余業(yè)清 胡敬強 母昌平
(四川省冶金設計研究院)
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基于UDEC的滲流誘發(fā)巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)分析
余業(yè)清 胡敬強 母昌平
(四川省冶金設計研究院)
以某礦為工程背景,采用理論分析和數(shù)值模擬計算相結(jié)合的方法,對受滲流載荷作用下的露天邊坡穩(wěn)定性進行了研究。結(jié)果表明:液體沿節(jié)理面以一定的水力坡度發(fā)生滲流并產(chǎn)生孔隙壓力,節(jié)理滲流的下游出水點高于邊坡坡腳時,邊坡的穩(wěn)定性大幅降低,邊坡會發(fā)生失穩(wěn)。
巖質(zhì)邊坡 滲流 UDEC 穩(wěn)定性
自然條件下,巖體經(jīng)過長期地質(zhì)構(gòu)造作用,內(nèi)部產(chǎn)生復雜、多樣的結(jié)構(gòu)面。巖體的結(jié)構(gòu)特性決定了巖體的力學性質(zhì),也是引起巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞的重要因素。影響邊坡穩(wěn)定性的因素可分為內(nèi)因和外因,內(nèi)因主要是巖體的巖性和結(jié)構(gòu),外因包括地下水、人工開挖及地震作用等。
邊坡的穩(wěn)定性分析研究始于20世紀20年代,其分析方法可概括為確定性方法和非確定性方法兩類[1]。確定性方法以極限平衡分析法和數(shù)值計算為代表;非確定性方法包括分析幾何法、模糊數(shù)學法、非線性理論和人工智能法等。目前工程實踐中主要應用確定性方法。隨著計算機技術的快速發(fā)展,離散單元法[2-3]、有限單元法、有限差分法及邊界單元法等數(shù)值計算方法在邊坡穩(wěn)定性分析中的運用日趨廣泛。
通用離散元程序(UDEC,Universal Distinct Element Code)是1985年由Cundall博士和Itasca公司基于離散單元法理論開發(fā)的工程計算應用程序,是處理不連續(xù)介質(zhì)的二維離散元程序,主要用于模擬非連續(xù)介質(zhì)承受靜載或動載作用下的響應,如節(jié)理巖體的破壞等。UDEC還可用于模擬通過孔隙水、節(jié)理面流體等對模型的影響,包括3種流體分析模型:基本算法、穩(wěn)態(tài)流動算法和經(jīng)驗算法,模擬承壓水和自流水。
1.1 UDEC滲流應力完全耦合分析
UDEC程序可用于分析不滲水巖塊中水流沿裂隙的流動。裂隙的貫通率決定了流體在裂隙中的流動性,裂隙貫通率取決于裂隙的力學變形,而裂隙中流體的壓力又會影響裂隙的力學變形。因此,節(jié)理巖體中滲流分析是固-液耦合[4-6]分析。UDEC程序中固-液力學效應如圖1所示。
1.2 節(jié)理剪切本構(gòu)模型
針對巖體中的不連續(xù)面,UDEC中開發(fā)了4種節(jié)理本構(gòu)模型。對于大部分模型分析,Mohr-Coulomb本構(gòu)模型(完全彈塑性)是最為適宜的,能很好地模擬巖(土)體的運動規(guī)律[7-8]。UDEC程序中的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型,節(jié)理應力包括法向應力和切向應力。節(jié)理應力和位移均假設為線性。法向應力為:
圖1 節(jié)理巖體中固-液相互作用
Δσn=knΔun,
(1)
式中,kn為剛度參數(shù);Δσn,Δun分別為節(jié)理面正交方向的應力和位移。
切向應力主要受內(nèi)摩擦角和黏聚力影響,可描述為:
(2)
τs=sign(Δus)τmax|τs|≥τmax,
(3)
滲流模型是節(jié)理巖體滲流分析的基礎[9-11]。裂隙巖體滲流模型包括雙重介質(zhì)模型和非雙重介質(zhì)模型兩類。雙重介質(zhì)模型把巖體看作孔隙和裂隙組成的雙重介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu),孔隙含水率大而導水性差,裂隙含水率低而導水性好,介質(zhì)之間通過水流交換而相互聯(lián)系。根據(jù)水交替方程,該模型又可分為穩(wěn)態(tài)滲流模型和非穩(wěn)態(tài)滲流模型。非雙重介質(zhì)模型側(cè)重于研究裂隙的導水性,研究過程考慮孔隙和裂隙系統(tǒng)之間的水交替作用,包括連續(xù)介質(zhì)模型和離散介質(zhì)模型。自然條件下的巖體富含結(jié)構(gòu)面,其孔隙滲流為典型的孔隙-裂隙雙重介質(zhì)模型。
滲流計算是滲流理論在工程中應用的具體形式。隨著計算機技術的發(fā)展,數(shù)值模擬已成為滲流計算的主要手段,常用的數(shù)值模擬方法包括有限差分法、有限單元法、離散單元法、邊界單元法及電網(wǎng)絡法等。
云南某露天礦上部巖層風化較為嚴重,節(jié)理裂隙發(fā)育。礦區(qū)雨季降水量大,滲流已對邊坡的穩(wěn)定構(gòu)成重要威脅。風化層厚度12 m(一個臺階),巖性為閃長巖,坡面角70°,巖體體積模量16.7 GPa,剪切模量10.0 GPa。風化巖層主要包括兩組節(jié)理,傾角分別為30°和80°,節(jié)理法向剛度和切向剛度為10 GPa/m,內(nèi)摩擦角25°,浸水率108 MPa·s,流體密度1 000 kg/m3。深部巖體抗?jié)B性好,本文只對最上面一個臺階進行分析,邊坡分析模型如圖2所示。右側(cè)水位分3個階段上升,水位高程分別為6,10和12 m。
圖2 滲流誘發(fā)邊坡失穩(wěn)分析模型
圖3為邊坡無滲流影響時,在重力載荷下邊坡的應力狀態(tài)。從圖3中可以看出,在重力作用下邊坡應力呈層狀分布,塊體應力與其埋深相關。初始平衡計算中,計算模型不平衡力,邊坡塊體位移能夠收斂,邊坡不會失穩(wěn)破壞。
圖3 邊坡初始應力狀態(tài)
3.1 邊坡右側(cè)水位高度為6 m
在邊坡模型初始平衡的基礎上施加滲流載荷。邊坡右側(cè)水位高度為6 m時流體矢量圖和節(jié)理空隙水壓力如圖4、圖5所示。圖4中水流沿節(jié)理滲透,形成一定的水流坡度,水流從坡腳滲出。圖5中水沿節(jié)理流動,產(chǎn)生節(jié)理空隙水壓力。水壓力呈梯度變化,深部節(jié)理水壓力大于上層節(jié)理水壓。節(jié)理水壓分布與滲流分布基本一致。最終邊坡沒有發(fā)生破壞,模型不平衡力和塊體位移計算收斂。
圖4 水位6 m時流體矢量圖
3.2 邊坡右側(cè)水位高度為10 m
邊坡右側(cè)水位高度為10 m時,流體矢量和邊坡位移和節(jié)理空隙水壓力如圖6、圖7所示。圖6中,水流沿節(jié)理裂隙滲流,下游滲出點最高位置高于坡腳。滲流產(chǎn)生的孔隙水壓力影響范圍增大,最大孔隙水壓力達到0.146 5 MPa。在節(jié)理滲流、孔隙水壓力和重力載荷作用下,邊坡部分塊體發(fā)生移動(見圖7)。但是,邊坡不平衡力和塊體位移最終計算收斂,邊坡未發(fā)生失穩(wěn)。
圖5 水位6 m時孔隙水壓力
圖6 水位10 m時流體矢量和邊坡位移
圖7 水位10 m時孔隙水壓力
3.3 邊坡右側(cè)水位高度為12 m
邊坡右側(cè)水位高度上升至12 m,流體矢量和邊坡破壞圖和節(jié)理空隙水壓力分別如圖8、圖9所示。圖8中,邊坡右側(cè)水位上升至坡頂,節(jié)理滲流以一定坡度從坡頂貫穿至坡底,下游滲出點高于邊坡坡腳約2 m,邊坡在滲出點位置發(fā)生破壞。節(jié)理滲流所產(chǎn)生的空隙水壓力影響范圍進一步擴大至邊坡坡腳以上(見圖9),最大孔隙水壓力大達到0.166 5 MPa。
(1)采用UDEC程序分析滲流對邊坡穩(wěn)定性影響,可以直觀、有效地模擬流體沿節(jié)理裂隙的流動和滲流產(chǎn)生的空隙水壓力。
(2)液體沿巖質(zhì)邊坡節(jié)理產(chǎn)生滲流。液體沿著節(jié)理裂隙以一定的水力坡度流動,同時產(chǎn)生孔隙水壓力。孔隙水壓力分布與分析點對應水位高度相關,模型右下角最大,向上和向右兩個方向逐漸減小。
圖8 水位12m時流體矢量和邊坡破壞
圖9 水位12m時孔隙水壓力
(3)邊坡穩(wěn)定性受到滲流影響很大,主要體現(xiàn)在節(jié)理滲流和孔隙水壓力的變化,節(jié)理滲流的下游出水點高于邊坡坡腳時,邊坡的穩(wěn)定性大幅降低,邊坡趨于失穩(wěn)。
[1] 沈良峰,廖繼原,張月龍.邊坡穩(wěn)定性分析評價方法研究及趨勢[J].建筑科學,2004,20(6):43-46.
[2] 劉亞群,李海波,李俊如,等.爆破荷載作用下黃麥嶺磷礦巖質(zhì)邊坡動態(tài)響應的UDEC模擬研究[J].巖石力學與工程學報,2004,23(21):3659-3663.
[3] 雷遠見,王水林.基于離散元的強度折減法分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性[J].巖土力學,2006(10):1693-1698.
[4] 劉振有,王來貴.基于UDEC的邊坡穩(wěn)定性分析[J].遼寧工程技術大學學報,2007(S2):113-115.
[5] 譚紹富,黃生文,劉 丹.基于UDEC的軟巖高邊坡施工穩(wěn)定性研究[J].中外公路,2012(6):48-51.
[6] 孫玉杰,鄔愛清,張宜虎,等.基于離散單元法的裂隙巖體滲流與應力耦合作用機制研究[J].長江科學院院報,2009(10):62-66,70.
[7] 劉 成,王來貴,任 昕.節(jié)理巖體單孔抽注水滲流研究[J].地質(zhì)災害與環(huán)境保護,2007(2):104-107.
[8] 蔣 坤,夏才初.基于不同節(jié)理模型的巖體邊坡穩(wěn)定性分析[J].同濟大學學報:自然科學版,2009(11):1440-1445.
[9] 肖維民,夏才初,王 偉,等.基于Barton剪脹模型的粗糙節(jié)理滲流分析[J].巖石力學與工程學報,2013(4):814-820.
[10] 蔣宇靜,王 剛,李 博,等.巖石節(jié)理剪切滲流耦合試驗及分析[J].巖石力學與工程學報,2007(11):2253-2259.
[11] 夏才初,王 偉,曹詩定.節(jié)理在不同接觸狀態(tài)下的滲流特性[J].巖石力學與工程學報,2010(7):1297-1306.
Buckling Analysis on the Rock Slope Induced by Seepage Based on UDEC
Yu Yeqing Hu Jingqiang Mu Changping
(Sichuan Metallrugical Design & Research Institute)
Taking a mine as the engineering background, the slope stability of open pit mine under the action of seepage load is researched based on combing with the theoretical analysis method and numerical simulation method. The results show that, the seepage phenomenon is occurred and pore pressure is produced by the liquid at a certain hydraulic gradient along the joint surface, when the downstream water point of joint seepage is higher than the slope foot, the slope stability will reduced greatly, slope instability will happen.
Rock slope, Seepage, UDEC, Stability
2014-10-19)
余業(yè)清(1980—),男,碩士,工程師,610041 四川省成都市武侯區(qū)人民南路四段20號。