蟠龍滑坡演化過程離散元模擬分析

王 帆, 焦振華, 焦 萱

(1.陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001; 2.華北水利水電大學,河南 鄭州 450046)

蟠龍滑坡演化過程離散元模擬分析

王 帆1, 焦振華1, 焦 萱2

(1.陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001; 2.華北水利水電大學,河南 鄭州 450046)

介紹蟠龍鎮滑坡的基本地質特征,分析其形成的內外因素,同時應用2D-BLOCK離散元軟件對蟠龍鎮滑坡形成演化進行模擬。模擬結果清楚地還原了蟠龍鎮滑坡發生發展的全過程。蟠龍鎮滑坡特征明顯,具有代表性,對該類滑坡的調查和預防具有十分重要的現實意義。

滑坡;離散元;演化過程

蟠龍滑坡位于延安市寶塔區蟠龍川河道岸邊斜坡中下部緩坡地帶。滑坡威脅岸邊三級油路及基礎設施安全。滑坡出現后路基發生不同程度地變形破壞,其中滑坡體中后部即路面上多處可見明顯下錯臺階,造成路面下沉,此段路基下沉1～2 m,給過往車輛造成不便,坡體一旦滑動,必然造成公路中斷,威脅過往的車輛及百姓生命財產安全。

正確認識滑坡成因機制及變形破壞規律才能對滑坡穩定性進行合理的評價,也才能提出合理的治理措施。本文在充分分析蟠龍滑坡地質特征的基礎上,應用2D-BLOCK離散元軟件對蟠龍滑坡形成演化進行模擬,最終了解滑坡體變形破壞過程,分析其運動機制。

1 滑坡工程概況

1.1 地質特征

滑坡體位于斜坡中下部緩坡地帶,滑坡平面形態整體上呈半月形,相對高差約12 m,坡體比較平緩,滑坡體長約55 m,前緣寬約150 m,滑體平均厚度約8 m,體積約13萬m3,屬于中型黃土滑坡。剪出口陡坎較高,為滑坡變形破壞提供了臨空和滑動空間。由于持續降雨中部大量匯水,后緣寬約110 m,出現大量張拉裂縫,局部下錯,呈半圓弧狀地形分布。坡體前緣剪出口處樹木傾倒,有滑落掉塊現象。滑體物質主要為第四系黃土。該土層結構比較疏松,具大孔隙,無層理,垂直節理發育;滑動帶及滑床主要在紅粘土層附近,第三系紅粘土層厚約1.2 m,其成分以粉粒和粘粒為主,該層土質的液限、塑限、塑性指數都比較大,可以充當很好的隔水層,具有較好的隔水效果,黃土及紅粘土層構成了獨特的二元結構,滑坡工程剖面見圖1。

由于斜坡存在便于匯水的地形條件及利于滲水的物質組成條件,經長歷時強降雨以后,斜坡體大量雨水滲入,導致坡體地下水位驟升,根據鉆探水位記錄,地下水位最淺處距地表不到0.3 m,鉆孔巖芯表現出流塑—軟塑狀;坡體中部及前部有地下水滲出,土體飽和呈現出塑性流動的特性。蟠龍滑坡表現出飽和塑流的特點。

圖1 蟠龍滑坡地層結構特征Fig.1 Stratigraphic structural characteristics of Panlong landslide1.黃土;2.古土壤;3.粘土;4.頁巖。

1.2 滑坡的形成條件

平緩的斜坡及臨河側的天然陡坎使該滑坡形成良好的地貌特征,一方面平緩的斜坡易于雨水的匯集及下滲,另一方面天然陡坎為滑坡形成創造了良好的臨空條件。

雙層異質的二元結構正是飽和塑流狀滑坡地層結構的特點,即上部較薄的黃土地層,下部紅粘土層。斜坡上覆黃土層垂直節理發育,是形成滑坡的主要土體。該土層因結構疏松,孔隙度大,利于地表徑流下滲,下伏紅粘土粘性較好,起阻水作用,形成相對的隔水層,在黃土與紅粘土接觸面上匯集,降低紅粘土抗剪強度,其接觸面容易成為滑動面,造成堆積層滑坡,是滑坡形成的內在條件。降雨是該滑坡主要外因[1-2]。

1.3 滑坡的形成過程

研究滑坡的形成機理應該從滑坡發生和發展的演變過程著手,這是一個宏觀的不斷變化的過程,能夠充分解析滑坡從無到有的變化過程。

對于一般的飽和塑流狀滑坡,其原地形在經歷地殼抬升、河流下蝕切割后形成陡立的臨空面,前緣抗滑段因此消失,從此滑帶受力狀態相應地發生改變,只有牽引段和主滑段存在,抗滑段滑面的消失使得滑坡穩定性降低。在長持時強降雨條件下,由于斜坡存在便于匯水的地形條件及利于滲水的物質組成條件,致使斜坡體中前部逐漸飽和,在重力作用下,斜坡體前緣逐漸向臨空面蠕滑,呈現出塑性流動的特性,中后部在失去支撐條件下,向外側移動。該類滑坡是在(塑流)滑移—拉裂作用下形成的,屬牽引式滑坡[3]。

2 離散元理論簡介

離散元法主要針對不連續介質的數值模擬方法,理論上是以牛頓第二定律作為基礎,對塊體作準剛性假設,用以求解塊體間相互作用和運動過程,允許塊體平移、轉動和變形,塊體間的節理允許被壓縮、分離以及滑動。因而離散元法能夠較為真實地對非線性的大變形進行模擬。

離散元法的基本思想是先將分析區域劃分成若干單元,單元之間受到節理等不連續面控制,但是在運動過程中單元節點之間可以相互分離,如圖2。在運動過程中單元的受力可以根據牛頓運動滿足定律求得,進而可以獲得單元之間力和位移的關系[4]。

圖2 離散單元簡單模型Fig.2 Simple model of discrete unit

離散元法在處理連續介質時,在確定邊界條件的基礎上還需要滿足平衡方程,保證介質變形連續方面的變形協調方程以及反應介質之間應力與應變物理關系的本構方程。離散元法應用力和位移關系的物理方程表示單元間的作用力。兩個邊界相互“疊合”的離散單元其必然有兩個角點和邊界面相接觸,此時該界面上的力可以采用界面兩端的作用力替代,如圖3。

圖3 離散元間作用力Fig.3 Acting force of discrete unit

2D-Block是國內軟腦公司于1998年自行開發完成的一款離散元軟件系統,被廣泛應用于巖土工程中。

2D-Block軟件提供了角—邊接觸和邊—邊接觸組合兩種本構模型,都是彈塑性無張力模型且與速度沒有關系。其模型可以用公式(1)表示,解釋塊體間沒有張力的情況下,如果Fs達到最大時,塊體之間就會出現塑性剪切滑移。其中角—邊接觸模型是一種較為簡單的接觸模擬,將其他類型的接觸關系全部簡化為角邊接觸關系,可將邊邊接觸轉化成角邊接觸,角角接觸轉化為幾個或多個角邊接觸。而對于組合本構模型,將邊邊接觸模型作為一種單獨的模型。

|Fs|≤Fntanφ+C=(Fs)max

(1)

式中:φ是摩擦角;Fn是法向力;(Fs)max是最大切向力。

3 離散元模擬分析

3.1 離散元模型建立及參數選取

單元劃分的精細程度在離散元模擬過程中能夠對迭代過程及計算結果產生一定影響,因而應該充分依據滑坡實際地形地貌特點及相關的工程地質特性進行單元劃分。蟠龍滑坡模型可以分成黃土層、紅粘土層、滑帶土以及下伏砂頁巖互層四部分。2D-Block離散元軟件模擬滑坡滑動過程中,單元塊體直接存在嵌入過深的現象并對后部塊體的移動造成障礙,因此需要設置容許嵌入深度。

依據蟠龍滑坡實際情況,選取典型斜坡縱斷面,分析斜坡地形地貌,經簡單處理恢復還原斜坡滑動之前縱斷面,斜坡長109.0 m,高39.5 m,斜坡幾何模型見圖4。

圖4 斜坡幾何模型Fig.4 Geometric model of slope

根據地質勘察室內試驗成果、工程類比以及結合模型的簡化,綜合得到各巖土層的物理力學參數,Kn是法向剛度,Ks是切向剛度,見表1。

表1 模型計算參數表

3.2 斜坡模型邊界條件

(1) 模型地表設為自由邊;

(2) 模型左側邊界設置X水平約束,其中右邊界紅粘土層下基巖段約束X水平位移,至上為自由邊;

(3) 模型底面約束其X水平位移和Y垂直位移;

(4) 模型X方向重力加速度為0,Y方向重力加速度為-9.8。

3.3 2D-BLOCK演化模擬分析

首先是2D-Block求解控制器設置,依次選擇“自適應阻尼”,將容許嵌入值設置成1 000,并設置收斂精度為0.001,調整每次迭代次數并設置相應步長。追蹤斜坡體前中后各三塊塊體,并獲得塊體的位移軌跡,每塊的軌跡記錄見圖5,斜坡滑體的演化過程見圖6。

圖5 每個塊體的運動軌跡記錄Fig.5 Trajectory records of blocks

分析塊體位移軌跡跟蹤記錄,各個塊體都不同程度地向斜坡體臨空面移動;其中前緣追蹤塊體剪出臨空面堆積于岸坡下,而開始的模擬過程緩慢說明前緣坡體在塑流變形,而垂向的位移表明前緣存在地面沉陷;滑體中部追蹤塊體垂向位移較水平位移小很多,主要以水平位移為主;滑坡后部追蹤塊體垂向位移較大,說明后緣拉裂縫延展并出現錯臺。

圖6 滑坡演化過程模擬圖Fig.6 Simulated diagram of evolutionary process of landslide

滑坡演化過程的模擬清楚地還原了蟠龍滑坡發生發展的全過程。由于斜坡前緣滑面較為平緩,見圖6-(a),模擬過程中滑坡模擬的滑動速度相對比較低,總體上呈現出了低速蠕滑的運動特點。滑體前緣在自重作用下首先開始向臨空面緩慢蠕滑,逐漸剪出臨空面滑落于蟠龍川岸坡坡腳,見圖6-(b);滑坡逐漸發展,中前部坡體沿軟弱面向臨空面繼續滑動,中后部裂縫逐漸加寬加深,見圖6-(c)、(d);斜坡體整體沿著貫通的滑動面滑移,滑坡體后緣出現地面下陷,反向錯臺現象。隨著滑體滑動重心降低,能量消耗,滑動過程逐漸停止,見圖6-(e)。

根據離散元模擬結果,分析滑坡演化過程及塊體運動軌跡,能夠看出模擬過程與蟠龍滑坡實際低速蠕滑的滑動發展過程基本相符,與野外調研和室內資料分析結果相吻合。

綜合上述工程地質分析和離散元數值模擬結果,認為該滑坡屬牽引式滑坡,并具有低速蠕滑的特性。滑坡逐次經歷坡體前緣蠕滑—前緣坡體蠕動滑移—潛在滑帶從坡體前緣向后部逐漸發展—后緣坡體拉裂縫加寬加深—滑動面完全貫通—斜坡體滑動。

4 結論

(1) 根據蟠龍滑坡工程地質條件以及滑體結構特征,認為滑體具有飽和塑流的特點。

(2) 根據對滑坡形成條件的分析,認為地層結構及地形條件是滑坡的決定因素,而降雨是滑坡滑動的觸發因素。

(3) 經過離散元軟件對滑坡發展演化過程的模擬,認為滑坡屬于典型的牽引式滑坡,其失穩模式首先是前緣蠕滑,再是后緣拉裂,最后滑面貫通,發生滑移。

[1] 劉紅玫,石玉成.黃土地區不同類型滑坡的特征及影響因素[J].西北地震學報,2006,28(4):360-363.

[2] 胡廣韜.滑坡動力學[M].西安:陜西科學技術出版社,1995.

[3] 鄭穎人,陳祖煜.邊坡與滑坡工程治理[M].北京:人民交通出版社,2007.

[4] 劉貴榮,石豫川,馮文凱.金江滑坡成因離散元模擬[J].水文地質工程地質,2007,34(1):74-76.

(責任編輯：于繼紅)

Simulation Analysis of Evolution Process of Panlong Landslide by DEM

WANG Fan1, JIAO Zhenhua1, JIAO Xuan2

(1.ShaanxiProvinceInstituteofWaterResourcesandElectricPowerInvestigationandDesign,Xianyang,Shaanxi712000;2.NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou,Henan450046)

The paper introduces the basic geological features of Panlong landslide,analyses the internal and external factors of its formation,simulates the evolution of the landslide by discrete element software 2D-Block,and finally understands the characteristics of landslide deformation.Characteristic of Panlong landslide is significant and representative.To this Landslide investigation and prevention of this kind of landslide is of great practical significance.

landslide; discrete element method; evolution process

2016-04-15;改回日期:2016-04-20

王帆(1986-),男,助理工程師,碩士研究生,地質工程專業,從事水利水電地質勘察工作。E-mail:fanhumor@foxmail.com

P642.22

A

1671-1211(2016)03-0283-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.007

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.020.html 數字出版日期:2016-05-04 09:24