不同危岩体分离面稳定性系数仿真分析

谢 浪

(四川省冶金地质勘查院,四川 成都 610051)

随着不断构建开发大型水电工程,各种地质工程问题也逐渐暴露出来,危害着各种工程建设[1]。其中危岩体失稳下落也就是危岩体崩塌一直是一种频发的地质灾害问题,其突发性和破坏性都极强。一旦发生,会造成河道阻塞,对农田等造成破坏,还会引发其他问题[2]。

目前大型水电工程的开发,已经使危岩崩塌问题成为一个研究热点[3]。对于危岩崩塌问题,需要结合多种技术与学科进行研究[4]。在其研究中,危岩体分离面稳定性系数分析问题一直是一个研究重点,针对该问题进行仿真研究。在该问题的研究中,主要分为2个研究方向:一个是定性方法;另一个是定量方法。2个研究方向均取得丰硕的成果。因此,综合以往研究方法,设计一种新的滑坡风险区危岩体分离面稳定性系数仿真分析方法,并对该方法进行性能测试。

1 滑坡风险区危岩体分离面稳定性系数仿真分析方法设计

1.1 图像采集

通过无人机采集滑坡风险区危岩体图像,获取更全面、更完整的图像信息[5]。图像采集的具体作业流程:

(1)实施现场踏勘,对航拍区域进行确定;

(2)对航线进行设定,并对相关飞行系数进行确定;

(3)布设控制点。对多个控制点进行布设,并对控制点准确的高程信息与位置信息进行量测;

(4)构建统一坐标系,使布设的控制点形成控制网,用于对比校正图像数据;

(5)通过无人机进行滑坡风险区危岩体图像的采集拍照,主要通过无人机上搭载的高影像分辨率相机进行图像采集;

(6)将滑坡风险区危岩体照片文件导出,对影像数据进行检查与拷贝;

(7)整理定位姿态数据。

1.2 有限元建模

根据采集的滑坡风险区危岩体图像,构建滑坡风险区危岩体的有限元力学模型。在其有限元力学模型的构建中,使用的软件是ANSYS有限元分析软件[6]。

首先明确计算范围,具体如图1所示。

结合模型的高(H)将位移边界条件作为计算范围的对应外边界,也就是对于平面数值分析来说,固定左右两侧的水平位移、固定底面竖向位移;对于三维数值分析来说,固定前后左右四面的水平位移、固定底面竖向位移、忽略构造应力,将其作为安全储备[7]。

在模型构建中,单元的使用与网格的划分:对于平面数值分析来说,使用的单元为四边形四节点单元;而对于三维数值分析来说,主要使用六面体单元,在局部使用一部分四面体单元[8]。在划分单元时,加密坡顶处,其他位置单元不进行加密处理。

具体来说,使用了3种单元类型,四边形4节点单元、六面体单元、四面体单元分布选用了2D-PLANE42实体单元、3D-SOLID45实体单元以及接触单元。这几种单元都具有处理大应变、大变形、膨胀、徐变、塑性的能力[9]。

本构模型选择Prager-durcker弹塑性模型,各种材料的参数具体如表1所示[10]。

表1 各种材料的参数Tab.1 Parameters of various materials

在构建有限元力学模型时,采用的建模方式为自底向上进行建模。首先构建点,接着由点生成面;面的边界线是共用的,以保障划分网格时具有连续性[11]。

1.3 危岩体分离面网络模拟

根据构建的滑坡风险区危岩体有限元力学模型实施危岩体分离面的网络模拟[12]。

在进行分离面网络模拟之前,先进行以下假设:通过单位面积的分离面中心数目对分离面条数进行定义;将分离面倾角和倾向假设为正态分布;将分离面假设成无限长的四边形;假设分离面迹线中心的对应空间分布是服从均匀分布的[13]。

分离面网络模拟的具体步骤如图2所示。

图2 分离面网络模拟的具体步骤

根据图2即可实现危岩体分离面的网络模拟。

1.4 分离面稳定性系数仿真分析

将滑坡风险区危岩体分离面分为3种类型:滑塌式危岩体分离面、倾倒式危岩体分离面以及坠落式危岩体分离面,分别实施三者的稳定性系数仿真分析[14]。

其中滑塌式危岩体分离面的稳定性系数仿真分析过程:

(1)滑塌式危岩体分离面的滑面较缓,通过下式实施稳定性系数仿真分析:

(1)

式中:Q为滑塌式危岩体分离面的稳定性系数;w为地震力;k为危岩体自重;θ为分离面倾角;t为地震水平作用系数;g为裂隙深度;η为水的重度;C为裂隙内摩擦角度数;L为裂隙粘聚系数[15]。

(2)对于倾倒式危岩体分离面,其由后缘岩体实际抗拉强度控制危岩体破坏,通过下式实施稳定性系数仿真分析:

(2)

式中:Q′为倾倒式危岩体分离面的稳定性系数;a为倾覆点到危岩体重心之间的水平距离;V为迎风面积与风向之间的夹角;H为后缘裂隙上端至下端的垂直距离;h为后缘裂隙实际深度;α为后缘裂隙倾角;h″为后缘裂隙实际充水高度;B为空气密度;FIK为迎风面积[16]。

(3)坠落式危岩体分离面的稳定性系数仿真分析:

(3)

式中:Q″为坠落式危岩体分离面的稳定性系数;E为危岩体抗弯力矩。

2 工程案例应用

2.1 工程案例选择

选择某滑坡风险区进行设计的滑坡风险区危岩体分离面稳定性系数仿真分析方法的应用测试。在该滑坡风险区中,发育有各种危岩体,包括滑塌式危岩体、倾倒式危岩体以及坠落式危岩体。分别针对3种危岩体实施分离面稳定性系数仿真分析,对设计方法的分析性能进行测试。

针对每种危岩体类型分别选择10处对应危岩体测试设计方法的分析性能,将每种危岩体所对应不同位置的危岩体分离面用序号1～10表示。对3种危岩体分别进行图像采集,具体如图3所示。

(a)滑塌式危岩体

由图3可以看出,滑塌式危岩体由侏罗系上统泥岩、巨厚层砂岩构成;倾倒式危岩体由巨厚层砂岩构成;坠落式危岩体由遂宁组泥岩构成。

3种危岩体的具体数据如表2所示。

表2 3种危岩体的具体数据Tab.2 Specific data of three types of dangerous rock bodies

分别构建3种危岩体的有限元力学模型,并对其分离面进行网络模拟。在2种工况下利用设计方法进行分离面稳定性系数仿真分析:第1种工况是天然状态,危岩体分离面承受的主要压力是裂隙水压力+自重;第2种工况是暴雨状态,危岩体分离面承受的主要压力是裂隙水压+饱和自重。

2.2 第1种工况下的分离面稳定性系数仿真分析

在天然状态下,滑塌式危岩体、倾倒式危岩体以及坠落式危岩体分离面稳定性系数的仿真结果如图4所示。

(a)滑塌式危岩体分离面

由图4可知,设计方法能够实现天然状态下滑塌式危岩体、倾倒式危岩体以及坠落式危岩体分离面稳定性系数的仿真,并且滑塌式危岩体的分离面稳定性系数最大,坠落式危岩体的分离面稳定性系数最小,符合实际情况,证明设计方法分离面稳定性系数的仿真性能良好。

2.3 第2种工况下的分离面稳定性系数仿真分析

在暴雨状态下,3种危岩体分离面稳定性系数的仿真结果如图5所示。

(a)滑塌式危岩体分离面

由图5可知,在危岩体分离面承受的主要压力是裂隙水压+饱和自重的情况下,设计方法同样能够实现3种危岩体分离面稳定性系数的仿真。仿真结果:滑塌式危岩体分离面仿真稳定性系数>倾倒式危岩体分离面仿真稳定性系数>坠落式危岩体分离面仿真稳定性系数,这符合实际情况,说明设计方法能够实现多种情况下的危岩体分离面稳定性系数仿真分析。

3 结语

本实验对滑坡风险区危岩体分离面稳定性系数进行了仿真分析。通过无人机采集滑坡风险区危岩体图像,构建了危岩体的有限元力学模型,并对危岩体分离面实施了网络模拟,最后实现了多种危岩体分离面稳定性系数的仿真分析,并且仿真分析结果与实际相贴近,对于危岩体稳定性问题的研究有一定贡献。