柴平穩(wěn)，李 漪，李 柯，賀修安，劉胡杰

(1.國(guó)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；2.湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430040; 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1 概述

山區(qū)修建變電站會(huì)形成一定的人工邊坡，該類邊坡屬于永久性邊坡，其具有工程性質(zhì)差,強(qiáng)度低且不均勻等特點(diǎn),在土質(zhì)及地質(zhì)結(jié)構(gòu)方面與自然邊坡存在著明顯的區(qū)別,工程實(shí)踐中，該類邊坡也引起了諸多學(xué)者的關(guān)注[1]，李振團(tuán)針對(duì)卡拉變電站自然邊坡可能存在的變形失穩(wěn)特征進(jìn)行分析，然后對(duì)邊坡加固措施作了一些初步的探討[2]；唐朝暉以邊坡填土性質(zhì)及幾何形狀作為邊坡穩(wěn)定性的影響變量，對(duì)填土邊坡穩(wěn)定性的可靠度進(jìn)行分析[3]；文高原等研究了人工夯實(shí)填土邊坡在降雨前后的破壞模式[4]。

由于邊坡的物理力學(xué)參數(shù)具有明顯的不均勻性，現(xiàn)今難以用理論求解方法對(duì)其變形失穩(wěn)特征進(jìn)行分析，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法作為一種成本低和效果明顯的計(jì)算方法被廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，早期的研究中均采用單一的數(shù)值方法作為研究手段，如張龍利用顆粒流軟件建立三維數(shù)值模型，研究重慶武隆雞尾山高速遠(yuǎn)程滑坡可能的堆積形態(tài)及影響范圍[5]；李龍起基于離散元顆粒流數(shù)值軟件對(duì)含軟弱夾層的類土質(zhì)邊坡破壞過程進(jìn)行仿真模擬，通過監(jiān)測(cè)坡體位移、 應(yīng)力以及速度，綜合分析了滑坡破壞模式及破壞規(guī)律[6]；陳鑫以離散元方法得到的結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)滑坡危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)[7]；Lu 和Zhou[8-9]也采用顆粒流方法研究了滑坡變形特性，不同數(shù)值計(jì)算方法具有不同的優(yōu)劣性，基于非連續(xù)力學(xué)的顆粒流方法能夠模擬滑坡變形后的大變形大位移，可以模擬滑坡可能失穩(wěn)后的動(dòng)態(tài)過程，但是對(duì)于邊坡滑床而言，若仍然采用顆粒流方法去模擬，需要生成大量的顆粒，影響計(jì)算進(jìn)度，和實(shí)際工程也相差較大，此時(shí)滑床適合采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)去分析，隨著研究的深入發(fā)展，兼具連續(xù)介質(zhì)與離散元方法的數(shù)值計(jì)算方法開始出現(xiàn)，并逐漸成為巖土工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究手段，Gianvito[10]也將連續(xù)和非連續(xù)方法結(jié)合對(duì)滑坡變形特征進(jìn)行研究；張鐸等[11]以尾礦壩邊坡為研究對(duì)象，對(duì)耦合和非耦合兩種模型進(jìn)行對(duì)比分析，研究表明耦合算法可以對(duì)邊坡滑移帶形成過程的細(xì)觀力學(xué)特征，如力鏈分布、土體細(xì)觀組構(gòu)發(fā)展等進(jìn)行分析，可以更細(xì)節(jié)的研究邊坡破壞機(jī)理；嚴(yán)瓊等[12]采用連續(xù)-離散耦合數(shù)值分析方法對(duì)某露天鐵礦邊坡開挖過程中其邊坡應(yīng)力應(yīng)變特征進(jìn)行分析，從宏觀和細(xì)觀角度對(duì)邊坡的失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行了較為全面的探索；孫新坡等[13]基于離散元和有限差分耦合算法研究了巖土體動(dòng)力學(xué)過程。鑒于以上情況，本文基于有限差分-顆粒流耦合數(shù)值模擬新技術(shù)，研究邊坡的變形過程。首先根據(jù)邊坡平面地形圖建立邊坡三維地質(zhì)概化模型，然后將邊坡殘坡積層用顆粒流填充，最后建立三維連續(xù)-離散耦合數(shù)值模型，分析了邊坡變形破壞特征，最后與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析了該變電站邊坡的失穩(wěn)特征[14]。

2 某變電站邊坡工程地質(zhì)條件及失穩(wěn)特征

2.1 地形地貌

某變電站站址原始地貌屬于丘陵地貌，地勢(shì)起伏較大。站址范圍原為水泥有限責(zé)任公司場(chǎng)地，現(xiàn)已廢棄?，F(xiàn)地形為原場(chǎng)地開山堆填而成。整個(gè)站址東高西低，呈三級(jí)臺(tái)階狀。邊坡坡腳現(xiàn)自然標(biāo)高374 m左右，場(chǎng)平標(biāo)高364.5 m。場(chǎng)平后，邊坡坡腳將再行向下開挖10 m左右，變電站東側(cè)將形成最大高度約35 m的挖方邊坡，該邊坡整體表現(xiàn)為東高西低；坡腳高程364.5 m左右，后緣高程395 m左右，地表坡度從邊坡后緣至前緣近似呈兩段直線，邊坡坡度在20°～45°之間，邊坡前緣為擬修變電站，邊坡所在場(chǎng)地如圖1所示。

2.2 地層巖性

站址場(chǎng)地巖土分布主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積層，下伏基巖為三疊系上統(tǒng)沙鎮(zhèn)溪組泥質(zhì)粉砂巖。場(chǎng)地內(nèi)巖土層特征按剖面圖2中順序由上而下敘述如下：殘坡積層：黃色、黃褐色，稍濕，稍密～中密。主要成分為碎石土，占60%以上，碎石直徑1 cm～20 cm，最大可達(dá)200 cm，一般粒徑10 cm；粉質(zhì)黏土占40%左右。泥質(zhì)粉砂巖：黃色、青灰色，強(qiáng)風(fēng)化，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層～中厚層狀構(gòu)造，基巖面起伏較大，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎。為場(chǎng)地基巖，全場(chǎng)分布，層頂埋深0.70 m～13.40 m，層頂標(biāo)高352.94 m～380.85 m，層厚1.00 m～6.00 m。

2.3 邊坡變形特征分析及監(jiān)測(cè)

邊坡上覆土體為典型的殘坡積物，巖體黏結(jié)強(qiáng)度較低，結(jié)構(gòu)較為破碎，地層產(chǎn)狀與邊坡為順向坡，前期的工程開挖為其提供了良好的臨空條件，在降雨條件下，巖土體抗剪強(qiáng)度降低，邊坡面向臨空面的下滑力超過邊坡抗滑力，使得邊坡失穩(wěn)。由于邊坡高度較大，坡度較陡，巖體自身應(yīng)力在挖方邊坡形成后重新分布，坡頂形成張裂縫，加上各種外力的作用，該處邊坡對(duì)工程建設(shè)可能造成地質(zhì)災(zāi)害隱患。 該邊坡體積量較大屬于中型土質(zhì)邊坡，從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查來看，該土質(zhì)邊坡存在多處細(xì)小裂縫，土體內(nèi)部孔隙發(fā)育，已經(jīng)存在滑坡邊緣位置出現(xiàn)較小型的滑塌，在降雨或人類工程活動(dòng)等不確定的影響因素下，邊坡可能發(fā)生更大體積的失穩(wěn)破壞，邊坡前緣為擬修變電站，針對(duì)該邊坡，設(shè)置從坡頂至坡腳不同部位的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面圖如圖3所示，本次監(jiān)測(cè)始于 2018年4月20日，截止于 2018年10月6日，共觀測(cè)約6個(gè)月，累計(jì)觀測(cè) 16期測(cè)量數(shù)據(jù)，圖3中J11～J16為邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3 邊坡耦合數(shù)值模型

3.1 連續(xù)-離散耦合原理

連續(xù)-離散耦合是對(duì)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型的進(jìn)一步改進(jìn)，即對(duì)巖土破壞大變形區(qū)域采用離散元進(jìn)行精細(xì)化模擬，其余區(qū)域采用連續(xù)介質(zhì)單元，整個(gè)模型以連續(xù)域?yàn)橹黧w，離散域?yàn)楦郊芋w。

本次耦合方法采用有限差分FLAC軟件和顆粒流PFC軟件相結(jié)合進(jìn)行分析，耦合的工作原理是通過將PFC的墻面(wall)上的接觸力和力矩等價(jià)為墻面頂點(diǎn)的力，這些力再通過剛度分配原理傳遞給網(wǎng)格點(diǎn)或單元節(jié)點(diǎn)，力的計(jì)算是針對(duì)三角形墻面的三個(gè)網(wǎng)格頂點(diǎn)(見圖4)。

(1)

在運(yùn)算模式下，整個(gè)系統(tǒng)滿足力與力矩平衡條件，有：

(2)

(3)

則切向單位矢量為：

(4)

3.2 邊坡數(shù)值模型

具體建模步驟如下：根據(jù)滑坡工程地質(zhì)平面圖，提取等高線數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行差值離散化，建立研究區(qū)域三維曲面，根據(jù)該曲面形成三維地質(zhì)體，然后利用鉆孔數(shù)據(jù)擬合得到殘坡積層和下層砂巖的三維曲面，將巖層曲面與地質(zhì)體進(jìn)行布爾運(yùn)算，形成具有分組的三維地質(zhì)模型，根據(jù)殘坡積層模型三維邊界，采用顆粒進(jìn)行填充，最后建立耦合數(shù)值模型如圖5所示。整個(gè)耦合模型長(zhǎng)260 m，寬290 m，高220 m，滑體顆?？倲?shù)115 989個(gè)，滑床共生成單元22 148個(gè)，計(jì)算中對(duì)滑床底邊界進(jìn)行固定，設(shè)置重力加速度，讓整個(gè)模型只受重力作用，并設(shè)置B11～B16共6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)坡面不同部位形變量。

3.3 計(jì)算模型選擇及參數(shù)設(shè)置

PFC中提供了多種顆粒相互接觸的力學(xué)模型，本次計(jì)算選擇應(yīng)用較為廣泛的平行黏結(jié)模型，平行黏結(jié)模型不僅能夠表征顆粒間在法向和切向的接觸關(guān)系，還能描述顆粒間的扭轉(zhuǎn)特性，其基本力學(xué)關(guān)系如下:

1)力學(xué)平衡關(guān)系。

(5)

其中，ΔF，ΔU，K分別為接觸力、接觸位移和接觸剛度；n,s分別為法向和切向。

2)力矩平衡關(guān)系。

(6)

其中，ΔM，Δθ分別為力矩和轉(zhuǎn)角；J，I分別為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和慣性矩。

該模型可以在不同實(shí)體之間傳遞顆粒間力和力矩等多個(gè)力學(xué)參量，當(dāng)應(yīng)力超過了相應(yīng)的黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)，平行黏結(jié)斷裂，可適用于模擬邊坡失穩(wěn)破壞動(dòng)力學(xué)過程。另外，在計(jì)算有限單元的應(yīng)力應(yīng)變特征時(shí)，采用摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則，在選擇耦合模型計(jì)算參數(shù)時(shí)，由于沒有完整的理論能夠從微觀性質(zhì)來有效匹配宏觀行為，采用PFC用戶手冊(cè)中推薦的步驟來匹配參數(shù)性質(zhì)，以減少迭代校核過程，再參考資料給的耦合計(jì)算方法，給出了自然工況下本文數(shù)值計(jì)算中的參數(shù)如表1，表2所示[15]。

表1 邊坡PFC模型參數(shù)

表2 邊坡基巖物理力學(xué)參數(shù)

4 結(jié)果分析

4.1 邊坡破壞過程分析

圖6表示的是邊坡不同時(shí)步位移等值線變化云圖，從100時(shí)步邊坡位移云圖可以看出，在重力作用下，邊坡后緣處開始出現(xiàn)變形，變形量較小，此時(shí)基巖層無變形。當(dāng)運(yùn)行到200步時(shí)，變形范圍擴(kuò)大到坡中部位，顆粒位移級(jí)數(shù)進(jìn)一步增大，此時(shí)基巖層受到滑坡變形的影響，存在微小變形；隨著運(yùn)算時(shí)步的增加，變形范圍擴(kuò)大至整個(gè)殘坡積層，顆粒都有變形的跡象，基巖層也有一定位移量；當(dāng)計(jì)算步數(shù)增大到一定時(shí)，顆粒位移繼續(xù)增大，并有往下滾動(dòng)的趨勢(shì)，可以預(yù)見的是，殘坡積層最后會(huì)沿著基覆界面堆積到坡腳處甚至更遠(yuǎn)的地方。

4.2 邊坡監(jiān)測(cè)變形量分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)J11，J12，J13，J14，J15和J16監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算設(shè)置的相對(duì)應(yīng)B11，B12，B13，B14，B15和B16監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析。得到了邊坡不同部位位移特征，對(duì)比結(jié)果見圖7，最大監(jiān)測(cè)位移量統(tǒng)計(jì)見表3，結(jié)果表明：

1)耦合數(shù)值計(jì)算得到的坡頂及坡中位移量略大于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，源于數(shù)值計(jì)算中離散顆粒的不均勻性，不規(guī)則的三維滑體邊界下，顆粒大小不一，顆粒間存在間隙，一般而言，顆粒越小，越更能真實(shí)反映土體相互作用特征，但是過小的顆粒運(yùn)算過于龐大，影響計(jì)算效率，另外顆粒本身具有一定的流動(dòng)性，而真實(shí)的土體之間存在復(fù)雜的相互作用，其相互黏結(jié)，對(duì)彼此影響較大，而坡腳處的位移相差不大，總體上，無論是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)還是數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化量相差較小，邊坡上位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終變化范圍在2 mm～5 mm，反映了耦合模型的可靠性。

2)各個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)顯示滑坡運(yùn)動(dòng)主要分為初始變形階段、勻速變形階段和加速運(yùn)動(dòng)階段，位移變化曲線近似呈S形，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和耦合數(shù)值計(jì)算結(jié)果相近，驗(yàn)證了耦合模型模擬殘坡積邊坡失穩(wěn)過程的可靠性。

3)分析坡體坡頂、坡中以及坡腳3個(gè)不同部位位移變化曲線可以得到，坡頂整體變形速率較大，位移大小近似與時(shí)間呈正相關(guān)，表明了邊坡破壞的持續(xù)性特征；坡中位移時(shí)程關(guān)系具有較為明顯的分段性，具有初始變形、勻速最后加速的三階段特點(diǎn)，但位移最大值小于坡頂位移；坡腳位移時(shí)程關(guān)系顯示，邊坡前緣處在前期較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于緩慢變形階段，在邊坡整體變形較大時(shí)，邊坡坡腳處位移量開始增大。

4)邊坡各個(gè)部分變形在繼續(xù)增大，表明邊坡破壞的極大可能性，急需治理。

表3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大位移量統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

具有殘坡積層的邊坡具有工程性質(zhì)差,強(qiáng)度低且不均勻等特點(diǎn),在土質(zhì)及地質(zhì)結(jié)構(gòu)方面與自然邊坡存在著明顯的區(qū)別,難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，一旦發(fā)生失穩(wěn)破壞，將極大的威脅到基礎(chǔ)工程設(shè)施的安全運(yùn)營(yíng)，以某變電站邊坡為研究對(duì)象，基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和數(shù)值模擬手段研究邊坡變形破壞過程，本文研究得出以下結(jié)論：

1)在重力作用下，邊坡變形破壞過程分階段完成，邊坡首先在坡頂位置處出現(xiàn)變形，隨著運(yùn)算時(shí)步的增加，邊坡變形范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，最后整個(gè)殘坡積層邊坡均有變形跡象，另外，運(yùn)算時(shí)步越大，離散域位移量以及連續(xù)域位移量均進(jìn)一步增大。

2)通過現(xiàn)場(chǎng)位移量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和耦合數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，邊坡變形趨勢(shì)整體一致，位移時(shí)程曲線近似呈S型曲線，驗(yàn)證了耦合模型在研究邊坡變形破壞過程中的可靠性。

3)進(jìn)一步分析邊坡不同坡體部位變形特征時(shí)，可以得到：坡頂位移量均大于坡中和坡腳位移量，其中坡頂變形速率較大，變形特征較為明顯，坡中變形特征具有明顯的分階段特點(diǎn)，坡腳變形特征由緩慢變形變成加速變形，整體來看，邊坡變形持續(xù)增大，需盡快治理。

4)本研究成果可為實(shí)際邊坡研究提供參考意義。后續(xù)在其他工程項(xiàng)目上，可結(jié)合邊坡暴雨工況、暴雨+地震工程工況的不同取值做進(jìn)一步的研究。