基于非线性有限元法的某拉裂松动岩体边坡失稳模式分析

井 向 阳， 吴 莹， 胡 志 鹏

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

边坡的失稳破坏过程复杂，影响因素众多，其失稳模式分析是后续加固设计的重要依据之一。在我国当前的高边坡工程中，基于极限平衡理论的计算方法仍然是基本设计分析方法，对于较为复杂的边坡，还需采用数值分析方法等手段进行辅助分析[1-2]。目前在工程中普遍采用的数值分析方法包括连续介质力学方法(有限单元法、有限差分法、边界单元法等)和不连续介质力学方法(离散单元法、块体单元法、不连续变形分析法、数值流形元法等)[3-4]。

相对于传统的极限平衡分析理论，采用数值分析方法研究边坡的失稳破坏模式更具优势，可以明确给出边坡失稳破坏的渐进过程、滑移通道的位置和范围、抗滑稳定安全系数等，在我国高边坡工程中已经得到了广泛应用[5-6]。其中，有限元强度折减法是较为常用的方法之一，其失稳判别依据主要有特征点位移法、有限元计算不收敛法和塑性区贯通法等[7-9]。

本文以我国西南地区某水电站上游水库库区内的拉裂松动岩体边坡为例，采用非线性有限元强度折减法研究该边坡的稳定特性，并重点分析其失稳破坏模式，为后续的工程综合治理设计提供一定的技术支撑。

1 工程概况

某水电站是雅砻江中游梯级开发的第3级电站，位于四川省甘孜州雅江县境内，其正常蓄水位以下库容约为2.543亿m3，工程等级为二等，工程规模为大(2)型。

该水电站库区内存在3个拉裂松动岩体(编号分别为1、2、3号，方量分别为808万m3、400万m3、50万m3)，发育于右岸强卸荷带的浅表部，结构面强烈松弛，岩体松动明显，各组裂隙普遍宽张，且横河向的结构面亦发生张开，岩体蠕滑-拉裂、滑移-压致拉裂变形明显，剪胀扩容，局部可见岩石拉裂、凸点压碎、岩石转动扰动等现象。

其中，1号拉裂松动岩体最大，位于库区右岸(见图1)，距坝轴线约为740 m，后缘最大高程约为2 710 m，前缘最低高程约为2 460 m，顺河长度约为730 m，横河向宽度约为270 m。经初步分析，1号拉裂松动岩体的破坏模式主要为滑移拉裂型，由松动岩体中发育的NNW向或NNE向顺坡中缓倾角断层、挤压带和节理裂隙构成潜在的滑移面，由NW向陡倾角结构面构成潜在的后缘拉裂面。

图1 1号拉裂松动岩体平面位置示意图

2 计算方法及模型构建

基于ABAQUS平台，采用非线性有限元法对1号拉裂松动岩体边坡进行数值模拟，其中，对边坡的失稳破坏过程分析采用强度折减法，即对岩体的f、c参数值进行等比例折减[10-11]。

采用平面4节点等参实体单元进行建模，3个计算剖面的模型分别见图2～4。有限元计算坐标系定义为：X轴为横河向，水平指向右岸；Y轴为铅直向；Z轴为顺河向，由上游水平指向下游。

数值分析模型对边坡浅部变形体、卸荷及风化界线、岩体质量分类界线、主要断层(F1、F2、F3、F4、F5)和主要裂隙带(f1系列、f1系列、f5系列、f11系列、f13系列等)进行了精细模拟。

图2 剖面模型网格图

图3 剖面模型网格图

图4 剖面模型网格图

3 计算依据

3.1 计算工况

针对每个计算剖面，分别考虑天然状况和蓄水状况(正常蓄水位为2 560 m)两种边坡状况，均计算持久工况、短暂工况(暴雨)和偶然工况(地震)三种工况。由于松动岩体内的裂隙张开，排水性好，暴雨工况下仅考虑岩体参数的折减，不考虑孔隙水压力的影响。该区域的地震基本烈度为Ⅶ度，地震工况下，基岩水平加速度峰值取136gal，地震分布系数取0.25。

3.2 材料参数

在数值计算中，对主要岩体及结构面参数取值采用其力学建议指标的0.8分位值。1号拉裂松动岩体的计算参数见表1。

表1 1号拉裂松动岩体边坡自然状态下的计算参数

表2 1号拉裂松动岩体边坡饱水状态下的计算参数

3.3 安全标准

根据《水利水电工程边坡设计规范》(DL/T5353-2006)，确定1号拉裂松动岩体边坡的类别为B类，安全级别为Ⅱ级，其正常工况、暴雨工况、地震工况的抗滑稳定安全系数标准分别为1.05、1.05、1.00。

4 结果分析

4.1 失稳模式

通过对3个典型剖面进行计算分析可知，各工况条件下的边坡失稳破坏特点和规律基本一致，鉴于篇幅有限，本文仅给出了天然工况下的失稳破坏结果图(图5～7)。所示的结果图中，蓝色区域表示坡体处于弹性状态，彩色区域表示坡体处于塑性状态，k为岩体参数的强度折减系数。

通过分析可知，1号拉裂松动岩体边坡的失稳破坏是一个渐进的过程：首先，坡体的上部区域发生屈服，出现拉裂破坏；其次，坡脚处的局部岩体发生屈服，出现松动、滑移；再次，坡体内部的局部断层及裂隙带发生屈服，出现滑移、错动；最后，坡顶的屈服区逐渐向下延伸，坡脚的屈服区逐渐向上延伸，与坡体内部的屈服区连通，形成贯通的滑动通道，导致边坡整体滑裂失稳。

图8～10给出了3个计算剖面的滑裂失稳模式示意图，进一步分析可知：

(1)图5剖面的潜在滑裂通道为条带型，宽度约为7～33米，顶部和底部较窄，中部较宽。下部的滑移通道以顺坡向的f5系列软弱结构面为主，上部的后缘拉裂通道沿着V2类岩体走向。其中，坡脚处的剪出破坏点为接近河床位置，顶部的拉裂破坏点高程约为2 670 m，距河床正常水面的垂直距离约为190 m。

(a)k =0.91 (b)k =1.05

(c)k =1.09 (d)k =1.12图5 剖面失稳破坏过程

(2)图6剖面的潜在滑裂通道为条带型，宽度约为8～30 m，顶部和底部较窄，中部较宽。下部的滑移通道以顺坡向的f11系列软弱结构面为主，上部的后缘拉裂通道沿着V2类岩体走向。其中，坡脚处的剪出破坏点接近河床位置，顶部的拉裂破坏点高程约为2 680 m，距河床正常水面的垂直距离约为200 m；

(2)图7剖面的潜在滑移通道为条带型，宽度约为11～22 m，顶部和底部较窄，中部较宽。下部的滑移通道以顺坡向的f11系列软弱结构面为主，上部的后缘拉裂通道沿着V2类岩体走向。其中，坡脚处的剪出破坏点接近河床位置，顶部的拉裂破坏点高程约为2 700 m，距河床正常水面的垂直距离约为220 m。

4.2 抗滑稳定安全系数

表3给出了1号拉裂松动岩体边坡在各计算工况下的抗滑稳定安全系数。在天然状况下，边坡的稳定性基本可满足要求，但是当遭遇暴雨时，图8剖面的安全系数偏低，存在较大的滑裂风险。在蓄水状况下，边坡的安全系数较天然状况下的安全系数均有所降低，其中，图8剖面的安全系数最低，存在较大的滑裂风险。

(a)k =0.82 (b)k =0.98

(c)k =1.12 (d)k =1.19图6 剖面失稳破坏过程

(a)k =0.87 (b)k =0.98

(c)k =1.11 (d)k =1.16图7 剖面失稳破坏过程

图8 剖面滑移失稳模式示意图

图9 剖面滑移失稳模式示意图

图10 剖面滑移失稳模式示意图

5 结 论

采用非线性有限元法对某水电站上游库区1号拉裂松动岩体边坡进行了失稳模式分析，结果表明，该拉裂松动岩体边坡存在圆弧形滑裂破坏风险，表现为上部沿V2类岩体走向出现拉裂，下部沿着坡体内部的软弱结构面出现滑移，且潜在不稳定岩体的范围较大，主要偏向上游侧。

表3 1号拉裂松动岩体边坡抗滑稳定安全系数

针对该区域地形地质条件、控制性结构面产状，应当采取适当的加固处理措施。