胡丁文 HU Ding-wen

（成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059）

0 引言

隨著我國“一帶一路”重大戰(zhàn)略的構(gòu)建和實施，人類工程活動不斷向山區(qū)推進，越來越多的水利工程設(shè)施和道路交通設(shè)施將在我國西南山區(qū)進行建設(shè)。復(fù)雜的地形地貌，惡劣的氣候條件以及高陡邊坡的開挖擾動，使得危巖體崩塌發(fā)生概率大大增大。危巖體的崩塌尤其是傾倒型崩塌，由于其破壞的突發(fā)性使其成為最難預(yù)防的自然地質(zhì)災(zāi)害之一，這將會嚴重影響自然地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生地村民的正常社會經(jīng)濟生活。

為研究傾倒式崩塌破壞過程，國內(nèi)外學(xué)者采用建立離散型顆粒流模型并進行數(shù)值計算的方法對各種復(fù)雜地質(zhì)條件的危巖崩塌進行模擬計算。如孫新坡[1]等采用離散元法對公路邊坡崩塌體進行模擬，研究崩塌體動力破碎的影響；孔偉[2]通過PFC數(shù)值模擬研究了不同模式的崩塌模型，將危巖變形破壞過程主要分為裂紋初步發(fā)育階段、快速發(fā)育階段、裂紋貫通破壞階段，從裂紋發(fā)育擴展方向分析典型危巖變形破壞失穩(wěn)機理；羅彩梅[3]基于顆粒流程序建立粗糙斜面上的顆粒流動模型，研究顆粒在斜面上的崩塌行為。

在建立PFC2D顆粒流傾倒式崩塌數(shù)值模型前，要考慮選擇合適的顆粒接觸模型，合適的顆粒接觸模型能夠得到良好的數(shù)值模擬結(jié)果。光滑節(jié)理模型兩側(cè)顆粒球體做平面滑移現(xiàn)象，使用光滑節(jié)理模型可明顯避免傳統(tǒng)顆粒球體模擬生成節(jié)理面時產(chǎn)生的“顛簸”效應(yīng)，以比較真實的情況再現(xiàn)節(jié)理的物理力學(xué)特征。節(jié)理面兩側(cè)巖體主體材料選擇平縫接觸粘結(jié)模型（Flat-Joint Model）進行模擬。劉富有等[4]通過平縫接觸粘結(jié)模型不考慮節(jié)理局部顆粒接觸的方向，當顆粒間的連接破壞時，能起到限制顆粒旋轉(zhuǎn)的作用，得到較為符合實際的壓拉比。余其品，張睿等[5-6]通過平縫接觸粘結(jié)模型模擬巖體層面間的擴張及錯動。

基于上述學(xué)者使用離散元顆粒流模型對崩塌的研究，本文擬運用PFC2D，通過平行粘結(jié)模型參數(shù)取值法構(gòu)建傾倒式崩塌模型，通過數(shù)值計算的方法模擬分析，并總結(jié)傾倒式崩塌在不同階段的傾角及位移的變化特征。

1 傾倒型崩塌危巖體地質(zhì)概況

1.1 傾倒型崩塌形成原因

選取的傾倒型崩塌危巖體位于開陽縣金中鎮(zhèn)寨子崩塌帶，研究區(qū)位于開磷集團的洋水礦區(qū)采空影響區(qū)內(nèi)，區(qū)內(nèi)一直以來都在對陡山沱組的磷礦進行開采。傾倒型崩塌危巖體形成的主要原因在于地下硐采磷礦，導(dǎo)致采空區(qū)形成，破壞了巖體的完整性，上覆白云巖由于開挖卸荷后的應(yīng)力重分布，導(dǎo)致上部形成拉力帶，在危巖體后緣產(chǎn)生卸荷拉裂縫。選取的危巖體右側(cè)臨空，左側(cè)由于在開挖卸荷和風(fēng)化作雙重用的影響下發(fā)育了一組裂縫，巖體被切割成危巖體。

1.2 危巖體形態(tài)特征

傾倒型崩塌危巖體呈不規(guī)則契形狀，后緣壁存在寬8cm左右的裂縫，左側(cè)存在一個張開度約為2cm的節(jié)理裂隙，但未與危巖體后壁的裂縫貫通，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，危巖體重心仍位于鎖固段內(nèi)側(cè)，短時間內(nèi)危巖體于天然狀態(tài)下仍保持穩(wěn)定狀態(tài)。傾倒型危巖體屬于高風(fēng)化白云巖，同時危巖體發(fā)育有兩組結(jié)構(gòu)面，一組位于危巖體后緣，產(chǎn)狀為124°∠33°，切割深度范圍為2.1m左右，充填物主要為碎石土，裂隙裂面形態(tài)較為彎曲，裂面較為粗糙，另一組結(jié)構(gòu)面位于危巖體左側(cè)，產(chǎn)狀為324°∠54°，切割長度為1.6m，裂隙裂面形態(tài)較為彎曲（如圖1）。

圖1 傾倒型崩塌危巖體示素描圖

1.3 巖體力學(xué)特征

試驗選取的傾倒型崩塌危巖體為燈影組灰白色白云巖巖體，采用彭紅明，李霍等[7-8]開陽磷礦洋水礦區(qū)白云磷礦石試樣室內(nèi)巖體單軸抗壓強度試驗、變形試驗、攜帶式剪切試驗得到巖石的力學(xué)參數(shù)和變形指標，以用于本次PFC2D模擬試驗的基本力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 傾倒式崩塌巖石力學(xué)參數(shù)

2 傾倒式崩塌pfc2D數(shù)值試驗

2.1 PFC數(shù)值模擬試驗參數(shù)取值

平行粘結(jié)模型參數(shù)取值見表2。傾倒式崩塌危巖體地質(zhì)模型邊界導(dǎo)入PFC之后，利用PFC中相應(yīng)的命令流在模型邊界內(nèi)生成13716個球體，其中孔隙率為0.15，球體半徑范圍在0.1-0.6，為了監(jiān)測危巖體在整個災(zāi)變演化過程的位移和傾角，采用PFC中的mesure命令流。

表2 平行粘結(jié)模型參數(shù)取值表

添加重力前將所有球體顆粒的速度、位移、線性力、接觸力清零，并沿著危巖體后緣裂縫進行加載板墻體的生成，將加載板墻體的底部進行固定，同時采用PFC命令流將加載板墻體的旋轉(zhuǎn)中心設(shè)置為加載板墻體的底部端點，對加載板墻體施加一定的角速度來完成加載板墻體對危巖體的加載，模型可以狀態(tài)分為5個階段，具體狀態(tài)如圖2所示。

圖2 不同加載部署模型顆粒狀態(tài)圖

①由于PFC是顆粒流離散元軟件的緣故，導(dǎo)致加載板墻體起始時無法與危巖體后緣完全接觸，因此需要對加載板墻體進行一定位移量的預(yù)壓，使得加載板墻體能夠?qū)ξr體后緣施加作用力，此過程中可以觀察到危巖體底部顆粒受到預(yù)壓作用較為明顯。

②此時加載板墻體已經(jīng)與危巖體完全接觸，加載板墻體開始對危巖體頂部顆粒產(chǎn)生巨大的作用力，危巖體頂部的顆粒也因加載板墻體對危巖體后緣的作用力開始有了向危巖體外部傾斜的速度和位移傾向，危巖體內(nèi)部顆粒也有由頂部不平衡向底部不平衡轉(zhuǎn)移的趨勢。

③危巖體內(nèi)部大部分顆粒處于不平衡狀態(tài)，沿著裂隙發(fā)育的方向，離裂隙尖端近的危巖體部位進行的位移量較小，離尖端遠的危巖體部位進行的位移較大，且危巖體頂部有多處部位開裂。

④加載板墻體繼續(xù)通過位移開始對危巖體產(chǎn)生較大推力，危巖體頂部有大區(qū)域顆粒已經(jīng)松落，危巖體整體出現(xiàn)了較大的宏觀位移，上一階段危巖體底部出現(xiàn)的不平衡顆粒已經(jīng)對其周圍的顆粒產(chǎn)生較大的作用力，開始形成較為可觀的裂隙，并在此階段開始進行貫通。

⑤加載板墻體不再對危巖體起作用，危巖體在自身重力條件下開始破壞鎖固段，前幾個階段形成的裂隙在本階段因重力作用開始發(fā)生大范圍的崩解，危巖體發(fā)生傾倒破壞。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果分析

為了監(jiān)測危巖體在整個災(zāi)變演化過程的位移和傾角，采用PFC中的mesure命令流。

對數(shù)值試驗中監(jiān)測變量在整個災(zāi)變過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果分析可見：整個災(zāi)變過程中，傾角一直在逐步增大，但每次增量都比較小，進行連續(xù)對比較易發(fā)現(xiàn)整個危巖體進行了繞著危巖體底部頂點有持續(xù)小角度的傾倒變形，僅對比任意時刻的宏觀變化較難以發(fā)現(xiàn)差異，同時，在整個傾倒式崩塌危巖體發(fā)生災(zāi)變過程中，3個監(jiān)測點所測得的位移均隨著時間步的增加在增加，尤其以危巖體頂部設(shè)置的監(jiān)測點所得的位移極其明顯，命令進行到24000時步左右時，位移變化速率開始變慢，也就意味著危巖體后緣裂隙已經(jīng)完全貫通，整個危巖體基本已經(jīng)發(fā)生破壞。

3 結(jié)論

①傾倒式崩塌在數(shù)值模擬加載破壞的過程中表現(xiàn)為危巖體繞底部支座進行旋轉(zhuǎn)，巖體裂縫逐步在危巖體當中產(chǎn)生。

②在數(shù)值模擬試驗下，傾倒式崩塌的不平衡狀態(tài)顆粒最開始在危巖體的上部開始產(chǎn)生，然后在加載的過程中下部巖體也慢慢開始逐漸產(chǎn)生不平衡狀態(tài)顆粒。

③通過不同監(jiān)測點的變形曲線可以發(fā)現(xiàn)，在不同位置的監(jiān)測變化速率不同，因此針對于傾倒式崩塌的野外監(jiān)測預(yù)警時，變形監(jiān)測儀器應(yīng)盡量安裝于危巖體上部能更好地監(jiān)測傾倒式危巖體的變化情況。