基于離散元法的滑坡模擬研究

張永柱 吳 劍

王能永2 謝智平1

(1.三峽大學土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002； 2.湖北煤炭地質一二八隊，湖北 黃石 435000)

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基于離散元法的滑坡模擬研究

張永柱1吳 劍1*

王能永2謝智平1

(1.三峽大學土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002； 2.湖北煤炭地質一二八隊，湖北 黃石 435000)

介紹了秭歸縣白家包滑坡的工程概況，利用PFC2D軟件，模擬了該滑坡的變形破壞過程，并通過傾斜加載和強度折減法，分析了滑坡破壞時的速度場，總結了滑坡的成因與形成機制，從而為滑坡的治理工程提供依據。

滑坡，數值模型，離散元，強度折減法

0 引言

離散元法是美國學者Cundall P.A.教授于1971年所提出的一種不連續數值計算方法，它既能模擬塊體受力后的運動，又能模擬塊體本身受力的變形狀態[1]。PFC2D與常規的有限元方法不同，它把介質看成不連續的基本單元，這些基本單元是微觀的，本身具有一定的幾何、物理、化學特征，它通過圓形顆粒介質的運動及其相互作用來模擬顆粒材料的力學特性。單元之間通過接觸關系，建立位移和力的相互作用規律，各單元只與相鄰的基本單元作用，其運動遵從牛頓第二運動定律，基本單元的接觸遵循力和位移法則。計算過程就是分時步不斷地重復對每個單元使用運動方程和對每個接觸使用力和位移法則，可方便地求解非線性大位移和動力穩定問題[2，3]。與常規的有限元模擬計算軟件相比，在研究滑坡體的動力學問題時能取得很好的效果。

1 邊坡的工程概況

白家包滑坡位于秭歸縣歸州鎮向家店村，展布于香溪河右岸，前緣直抵香溪河，滑坡剪出口位于高程125 m～135 m，滑坡后緣以基巖為界，高程265 m，左側以山脊下部基巖為界，右側以山梁為界。滑坡平面形態呈短舌狀，前緣寬500 m，后緣寬300 m，均寬約400 m，縱長約550 m，滑坡面積22×104m2。滑坡坡面坡度10°～15°，滑體前緣臨江段坡度20°，中部平緩，坡度10°～12°，滑坡平均坡度約15°，深層滑體前緣厚20 m～30 m，中部厚47 m，后緣厚10 m～40 m，滑體總體積約1 650×104m3。邊坡的地質剖面圖見圖1。

2 參數的選取及數值模型的建立

2.1 數值模擬參數的選取

對于選取的白家包滑坡剖面，由于滑床以下基礎部分在整個過程中不發生運動，對上部的變形和運動特征基本無影響，只是為上部滑體的運動變形提供一個固定的空間參考系，因此，為方便計算，其參數的選取不作為考慮的對象。本文重點考慮的是對滑體和滑帶參數的選取。室內土工試驗結果見表1，經反復試算最終選取數值模擬的參數見表2。

表1 室內試驗宏觀參數取值

表2 對應的PFC模型細觀參數

2.2 白家包滑坡離散元模型的建立

根據前面所取的細觀參數值，利用PFC2D軟件建立白家包原型尺寸的平面模型，顆粒間采用平行粘結模型，該模型長720 m，最大高度280 m。材料分為3個區，由下到上依次為滑床、滑帶、滑體。在建模的過程中，首先生成滑床顆粒，由于滑床整個過程中是穩定的，因此將整個滑床顆粒X向和Y向均固定；其次生成滑帶，滑帶的生成分為2次，第1次生成時滑帶顆粒比預期值要小，待滑體生成后，通過第2次膨脹滑帶，使所有顆粒之間能夠緊密接觸，最后再將3種顆粒做一次靜定處理，使其能夠自由堆放。

為了能從定量上來分析滑坡體的變形特征，我們在滑坡體上布置了6個監測球。采用PFC2D程序對6個球的位置進行跟蹤監測，從而實現對滑坡的發生發展的過程進行模擬。6個監測球分別位于滑坡體的前緣、中部(中部2組，每組分上下2個球)和后緣上。滑坡監測球布置見圖2。

3 離散單元法模擬結果分析

3.1 在傾斜加載和改變折減系數下邊坡破壞過程分析

為了了解模型的破壞過程，本文采用傾斜加載和強度折減法兩種方式對邊坡施加荷載[4,5]。圖3～圖8是模型傾斜角度為9°和折減系數為1.8時坡體各監測球速度隨時步的變化圖，從圖中可以看出，兩種加載方式下，各監測球的速度變化規律比較相似。從各個監測球來看，1號監測球最開始的速度最大，達到0.5 m/s，中間2號～5號監測球的速度在0.2 m/s～0.35 m/s之間，后緣6號監測球的滑速較中間的快。整個的速度變化趨勢是開始速度快，中間某個過程后5個球的速度趨于零，緊接著經歷了兩三次時快時慢的變化，最終都趨于零。其中在中間的某個過程，只有滑坡體的前緣在滑動，當前緣再一次滑動后，后部滑體失去支撐，進而跟著一起滑動，表明了坡體的破壞方式為牽引式滑坡。

3.2 滑坡破壞模式分析

從上面的速度場的分析可知，白家包滑坡的破壞模式為前緣先動，而且前緣的滑動位移比后緣大，滑速表現出中間慢，前后快，前緣啟動時刻滑速較后緣大，當前緣滑動破壞后，后部失去支撐時，從而發生整體滑動，整個滑坡表現出牽引式滑坡的破壞特征。

4 結論

本文通過數值計算方法，簡單標定了白家包滑坡的數值模擬所需的細觀參數，接著以白家包滑坡作為研究對象，用數值模擬方法將傾斜加載方式與強度折減法得出的速度指標進行定性定量分析，得出了以下結論：

1)在離散元模擬計算中，對于滑體比較松散的材料，采用對滑體和滑帶同時折減，模擬計算得出的結果可能更可靠，但對于滑體粘結比較強的，可以只對滑帶進行折減。

2)強度折減法是一種常用的計算方法，通過對白家包滑坡的傾斜加載和強度折減法模擬結果速度場進行分析，可以看出兩種加載方式得出的模擬結果比較相似，從而說明傾斜加載方式在滑坡試驗時的可行性。

[1] 賀續文,劉 忠,廖 彪,等.基于離散元法的節理巖體邊坡穩定性分析[J].巖石力學,2010,32(7):2199-2204.

[2] 鄭書彥,李占斌,李甲平,等.滑坡侵蝕離散元分析研究[J].巖石力學與工程學報,2005,24(12):2124-2128.

[3] 王 宇,李 曉,王聲星,等.滑坡漸進破壞運動過程的顆粒流仿真模擬[J].長江科學院院報,2012,29(12):46-52.

[4] 吳 劍,張振華,王幸林,等.邊坡物理模型傾斜加載方式的研究[J].巖土力學,2012,33(3):713-718.

[5] 周 健,池毓蔚,池 永,等.砂土雙軸試驗的顆粒流模擬[J].巖土工程學報,2000,22(6):701-704.

Research on landslide simulation based on Discrete Element Method

Zhang Yongzhu1Wu Jian1*Wang Nengyong2Xie Zhiping1

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitectureofChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China; 2.HubeiCoalGeologyOneTwoEightTeams,Huangshi435000,China)

The paper introduces Baijiabao landslide engineering conditions of Zigui county, and simulates the landslide deformation damage process by using PFC2D software. Through inclined loading and SSRM, it analyzes velocity field when the landslide is destroyed, summarizes landslide causes and forming mechanism, so as to provide some guidance for landslide treatment engineering.

landslide, numerical model, DEM(Discrete Element Method), SSRM(Shear Strength Reduction Method)

1009-6825(2016)26-0079-03

2016-07-05

張永柱(1989- )，男，在讀碩士； 王能永(1986- )，男，碩士； 謝智平(1988- )，男，在讀碩士

吳 劍(1973- )，男，副教授

P642.22

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