胡江春, 楊成林, 徐曉晨, 郭福偉, 馮金超

(中原工學院， 鄭州 450007)

?

顆粒流法及其在庫岸滑坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用

胡江春, 楊成林, 徐曉晨, 郭福偉, 馮金超

(中原工學院， 鄭州 450007)

滑坡的失穩(wěn)破壞是一個巖土體的滑動、平移的復雜過程。本文根據(jù)黃河庫岸滑坡的工程地質(zhì)條件，建立滑坡體的顆粒流數(shù)值模型，運用二維顆粒流程序(PFC2D)分析了該滑坡體的復雜破壞特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該滑坡的變形破壞是一個時間過程。利用顆粒流軟件可以從微觀角度再現(xiàn)該滑坡發(fā)生、發(fā)展以及最終趨穩(wěn)的全過程，為處于不同變形破壞階段的滑坡治理提供依據(jù)。

滑坡;顆粒流;離散元

目前，常見的滑坡分析方法有剛體極限平衡法、極限分析法、滑移線場法、數(shù)值分析法等。作為數(shù)值分析法中的一種，利用離散元的顆粒流方法進行邊坡穩(wěn)定性分析越來越被人們重視。1971年，著名學者Cundall P A首先提出離散單元法(Distinct Element Method,DEM)[1]，并且成功運用到巖土體的不連續(xù)力學特性數(shù)值模擬中。隨后，廣大學者對這種研究方法進行了大量的探索和創(chuàng)新。翟振威等對筒倉進行了卸料過程的模擬，得到了貯料的流動形式[2]；朱煥春分析了礦山崩落開采過程中的破壞形態(tài)、應(yīng)力變化和圍巖響應(yīng)[3]；崔鐵軍等對礦山在巖爆及地震作用下的巖體穩(wěn)定性進行了探討[4-5]；夢云偉等對開挖隧道破碎帶引起的圍巖穩(wěn)定性進行了模擬，評價了支護結(jié)構(gòu)的效果[6]。由此可知，顆粒流分析方法已經(jīng)成為巖土工程分析的一種有效方法。由于工程應(yīng)用與發(fā)展及地質(zhì)情況的復雜性，對滑坡災害的預防和治理也受到了一些學者的關(guān)注，如對土質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞的分析[7-8]，而關(guān)于不同性質(zhì)的巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)破壞發(fā)生的全過程則有待于進一步探索。

從物理機制上來說，滑坡的失穩(wěn)破壞并不是一瞬間發(fā)生的，而是一個漸進的過程，具有時間效應(yīng)。在這一過程中，外界條件(如水、荷載)以及巖土體自身性質(zhì)(如含水率、蠕變特性等)也在逐步變化，最終達到臨界狀態(tài)而發(fā)生失穩(wěn)破壞。而且，滑坡現(xiàn)象是一個發(fā)展變化過程，是動態(tài)的而不是靜態(tài)的。運用PFC2D能很好地從細觀角度來反映巖土體整體的時效力學特性。

本文以黃河沿岸某一滑坡為例，在考慮滑坡體地質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出基于顆粒流分析的方法。利用該方法預測該滑坡體發(fā)生、發(fā)展以及最終趨穩(wěn)的全過程，得出滑坡體的破壞模式，為滑坡體不同變形破壞階段的加固治理提供依據(jù)。

1　顆粒流方法的基本原理

顆粒流方法的基本原理為二維顆粒流程序(Particle Follow Code 2 Dimension，PFC2D)，是離散單元方法的一種，用來模擬圓形顆粒介質(zhì)的運動及其相互作用。它采用數(shù)值方法將物體離散為有代表性的數(shù)百個甚至數(shù)萬個顆粒單元，通過其微觀的顆粒運動分析來表征整體宏觀力學響應(yīng)。因此，PFC2D成為用來模擬固體力學和顆粒流問題的一種有效手段。顆粒流方法在模擬過程中做了如下假設(shè)[9]：顆粒單元為圓盤形(或球形)，單元為剛性體；顆粒之間的接觸發(fā)生在很小的范圍內(nèi)；接觸特性為柔性接觸，接觸處允許有一定的重疊量；接觸處有特殊的連接強度。

對于顆粒流而言，由于介質(zhì)一開始就假定為離散顆粒體的集合，故顆粒間沒有變形協(xié)調(diào)的約束，但必須滿足平衡方程。在整個數(shù)值模擬過程中，以力-位移為本構(gòu)關(guān)系，以牛頓第二定律為運動方程，兩者按時步進行歷遍全部顆粒體的迭代[10]。如圖1所示。

圖1　PFC迭代過程示意圖

顆粒體的宏觀力學反應(yīng)是通過顆粒的接觸模型、接觸的剛度和強度來決定的。接觸本構(gòu)模型又分為：接觸剛度模型、接觸滑動模型、黏結(jié)模型[11]。本文針對滑坡體的不連續(xù)結(jié)構(gòu)特征以及滑坡帶中間有裂縫的現(xiàn)象，選擇平行黏結(jié)模型。

2　滑坡體的變形破壞

滑坡位于小浪底水庫大壩下游約2 km處的黃河右岸基巖斜坡區(qū)，總體積約5×106m3。前緣凸入黃河約60 m，坡腳高程135 m左右。后部為一東西向山梁，梁頂高程281.1 m，山梁西南側(cè)為一條陡峻的環(huán)形深切溝，溝底高程190 m左右；滑坡后緣位于山梁北

側(cè)黃河四級階地前緣，高程250～270 m；滑坡西側(cè)為一較寬沖溝，東側(cè)為一小沖溝。

2.1計算模型

根據(jù)該滑坡體的工程地質(zhì)條件，將該滑坡體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡化為：上部結(jié)構(gòu)為滑動帶，在宏觀上受5個裂縫切割，滑動帶以下巖體基本沒有發(fā)生變形，上下兩部分通過顆粒特性黏結(jié)完好?；麦w地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2　滑坡體地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

2.2計算參數(shù)

根據(jù)巖土體的性質(zhì)，把下部分定義為基巖，上部分為軟巖滑坡體。顆粒的接觸和黏結(jié)參數(shù)根據(jù)巖體的實際物理性質(zhì)，并經(jīng)過系列雙軸試驗[11]進行標定，確定模型的各項細觀參數(shù)，得出本文研究采集的數(shù)據(jù)(見表1、表2、表3)。

表1　滑坡體穩(wěn)定性分析的物理力學參數(shù)

表2　滑坡體模型細觀力學參數(shù)a

表3　滑坡體模型細觀力學參數(shù)b

2.3模型生成

首先建立幾何尺寸h×b=500 m×1 100 m的邊界。為了使模型更能真實地反映巖體的不均勻特性，顆粒半徑取Rmin=1 m，Rmax=3.0 m，生成狀態(tài)符合Gauss分布。使用ball generate命令，采用“落雨法”生成顆粒(見圖3)，然后用切割法構(gòu)建邊坡模型，在自重作用下達到平衡，不平衡力接近零，刪除多余顆粒(見圖4)。

圖3　顆粒生成

圖4　邊坡初始模型

3　滑坡體顆粒流的計算分析

根據(jù)該滑坡區(qū)工程地質(zhì)特征，計算分析中不考慮地下水的影響。由于滑坡體在自重作用下不易發(fā)生大規(guī)模的失穩(wěn)現(xiàn)象，且該滑坡處于地震帶，故考慮重力和地震作用，不考慮區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力影響。對基巖施加正弦地震波，基巖顆粒提供動力荷載，不影響滑坡的變形過程。選取滑坡全過程中典型的幾張圖片(如圖5所示)，來表示滑坡的發(fā)生、發(fā)展以及最終趨向穩(wěn)定的全過程。從圖中可以看出，滑坡體在剛開始加載地震波時，顆粒間相互碰撞、擠壓，遵循牛頓第二定律，逐漸開始打破平衡狀態(tài)。在t=30 000時步時，滑坡體前緣

(a)t=0

(b)t=30 000時步

(c)t=80 000時步

(d)t=130 000時步

(e)t=180 000時步

(f)t=280 000時步

(g)t=430 000時步

(h)t=500 000時步圖5　顆粒流計算的滑坡體變形發(fā)展生命周期全過程

有傾覆滑塌的趨勢，由于顆粒間的黏結(jié)作用，滑坡體前端滑動的顆粒牽引后端的顆粒發(fā)生下滑，使滑坡體的頂面高程降低，這可由圖中黑色實線代表的裂縫看出。隨著計算推演的繼續(xù)，顆粒體的滑移繼續(xù)向前端推進，在重力和地震波的共同作用下，運動速度越來越快，在t=430 000時步時，顆?；扑俣乳_始收斂，直至t=500 000時步時趨于穩(wěn)定。在運動過程中，滑坡體前緣的部分顆粒有較大的動能，運動距離較遠。最終，滑坡體達到穩(wěn)定的狀態(tài)，不平衡力為零。

在整個運動過程中，滑坡體的前緣立面及中上部的環(huán)形小深溝屬于失穩(wěn)的薄弱面，最先開始出現(xiàn)破壞。圖6中折線部分為微裂縫，在外力的作用下，裂縫左右的顆粒逐漸將縫隙填充。由于相互作用的擠壓力較大，致使此處的顆粒產(chǎn)生一定的重疊，導致巖體的破碎、堆積、下沉。

圖6　裂隙處放大示意圖

4　結(jié)　語

通過現(xiàn)場調(diào)查得出滑坡的工程地質(zhì)條件，尤其是滑坡體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，據(jù)此建立數(shù)值分析模型，利用顆粒流軟件進行分析研究。研究表明：滑坡的變形破壞是一個具有時間效應(yīng)的過程，只有充分了解不同階段的失穩(wěn)特征才能有針對地進行加固治理。利用顆粒流可以較好地從微觀角度顯現(xiàn)滑坡變形破壞的全過程。建議對滑坡體采取一定的加固處理，在滑坡體的前緣立

面及中上部的環(huán)形小深溝處進行錨固處理和坡面防護；在裂縫處進行注漿處理。

本文通過顆粒流來研究滑坡體的變形破壞過程，但真正意義上的變形破壞再現(xiàn)應(yīng)該基于地質(zhì)體及其環(huán)境條件演化的基礎(chǔ)上進行。這還需要大量的地質(zhì)調(diào)查和理論分析才能完成。

[1]Cundall P A. A Computer Model for Simulating Progressive, Large-Scale Movements in Block Rock Systems[C]//Symposium of International Society of Rock Mechanics. 1971:11-8.

[2]翟振威,原國平,張峰濤.筒倉貯料流態(tài)的顆粒流數(shù)值模擬[J].山西建筑,2008,34(35):90-92.

[3]朱煥春.PFC及其在礦山崩落開采研究中的應(yīng)用[J].巖石力學與工程學報,2006, 25(9):1928-1931.

[4]崔鐵軍,馬云東,王來貴.基于PFC3D的尾礦庫地震穩(wěn)定性模擬與分析[J]. 安全與環(huán)境學報, 2016,16(1):95-99.

[5]崔鐵軍,馬云東,王來貴. 基于PFC3D的露天礦邊坡爆破過程模擬及穩(wěn)定性研究[J].應(yīng)用數(shù)學和力學, 2014,35(7):759-767.

[6]孟云偉,肖世洪,柴賀軍等. 隧道開挖中破碎帶支護的顆粒離散元模擬研究[J].地下空間與工程學報,2007,3(4):673-677.

[7]周建,王家全,曾遠,等.土坡穩(wěn)定分析的顆粒流模擬[J].巖土力學,2009,30(1):86-90.

[8]張小雪,王濱生,遲玉鵬,等.邊坡穩(wěn)定分析的顆粒流方法研究[J].哈爾濱工程大學學報, 2015,36(5):666-670.

[9]Itasca Consulting Group Inc. PFC2D (Particle Flow Code in 2 Dimensions) User’s Guide [M]. Minneapolis:Itasca Consulting Group,Inc, 2002.

[10]石崇,徐衛(wèi)亞.顆粒流數(shù)值模擬技巧與實踐[M].中國建筑科學出版社,2015:5-10.

[11]王培濤,楊天鴻,于慶磊,等.節(jié)理邊坡巖體參數(shù)獲取與PFC2D應(yīng)用研究[J].采礦與安全工程學報,2013, 30(4):560-565.

(責任編輯：陸俊杰)Particle Flow Method and Its Application in Stability Analysis of Landslide on Reservoir Bank

HU Jiang-chun, YANG Cheng-lin, XU Xiao-chen, GUO Fu-wei, FENG Jin-chao

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

The unstable failure of landslide is a complex process that exists in the sliding and translation of the rock and soil body. Based on the engineering geological conditions of landslide on reservoir Bank of the Yellow River, this paper establishes the particle flow numerical model of landslide. Using the two-dimensional particle flow code (PFC2D), characteristics of complicated destruction of the landslide are analyzed. It is concluded that the landslide deformation failure is a time process, using particle flow software can realize the landslide occurrence, development and stabilization of the whole process of the final. The conclusion provides the basis for in various stages of deformation and failure of landslide control.

slope；particle flow code；discrete element

2016-06-26

國家自然科學基金項目(51074196，51574296)；河南理工大學深部礦井建設(shè)省重點學科開放實驗室開放基金項目(2014KF-03)

胡江春(1971-)，男，河南靈寶人，副教授，博士，主要研究方向為巖土工程。

1671-6906(2016)04-0061-04

TU457

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2016.04.013