基于UDEC下溶洞控制危岩体变形过程

冷洋洋 徐 凯

(1.贵州省地质环境监测院，贵州 贵阳 550018； 2.陕西万科项目管理咨询有限公司，陕西 西安 710068)

·岩土工程·地基基础·

基于UDEC下溶洞控制危岩体变形过程

冷洋洋1徐 凯2

(1.贵州省地质环境监测院，贵州 贵阳 550018； 2.陕西万科项目管理咨询有限公司，陕西 西安 710068)

利用UDEC分别对降雨前及降雨后的危岩体进行模拟，显示指出岩体沿溶洞节理方向发生变形；因陡倾裂隙与溶洞贯通，导致力学性能迅速降低，岩体沿着溶洞节理产生了下滑；在降雨条件下，危岩体将处于不稳定状态，沿软弱面发生剪切破坏。

UDEC，溶洞，危岩体，裂隙，剪切破坏

0 引言

UDEC(Universal Distinct Element Code)是一款利用显式解题方案为岩土工程提供精确有效分析的工具，显式解题方案为不稳定物理过程提供稳定解，并可以模拟对象的破坏过程，该软件特别适合于模拟节理岩石系统或者不连续块体集合体系在静力或动力荷载条件下的响应。在对鱼洞河崩塌发生后崖顶的残留危岩体进行数值模拟分析时，选用离散元的方法。

1 概况

基岩地层包括下二叠段茅口组(P1m)、栖霞组(P1q)、梁山组(P1l)和上泥盆统尧梭组(D3y)。第四系土层包括残积层、崩积层和古滑坡堆积层。

尧梭组(D3y)：由白云质灰岩、白云岩及灰岩、硅质灰岩组成，为浅海台地相。本区内厚度约152 m。

梁山组(P1l)：以灰黑色薄层状泥页岩夹煤层为主，夹有石英砂岩和铝土岩。煤层厚0.7 m。本组地层厚约13 m。

栖霞组(P1q)：整合于茅口组与梁山组之间，为深灰色含燧石结核灰岩夹灰黑色泥灰岩、页岩和钙质页岩，厚90 m～141 m。

茅口组(P1m)：整合于栖霞组之上，平行不整合于龙潭组之下，一般由深灰、灰、浅灰色白云质斑块灰岩、灰岩及深灰色含燧石结核灰岩组成，夹少量白云岩地层。本组为开阔台地沉积，区域上厚度变化大，为70 m～771 m，本区厚约100 m。

本次调查填图时，对茅口组和栖霞组未进行单独划分。

溶洞控制鱼洞河危岩体代表剖面图见图1。

2 鱼洞河危岩体数值模拟

2.1 模型建立

模型的建立主要是根据现场实际调查结果，以危岩体2剖面为例，结合相关资料建立的概化模型(见图2)，具体如下：

1)模型的计算范围。

结合地质剖面图，本文选取模型计算范围水平最大距离为292 m，垂直最大距离为227 m。

2)本构模型的选取。

离散元法把岩体看成是由岩石块体和切割岩体的结构面两种材料组合的(马庆松，2009)，这两种材料分别有不同的本构模型，在分析计算时，对于岩石块体本构模型选取各向同性的弹性模型，结构面的本构模型为摩尔—库仑模型。

3)初始应力场。

模型的初始应力场为自重应力场，重力加速度为10 m/sec2。

4)边界条件。

分析计算时，分别对模型左右边界作X方向的位移约束，底边界作竖直Y方向的位移约束。

5)主要岩性及节理组合。

模型上部为二叠系下统栖霞组中厚层石灰岩，下部为梁山组薄层泥页岩含煤层及尧梭组灰岩。灰岩内结构面主要有缓倾坡内层面和陡倾坡外近平行于崖面的竖直节理；煤层的结构面为随机节理；危岩后缘的落水洞处理为一条裂隙。

6)计算工况。

分别模拟危岩体在天然工况和降雨工况下的稳定性。天然工况下采用天然状态的物理力学参数，降雨工况下采用饱水状态的物理力学参数。

2.2 参数的选取

参数选取思路大致如下：首先，研究岩土体参数弱化的相关成果(周翠英等，2005)，分析对应岩体及类似性质的岩体在水作用下以及遭受不同破坏情况下的参数弱化情况。其次，由于现场调查工作所取得的地层岩性力学指标并不完整，故本文借鉴已有的基于离散元法模拟危岩体变形问题的研究成果，进行参数选取；同时结合现场勘查工作取样获得的室内岩石力学性质指标，结合试算经验和监测成果分析，综合选取计算参数，考虑不同作用对不同地层影响程度不同，折减相应不同，例如，粘土岩受风化作用和水的软化作用比其他岩体都强烈(冷洋洋等，2014)，折减程度相应增加。

具体参数选取见表1，表2。

表1 岩体物理力学计算参数

表2 结构面物理力学计算参数

2.3 危岩体变形数值模拟分析

本次分析通过对危岩体天然状态及降雨状态下的应力场，位移场的情况进行模拟，从而判断危岩体的稳定性并对危岩失稳破坏做出有效的预测(王高峰等，2012)。

2.3.1 最大不平衡力特征

图3为系统在天然和降雨工况下系统最大不平衡力计算过程曲线。可以看出，在天然工况下(见图3a))，随着迭代时步的进行，系统最大不平衡力逐渐衰减(封凡忠等，2010)，且趋近于零，曲线收敛，这说明系统在天然状态下，模型经过自身应力应变的调整，系统能够达到自我稳定的状态(杨国俊等，2012)；在降雨工况下(见图3b))，可以看出系统的最大不平衡力，跳跃性很大，系统的最大不平衡力随着时步的进行并不趋于零，曲线不收敛，这说明系统在降雨工况处于不稳定的状态。

2.3.2 主应力特征

图4是边坡在天然工况和降雨工况下的主应力场分布曲线(压应力为“-”，拉应力为“+”)，从图4中可以看出斜坡体在天然状态下的最大主应力和最小主应力分布符合一般斜坡体主应力分布特征，即最大主应力和最小主应力总体上符合从上到下逐渐增大(张倬元等，1994)，且在远离坡面附近最大主应力方向呈竖直方向，最小主应力呈水平方向；在靠近坡面附近，最大主应力和最小主应力方向发生明显的偏转，体现为越接近坡表处最大主应力平行于坡面，最小主应力垂直于坡面。

同时从图4中可以看出，边坡在坡肩处存在拉应力，且在天然工况下边坡在坡肩位置的拉应力区范围明显比降雨工况下的拉应力区范围大，边坡在天然工况下的最大拉应力为0.608 8 MPa，在降雨工况下最大拉应力为0.300 2 MPa，这是由于边坡在降雨工况下，危岩体发生了快速下滑，拉应力区得到了消减。

此外由于软弱夹层的存在，随机划分节理块体比其他地方多，故主应力矢量也相应密集(朱焕春等，2004)。

2.3.3 剪应力分布特征

图5是斜坡在天然和降雨工况下的剪应力分布云图，斜坡在天然工况和降雨工况下其最大剪应力区均发生在坡脚处，最大剪应力值为3 MPa，最大剪应力值在两种工况下没有发生明显的变化。

2.3.4 监测点位移矢量特征

图6是边坡在天然工况下和降雨工况下的位移矢量图，在崖顶设置了位移监测点，从图6中可以看出无论是在天然还是降雨工况下最大位移始终发生在斜坡坡缘的危岩体上。斜坡在天然工况下的最大位移为0.127 3 mm，且位移方向主要指向临空方向，说明危岩体在天然工况下相对较稳定，其位移很大一部分是由于卸荷坡表面的卸荷回弹，结构面向临空面张开引起的；斜坡在降雨工况下，其危岩体最大位移急剧增加，最大位移为1.643 mm，从图6中可以看出危岩体的位移方向沿着落水洞节理产生了下滑，危岩体在降雨工况下，将会处于不稳定状态。

3 结论及建议

危岩体在天然状态下稳定性处于良好状态，但在降雨情况下，坡体的应力及位移情况都发生较大改变。从监测点处可以得知，在降雨情况下，入渗雨水影响岩体力学参数发生改变，后缘落水洞贯通陡倾裂隙，原本受一次震动影响后发生错动的岩体受到裂隙张拉影响，重心由内倾逐渐转向外倾。从监测点位移矢量对比图中我们可以看到危岩体沿落水洞方向向外滑移，这对岩溶地区危岩体破坏模式的判断有很大的帮助。

[1] 封凡忠,马云龙.FLAC3D技术在边坡稳定性分析上的应用[J].山西建筑,2010,36(26):97-98.

[2] 李维树,夏 哗,乐俊义.水对三峡库区滑带(体)土直剪强度参数的弱化规律研究[J].岩土力学,2006，27(sup):1170-1174.

[3] 李维树,周火明,陈 华,等.构皮滩水电站高拱坝建基面卸荷岩体变形参数研究[J].岩石力学与工程学报,2010,29(7):1333-1338.

[4] 冷洋洋，刘 武，卓国峰，等.贵州大榕古滑坡复活变形特征及滑动机制分析[J].地质学刊,2014,1(38)：169-172.

[5] 卢志强，冷洋洋.FLAC3D在边坡变形过程可视化中的应用[J].贵州地质,2012,1(29)：52-55.

[6] 马庆松.几何初始损伤模型及其在岩土工程数值计算中的应用[D].济南：山东大学环境科学与工程学院，2009.

[7] 王高峰,王洪德，薛星桥，等.巫山县望霞危岩体破坏及再次变形失稳预测[J].自然灾害学报,2012，21(6)：164-171.

[8] 杨国俊，王亮清，谭维佳，等.某水电站导流洞入口边坡开挖稳定性分析[J].安全与环境工程,2012，19(5)：111-114.

[9] 张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理[M].第2版.北京：地质出版社，1994.

[10] 朱焕春，Brummer Richard,Andrieux Patrick,等.节理岩体数值计算方法及其应用(一)：方法与讨论[J].岩石力学与工程学报,2005，24(1):33-38.

[11] 周翠英,张乐民.软岩与水相互作用的非线性动力学过程分析[J].岩石力学与工程学报,2005，24(22):4036-4041.

UDEC-based dangerous rock mass deformation process controlled by karst cave

Leng Yangyang1Xu Kai2

(1.GuizhouInstitudeofGeo-environmentMonitoring,Guiyang550018,China;2.ShaanxiVankeProjectManagementConsultingCo.,Ltd,Xi’an710068,China)

Reveal the rock mass deformation along the karst cave joints by simulating before-rain and after-rain rock mass with UDEC. The connection between steep fissure and karst cave leads to a sharp decrease of mechanical property, which further causes the rock mass to slide along karst cave joints. Dangerous rock mass is not stable in rain and shear failure thus occurs along the weak plane.

UDEC, karst cave, dangerous rock, crevice, shear failure

1009-6825(2015)28-0054-03

2015-07-26

冷洋洋(1987- )，男，硕士，工程师

P642.25

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