基于PFC2D的山區(qū)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(qū)降雨量充沛，但多為丘陵地區(qū)，山河相間，地層巖性導(dǎo)致土壤蓄水能力差，造成西南山區(qū)區(qū)域性缺水。山區(qū)中小型水庫可有效解決缺水問題，同時發(fā)揮防洪、發(fā)電的作用。然而水庫的修建也改變了地質(zhì)環(huán)境，蓄水造成大量的岸坡失穩(wěn)，最直接的影響是滑坡失穩(wěn)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(chǎn)安全，影響山區(qū)中小型水庫的調(diào)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(jīng)驗法[1-2]。滑坡堵江數(shù)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(yù)測堰塞壩的高度[3-4]。有學(xué)者用ABAQUS/Explicit動力有限元分析滑坡的堵江過程[5]。也有學(xué)者選用PFC顆粒流軟件模擬土質(zhì)滑坡的破壞過程[6-8]。本文采用經(jīng)驗法和PFC2D顆粒流程序預(yù)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(zhèn)組砂泥巖互層。通過調(diào)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(wěn)定狀態(tài)，但前緣堆積體向臨空方向發(fā)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(jù)現(xiàn)場調(diào)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(qū)，分別對應(yīng)a、b、c、d剖面，見圖1。

圖1 前緣變形體裂隙分布

2 堵江預(yù)測分析

2.1 經(jīng)驗法預(yù)測

常用的堵江預(yù)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(shù)取值及計算結(jié)果見表1。

表1 滑距推算法堵江預(yù)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(shù)；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(yù)測

PFC2D顆粒流是依據(jù)顆粒之間的碰撞和摩擦產(chǎn)生的力和力矩計算顆粒間的相對運動，沒有固定的本構(gòu)模型，完全按照牛頓第二定律計算運動的形態(tài)，可以給不同的區(qū)域賦予不同的參數(shù)，利用此功能可以模擬坡體內(nèi)的穩(wěn)定水位，在水位線以下的區(qū)域顆粒間的連接參數(shù)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(zhì)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(jù)四川省水利院提供的恩陽河鳳儀鄉(xiāng)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(wěn)定性，通過Geo-studio軟件計算分析，從SEEP中導(dǎo)出地下水位線，以模擬過程中，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)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(qū)分飽和土體和非飽和土體的參數(shù)值，模擬變形體失穩(wěn)堵江的堆積形態(tài)。

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(dāng)?shù)膲K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(jié)強度參數(shù)。

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

根據(jù)導(dǎo)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(shù)取值[12-16]

顆粒流軟件的參數(shù)采用的是顆粒之間的微觀參數(shù)，在實際的巖土體中并不存在這種參數(shù)，但兩者之間存在一定的聯(lián)系，目前尚沒有成熟的理論和方法確定宏觀參數(shù)和微觀參數(shù)間的關(guān)系，本次模擬參數(shù)采用試算的方法獲取，以SEEP導(dǎo)出的臨界水位線作為參數(shù)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(shù)，通過計算其位移量，找到最合適的參數(shù)組合，當(dāng)模擬結(jié)果為微小位移且不發(fā)生大面積破壞時，該參數(shù)即認定為本次模擬的微觀參數(shù)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(shù)進行適當(dāng)?shù)臉?biāo)定見表2。

表2 微觀力學(xué)參數(shù)取值

2.2.3堆積形態(tài)模擬結(jié)果

當(dāng)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(wěn)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(jié)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(jié)果

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

表3 顆粒流模擬結(jié)果

模擬分析的結(jié)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(qū)，見圖10。

圖4 庫水位13 m/d下降工況堵江預(yù)測

2.3 綜合評價

選用經(jīng)驗法預(yù)測滑坡堵江具有較高的效率，僅需要獲取各項計算數(shù)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(shù)的方法確定其參數(shù)，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(nèi)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(jīng)驗法。經(jīng)驗法的預(yù)測堵江高度結(jié)果為351.5 m，顆粒流模擬結(jié)果為353 m，相差不大，且顆粒流模擬結(jié)果更加保守，從保護人民生命財產(chǎn)角度考慮，其安全度更高，說明顆粒流PFC2D用于模擬山區(qū)中小型滑坡堵江，具有一定的合理性及適用性，為解決相關(guān)問題提供參考。

3 結(jié)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(yù)測前緣變形體在水庫運行工況下失穩(wěn)破壞造成的堵江高度，得出以下幾點結(jié)論。

a) 經(jīng)驗法和顆粒流模擬法預(yù)測黃角樹滑坡前緣變形體失穩(wěn)堵江形成堰塞壩的最低高度分別為351.5、353 m，結(jié)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(yù)測山區(qū)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(jīng)驗法更為直觀，對于巖質(zhì)邊坡則不宜使用，且無法模擬動態(tài)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(jīng)驗法，模擬結(jié)果較經(jīng)驗法偏保守，對治理方案設(shè)計要求高，從保護人民生命財產(chǎn)安全的角度考慮，其較為保守的模擬結(jié)果有一定的益處。