Adina在堰塞湖蓄水對岸坡穩定性評估中的應用

陳大雷，賈 璐，李 輝

(1.江蘇淮源工程建設監理有限公司，江蘇 淮安 223009；2.淮安市水利工程建設管理服務中心，江蘇 淮安 223001)

1 概述

目前，巖土工程領域內對岸坡穩定性分析的研究較多，但具體針對地質災害頻發造成的堰塞湖內岸坡穩定性的研究較少。鑒于堰塞湖的形成過程極為復雜，且蓄水量大，對下游水工建筑物的安全構成了極大的安全隱患。因此，有必要深入研究堰塞湖形成后湖內水位上升對岸坡穩定性的影響。

本文研究的堰塞湖庫區岸坡構造線呈北東向展布，植被茂盛，溝谷多以草甸，坡度一般在30°以上。通過現場地質調繪及地質勘探，橫剖面上主要發育1組裂隙，裂隙方向與邊坡走向基本一致，是典型的順層岸坡，相對于逆層岸坡，順層岸坡穩定性一般較差。巖體內裂隙局部微張，裂隙面平直較粗糙，無充填，結合程度較好，貫通性差，縱剖面上裂隙發育間距大于10m/條，延伸長度5～10m。并且基巖表面有較厚的覆蓋層，覆蓋層主要由碎石土組成，水位變化后有潛在的滑動可能，因此，有必要合理評估堰塞湖水位變化后該岸坡的穩定性。

2 邊坡有限元模型建立

本次岸坡穩定計算平臺采用Adina巖土有限元軟件[1,2]，堰塞湖內水位變化對巖土的影響基于經典的達西滲流定律[3- 7]進行考慮評估，從而合理反映出水位變化對岸坡體的影響[3- 7]。

本文研究的堰塞湖岸坡坡度平均33°，潛在滑坡體厚度最大超過48m。為了便于計算和軟件進行處理，對該地質CAD圖邊界尺寸進行一定程度的簡化，并將邊坡兩側進行適當擴展，從而減小邊界對計算結果造成的影響，岸坡往左側擴展200m，底部往下擴展300m，將最終的模型導入有限元軟件Adina中。同時賦予相應的巖體材料特性，材料模型選用常用的彈塑性模型，可準確描述巖體的塑性變形規律，屈服準則為摩爾-庫倫準則[8- 10]。為了克服網格畸形的情況，采用前處理CAE軟件Hypermesh對邊坡模型網格進行劃分處理，一共2226個單元，28217個節點。研究岸坡的典型剖面模型如圖1所示，通過室內真三軸壓縮試驗獲得該岸坡的巖體力學參數見表1。岸坡模型的底部和左邊界分別施加法向位移約束，從而控制底部邊界僅能橫向變形，左邊界僅能發生縱向變形。

圖1 堰塞湖岸坡典型剖面及潛在滑坡體分布

圖2 堰塞湖蓄水過程潛在滑坡體剪應力分布/kPa

表1 堰塞湖岸坡潛在滑坡體有限元力學參數

該滑坡體垮塌后形成的堰塞湖湖面高程約2890m，之后逐漸上升至最高水位2950m，水位共升高了約60m，因此本次滑坡穩定研究分3個梯度進行分析計算，即初始時刻2890m，中間2920m，最后2950m。

3 計算結果分析

3.1 應力分析

在巖土工程領域，巖體的抗剪強度參數對碎石土潛在滑坡體岸坡穩定影響顯著。在研究堰塞湖水位上升過程對岸坡穩定性的影響時需要首先考慮水位對岸坡坡體內部剪應力的影響，如圖2所示給出了水位上升過程3個階段計算終端時刻岸坡巖體內的剪應力分布云圖，即包括初始時刻2890m，中間2920m，最后2950m。分析圖2可知：受潛在滑坡體與基巖中間軟弱夾帶的影響，滑坡體整體基本處于應力松弛的狀態，僅在中部出現一定的剪應力分布，基巖與滑坡體交界面的中上部為存在較大剪應力分布，且隨著水位上升，最大剪應力有減小的趨勢，但不明顯，最終在2400Kpa左右，具體部位處于交界處較陡位置，說明該堰塞湖蓄水對岸坡內部巖體剪應力分布影響較小。

3.2 穩定性分析

基于上述剪應力的相關分析，進一步定量分析了堰塞湖內水位上升過程中潛在滑坡體的穩定性變化情況。采用Adina自帶的邊坡穩定性分析模塊，基于強度折減法相關原理[11- 12]，計算得到了3個階段滑坡體的穩定安全系數，結果見表2。分析可知：隨著堰塞湖內水位的升高，岸坡內的潛在滑坡體穩定安全系數呈現逐漸增大的趨勢，初始時刻(水位2890m)岸坡的安全系數僅有1.18，當堰塞湖內水位上升至2920m時，系數增至1.58，而在最終2950m時穩定安全系數達到了1.76，堰塞湖內水位上升提高了作用于岸坡表面的水壓力，變向的提高了潛在滑坡體的抗滑力，此抗滑作用遠大于水對土體的軟化作用。

為進一步確定潛在滑坡體的極限破壞部位，如圖3所示給出了各階段岸坡穩定數值計算至極限狀態時的塑性破壞位置，可見各階段的破壞形式和位置均相同，沿巖層分界處的軟弱夾帶分布，剪出口位于滑坡體中部，位置距離坡腳大245m，說明潛在滑坡最有可能發生在邊坡中部和后緣，即產生高位滑坡的可能性最大。

表2 堰塞湖蓄水過程滑坡體穩定安全系數變化

圖3 堰塞湖蓄水過程潛在滑坡體極限破壞位置分布

4 結論

本文以大型有限元軟件Adina為計算工具，基于強度折減法基本理論，對某堰塞湖形成后該庫區蓄水過程對岸坡潛在滑坡體的穩定性變化趨勢進行了研究，同時分析了剪應力分布和潛在極限破壞位置，得到結論如下：

(1)堰塞湖蓄水增加時，岸坡巖體內的剪應力分布變化不明顯。

(2)隨著堰塞湖內蓄水水位的上升，潛在滑坡體的穩定安全系數逐漸增加。

(3)該岸坡潛在滑坡體各階段的破壞形式和位置均相同，塑性破壞位置沿巖層分界處的軟弱夾帶分布，容易產生高位滑坡。

本文尚未對滑坡發生后的影響進行評估，建議后期進一步進行研究，從而對評估災害范圍提供借鑒。