不同危巖體分離面穩(wěn)定性系數(shù)仿真分析

謝 浪

(四川省冶金地質(zhì)勘查院,四川 成都 610051)

隨著不斷構(gòu)建開發(fā)大型水電工程,各種地質(zhì)工程問題也逐漸暴露出來,危害著各種工程建設(shè)[1]。其中危巖體失穩(wěn)下落也就是危巖體崩塌一直是一種頻發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害問題,其突發(fā)性和破壞性都極強(qiáng)。一旦發(fā)生,會造成河道阻塞,對農(nóng)田等造成破壞,還會引發(fā)其他問題[2]。

目前大型水電工程的開發(fā),已經(jīng)使危巖崩塌問題成為一個研究熱點(diǎn)[3]。對于危巖崩塌問題,需要結(jié)合多種技術(shù)與學(xué)科進(jìn)行研究[4]。在其研究中,危巖體分離面穩(wěn)定性系數(shù)分析問題一直是一個研究重點(diǎn),針對該問題進(jìn)行仿真研究。在該問題的研究中,主要分為2個研究方向:一個是定性方法;另一個是定量方法。2個研究方向均取得豐碩的成果。因此,綜合以往研究方法,設(shè)計一種新的滑坡風(fēng)險區(qū)危巖體分離面穩(wěn)定性系數(shù)仿真分析方法,并對該方法進(jìn)行性能測試。

1 滑坡風(fēng)險區(qū)危巖體分離面穩(wěn)定性系數(shù)仿真分析方法設(shè)計

1.1 圖像采集

通過無人機(jī)采集滑坡風(fēng)險區(qū)危巖體圖像,獲取更全面、更完整的圖像信息[5]。圖像采集的具體作業(yè)流程:

(1)實(shí)施現(xiàn)場踏勘,對航拍區(qū)域進(jìn)行確定;

(2)對航線進(jìn)行設(shè)定,并對相關(guān)飛行系數(shù)進(jìn)行確定;

(3)布設(shè)控制點(diǎn)。對多個控制點(diǎn)進(jìn)行布設(shè),并對控制點(diǎn)準(zhǔn)確的高程信息與位置信息進(jìn)行量測;

(4)構(gòu)建統(tǒng)一坐標(biāo)系,使布設(shè)的控制點(diǎn)形成控制網(wǎng),用于對比校正圖像數(shù)據(jù);

(5)通過無人機(jī)進(jìn)行滑坡風(fēng)險區(qū)危巖體圖像的采集拍照,主要通過無人機(jī)上搭載的高影像分辨率相機(jī)進(jìn)行圖像采集;

(6)將滑坡風(fēng)險區(qū)危巖體照片文件導(dǎo)出,對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查與拷貝;

(7)整理定位姿態(tài)數(shù)據(jù)。

1.2 有限元建模

根據(jù)采集的滑坡風(fēng)險區(qū)危巖體圖像,構(gòu)建滑坡風(fēng)險區(qū)危巖體的有限元力學(xué)模型。在其有限元力學(xué)模型的構(gòu)建中,使用的軟件是ANSYS有限元分析軟件[6]。

首先明確計算范圍,具體如圖1所示。

結(jié)合模型的高(H)將位移邊界條件作為計算范圍的對應(yīng)外邊界,也就是對于平面數(shù)值分析來說,固定左右兩側(cè)的水平位移、固定底面豎向位移;對于三維數(shù)值分析來說,固定前后左右四面的水平位移、固定底面豎向位移、忽略構(gòu)造應(yīng)力,將其作為安全儲備[7]。

在模型構(gòu)建中,單元的使用與網(wǎng)格的劃分:對于平面數(shù)值分析來說,使用的單元為四邊形四節(jié)點(diǎn)單元;而對于三維數(shù)值分析來說,主要使用六面體單元,在局部使用一部分四面體單元[8]。在劃分單元時,加密坡頂處,其他位置單元不進(jìn)行加密處理。

具體來說,使用了3種單元類型,四邊形4節(jié)點(diǎn)單元、六面體單元、四面體單元分布選用了2D-PLANE42實(shí)體單元、3D-SOLID45實(shí)體單元以及接觸單元。這幾種單元都具有處理大應(yīng)變、大變形、膨脹、徐變、塑性的能力[9]。

本構(gòu)模型選擇Prager-durcker彈塑性模型,各種材料的參數(shù)具體如表1所示[10]。

表1 各種材料的參數(shù)Tab.1 Parameters of various materials

在構(gòu)建有限元力學(xué)模型時,采用的建模方式為自底向上進(jìn)行建模。首先構(gòu)建點(diǎn),接著由點(diǎn)生成面;面的邊界線是共用的,以保障劃分網(wǎng)格時具有連續(xù)性[11]。

1.3 危巖體分離面網(wǎng)絡(luò)模擬

根據(jù)構(gòu)建的滑坡風(fēng)險區(qū)危巖體有限元力學(xué)模型實(shí)施危巖體分離面的網(wǎng)絡(luò)模擬[12]。

在進(jìn)行分離面網(wǎng)絡(luò)模擬之前,先進(jìn)行以下假設(shè):通過單位面積的分離面中心數(shù)目對分離面條數(shù)進(jìn)行定義;將分離面傾角和傾向假設(shè)為正態(tài)分布;將分離面假設(shè)成無限長的四邊形;假設(shè)分離面跡線中心的對應(yīng)空間分布是服從均勻分布的[13]。

分離面網(wǎng)絡(luò)模擬的具體步驟如圖2所示。

圖2 分離面網(wǎng)絡(luò)模擬的具體步驟

根據(jù)圖2即可實(shí)現(xiàn)危巖體分離面的網(wǎng)絡(luò)模擬。

1.4 分離面穩(wěn)定性系數(shù)仿真分析

將滑坡風(fēng)險區(qū)危巖體分離面分為3種類型:滑塌式危巖體分離面、傾倒式危巖體分離面以及墜落式危巖體分離面,分別實(shí)施三者的穩(wěn)定性系數(shù)仿真分析[14]。

其中滑塌式危巖體分離面的穩(wěn)定性系數(shù)仿真分析過程:

(1)滑塌式危巖體分離面的滑面較緩,通過下式實(shí)施穩(wěn)定性系數(shù)仿真分析:

(1)

式中:Q為滑塌式危巖體分離面的穩(wěn)定性系數(shù);w為地震力;k為危巖體自重;θ為分離面傾角;t為地震水平作用系數(shù);g為裂隙深度;η為水的重度;C為裂隙內(nèi)摩擦角度數(shù);L為裂隙粘聚系數(shù)[15]。

(2)對于傾倒式危巖體分離面,其由后緣巖體實(shí)際抗拉強(qiáng)度控制危巖體破壞,通過下式實(shí)施穩(wěn)定性系數(shù)仿真分析:

(2)

式中:Q′為傾倒式危巖體分離面的穩(wěn)定性系數(shù);a為傾覆點(diǎn)到危巖體重心之間的水平距離;V為迎風(fēng)面積與風(fēng)向之間的夾角;H為后緣裂隙上端至下端的垂直距離;h為后緣裂隙實(shí)際深度;α為后緣裂隙傾角;h″為后緣裂隙實(shí)際充水高度;B為空氣密度;FIK為迎風(fēng)面積[16]。

(3)墜落式危巖體分離面的穩(wěn)定性系數(shù)仿真分析:

(3)

式中:Q″為墜落式危巖體分離面的穩(wěn)定性系數(shù);E為危巖體抗彎力矩。

2 工程案例應(yīng)用

2.1 工程案例選擇

選擇某滑坡風(fēng)險區(qū)進(jìn)行設(shè)計的滑坡風(fēng)險區(qū)危巖體分離面穩(wěn)定性系數(shù)仿真分析方法的應(yīng)用測試。在該滑坡風(fēng)險區(qū)中,發(fā)育有各種危巖體,包括滑塌式危巖體、傾倒式危巖體以及墜落式危巖體。分別針對3種危巖體實(shí)施分離面穩(wěn)定性系數(shù)仿真分析,對設(shè)計方法的分析性能進(jìn)行測試。

針對每種危巖體類型分別選擇10處對應(yīng)危巖體測試設(shè)計方法的分析性能,將每種危巖體所對應(yīng)不同位置的危巖體分離面用序號1～10表示。對3種危巖體分別進(jìn)行圖像采集,具體如圖3所示。

(a)滑塌式危巖體

由圖3可以看出,滑塌式危巖體由侏羅系上統(tǒng)泥巖、巨厚層砂巖構(gòu)成;傾倒式危巖體由巨厚層砂巖構(gòu)成;墜落式危巖體由遂寧組泥巖構(gòu)成。

3種危巖體的具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 3種危巖體的具體數(shù)據(jù)Tab.2 Specific data of three types of dangerous rock bodies

分別構(gòu)建3種危巖體的有限元力學(xué)模型,并對其分離面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模擬。在2種工況下利用設(shè)計方法進(jìn)行分離面穩(wěn)定性系數(shù)仿真分析:第1種工況是天然狀態(tài),危巖體分離面承受的主要壓力是裂隙水壓力+自重;第2種工況是暴雨狀態(tài),危巖體分離面承受的主要壓力是裂隙水壓+飽和自重。

2.2 第1種工況下的分離面穩(wěn)定性系數(shù)仿真分析

在天然狀態(tài)下,滑塌式危巖體、傾倒式危巖體以及墜落式危巖體分離面穩(wěn)定性系數(shù)的仿真結(jié)果如圖4所示。

(a)滑塌式危巖體分離面

由圖4可知,設(shè)計方法能夠?qū)崿F(xiàn)天然狀態(tài)下滑塌式危巖體、傾倒式危巖體以及墜落式危巖體分離面穩(wěn)定性系數(shù)的仿真,并且滑塌式危巖體的分離面穩(wěn)定性系數(shù)最大,墜落式危巖體的分離面穩(wěn)定性系數(shù)最小,符合實(shí)際情況,證明設(shè)計方法分離面穩(wěn)定性系數(shù)的仿真性能良好。

2.3 第2種工況下的分離面穩(wěn)定性系數(shù)仿真分析

在暴雨狀態(tài)下,3種危巖體分離面穩(wěn)定性系數(shù)的仿真結(jié)果如圖5所示。

(a)滑塌式危巖體分離面

由圖5可知,在危巖體分離面承受的主要壓力是裂隙水壓+飽和自重的情況下,設(shè)計方法同樣能夠?qū)崿F(xiàn)3種危巖體分離面穩(wěn)定性系數(shù)的仿真。仿真結(jié)果:滑塌式危巖體分離面仿真穩(wěn)定性系數(shù)>傾倒式危巖體分離面仿真穩(wěn)定性系數(shù)>墜落式危巖體分離面仿真穩(wěn)定性系數(shù),這符合實(shí)際情況,說明設(shè)計方法能夠?qū)崿F(xiàn)多種情況下的危巖體分離面穩(wěn)定性系數(shù)仿真分析。

3 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)對滑坡風(fēng)險區(qū)危巖體分離面穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行了仿真分析。通過無人機(jī)采集滑坡風(fēng)險區(qū)危巖體圖像,構(gòu)建了危巖體的有限元力學(xué)模型,并對危巖體分離面實(shí)施了網(wǎng)絡(luò)模擬,最后實(shí)現(xiàn)了多種危巖體分離面穩(wěn)定性系數(shù)的仿真分析,并且仿真分析結(jié)果與實(shí)際相貼近,對于危巖體穩(wěn)定性問題的研究有一定貢獻(xiàn)。