表4.6-1岩块参数选取表表4.6-2结构面参数选取表4.6.3.4斜坡整体变形演化过程分析轻微弯曲阶段。......
2023-08-20
西部水电工程滑坡灾变过程数值模拟及控制技术
【摘要】：图4.5-20斜坡初始概化模型为了得到斜坡演化过程的中整体及各个部位的变形情况，在模型中布设了3列位移监测点来进行变形监测。表4.5-1岩块参数选取表表4.5-2结构面参数选取表4.5.3.4斜坡整体变形演化过程分析河谷第一次下切模拟结果分析。
4.5.3.1 地质模型
为了验证上述斜坡变形演化过程的分析，以现在斜坡1号主剖面为依据，按照周围岸坡地形并结合该剖面的地形及坡体结构，对坡体演化前的地形进行了恢复。恢复剖面的范围，前缘至河谷中心线，后缘至山脊分水岭，整个地质模型的长度为1860m。为了模拟斜坡的变形演化机制，初始地形设为后缘山脊分水岭的高程恢复到3263m，前缘河谷中心的高程恢复到2674m，初始的斜坡坡角约为35°，经历了累积281m的河谷下切后河谷中心线的高程变为2393m，从而通过此地形条件的改变来模拟斜坡在整个河谷下切过程中的演化变形过程。为了减少边界条件的影响，模型的底部向下延伸至高程2250m位置，则模型的最大高度为1370m。
4.5.3.2 力学模型
根据恢复斜坡演化前的地质模型，建立数值计算力学模型。数值分析采用3DEC（3 Dimension Distinct Element Code）程序，模拟过程仅考虑自重应力场按莫尔—库仑力学模型计算。边界条件采取左、右、底边及前后两个面五边垂直方向固定模式。模型中岩层的厚度设置为25m，节理厚度设为15～20m。根据平洞和钻孔对结构面的统计，正常基岩主要发育有两组结构面即一组倾角为45°的层面及一组倾坡外的节理面。因此模型主要考虑两组结构面，一组倾角为45°的层面；一组倾角为60°～75°的节理面。同时考虑到风化及卸荷作用对岩体物理力学参数的影响，在模型表面建立两层强风化强卸荷与弱卸荷弱风化层。计算时，模拟过程仅考虑自重应力场影响，按莫尔—库仑力学模型，结构面采用面接触的库仑滑移模型。模型被分割成729个离散的块体，剖分网格209615个。建立的计算模型简图划分块体如图4.5-20所示。
图4.5-20 斜坡初始概化模型
为了得到斜坡演化过程的中整体及各个部位的变形情况，在模型中布设了3列位移监测点来进行变形监测。分别位于滑坡前缘、中部、后缘，从距斜坡模型的后边界250m开始布设，最前一列距模型右边界140m，每列共布置3个监测点，从斜坡的表面开始垂直向下布设，间距60～110m，共布设监测点9个。监测点的布设位置如图4.5-21所示。
4.5.3.3 参数选取
岩体的物理力学特性呈各向异性且极其复杂，在数值模拟的过程中通常需要对其进行工程近似，即对其物理力学特性进行简化，抓住问题的主要方面，忽略次要的方面常常是工程中处理问题的方法：
（1）对于这些大型工程来说，工程的规模往往远远大于结构面的间距，即使运用二维的模拟，也往往不能准确的模拟每个结构面，需要对结构面进行一定的简化处理。
（2）一些岩体中往往存在很多结构面，并不是每一组结构面都会对岩体的力学特性产生较大影响，尤其是进行二维分析的时候，因此工程应用中通常抓住简化处理的原则选择几组优势的结构面进行模拟。
因此本次数值分析过程中采用了以下方法对岩体的物理力学特性参数进行简化处理：
图4.5-21 斜坡初始概化模型
（1）选取优势的结构面：由于本次模拟采用的是二维分析，因此选取了两组对岩体力学特性起主要作用的优势结构面，一组是岩体的层面，另一组为沿缓倾外节理、陡倾卸荷裂缝和陡倾外软弱结构面组合的面。
（2）调整层面参数来对岩层进行归并，减小结构面的数量：本次数值模拟的斜坡规模较大，而实际调查测得的岩体层面及节理面的间距均在0.1～1m的范围。为减小结构面的数量简化计算，分别将岩体层面及节理面的间距调整为25m、15m。板理面的倾角取45°，节理面倾角为60°～75°。
（3）在每次分布计算后对岩体的物理力学参数进行相应的折减。
表4.5-1、表4.5-2为根据经验法、工程类比法以及反演分析等方法简化调整而得到的岩体物理力学参数。
表4.5-1 岩块参数选取表
表4.5-2 结构面参数选取表
4.5.3.4 斜坡整体变形演化过程分析
（1）河谷第一次下切模拟结果分析。当河谷第一次下切后，坡脚出现71m陡立临空面，强卸荷强风化区出现一定弯折。位移主要出现在坡面，最大值处位于边坡的坡面的中上部，位移值可达23m，斜坡后缘在重力作用下开始变形，裂缝进一步扩大，前缘由于河谷下切，临空条件好，也有一定的位移量。斜坡前缘的浅表层陡倾岩体开始向临空面弯曲；斜坡坡脚附近的岩土层面发生错动，斜坡后缘出现较为明显的张裂缝，主要以微小的裂缝为主，坡体层面之间相互错动以变形为主，斜坡表面岩体有滑动的趋势如图4.5-22所示。
图4.5-22 河谷第一次下切计算时步20000step
（2）河谷第二次下切模拟结果分析。河谷第二次下切后，强卸荷强风化区变形现象更加显著，谷坡应力调整所致的卸荷回弹在坡体一定深度范围内形成陡倾坡外的卸荷裂隙，由于坡体中发育中、缓两组倾坡外节理，在卸荷过程中，产生了沿倾外节理尤其是缓倾坡外节理的滑移变形，造成其中下部岩体中产生滑移—压致拉裂变形，岩体中产生自下而上发展的拉裂，并造成陡倾卸荷裂隙的进一步扩展和向上贯通。
图4.5-23 河谷第二次下切计算时步40000step
坡面位移最大值可达109m，斜坡后缘位移30多m，坡体前缘最大位移量已超过100m，位移比上一阶段明显增大，此第二次下切较第一次下切相比，由于坡体中发育两组缓倾坡外节理、一组陡倾坡外节理和挤压错动带以及与坡面近直交的挤压错动带，这些结构面与前期陡倾卸荷裂缝以及滑移—压致拉裂变形产生的裂缝相互组合，在强卸荷岩体中形成阶梯状滑面，由于应力的重新分布，第一次下切时期微小的张拉裂隙进一步扩大，层间错动进一步增大，后缘出现较大的张拉裂缝，坡脚层面产生错动破裂，如图4.5-23所示。
（3）河谷第三次下切模拟结果分析。河谷第三次下切后，位移量进一步加大。前缘出现拉裂缝坡面位移最大值可达220m，如图4.5-24所示。随着计算时步的增加，前缘岩体不对挤压破碎，出现贯通滑面，变形体与基岩基本脱离，一部分坡体物质滑移至江中，一部分坡体物质则残留于坡体形成残坡积层。
在前期卸荷、变形的基础上，坡体自上向下产生蠕滑变形，滑面自上向下贯通，由于边坡中下部岩体完整性较好，可形成阻止滑体运动的锁固段，在上部坡体强大的推动作用下该部位岩体逐渐产生变形。并进一步导致了高程2700.00m以下坡体的变形。中下部滑面的贯通与上部坡体的蠕滑变形应是同步的，并相互影响加剧了各自的变形。由于滑坡前缘堆积体首先产生滑动，形成较高的滑坡后壁，为上部坡体的变形提供了空间。随着计算时步的进行，上部滑体不断剪断中下部锁固段岩体，最终产生整体高速远程滑坡冲向雅砻江对岸。
图4.5-24 河谷第三次下切计算时步60000step
4.5.3.5 位移变化规律分析
对预先设置的位移监测点进行数据统计处理，得到滑坡不同位置处的位移监测曲线如图4.5-25～图4.5-28所示。
图4.5-25 斜坡前缘监测点位移曲线
图4.5-26 斜坡中部监测点位移曲线
图4.5-27 斜坡后缘监测点位移曲线
图4.5-28 斜坡坡表监测点位移曲线
从斜坡的整体位移云图及监测点的位移监测情况可以发现：由图4.5-25～图4.5-27可以得出斜坡在竖直方向的位移规律，斜坡的变形表现为浅表部变形大，往深部发展逐渐减小。由图4.5-28可以看出滑坡坡表前缘位移明显较大，后部次之，中部最小，该现象与中部有刚度较大从而起相对阻滑作用的花岗岩脉侵入相符合。由图4.5-26在斜坡中部表面的位移最大约25m，并且仍有继续增大的趋势，而斜坡前部表部的最大位移约190m，变形的深度达100多m，后缘最大位移约75m。滑坡整体上呈往深部发展变形逐渐减小的趋势，强弱卸荷界面处位移已经较小。斜坡最大的变形区发生在斜坡的临空面位置，随着临空面位置岩体的不断被侵蚀解体，其失稳后为中后部的滑体变形破坏提供了临空条件，加上在自然历史时期中产生的卸荷回弹+滑移—压致拉裂变形形成的沿缓倾外节理、陡倾卸荷裂缝和陡倾外软弱结构面组合的滑面，中后部位移变大，变形速度加剧直到上部滑体在重力作用下剪断中部的锁固段岩体，快速的冲向雅砻江对岸。
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