巖質邊坡持續降雨工況下的穩定性分析

余鵬

摘 要：伴隨著國民經濟的日益發展，交通運輸、礦山開采、水利及國防設施等項目的建設，工程中遇到巖質邊坡的問題越來越多，其不良影響引起了人們的關注，而邊坡穩定性評價則是邊坡工程的核心問題，是巖土工程領域的一個重要課題，該文針對一巖質邊坡采用ABAQUS分析方法對其的穩定情況進行分析，首先根據該邊坡工程地質剖面圖及其邊坡物質組成和工程地質性質建立邊坡變形演化計算模型，再在持續降雨工況下進行數值模擬分析，最后得出可靠結論，為該邊坡的除險加固提供依據。

關鍵詞：巖質邊坡 ABAQUS 有限元數值模擬

中圖分類號：TV223 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（a）0049-02

邊坡滑坡是地質災害中的一種，是山體斜坡自然或人為的變形現象，能給人類造成巨大的生命財產損失，而邊坡穩定性分析是判斷邊坡是否失穩、是否需要加固及采取防護措施的重要依據，是邊坡工程中最重要和基本的問題。

要降低滑坡所造成的危害，則需要對滑坡進行深入的研究，首要任務就是正確的評價滑坡的穩定性。

隨著計算機的迅速發展，數值模擬方法也得到迅猛的發展，目前邊坡穩定性分析中也大量采用該方法，該文主要采用ABAQUS有限元數值模擬來對某水電站一級廠房后邊坡進行穩定性分析與評價。

1 ABAQUS分析方法

1.1 計算機模型建立

ABAQUS分析方法可根據有限元基本方程、Mohr-Coulomb模型及庫侖摩擦模型針對邊坡物質組成和工程地質性質進行建模[1]。

（1）有限元基本方程。

有限元分析是在地質體力學形態本構模型和工程地質模型的基礎上求解地質體應力及穩定狀態過程的數值模擬方法，以達到對地質體變形破壞進行描述的目的。有限元基本方程包括平衡方程、物理方程和幾何方程。

①平衡方程。

②物理方程。

根據塑性增量理論，各向同性材料的應力應變關系可以寫成式4。

③幾何方程。

（2）Mohr-Coulomb模型。

Mohr-Coulomb屈服準則[2]假定：作用在某一點的剪應力等于該點的抗剪強度時，該點發生破壞，剪切強度與作用在該面的正應力呈線性關系。

（3）庫侖摩擦模型。

ABAQUS中的庫侖摩擦（Coulomb friction）模型[3]可以用來描述滑坡體物質分異面處之間的相互作用。庫侖摩擦模型用摩擦系數來量化接觸面之間的摩擦行為。如果兩表面間的接觸壓力為，則接觸面之間的摩擦力的上限值為，當接觸面上的剪力達到該上限值時，接觸面就會發生相對移動。ABAQUS通過自動選擇一個“彈性滑動”的罰剛度因子，表示在粘結的接觸面之間允許發生少量的相對位移，這個允許的“彈性滑動”是非常小比例的特征單元尺寸。

1.2 選取邊界條件

邊界條件是數值計算結果精確程度的重要影響因素，它的選取將直接影響到數值計算結果的可靠性。邊界條件可分為固定邊界條件，黏性邊界條件，遠置邊界條件等[4]，具體的選擇根據工程情況反復調試以達到選擇的合理性。

1.3 單元選取

模型單元選用ABAQUS中的修正6節點三角形二次平面應變單元（CPE6M），此單元精度較高，且能模擬任意的幾何形狀。在模型中，滑動帶等比較關心其應力應變狀態的部位布置較密的單元，而在滑床布置較疏的單元。

1.4 物理力學參數

對于Mohr-Coulomb模型，需要輸入的參數為彈性模量，泊松比，內摩擦角，凝聚力，密度，剪脹角及初始塑性應變等。

2 工程實例

某水電站一級廠房后邊坡發育在兩沖溝之間，平面上呈北東向狹長型展布，山體三面臨空，沖溝發育，各條沖溝向上延伸上至尖峰并匯集于尖峰之下，由尖峰山脊向上下游的延伸，在地貌上形成圈椅狀背形態，各條沖溝座落于圈椅內，形成“爪狀”地貌形態。山坡和沖溝內有大量有崩積堆積層，厚度>20m，部分沖溝下雨時很少見到流水現象。山坡上直徑約15cm以上的部分松樹、彬樹在樹根段可見馬刀形彎曲，具有“馬刀樹”特征。

2013年的一次持續降雨，使該邊坡的地下水位急劇上升，滑面的抗剪強度降低、滑體的容重增大、靜水壓力升高，又由于原來廠房基坑和坡腳的開挖破壞了坡體原有的穩定，邊坡出現了明顯的位移，現就該邊坡持續降雨工況下進行數值模擬分析。

2.1 建立計算模型

根據該邊坡工程地質剖面圖及其邊坡物質組成和工程地質性質建立邊坡變形演化計算模型，如圖1所示。將邊坡劃分為熔結凝灰巖滑床，夾碎塊石粉質粘土和熔結凝灰巖破碎帶組成的滑體和泥礫層組成的滑動帶。

2.2 滑動面抗剪參數反演

運用不平衡推力法反算模型的物理力學參數，計算結果如表1所示。

2.3 持續降雨狀態下數值分析結果

根據2013年的一次實測數據，持續降雨狀態下水位高程246.9m，張裂縫底高程為244m，則水頭=2.9m，=9.8kN/m3，代入得靜水壓力=28.42kPa，施加于模型中得出持續降雨下潛在底滑面靜水壓力分布見圖2。

夾碎塊石粉質粘土、破碎巖帶、泥礫層和熔結凝灰巖按表1賦值，采用圖1所示的計算模型，得到邊坡在持續降雨條件下的應力、位移和塑性區成果如圖3～圖8所示。

從以上數值分析結果可知，持續降雨的情況下邊坡最大、最小主應力均呈從坡面向深部由拉應力轉為壓應力，在坡面淺層應力均為拉應力，由此將形成平行坡面的張裂隙及與坡面大角度相交的剪裂隙。滑面上的主應力基本上是壓應力，最大主應力在坡體架空處為拉應力，并使滑體內部出現局部拉應力，符合實際的情況，因為滑體在滑動的過程中，在水平運動的同時還有沿滑面的轉動，因此在滑面后端連接拉裂縫處會使滑體發生拉裂。滑動面上的剪應力比較集中，特別是滑動面拐彎處。邊坡在水平方向的位移呈前緣位移大，后緣位移小；在豎直方向的沉降呈后緣大，前緣小。位移主要發生在滑面以上坡體，滑面以下坡體位移很小，說明了坡體是沿已知的滑面發生滑動的。同時，坡體的塑性區已在泥礫層中形成并與從坡面向下延伸的拉裂縫貫通，采用塑性區是否貫通作為邊坡失穩的判據，可以判斷邊坡已經失穩。

3 結語

有限元數值模擬方法具有以下優點：不必引入假定條件，便可滿足應力、應變之間的本構關系；可以比較真實地模擬邊坡的地形地貌及其復雜的內部地質條件；不必事先假定破壞面，破壞發生于抗剪強度無法抵抗剪應力的位置；計算結果可以提供應力、應變的全部信息。由此，該方法的評價結果具有相當的可靠性，該邊坡需要進行加固治理。

參考文獻

[1] 王金昌，陳頁開.ABAQUS在土木工程中的應用[M].浙江：浙江大學出版社，2006.

[2] 徐志英.巖石力學[M].北京：中國水利水電出版社，2007.

[3] 蒙春玲.基于ABAQUS的滑坡穩定性研究與抗滑樁優化設計[D].西安：西安建筑科技大學，2007.

[4] 吳繼敏.工程地質學[M].北京：高等教育出版社，2006.