浅析基于三维流固耦合的库水滑坡变形破坏机理研究=“news_bd”>1引言近年来,降雨,尤其是持续一段时间的降雨是影响边坡稳定安全的重要因素之一,对暴雨工况下土质边坡的暂态渗流场与稳定性进行了分析,其研究中考虑了正负孔隙水压力,研究结果表明,暴雨入渗使负孔隙压力减小会导致边坡稳定性降低,并有可能诱发边坡失稳破坏。
三峡库区滑坡由于内、外环境因素复杂,且库水位变化幅度较大,加之汛期降雨频繁,极易诱发边坡失稳,目前已有许多文献单独对库水位变化对滑坡的稳定性影响进行了分析:刘才华等依托实例对库水位上升诱发滑坡失稳的机理进行了研究;刘金龙等通过数值模拟了库水位变化对边坡稳定性的影响;岳庆河等从库水位回落的角度分析了土石坝边坡的稳定性。吴海燕等分析了降雨入渗对黄土边坡破坏面的形成和滑动机理,并得出了一些实用的成果;齐云龙等综合地震和降雨两种外因,对滑坡的稳定性进行了分析,提出了滑坡防治建议;娄一青等对降雨条件下滑坡地下水的渗流特征进行了有限元模拟。以上的这些方法都是独立的从库水位变化或降雨入渗角度来分析边坡的稳定性,而实际中三峡库区滑坡的孕灾模式的是在二者共同作用下长期发展的过程,所以很有必要分析二者综合作用下滑坡的变形破坏特征,才能建立正确的预测模型和报警机制。
本文以三峡库区典型滑坡李家坡滑坡为研究对象,采用能进行岩土体饱和非饱和流固耦合分析的有限元软件(Abaqus)对其在水库水位变动、降雨两者联合作用条件下滑坡变形破坏过程进行三维模拟,获得该滑坡位移场、应力场和塑性区,建立该滑坡的数值预测模型。
2李家坡滑坡地貌特征及有限元网格模型李家坡滑坡位于巫山县城右岸,滑坡距河口约31 4 km,滑坡剪出口位于高程135 m以下小于三峡水库正常蓄水位175 m约40 m。滑坡体平面形态为舌形状,顺向坡,滑坡前缘较缓,中部和后缘稍陡,西高东低。斜坡形态呈凹形坡,滑体后缘高程345 m,前缘高程135 m水位以下,高程125 m,后缘呈园弧状,以基岩为界,右侧以陡坎临空面为界,左侧以基岩山脊为界,平均坡度15度,均宽320 m,滑体长830 m,滑体面积251 6 104 m2,滑坡岩土体在库水位波动及降雨条件下,会因不同程度的卸荷、加载而发生不同程度的弹塑性变形,在该过程中滑坡岩土体会发生压剪和张拉变形破坏。一般采用的岩土屈服准则是广义米赛斯准则(Dr ucker2Pr ager准则)与莫尔-库仑准则,Dr ucker2 Pra ger准则在主应力空间上的屈服面为一圆锥面,在P平面上为圆形,不存在尖顶处的数值计算问题;虽然莫尔-库仑准则的屈服面为不规则的六角形截面的角椎体表面,在P平面上为不等角六边形,存在尖顶和菱角,给数值计算带来困难,但由于数值计算模拟技术的进步可以对尖顶处进行较好的处理,同时莫尔-库仑准则在边坡工程中有广泛的应用基础和经验积累,因此,本次计算采用能反映压剪和张拉破坏的M ohr2Colum b与拉破坏准则结合的复合准则进行滑坡在水库蓄水和降雨条件下的加载作用下的屈服破坏判断。
3边界条件李家坡滑坡的三维流固耦合数值分析主要采用饱和非恒定渗流与应力耦合理论进行,本节以下将对计算中涉及的渗流场和应力场的确定进行简要说明。各渗流边界条件与应力边界条件3.1渗流计算条件(1)渗流初始边界条件的确定方法。李家坡滑坡坡内的渗流场主要受控与库区水位波动及降雨,因此,计算中对初始条件的确定主要采用现场水文监测数据确定初始地下水位,并基于该初始地下水位确定滑坡初始渗流场的孔压分布特征。计算模型的边界条件采用与渗流速度来实现边界的透水条件。
(2)非恒定渗流边界条件的确定。降雨的强度及滑坡表层岩土体入渗率共同控制着雨水入渗及产流条件,当降雨强度弱于滑坡表层岩土体的入渗率时,雨水将全部入渗滑坡体,当降雨强度强于滑坡表层岩土体入渗率时,雨水将会在坡面形成径流。然而,降雨入渗坡体是个极其复杂的过程,还受其他众多因素影响,虽然目前研究成果较多,但都无法精确确定不同降雨强度下入渗坡体的雨水量。因此,本文选用常规方法确定降雨工况下坡体入渗雨量,雨水的渗流速度v(mm/s)和降雨强度q(mm/s)存在关系,根据该关系即可确定不同降雨工况下滑坡坡面入渗的边界条件。三峡库水位波动直接导致李家坡滑坡渗流场主要在在高程135~175 m间变化显著,因此,库水作用下李家坡滑坡渗流场的变化可通过135~175 m高程范围内坡体节点水头边界条件的变化来实现。本次数值模拟模型底边为不透水边界,四周及滑坡坡面不接触降雨或库水的边界为自由透水面3.2应力计算条件模型的底部为法向约束边界,前后两侧及左右两侧边界均采用法向约束,坡体表面为自由边界4计算工况及结果分析4.1计算工况及荷载组合的确定三峡库区水位调度周期大体上是自9月30日至10月30日,库水位自145 m上升至175 m,历时约30 d,水位回升速率为1 m/d;自11月1日至12月30日为满库运行期,历时60 d,水位175 m;然后,自12月30日开始水位下降,至次年6月10日水位145 m,历时161 d,下降速率约01 186 m/d,为了充分突出库水位变化和降雨的综合作用,本文的工况算例采用极端工况,即荷载组合采用自重+地表荷载+水库水位从1621 0 m降至1451 0 m中快速消落阶段,水位下降速率约3 m/d+50年一遇暴雨。
4.2计算结果分析(1)应力计算结果及分析。库水位由162 m突降到145 m又遇到50年一遇暴雨时,滑坡第一、第三主应力场整体变化较大,滑坡整体应力都有一定增加。滑体中下部拉应力(第一主应力)最大值为-01 31 M Pa,压应力(第三主应力)最小值为-11 20 MPa;滑体中上部拉应力(第一主应力)最大值为-01 67 M Pa,压应力(第三主应力)最小值为-01 42 M Pa。渗流场与应力场具有相互耦合作用,库水下降和降雨的共同作用引起渗流场的改变,是本工况中应力场改变的主要原因(2)位移计算结果及分析。在滑体下部发生较大水平位移,量值为01 017~01 092 m,最大位移值为01 092 m;滑体中部水平位移相对较小,量值为01 015~01 034 m;滑体上部水平位移较小,量值为0~01 027 m。本工况水平位移较大,主要是由于库水下降使滑体内产生向外的渗透力,同时降雨作用使向外的渗透力增大,使滑体下滑力增大,导致滑体下部水平位移增大。在滑体上部发生较大垂直位移,方向向下,量值为01 043~01 088 m,最大位移值为01 088 m;滑体中部垂直位移相对较小,方向向下,量值为01 010~01 01 080 m;滑体下部垂直位移较小,方向向下,量值为0~01 055 m(3)塑性区计算结果及分析。库水位由162 m突降到145m又遇到50年一遇暴雨时,滑坡未出现明显塑性破坏区,这说明滑坡在本工况中整体处于较稳定状态。
4.3稳定性预测通过对李家坡滑坡进行极端工况数值计算分析,可以预测其在后续一个库水运行周期内,在滑体前缘有可能发生较大位移,并在滑体前缘出现局部塑性变形破坏,在库水下降时出现这种局部失稳的可能性最大,但在整个库水周期运行周内,滑体塑性区未出现贯通,滑坡未发生整体失稳,滑坡整体处于欠稳定状态。
5结论(1)对三峡库区边坡的稳定性分析,不仅要考虑库水位变化的影响,也要将降雨入渗考虑进来,这样才能准确的模拟边坡的稳定破坏过程。
(2)本文以三峡库区李家坡滑坡极端工况为例,对其在水库水位降落及遇见强降雨过程中边坡内部流固耦合及三维稳定性问题进行了研究,这对进一步认识三峡库区的地质体在库水位变化过程中的稳定性变化特征具有一定得理论和实践意义。
(3)通过三维稳定分析,预测李家坡滑坡在后续一个水库运行周期内,滑坡前缘可能会发生较大位移,并在滑体前缘出现局部塑性变形破坏,出现局部失稳的可能性最大。传统的二维极限分析通常选取地质体的中部剖面,这势必会造第二盛水装置的水位)一定会发生显著变化,并且容易观察和测量。控制两盛水装置水量不变情况下,某一时间段内出流量的变化也使水表测得的水量变化变得十分明显。即,第一连通管51的出流量变化dq=q1 c-q1=(Q2 c-Q1c)/T2-(Q2-Q1)/T1[7]。桥墩模型引起过水流量减少应包括两部分,一部分为第一连通管出流量的变化dq,另一部分为试验水槽1上游断面水位壅高dh引起的流量增量dqc(尾门出口处水位不变),即DQ=dq+dqc:根据所述第一连通管的出流量变化dq,计算试验水槽上游断面(桥墩模型上游)的水位壅高dh;然后根据试验水槽上游断面的水位壅高d h,计算试验水槽由于水面比降增加(尾门出口处水位不变)而引起的流量变化值dqc;最后根据dq和dqc,计算桥墩对河道过水流量的影响(减少值)DQ,即DQ=dq+dqc。根据河道过水流量影响DQ及以上基础数据,还可以进一步研究桥墩的阻水状况,因而完全可以通过时间来控制试验精度或达到试验目的。
4结语本文所述的提高桥墩阻水试验量测精度的新方法,为研究桥墩等阻水建筑物阻水状况的水工模型试验中的微量变化提供了一种新的量测思路;可将类似水工模型试验中对测量仪器精度(灵敏度)的要求,转化为试验时间,而不仅仅依靠测量仪器的精度(或灵敏度),通过延长试验时间提高试验精度;可以解决类似水工模型试验中由于微量变化现有仪器无法准确测量的问题,用于相关问题的定量试验研究。
