據(jù)水位、荷載組合等情況一共設(shè)計(jì)6個(gè)計(jì)算工況，見(jiàn)表2．

表2 崩塌堆積體邊坡計(jì)算工況

注：3種特征水位分別為施工期水位998.21 m，水庫(kù)蓄水后正常蓄水位1 022 m以及校核洪水位1 025.3 m．

3.1.4 計(jì)算結(jié)果分析

由于計(jì)算工況較多，一共6個(gè)工況，而且每種工況下有限元計(jì)算可提供的結(jié)果較多，本文僅整理施工期水位(工況2)、正常蓄水位(工況1)和校核洪水位(工況4)下堆積體在自重作用下的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律．崩塌堆積體的位移場(chǎng)在其自身形成的過(guò)程中同樣逐漸完成，但是考慮到崩塌堆積體在自重荷載下的位移場(chǎng)可以評(píng)估其運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，為其穩(wěn)定性分析提供參考，因此，在該計(jì)算過(guò)程中保留了崩塌堆積體在自身自重荷載下的位移場(chǎng)．

1)工況1(正常蓄水位+自重)，如圖2～4所示．

2)工況2(施工水位+自重)，如圖5～7所示．

3)工況4(校核洪水位+自重)，如圖8～10所示．

圖2 堆積體順河向位移圖(單位：m) 圖3 堆積體垂直河流向位移圖(單位：m) 圖4 堆積體豎向位移圖(單位：m)

圖5 堆積體順河向位移圖(單位：m) 圖6 堆積體垂直河流向位移圖(單位：m) 圖7 堆積體豎向位移圖(單位：m)

圖8 堆積體順河向位移圖(單位：m) 圖9 堆積體垂直河流向位移圖(單位：m) 圖10 堆積體豎向位移圖(單位：m)

從上述各工況組合下崩塌堆積體邊坡的應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)可知(U1為順河流方向位移，U2為垂直河流向位移，U3為豎向位移)：

1)由于該邊坡是由原河谷岸坡山體上方的危巖體崩塌墜落，在原河谷岸坡上堆積而成，該崩塌堆積體邊坡在自重荷載作用下會(huì)有沿原河谷岸坡滑動(dòng)的趨勢(shì)，會(huì)形成豎向位移分量和垂直于河流向的位移分量，同時(shí)自重荷載會(huì)使邊坡本身下沉，表現(xiàn)為豎向位移．具體的位移分布規(guī)律還受地形特征、水位及不同荷載組合的影響．

2)從崩塌堆積體邊坡豎向位移分布圖可知豎向位移在數(shù)值上大于垂直河流向位移和順河流向位移，且最大豎向位移均發(fā)生在崩塌堆積邊坡B區(qū)的中上部和崩塌堆積邊坡A區(qū)下部，A區(qū)下部的豎向位移在數(shù)值上小于B區(qū)的中上部的豎向位移；故危險(xiǎn)滑動(dòng)面為B2-B2，如圖11所示．

圖11 崩塌堆積體B2-B2工程地質(zhì)剖面圖

3)崩塌堆積體邊坡垂直河流向位移分布規(guī)律呈現(xiàn)兩個(gè)特點(diǎn)：崩塌堆積體A區(qū)與B區(qū)的連接處出現(xiàn)較大的垂直河流向位移，因?yàn)楸浪逊e體A區(qū)的下滑與自身下沉作用會(huì)導(dǎo)致連接部位的隆起；崩塌堆積體A區(qū)與B區(qū)由于下滑會(huì)產(chǎn)生垂直于河流方向的位移分量．

4)水位對(duì)崩塌堆積體的豎向位移分布規(guī)律有較大影響，水位較高的工況如正常蓄水期工況和校核洪水期工況對(duì)應(yīng)的豎向位移最大值較施工期水位對(duì)應(yīng)工況下的豎向位移最大值所處的高程高，且對(duì)應(yīng)的最大位移絕對(duì)值也大些．

3.2 邊坡安全系數(shù)影響因素分析

地質(zhì)調(diào)查及材料室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)在獲取材料力學(xué)參數(shù)時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)樣本的隨機(jī)性以及天然材料與室內(nèi)材料的差異性，導(dǎo)致計(jì)算材料參數(shù)不能完全真實(shí)反映材料的力學(xué)特性．然而，凝聚系數(shù)和內(nèi)摩擦角作為邊坡材料的力學(xué)參數(shù)在邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中直接決定了邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，故研究材料的凝聚系數(shù)和內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響十分必要，并為材料參數(shù)的確定提供指導(dǎo)．

依照地勘提供的材料參數(shù)設(shè)計(jì)本材料參數(shù)敏感性研究方案．由3.1節(jié)中確定選取危險(xiǎn)滑動(dòng)面B2-B2剖面為計(jì)算研究剖面(如圖11所示)，分別研究邊坡安全系數(shù)對(duì)凝聚系數(shù)和內(nèi)摩擦角的敏感性．具體而言，分別計(jì)算φ=32°、34°、36°時(shí)，凝聚系數(shù)c分別為0、10、20、30、40、50 kPa時(shí)邊坡對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)，以此探究凝聚系數(shù)c對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響規(guī)律；計(jì)算凝聚系數(shù)c為0、10、20 kPa時(shí)，內(nèi)摩擦角Ф分別為31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°和38°時(shí)邊坡的安全系數(shù)，以此探究?jī)?nèi)摩擦角Ф對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響規(guī)律．

3.2.1 參數(shù)正交試驗(yàn)

圖12(a)～(f)為φ=34°時(shí)對(duì)應(yīng)凝聚系數(shù)c分別為0、10、20、30、40、50 kPa時(shí)邊坡安全系數(shù)值及相應(yīng)的滑弧位置．統(tǒng)計(jì)了φ=32°、34°、36°時(shí)對(duì)應(yīng)的敏感性計(jì)算結(jié)果；圖13(a)～(h)為c=0 kPa時(shí)對(duì)應(yīng)內(nèi)摩擦角φ分別31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°和38°時(shí)邊坡安全系數(shù)及相應(yīng)的滑弧位置．統(tǒng)計(jì)了c=0、10、20 kPa時(shí)對(duì)應(yīng)的敏感性計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表3，并繪制相關(guān)關(guān)系圖(如圖14～15所示)．

(a) c=0 kPa，φ=34° (b) c=10 kPa，φ=34°

(c) c=20 kPa，φ=34° (d) c=30 kPa，φ=34°

(e) c=40 kPa，φ=34° (f) c=50 kPa，φ=34°圖12 φ=34°時(shí)與c的敏感性計(jì)算結(jié)果

(a) φ=31°，c=0 kPa (b) φ=32°，c=0 kPa

(c) φ=33°，c=0 kPa (d) φ=34°，c=0 kPa

(e) φ=35°，c=0 kPa (f) φ=36°，c=0 kPa

(g) φ=37°，c=0 kPa (h) φ=38°，c=0 kPa圖12 c=0 kPa時(shí)與φ的敏感性計(jì)算結(jié)果

安全系數(shù)凝聚系數(shù)c/kPa0 10 20 30 40 50內(nèi)摩擦角φ/°311．4141．6881．784321．5261．6921．7851．8721．9592．045331．5591．6961．786341．5261．6921．7851．8731．962．046351．5571．6941．785361．5591．6961．7861．8741．9612．047371．5611．6971．786381．5631．6981．787

3.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

分析圖14可知：邊坡安全系數(shù)與材料的凝聚系數(shù)c幾乎成線性增長(zhǎng)關(guān)系，且當(dāng)凝聚系數(shù)c超過(guò)10 kPa后不同內(nèi)摩擦角對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)完全由凝聚系數(shù)c決定．所以此邊坡的安全系數(shù)對(duì)凝聚系數(shù)c十分敏感，在測(cè)量凝聚系數(shù)c時(shí)應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎．分析圖15可知：內(nèi)摩擦角φ對(duì)該邊坡的安全系數(shù)影響小，在c=0 kPa時(shí)，當(dāng)內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)至35°后再增長(zhǎng)就不會(huì)再提高該邊坡的安全系數(shù)，且當(dāng)凝聚系數(shù)c的取值超過(guò)10 kPa后，內(nèi)摩擦角將不再影響該邊坡的安全系數(shù)．可見(jiàn)該邊坡對(duì)內(nèi)摩擦角不敏感．

圖14 c值與安全系數(shù)Fs關(guān)系圖

圖15 φ值與安全系數(shù)Fs關(guān)系圖

4 結(jié) 論

通過(guò)危險(xiǎn)滑動(dòng)面和參數(shù)敏感性分析，得出以下結(jié)論：1)對(duì)于復(fù)雜三維堆積體邊坡，可采用有限元方法計(jì)算其應(yīng)力及變形，得到其危險(xiǎn)滑動(dòng)面．2)對(duì)于力學(xué)參數(shù)不確定的邊坡可采用正交試驗(yàn)方法，計(jì)算分析其安全性．3)在堆積體穩(wěn)定性分析中，邊坡安全系數(shù)對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)凝聚力系數(shù)c和內(nèi)摩擦角φ有著較大的敏感性．同時(shí)凝聚力系數(shù)c和內(nèi)摩擦角φ的值對(duì)滑弧有著明顯的影響進(jìn)而影響安全性．4)對(duì)于類(lèi)似工程，以上方法和結(jié)論具有一定的參考性．

參考文獻(xiàn)：

[1] 江文才，巫錫勇，孫春衛(wèi)，等．堆積體邊坡及危巖體穩(wěn)定性分析[J]．鐵道建筑，2018，58(1)：121-124．

[2] 馮 剛．復(fù)雜堆積體邊坡變形失穩(wěn)分析及其穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)[D]．天津：天津大學(xué)，2011．

[3] 張楚楚，孫少銳，王 帥，等．馬河崩塌體邊坡穩(wěn)定程度敏感性分析[J]．河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，33(3)：52-56．

[4] 莫曉華，趙雙祥．基于正交設(shè)計(jì)的軟弱夾層巖質(zhì)邊坡影響因素分析[J]．北方交通，2014，10(10)：66-68．

[5] 王熠?。疗碌卣鸱€(wěn)定性影響因素的敏感性分析[D]．哈爾濱：中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，2015．

[6] 張克恭，劉松玉.土力學(xué)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.188-193．

[7] 陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析：原理·方法·程序[M]．北京：中國(guó)水利水電出版社，2003：533-560．

[8] 郭明偉，葛修潤(rùn)，李春光，等．邊坡和壩基抗滑穩(wěn)定性分析的三維矢量和法及其工程應(yīng)用[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(1)：8-20．

[9] 鄒 燁，郭明偉，王水林，等．地震荷載下三維邊坡動(dòng)力穩(wěn)定性分析[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，36(5)：1174-1184．

[10] 張楚楚，孫少銳，王 帥，等．雅礱江楞古水電站馬河崩塌堆積體邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J]．三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，38(5)：41-45．