易滑地层顺层边坡合理坡形UDEC模拟分析

徐杰

摘要：针对重庆三峡地区易滑地层地质特性，充分收集和分析前人的研究资料及成果，运用通用颗粒离散元程序（UDEC）建立三峡库区顺层三级边坡模型，模拟过程中主要考虑层面倾角、碎落台宽度以及粘聚力等参数对边坡稳定性的影响，分析模拟计算得出的不同参数组合下的安全系数，提出易滑地层三级顺层边坡合理放坡坡形。

关键词：易滑地层；顺层边坡；UDEC；安全系数；合理坡形

1 引言

重庆三峡地区的大型路基灾害50%以上发育于三叠系巴东组、侏罗系珍珠冲组及这些地层的崩坡积体中，这类地层可统称为易滑地层。在公路建设和运营期间，位于该类地层之上的路基容易出现病害乃至失稳造成灾害。长期以来，重庆三峡地区易滑地层边坡的治理一直是公路建设中的一个棘手的问题。随着近年来重庆高速公路建设的飞速发展，边坡稳定问题也越来越突出。在建设过程中如何达到有效评判、提出合理边坡坡形和预测边坡稳定性，并进一步制定合理的防护加固方案，已成为相关领域技术人员所关注的热点课题[1]。

通用离散元程序（UDEC，Universal Distinct Element Code）是一个处理不连续介质的二维数值计算程序软件。它由离散元与边界元相互耦合，不仅可以进行有裂隙岩体的力学分析，还可以模拟多节理岩体热传导、地下开挖工程，以及流水、石油等在节理中的流动问题。在UDEC中，为完整块体和不连续界面开发了多种材料特性模型，用来模拟不连续地质界面以达到显现的典型特性。UDEC是基于“拉格朗日”有限元算法较好地模拟块体系统中的变形和大位移，它不仅能够对变形块体模型特征进行静力和动力响应分析，而且还能够解决非连续性的刚性体模型的变形移动问题[2]。

本文依托西部交通科技建设项目，通过对重庆三峡地区存在的易滑地层路基边坡进行详细的现场调研，充分收集和分析前人的研究资料及成果，运用通用颗粒离散元程序（UDEC）建立三峡库区顺层类三级边坡各种参数下的模型，进行模拟计算分析求出各种不同参数变化组合下的安全系数，提出顺层边坡合理放坡坡形。

2 主要参数及计算模型

边坡数值模拟分析主要针对三峡库区易滑地层。其岩体主要参数参照殷跃平[3]等的三峡库区重大地质灾害及防治研究调查分析报告，粘聚力、摩擦角的范围主要来源李远耀[4]等研究的三峡库区滑带土抗剪强度参数，粘聚力范围在4～60kPa，摩擦角7°～18°。顺层边坡相关参数如表1、表2。

利用通用离散元UDEC软件，依据以上岩体层面各种参数建立三级顺层边坡模型如图1所示。模型范围：长60米，高30米，层面厚1米，左、右及底部边界采用固定边界。模型为摩尔-库仑力学模型。

3 模拟计算分析

对顺层三级边坡探讨层面倾角、层面粘聚力、碎落台宽度、坡比对边坡的稳定性影响。利用UDEC软件，对给定层面粘聚力、摩擦角工况下的三级顺层坡模型通过改变层面倾角、坡比、碎落台宽度等变量，计算得出边坡安全系数，如表3所示。

由表数据看出，层面倾角大于-20°和小于-70°时，边坡安全系数才满足规范要求，对于倾角在-35°～-15°时采用放坡坡比1：1.5碎落台宽度2米时，边坡安全系数也能满足规范要求。对于坡比1：0.75，层面倾角大于-25°时随碎落台宽度增加安全系数而降低；对于坡比1：1，层面倾角小于-35°时随碎落台宽度的增加安全系数随之增加；对于坡比1：1.5层面倾角大于-35°随碎落台宽度的增加安全系数随之降低，小于-35°时随碎落台宽度的增加安全系数随之增加。层面倾角在-35°左右安全系数基本上是最低的。可见，并不是坡放的越缓，安全系数就越大，当坡比给定时，应分析天然工况与暴雨工况层面间的粘聚力对边坡安全系数的影响。

对给定的层面倾角为-20°、-30°和摩擦角为12°，通过改变层面粘聚力、碎落台宽度、坡比，利用UDEC软件模拟计算分析得出边坡安全系数如下表4。

由图2可以看出，相同层面倾角、碎落台宽度下，相同层面粘聚力下的边坡安全系数随着坡比的增大而增加；相同层面倾角、碎落台宽度、坡比下，随着粘聚力的增加边坡安全系数是增大的。

由表4中数据可知：（1）当层面倾角为-20°时：碎落台宽度为2米，粘聚力c小于30kPa时，三种坡比均不合理，需采取预加固；c在30～55kPa时，放坡1：1.5较合理；c大于55kPa时，三种坡比都合理；碎落台为4米，粘聚力c在小于20kPa时，三种坡比均不合理，需采取预加固；c在20～40kPa时，放坡1：1.5较合理；c大于40kPa时，放坡1：1.5、1：1较合理；（2）当层面倾角为-30°时：碎落台宽度为2米，粘聚力c小于50kPa时，三种坡比均不合理，需采取预加固； c大于50kPa时，放坡1：1.5较合理；碎落台为4米时，三种坡比均不合理，需采取预加固。

4 结束语

重庆三峡地区易滑地层边坡的治理一直是公路建设中的一个棘手的问题，本文针对易滑地层顺层三级边坡利用离散单元法（UDEC）显示求解安全系数，进行模拟分析滑带粘聚力、碎落台宽度、层面倾角、坡比等因数的改变对其安全系数的影响，在模拟过程还考虑岩体刚度的变化，并得出以下结论：

（1） 岩体刚度系数的选取对安全系数的计算有一定的影响，但影响并不明显，节理的刚度的选取不能太小，会直接影响安全系数的求解；

（2）

层面倾角为-15°～-35°、不同碎落台宽度、层面粘聚力下的顺层三级边坡合理放坡坡形如表5所示。层面粘聚力在35～50kPa时，放坡坡比小于1：1较合理，当粘聚力较小时，可适当增加碎落台宽度或减缓放坡坡比。

参考文献

[1]胡辉.重庆三峡地区易滑地层路基边坡安全度评价方法研究[D].重庆交通大学硕士论文，2010.

[2]Itasca Consulting Group. Inc.UDEC（Universal Distinct Element Code）user's manual， Version3.0[R].[s.l.]： Itasca Consulting Group.inc. 1996.

[3]殷跃平等.长江三峡库区移民迁建新址重大地质灾害及防治研究[M].北京：地质出版社，2004.

[4]李远耀，殷坤龙，柴波等.三峡库区滑带土抗剪强度参数的统计规律研究[J].岩土力学，2008，29（5）：1419-1424，1429.