易滑地層順層邊坡合理坡形UDEC模擬分析

徐杰

摘要：針對重慶三峽地區易滑地層地質特性，充分收集和分析前人的研究資料及成果，運用通用顆粒離散元程序（UDEC）建立三峽庫區順層三級邊坡模型，模擬過程中主要考慮層面傾角、碎落臺寬度以及粘聚力等參數對邊坡穩定性的影響，分析模擬計算得出的不同參數組合下的安全系數，提出易滑地層三級順層邊坡合理放坡坡形。

關鍵詞：易滑地層；順層邊坡；UDEC；安全系數；合理坡形

1 引言

重慶三峽地區的大型路基災害50%以上發育于三疊系巴東組、侏羅系珍珠沖組及這些地層的崩坡積體中，這類地層可統稱為易滑地層。在公路建設和運營期間，位于該類地層之上的路基容易出現病害乃至失穩造成災害。長期以來，重慶三峽地區易滑地層邊坡的治理一直是公路建設中的一個棘手的問題。隨著近年來重慶高速公路建設的飛速發展，邊坡穩定問題也越來越突出。在建設過程中如何達到有效評判、提出合理邊坡坡形和預測邊坡穩定性，并進一步制定合理的防護加固方案，已成為相關領域技術人員所關注的熱點課題[1]。

通用離散元程序（UDEC，Universal Distinct Element Code）是一個處理不連續介質的二維數值計算程序軟件。它由離散元與邊界元相互耦合，不僅可以進行有裂隙巖體的力學分析，還可以模擬多節理巖體熱傳導、地下開挖工程，以及流水、石油等在節理中的流動問題。在UDEC中，為完整塊體和不連續界面開發了多種材料特性模型，用來模擬不連續地質界面以達到顯現的典型特性。UDEC是基于“拉格朗日”有限元算法較好地模擬塊體系統中的變形和大位移，它不僅能夠對變形塊體模型特征進行靜力和動力響應分析，而且還能夠解決非連續性的剛性體模型的變形移動問題[2]。

本文依托西部交通科技建設項目，通過對重慶三峽地區存在的易滑地層路基邊坡進行詳細的現場調研，充分收集和分析前人的研究資料及成果，運用通用顆粒離散元程序（UDEC）建立三峽庫區順層類三級邊坡各種參數下的模型，進行模擬計算分析求出各種不同參數變化組合下的安全系數，提出順層邊坡合理放坡坡形。

2 主要參數及計算模型

邊坡數值模擬分析主要針對三峽庫區易滑地層。其巖體主要參數參照殷躍平[3]等的三峽庫區重大地質災害及防治研究調查分析報告，粘聚力、摩擦角的范圍主要來源李遠耀[4]等研究的三峽庫區滑帶土抗剪強度參數，粘聚力范圍在4～60kPa，摩擦角7°～18°。順層邊坡相關參數如表1、表2。

利用通用離散元UDEC軟件，依據以上巖體層面各種參數建立三級順層邊坡模型如圖1所示。模型范圍：長60米，高30米，層面厚1米，左、右及底部邊界采用固定邊界。模型為摩爾-庫侖力學模型。

3 模擬計算分析

對順層三級邊坡探討層面傾角、層面粘聚力、碎落臺寬度、坡比對邊坡的穩定性影響。利用UDEC軟件，對給定層面粘聚力、摩擦角工況下的三級順層坡模型通過改變層面傾角、坡比、碎落臺寬度等變量，計算得出邊坡安全系數，如表3所示。

由表數據看出，層面傾角大于-20°和小于-70°時，邊坡安全系數才滿足規范要求，對于傾角在-35°～-15°時采用放坡坡比1：1.5碎落臺寬度2米時，邊坡安全系數也能滿足規范要求。對于坡比1：0.75，層面傾角大于-25°時隨碎落臺寬度增加安全系數而降低；對于坡比1：1，層面傾角小于-35°時隨碎落臺寬度的增加安全系數隨之增加；對于坡比1：1.5層面傾角大于-35°隨碎落臺寬度的增加安全系數隨之降低，小于-35°時隨碎落臺寬度的增加安全系數隨之增加。層面傾角在-35°左右安全系數基本上是最低的。可見，并不是坡放的越緩，安全系數就越大，當坡比給定時，應分析天然工況與暴雨工況層面間的粘聚力對邊坡安全系數的影響。

對給定的層面傾角為-20°、-30°和摩擦角為12°，通過改變層面粘聚力、碎落臺寬度、坡比，利用UDEC軟件模擬計算分析得出邊坡安全系數如下表4。

由圖2可以看出，相同層面傾角、碎落臺寬度下，相同層面粘聚力下的邊坡安全系數隨著坡比的增大而增加；相同層面傾角、碎落臺寬度、坡比下，隨著粘聚力的增加邊坡安全系數是增大的。

由表4中數據可知：（1）當層面傾角為-20°時：碎落臺寬度為2米，粘聚力c小于30kPa時，三種坡比均不合理，需采取預加固；c在30～55kPa時，放坡1：1.5較合理；c大于55kPa時，三種坡比都合理；碎落臺為4米，粘聚力c在小于20kPa時，三種坡比均不合理，需采取預加固；c在20～40kPa時，放坡1：1.5較合理；c大于40kPa時，放坡1：1.5、1：1較合理；（2）當層面傾角為-30°時：碎落臺寬度為2米，粘聚力c小于50kPa時，三種坡比均不合理，需采取預加固； c大于50kPa時，放坡1：1.5較合理；碎落臺為4米時，三種坡比均不合理，需采取預加固。

4 結束語

重慶三峽地區易滑地層邊坡的治理一直是公路建設中的一個棘手的問題，本文針對易滑地層順層三級邊坡利用離散單元法（UDEC）顯示求解安全系數，進行模擬分析滑帶粘聚力、碎落臺寬度、層面傾角、坡比等因數的改變對其安全系數的影響，在模擬過程還考慮巖體剛度的變化，并得出以下結論：

（1） 巖體剛度系數的選取對安全系數的計算有一定的影響，但影響并不明顯，節理的剛度的選取不能太小，會直接影響安全系數的求解；

（2）

層面傾角為-15°～-35°、不同碎落臺寬度、層面粘聚力下的順層三級邊坡合理放坡坡形如表5所示。層面粘聚力在35～50kPa時，放坡坡比小于1：1較合理，當粘聚力較小時，可適當增加碎落臺寬度或減緩放坡坡比。

參考文獻

[1]胡輝.重慶三峽地區易滑地層路基邊坡安全度評價方法研究[D].重慶交通大學碩士論文，2010.

[2]Itasca Consulting Group. Inc.UDEC（Universal Distinct Element Code）user's manual， Version3.0[R].[s.l.]： Itasca Consulting Group.inc. 1996.

[3]殷躍平等.長江三峽庫區移民遷建新址重大地質災害及防治研究[M].北京：地質出版社，2004.

[4]李遠耀，殷坤龍，柴波等.三峽庫區滑帶土抗剪強度參數的統計規律研究[J].巖土力學，2008，29（5）：1419-1424，1429.