蟠龙滑坡演化过程离散元模拟分析

王 帆, 焦振华, 焦 萱

(1.陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001; 2.华北水利水电大学,河南 郑州 450046)

蟠龙滑坡演化过程离散元模拟分析

王 帆1, 焦振华1, 焦 萱2

(1.陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001; 2.华北水利水电大学,河南 郑州 450046)

介绍蟠龙镇滑坡的基本地质特征,分析其形成的内外因素,同时应用2D-BLOCK离散元软件对蟠龙镇滑坡形成演化进行模拟。模拟结果清楚地还原了蟠龙镇滑坡发生发展的全过程。蟠龙镇滑坡特征明显,具有代表性,对该类滑坡的调查和预防具有十分重要的现实意义。

滑坡;离散元;演化过程

蟠龙滑坡位于延安市宝塔区蟠龙川河道岸边斜坡中下部缓坡地带。滑坡威胁岸边三级油路及基础设施安全。滑坡出现后路基发生不同程度地变形破坏,其中滑坡体中后部即路面上多处可见明显下错台阶,造成路面下沉,此段路基下沉1～2 m,给过往车辆造成不便,坡体一旦滑动,必然造成公路中断,威胁过往的车辆及百姓生命财产安全。

正确认识滑坡成因机制及变形破坏规律才能对滑坡稳定性进行合理的评价,也才能提出合理的治理措施。本文在充分分析蟠龙滑坡地质特征的基础上,应用2D-BLOCK离散元软件对蟠龙滑坡形成演化进行模拟,最终了解滑坡体变形破坏过程,分析其运动机制。

1 滑坡工程概况

1.1 地质特征

滑坡体位于斜坡中下部缓坡地带,滑坡平面形态整体上呈半月形,相对高差约12 m,坡体比较平缓,滑坡体长约55 m,前缘宽约150 m,滑体平均厚度约8 m,体积约13万m3,属于中型黄土滑坡。剪出口陡坎较高,为滑坡变形破坏提供了临空和滑动空间。由于持续降雨中部大量汇水,后缘宽约110 m,出现大量张拉裂缝,局部下错,呈半圆弧状地形分布。坡体前缘剪出口处树木倾倒,有滑落掉块现象。滑体物质主要为第四系黄土。该土层结构比较疏松,具大孔隙,无层理,垂直节理发育;滑动带及滑床主要在红粘土层附近,第三系红粘土层厚约1.2 m,其成分以粉粒和粘粒为主,该层土质的液限、塑限、塑性指数都比较大,可以充当很好的隔水层,具有较好的隔水效果,黄土及红粘土层构成了独特的二元结构,滑坡工程剖面见图1。

由于斜坡存在便于汇水的地形条件及利于渗水的物质组成条件,经长历时强降雨以后,斜坡体大量雨水渗入,导致坡体地下水位骤升,根据钻探水位记录,地下水位最浅处距地表不到0.3 m,钻孔岩芯表现出流塑—软塑状;坡体中部及前部有地下水渗出,土体饱和呈现出塑性流动的特性。蟠龙滑坡表现出饱和塑流的特点。

图1 蟠龙滑坡地层结构特征Fig.1 Stratigraphic structural characteristics of Panlong landslide1.黄土;2.古土壤;3.粘土;4.页岩。

1.2 滑坡的形成条件

平缓的斜坡及临河侧的天然陡坎使该滑坡形成良好的地貌特征,一方面平缓的斜坡易于雨水的汇集及下渗,另一方面天然陡坎为滑坡形成创造了良好的临空条件。

双层异质的二元结构正是饱和塑流状滑坡地层结构的特点,即上部较薄的黄土地层,下部红粘土层。斜坡上覆黄土层垂直节理发育,是形成滑坡的主要土体。该土层因结构疏松,孔隙度大,利于地表径流下渗,下伏红粘土粘性较好,起阻水作用,形成相对的隔水层,在黄土与红粘土接触面上汇集,降低红粘土抗剪强度,其接触面容易成为滑动面,造成堆积层滑坡,是滑坡形成的内在条件。降雨是该滑坡主要外因[1-2]。

1.3 滑坡的形成过程

研究滑坡的形成机理应该从滑坡发生和发展的演变过程着手,这是一个宏观的不断变化的过程,能够充分解析滑坡从无到有的变化过程。

对于一般的饱和塑流状滑坡,其原地形在经历地壳抬升、河流下蚀切割后形成陡立的临空面,前缘抗滑段因此消失,从此滑带受力状态相应地发生改变,只有牵引段和主滑段存在,抗滑段滑面的消失使得滑坡稳定性降低。在长持时强降雨条件下,由于斜坡存在便于汇水的地形条件及利于渗水的物质组成条件,致使斜坡体中前部逐渐饱和,在重力作用下,斜坡体前缘逐渐向临空面蠕滑,呈现出塑性流动的特性,中后部在失去支撑条件下,向外侧移动。该类滑坡是在(塑流)滑移—拉裂作用下形成的,属牵引式滑坡[3]。

2 离散元理论简介

离散元法主要针对不连续介质的数值模拟方法,理论上是以牛顿第二定律作为基础,对块体作准刚性假设,用以求解块体间相互作用和运动过程,允许块体平移、转动和变形,块体间的节理允许被压缩、分离以及滑动。因而离散元法能够较为真实地对非线性的大变形进行模拟。

离散元法的基本思想是先将分析区域划分成若干单元,单元之间受到节理等不连续面控制,但是在运动过程中单元节点之间可以相互分离,如图2。在运动过程中单元的受力可以根据牛顿运动满足定律求得,进而可以获得单元之间力和位移的关系[4]。

图2 离散单元简单模型Fig.2 Simple model of discrete unit

离散元法在处理连续介质时,在确定边界条件的基础上还需要满足平衡方程,保证介质变形连续方面的变形协调方程以及反应介质之间应力与应变物理关系的本构方程。离散元法应用力和位移关系的物理方程表示单元间的作用力。两个边界相互“叠合”的离散单元其必然有两个角点和边界面相接触,此时该界面上的力可以采用界面两端的作用力替代,如图3。

图3 离散元间作用力Fig.3 Acting force of discrete unit

2D-Block是国内软脑公司于1998年自行开发完成的一款离散元软件系统,被广泛应用于岩土工程中。

2D-Block软件提供了角—边接触和边—边接触组合两种本构模型,都是弹塑性无张力模型且与速度没有关系。其模型可以用公式(1)表示,解释块体间没有张力的情况下,如果Fs达到最大时,块体之间就会出现塑性剪切滑移。其中角—边接触模型是一种较为简单的接触模拟,将其他类型的接触关系全部简化为角边接触关系,可将边边接触转化成角边接触,角角接触转化为几个或多个角边接触。而对于组合本构模型,将边边接触模型作为一种单独的模型。

|Fs|≤Fntanφ+C=(Fs)max

(1)

式中:φ是摩擦角;Fn是法向力;(Fs)max是最大切向力。

3 离散元模拟分析

3.1 离散元模型建立及参数选取

单元划分的精细程度在离散元模拟过程中能够对迭代过程及计算结果产生一定影响,因而应该充分依据滑坡实际地形地貌特点及相关的工程地质特性进行单元划分。蟠龙滑坡模型可以分成黄土层、红粘土层、滑带土以及下伏砂页岩互层四部分。2D-Block离散元软件模拟滑坡滑动过程中,单元块体直接存在嵌入过深的现象并对后部块体的移动造成障碍,因此需要设置容许嵌入深度。

依据蟠龙滑坡实际情况,选取典型斜坡纵断面,分析斜坡地形地貌,经简单处理恢复还原斜坡滑动之前纵断面,斜坡长109.0 m,高39.5 m,斜坡几何模型见图4。

图4 斜坡几何模型Fig.4 Geometric model of slope

根据地质勘察室内试验成果、工程类比以及结合模型的简化,综合得到各岩土层的物理力学参数,Kn是法向刚度,Ks是切向刚度,见表1。

表1 模型计算参数表

3.2 斜坡模型边界条件

(1) 模型地表设为自由边;

(2) 模型左侧边界设置X水平约束,其中右边界红粘土层下基岩段约束X水平位移,至上为自由边;

(3) 模型底面约束其X水平位移和Y垂直位移;

(4) 模型X方向重力加速度为0,Y方向重力加速度为-9.8。

3.3 2D-BLOCK演化模拟分析

首先是2D-Block求解控制器设置,依次选择“自适应阻尼”,将容许嵌入值设置成1 000,并设置收敛精度为0.001,调整每次迭代次数并设置相应步长。追踪斜坡体前中后各三块块体,并获得块体的位移轨迹,每块的轨迹记录见图5,斜坡滑体的演化过程见图6。

图5 每个块体的运动轨迹记录Fig.5 Trajectory records of blocks

分析块体位移轨迹跟踪记录,各个块体都不同程度地向斜坡体临空面移动;其中前缘追踪块体剪出临空面堆积于岸坡下,而开始的模拟过程缓慢说明前缘坡体在塑流变形,而垂向的位移表明前缘存在地面沉陷;滑体中部追踪块体垂向位移较水平位移小很多,主要以水平位移为主;滑坡后部追踪块体垂向位移较大,说明后缘拉裂缝延展并出现错台。

图6 滑坡演化过程模拟图Fig.6 Simulated diagram of evolutionary process of landslide

滑坡演化过程的模拟清楚地还原了蟠龙滑坡发生发展的全过程。由于斜坡前缘滑面较为平缓,见图6-(a),模拟过程中滑坡模拟的滑动速度相对比较低,总体上呈现出了低速蠕滑的运动特点。滑体前缘在自重作用下首先开始向临空面缓慢蠕滑,逐渐剪出临空面滑落于蟠龙川岸坡坡脚,见图6-(b);滑坡逐渐发展,中前部坡体沿软弱面向临空面继续滑动,中后部裂缝逐渐加宽加深,见图6-(c)、(d);斜坡体整体沿着贯通的滑动面滑移,滑坡体后缘出现地面下陷,反向错台现象。随着滑体滑动重心降低,能量消耗,滑动过程逐渐停止,见图6-(e)。

根据离散元模拟结果,分析滑坡演化过程及块体运动轨迹,能够看出模拟过程与蟠龙滑坡实际低速蠕滑的滑动发展过程基本相符,与野外调研和室内资料分析结果相吻合。

综合上述工程地质分析和离散元数值模拟结果,认为该滑坡属牵引式滑坡,并具有低速蠕滑的特性。滑坡逐次经历坡体前缘蠕滑—前缘坡体蠕动滑移—潜在滑带从坡体前缘向后部逐渐发展—后缘坡体拉裂缝加宽加深—滑动面完全贯通—斜坡体滑动。

4 结论

(1) 根据蟠龙滑坡工程地质条件以及滑体结构特征,认为滑体具有饱和塑流的特点。

(2) 根据对滑坡形成条件的分析,认为地层结构及地形条件是滑坡的决定因素,而降雨是滑坡滑动的触发因素。

(3) 经过离散元软件对滑坡发展演化过程的模拟,认为滑坡属于典型的牵引式滑坡,其失稳模式首先是前缘蠕滑,再是后缘拉裂,最后滑面贯通,发生滑移。

[1] 刘红玫,石玉成.黄土地区不同类型滑坡的特征及影响因素[J].西北地震学报,2006,28(4):360-363.

[2] 胡广韬.滑坡动力学[M].西安:陕西科学技术出版社,1995.

[3] 郑颖人,陈祖煜.边坡与滑坡工程治理[M].北京:人民交通出版社,2007.

[4] 刘贵荣,石豫川,冯文凯.金江滑坡成因离散元模拟[J].水文地质工程地质,2007,34(1):74-76.

(责任编辑：于继红)

Simulation Analysis of Evolution Process of Panlong Landslide by DEM

WANG Fan1, JIAO Zhenhua1, JIAO Xuan2

(1.ShaanxiProvinceInstituteofWaterResourcesandElectricPowerInvestigationandDesign,Xianyang,Shaanxi712000;2.NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou,Henan450046)

The paper introduces the basic geological features of Panlong landslide,analyses the internal and external factors of its formation,simulates the evolution of the landslide by discrete element software 2D-Block,and finally understands the characteristics of landslide deformation.Characteristic of Panlong landslide is significant and representative.To this Landslide investigation and prevention of this kind of landslide is of great practical significance.

landslide; discrete element method; evolution process

2016-04-15;改回日期:2016-04-20

王帆(1986-),男,助理工程师,硕士研究生,地质工程专业,从事水利水电地质勘察工作。E-mail:fanhumor@foxmail.com

P642.22

A

1671-1211(2016)03-0283-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.007

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.020.html 数字出版日期:2016-05-04 09:24