基于UDEC下溶洞控制危巖體變形過程

冷洋洋 徐 凱

(1.貴州省地質環境監測院，貴州 貴陽 550018； 2.陜西萬科項目管理咨詢有限公司，陜西 西安 710068)

·巖土工程·地基基礎·

基于UDEC下溶洞控制危巖體變形過程

冷洋洋1徐 凱2

(1.貴州省地質環境監測院，貴州 貴陽 550018； 2.陜西萬科項目管理咨詢有限公司，陜西 西安 710068)

利用UDEC分別對降雨前及降雨后的危巖體進行模擬，顯示指出巖體沿溶洞節理方向發生變形；因陡傾裂隙與溶洞貫通，導致力學性能迅速降低，巖體沿著溶洞節理產生了下滑；在降雨條件下，危巖體將處于不穩定狀態，沿軟弱面發生剪切破壞。

UDEC，溶洞，危巖體，裂隙，剪切破壞

0 引言

UDEC(Universal Distinct Element Code)是一款利用顯式解題方案為巖土工程提供精確有效分析的工具，顯式解題方案為不穩定物理過程提供穩定解，并可以模擬對象的破壞過程，該軟件特別適合于模擬節理巖石系統或者不連續塊體集合體系在靜力或動力荷載條件下的響應。在對魚洞河崩塌發生后崖頂的殘留危巖體進行數值模擬分析時，選用離散元的方法。

1 概況

基巖地層包括下二疊段茅口組(P1m)、棲霞組(P1q)、梁山組(P1l)和上泥盆統堯梭組(D3y)。第四系土層包括殘積層、崩積層和古滑坡堆積層。

堯梭組(D3y)：由白云質灰巖、白云巖及灰巖、硅質灰巖組成，為淺海臺地相。本區內厚度約152 m。

梁山組(P1l)：以灰黑色薄層狀泥頁巖夾煤層為主，夾有石英砂巖和鋁土巖。煤層厚0.7 m。本組地層厚約13 m。

棲霞組(P1q)：整合于茅口組與梁山組之間，為深灰色含燧石結核灰巖夾灰黑色泥灰巖、頁巖和鈣質頁巖，厚90 m～141 m。

茅口組(P1m)：整合于棲霞組之上，平行不整合于龍潭組之下，一般由深灰、灰、淺灰色白云質斑塊灰巖、灰巖及深灰色含燧石結核灰巖組成，夾少量白云巖地層。本組為開闊臺地沉積，區域上厚度變化大，為70 m～771 m，本區厚約100 m。

本次調查填圖時，對茅口組和棲霞組未進行單獨劃分。

溶洞控制魚洞河危巖體代表剖面圖見圖1。

2 魚洞河危巖體數值模擬

2.1 模型建立

模型的建立主要是根據現場實際調查結果，以危巖體2剖面為例，結合相關資料建立的概化模型(見圖2)，具體如下：

1)模型的計算范圍。

結合地質剖面圖，本文選取模型計算范圍水平最大距離為292 m，垂直最大距離為227 m。

2)本構模型的選取。

離散元法把巖體看成是由巖石塊體和切割巖體的結構面兩種材料組合的(馬慶松，2009)，這兩種材料分別有不同的本構模型，在分析計算時，對于巖石塊體本構模型選取各向同性的彈性模型，結構面的本構模型為摩爾—庫侖模型。

3)初始應力場。

模型的初始應力場為自重應力場，重力加速度為10 m/sec2。

4)邊界條件。

分析計算時，分別對模型左右邊界作X方向的位移約束，底邊界作豎直Y方向的位移約束。

5)主要巖性及節理組合。

模型上部為二疊系下統棲霞組中厚層石灰巖，下部為梁山組薄層泥頁巖含煤層及堯梭組灰巖。灰巖內結構面主要有緩傾坡內層面和陡傾坡外近平行于崖面的豎直節理；煤層的結構面為隨機節理；危巖后緣的落水洞處理為一條裂隙。

6)計算工況。

分別模擬危巖體在天然工況和降雨工況下的穩定性。天然工況下采用天然狀態的物理力學參數，降雨工況下采用飽水狀態的物理力學參數。

2.2 參數的選取

參數選取思路大致如下：首先，研究巖土體參數弱化的相關成果(周翠英等，2005)，分析對應巖體及類似性質的巖體在水作用下以及遭受不同破壞情況下的參數弱化情況。其次，由于現場調查工作所取得的地層巖性力學指標并不完整，故本文借鑒已有的基于離散元法模擬危巖體變形問題的研究成果，進行參數選取；同時結合現場勘查工作取樣獲得的室內巖石力學性質指標，結合試算經驗和監測成果分析，綜合選取計算參數，考慮不同作用對不同地層影響程度不同，折減相應不同，例如，粘土巖受風化作用和水的軟化作用比其他巖體都強烈(冷洋洋等，2014)，折減程度相應增加。

具體參數選取見表1，表2。

表1 巖體物理力學計算參數

表2 結構面物理力學計算參數

2.3 危巖體變形數值模擬分析

本次分析通過對危巖體天然狀態及降雨狀態下的應力場，位移場的情況進行模擬，從而判斷危巖體的穩定性并對危巖失穩破壞做出有效的預測(王高峰等，2012)。

2.3.1 最大不平衡力特征

圖3為系統在天然和降雨工況下系統最大不平衡力計算過程曲線。可以看出，在天然工況下(見圖3a))，隨著迭代時步的進行，系統最大不平衡力逐漸衰減(封凡忠等，2010)，且趨近于零，曲線收斂，這說明系統在天然狀態下，模型經過自身應力應變的調整，系統能夠達到自我穩定的狀態(楊國俊等，2012)；在降雨工況下(見圖3b))，可以看出系統的最大不平衡力，跳躍性很大，系統的最大不平衡力隨著時步的進行并不趨于零，曲線不收斂，這說明系統在降雨工況處于不穩定的狀態。

2.3.2 主應力特征

圖4是邊坡在天然工況和降雨工況下的主應力場分布曲線(壓應力為“-”，拉應力為“+”)，從圖4中可以看出斜坡體在天然狀態下的最大主應力和最小主應力分布符合一般斜坡體主應力分布特征，即最大主應力和最小主應力總體上符合從上到下逐漸增大(張倬元等，1994)，且在遠離坡面附近最大主應力方向呈豎直方向，最小主應力呈水平方向；在靠近坡面附近，最大主應力和最小主應力方向發生明顯的偏轉，體現為越接近坡表處最大主應力平行于坡面，最小主應力垂直于坡面。

同時從圖4中可以看出，邊坡在坡肩處存在拉應力，且在天然工況下邊坡在坡肩位置的拉應力區范圍明顯比降雨工況下的拉應力區范圍大，邊坡在天然工況下的最大拉應力為0.608 8 MPa，在降雨工況下最大拉應力為0.300 2 MPa，這是由于邊坡在降雨工況下，危巖體發生了快速下滑，拉應力區得到了消減。

此外由于軟弱夾層的存在，隨機劃分節理塊體比其他地方多，故主應力矢量也相應密集(朱煥春等，2004)。

2.3.3 剪應力分布特征

圖5是斜坡在天然和降雨工況下的剪應力分布云圖，斜坡在天然工況和降雨工況下其最大剪應力區均發生在坡腳處，最大剪應力值為3 MPa，最大剪應力值在兩種工況下沒有發生明顯的變化。

2.3.4 監測點位移矢量特征

圖6是邊坡在天然工況下和降雨工況下的位移矢量圖，在崖頂設置了位移監測點，從圖6中可以看出無論是在天然還是降雨工況下最大位移始終發生在斜坡坡緣的危巖體上。斜坡在天然工況下的最大位移為0.127 3 mm，且位移方向主要指向臨空方向，說明危巖體在天然工況下相對較穩定，其位移很大一部分是由于卸荷坡表面的卸荷回彈，結構面向臨空面張開引起的；斜坡在降雨工況下，其危巖體最大位移急劇增加，最大位移為1.643 mm，從圖6中可以看出危巖體的位移方向沿著落水洞節理產生了下滑，危巖體在降雨工況下，將會處于不穩定狀態。

3 結論及建議

危巖體在天然狀態下穩定性處于良好狀態，但在降雨情況下，坡體的應力及位移情況都發生較大改變。從監測點處可以得知，在降雨情況下，入滲雨水影響巖體力學參數發生改變，后緣落水洞貫通陡傾裂隙，原本受一次震動影響后發生錯動的巖體受到裂隙張拉影響，重心由內傾逐漸轉向外傾。從監測點位移矢量對比圖中我們可以看到危巖體沿落水洞方向向外滑移，這對巖溶地區危巖體破壞模式的判斷有很大的幫助。

[1] 封凡忠,馬云龍.FLAC3D技術在邊坡穩定性分析上的應用[J].山西建筑,2010,36(26):97-98.

[2] 李維樹,夏 嘩,樂俊義.水對三峽庫區滑帶(體)土直剪強度參數的弱化規律研究[J].巖土力學,2006，27(sup):1170-1174.

[3] 李維樹,周火明,陳 華,等.構皮灘水電站高拱壩建基面卸荷巖體變形參數研究[J].巖石力學與工程學報,2010,29(7):1333-1338.

[4] 冷洋洋，劉 武，卓國峰，等.貴州大榕古滑坡復活變形特征及滑動機制分析[J].地質學刊,2014,1(38)：169-172.

[5] 盧志強，冷洋洋.FLAC3D在邊坡變形過程可視化中的應用[J].貴州地質,2012,1(29)：52-55.

[6] 馬慶松.幾何初始損傷模型及其在巖土工程數值計算中的應用[D].濟南：山東大學環境科學與工程學院，2009.

[7] 王高峰,王洪德，薛星橋，等.巫山縣望霞危巖體破壞及再次變形失穩預測[J].自然災害學報,2012，21(6)：164-171.

[8] 楊國俊，王亮清，譚維佳，等.某水電站導流洞入口邊坡開挖穩定性分析[J].安全與環境工程,2012，19(5)：111-114.

[9] 張倬元，王士天，王蘭生.工程地質分析原理[M].第2版.北京：地質出版社，1994.

[10] 朱煥春，Brummer Richard,Andrieux Patrick,等.節理巖體數值計算方法及其應用(一)：方法與討論[J].巖石力學與工程學報,2005，24(1):33-38.

[11] 周翠英,張樂民.軟巖與水相互作用的非線性動力學過程分析[J].巖石力學與工程學報,2005，24(22):4036-4041.

UDEC-based dangerous rock mass deformation process controlled by karst cave

Leng Yangyang1Xu Kai2

(1.GuizhouInstitudeofGeo-environmentMonitoring,Guiyang550018,China;2.ShaanxiVankeProjectManagementConsultingCo.,Ltd,Xi’an710068,China)

Reveal the rock mass deformation along the karst cave joints by simulating before-rain and after-rain rock mass with UDEC. The connection between steep fissure and karst cave leads to a sharp decrease of mechanical property, which further causes the rock mass to slide along karst cave joints. Dangerous rock mass is not stable in rain and shear failure thus occurs along the weak plane.

UDEC, karst cave, dangerous rock, crevice, shear failure

1009-6825(2015)28-0054-03

2015-07-26

冷洋洋(1987- )，男，碩士，工程師

P642.25

A