基于PFC2D的山區中小型水庫滑坡堵江模擬研究

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(成都市勘察測繪研究院，四川成都610081)

中國西南地區降雨量充沛，但多為丘陵地區，山河相間，地層巖性導致土壤蓄水能力差，造成西南山區區域性缺水。山區中小型水庫可有效解決缺水問題，同時發揮防洪、發電的作用。然而水庫的修建也改變了地質環境，蓄水造成大量的岸坡失穩，最直接的影響是滑坡失穩造成的堵江問題，改變水庫庫容，形成涌浪，危及人民生命財產安全，影響山區中小型水庫的調度和使用。研究滑坡堵江的案例也逐年增長，但研究方法較為單一，通常都是采用經驗法[1-2]。滑坡堵江數值模擬的研究常用FLAC3D分析滑坡體的變形特征，或用UDEC模擬滑坡的破壞過程，預測堰塞壩的高度[3-4]。有學者用ABAQUS/Explicit動力有限元分析滑坡的堵江過程[5]。也有學者選用PFC顆粒流軟件模擬土質滑坡的破壞過程[6-8]。本文采用經驗法和PFC2D顆粒流程序預測某中型水庫黃角樹滑坡的堵江高度，為此類問題的研究提供參考和借鑒。

1 工程概況[9-11]

黃石盤水庫位于四川省南江縣恩陽河左岸，河水最大深度約9 m，水庫正常蓄水位372.0 m，總庫容11 233×104m3，死水位357.0 m，汛期限制水位357.0 m。黃角樹滑坡為一古滑坡，覆蓋層主要為第四系殘坡積、崩坡積碎石土，滑坡堆積塊碎石土等，基巖為侏羅系蓬萊鎮組砂泥巖互層。通過調查及對鉆孔揭露的地層分析，古滑帶為基覆交界面，古滑坡處于穩定狀態，但前緣堆積體向臨空方向發生了變形，鉆孔勘察確定其存在潛在滑帶，堆積體平均厚度約8 m，分布在高程353～385 m處，變形方向為SW64°，根據現場調查滑坡體地表裂隙分布情況，分析得出變形體的破壞模式為分塊下滑，將變形體分為a、b、c、d區，分別對應a、b、c、d剖面，見圖1。

圖1 前緣變形體裂隙分布

2 堵江預測分析

2.1 經驗法預測

常用的堵江預測方法為滑距推算法，選擇河谷寬度相對較小的b剖面進行分析計算，各參數取值及計算結果見表1。

表1 滑距推算法堵江預測

注：V——滑坡體積；L1——滑坡前緣到江對岸的距離；B——河流的寬度；Lmax——最大滑距；f——動摩擦系數；h1——滑體的平均厚度；H——滑坡后緣最高點和滑程上計算點的垂直落差；Hd——堵江高度

2.2 顆粒流PFC2D預測

PFC2D顆粒流是依據顆粒之間的碰撞和摩擦產生的力和力矩計算顆粒間的相對運動，沒有固定的本構模型，完全按照牛頓第二定律計算運動的形態，可以給不同的區域賦予不同的參數，利用此功能可以模擬坡體內的穩定水位，在水位線以下的區域顆粒間的連接參數強度較低，顆粒間可以破裂，相對于UDEC和3DEC的塊體不能破裂，PFC2D用于模擬土質滑坡具有相對更好的效果，然而模擬巖制滑坡的破壞效果不如前二者。

2.2.1模型建立

根據四川省水利院提供的恩陽河鳳儀鄉段的洪峰資料，按照P=1%的洪峰概率來計算，1965年從9月4日14時至次日14時，水位由371 m下降至358 m，最快的下降速率為13 m/d。選擇該工況條件計算各塊體的穩定性，通過Geo-studio軟件計算分析，從SEEP中導出地下水位線，以模擬過程中，滑坡穩定性系數最低時刻的地下水水位作為最危險水位，在PFC2D建模中以此為界區分飽和土體和非飽和土體的參數值，模擬變形體失穩堵江的堆積形態。

本次計算模型中，碎石土顆粒采用半徑R=0.25～0.75 m，服從高斯分布，平均半徑0.5 m；考慮到變形體是含塊石的碎石土，因此在剖面中隨機選取位置加入適當的塊石模型，塊石模型用半徑R=0.1～0.3 m的更小顆粒充填，并賦予較高的黏結強度參數。

其中a剖面模型顆粒數為4 417，碎石土顆粒數為3 439；其中b剖面模型顆粒數為7 287，碎石土顆粒數為6 041；其中c剖面模型顆粒數為6 940，碎石土顆粒數為6 126；其中d剖面模型顆粒數為3 471，碎石土顆粒數為2 266。

根據導出的地下水水位建立PFC2D模型，見圖2，圖中黃色部分為非飽和帶，青色部分為地下水位以下飽和帶，紅色部分為塊石，d剖面模型包括既有抗滑樁，模擬比例為1∶500。

a) a剖面

b) b剖面

c) c剖面

d) d剖面圖2 滑坡體不同剖面PFC2D模型

2.2.2參數取值[12-16]

顆粒流軟件的參數采用的是顆粒之間的微觀參數，在實際的巖土體中并不存在這種參數，但兩者之間存在一定的聯系，目前尚沒有成熟的理論和方法確定宏觀參數和微觀參數間的關系，本次模擬參數采用試算的方法獲取，以SEEP導出的臨界水位線作為參數分界點，水位線以上為非飽和土體，以下為飽和土體，分別賦予不同的強度參數，通過計算其位移量，找到最合適的參數組合，當模擬結果為微小位移且不發生大面積破壞時，該參數即認定為本次模擬的微觀參數取值。再用其進行最危險工況下的模擬。本次模擬對微觀參數進行適當的標定見表2。

表2 微觀力學參數取值

2.2.3堆積形態模擬結果

當水庫蓄水之后死水位為357 m，高于原河道的353 m水位，因此，若變形體失穩造成的堰塞壩最低高程超過357 m，則會影響到水庫的正常運行，屬于完全堵江，若最低高程小于357 m，則屬于不完全堵江。庫水位13 m/d下降工況下的模擬結果見圖3。

a) a剖面

b) b剖面

c) c剖面

d) d剖面圖3 庫水位13 m/d下降工況下各斷面模擬結果

在該工況下，模擬結果顯示4個區域均形成SW岸低NE高的堰塞壩，以b區最為突出，b區的模擬結果則是NE岸高，SW岸堆積形態較平緩的堰塞壩，其他3個區域均為坡度較陡的堰塞壩。變形體各區根據PFC2D的顆粒位移量計算結果見表3。

表3 顆粒流模擬結果

模擬分析的結果屬于不完全堵江，一次形成了4座暗壩，形成順序為c、a、b、d區，見圖10。

圖4 庫水位13 m/d下降工況堵江預測

2.3 綜合評價

選用經驗法預測滑坡堵江具有較高的效率，僅需要獲取各項計算數值即可，利用公式計算，用時不超過20 min，且具有大量的工程實例作為參考和佐證；而PFC2D顆粒流模擬則需要先建立模型，通過反演試算參數的方法確定其參數，最后模擬計算其破壞過程，前后所需的時間較多，本次模擬使用內存4 G的筆記本電腦，僅模擬一次堵江的全過程尚需2 h，因此時間效率上不如經驗法。經驗法的預測堵江高度結果為351.5 m，顆粒流模擬結果為353 m，相差不大，且顆粒流模擬結果更加保守，從保護人民生命財產角度考慮，其安全度更高，說明顆粒流PFC2D用于模擬山區中小型滑坡堵江，具有一定的合理性及適用性，為解決相關問題提供參考。

3 結語

本文研究黃角樹滑坡前緣變形體的破壞模式，通過滑距推算法和顆粒流PFC2D法預測前緣變形體在水庫運行工況下失穩破壞造成的堵江高度，得出以下幾點結論。

a) 經驗法和顆粒流模擬法預測黃角樹滑坡前緣變形體失穩堵江形成堰塞壩的最低高度分別為351.5、353 m，結果較為相近，均屬于不完全堵江，使黃石盤水庫造成庫容減少。

b) 顆粒流PFC2D模擬預測山區中小型水庫滑坡堵江高度，具有一定的適用性，模擬效果較經驗法更為直觀，對于巖質邊坡則不宜使用，且無法模擬動態水位是其不足之處，但該方法對于解決同類問題具有一定的參考和借鑒意義。

c) 顆粒流模型對計算機要求高，效率不如經驗法，模擬結果較經驗法偏保守，對治理方案設計要求高，從保護人民生命財產安全的角度考慮，其較為保守的模擬結果有一定的益處。