三峡库区某滑坡流固耦合分析及失稳预测

2013-10-16均金胡秋芬

浙江水利科技 2013年6期

关键词：滑体应力场滑坡体

王力,袁均金,胡秋芬

(1.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北宜昌 443002;2.中国水利水电第九工程局,贵州贵阳 550008)

三峡库区建成后,由于水位的抬升,沿岸地区自然环境发生了显著的变化,库水位的上升及周期性波动对库岸滑坡岩土体物理力学特性产生显著影响,亦引起滑坡体内应力状态的改变,两方面的作用即构成渗流场与应力场的流固耦合作用问题[1-2]。

为了研究滑坡体在降雨及库水作用下渗流场、位移场及应力场的变化,本文应用大型通用有限元软件ABAQUS对三峡库区某滑坡在库水下降联合降雨作用下的渗流场与应力场进行三维耦合分析,并结合监测资料得出其应力场及位移场变化规律。

1 滑坡概况

该滑坡位于长江右岸,距三峡大坝坝址56 km,地属湖北省秭归县,滑坡后缘至高程432 m山包鞍部,左右边界以冲沟为界。滑坡平面形态呈靴形,剖面形态呈阶梯状,坡度25°。滑坡宽400 m,纵长1 000 m,面积40万 m2。平均厚度40m,体积约1 600万m3,主滑方向340°。滑坡全貌及滑坡平面见图1、2。

图1 滑坡全貌图

图2 滑坡平面图

滑坡区位于巴东复向斜和秭归向斜交汇处,裂隙以层面、南、北、西向为主。发育于侏罗系下统香溪组粉砂岩、炭质粉细砂岩组成的顺向坡地层中,斜坡位于长江右岸斜坡,自然坡度约30～45°,坡向340°,具圈椅状地貌,后缘台面平坦开阔,平面似葫芦状,近东西向展布,总长350 m,宽70～270 m,面积为 41 600 m2,平台高程164～188 m,向长江微倾。该滑坡为一古滑坡,滑坡体物质由碎块石土组成,碎块石成分为砂岩、粉质砂岩以及泥岩等,碎块石粒径0.2～10.0 cm,土石比为6∶4。滑带为滑体与滑床的接触面,受滑坡动力作用影响,主要由滑体受挤压形成重粉质亚黏土及角砾组成。重粉质亚黏土为黄灰色,硬塑状。角砾成分为砂岩、泥岩,砾径0.1～2.0 mm,滑带整体土石比为6∶4～8∶2,滑面形态为弧线形。滑床由2套岩性构成,侏罗系下统香溪组层状石英砂岩、粉砂块裂岩组成。顺层段滑床由香溪组下段薄——中厚层炭质粉砂岩组成,切层段滑床由香溪组中段褐黄色中厚——厚层状石英砂岩组成。

根据相关资料,滑坡的地质剖面图见3图。

目前在滑坡体上布设1条监测纵剖面,共布设4个GPS监测点,在滑坡体东侧稳定基岩上布设1个GPS基准点,各监测点GPS位移数据见图4。

图3 滑坡地质剖面图

图4 该滑坡累积位移—时间曲线与降雨量、库水位对比关系图

2 ABAQUS流固耦合基本原理

在库水联合降雨作用下滑坡体中孔隙流体压力的变化会引起多孔介质骨架有效应力发生变化,这些变化又会反过来影响孔隙流体的流动和压力的分布。渗流场与应力场这种相互影响称为流固耦合,在水库水位波动和降雨条件下滑坡体中具有普遍性、基础性、动态性和交叉性的特点。应力平衡方程[3]和渗流连续方程如下:

流固耦合方程的求解,还需给出相应的定解条件[4],该例渗流边界条件为混合边界条件,即一部分边界水头给定,另一部分流量给定。固体应力场边界采用混合边界条件,即固体骨架表面部分边界已知应力,另一部分边界已知位移。

3 计算模型及计算参数

根据该滑坡的地质条件和地形地貌特征,选取该滑坡三维数值计算模型的范围为:沿水流方向为960 m,垂直水流方向为1 240m,模型底面高程为0 m,计算模型在滑坡平面图上的位置见图2。计算域包含滑体、滑带和基岩,整个计算域剖分了12 054个6面体单元,共计14 272个节点,三维计算模型与网格见图5。

以该滑坡地质勘查报告中提供的有关岩土体物理力学性质试验数据及参数建议值为基本依据,通过智能位移反演方法[5]获得二维空间有限元分析计算参数取值范围见表1。

图5 模型计算网格图

表1 该滑坡有限元计算物理力学参数取值范围表

该滑坡流固耦合计算分析采用饱和非恒定渗流与应力耦合理论进行,以下对计算中涉及的渗流计算条件和应力计算条件的确定进行简要说明。各渗流边界条件和应力边界条件见图6,滑坡计算工况见表2。

图6 滑坡边界条件示意图

表2 计算/物理模型试验工况及荷载组合表

4 计算结果

4.1 应力计算结果

水库蓄水至175 m后 (工况1)大部分区域拉、压应力分布变化较小。滑体中最大主应力范围为-0.587～0.068 MPa,最大值出现在滑体侧缘,水位由175 m缓降至145 m时 (工况2),滑坡前缘拉、压应力的分布均有较大改变,滑体中下部拉、压主应力场的分布有一定变化。滑体中最大主应力范围为-0.589～0.069 MPa,最大值出现在滑体侧缘,库水位由175 m缓降至145 m又遇到50 a一遇暴雨时(工况3),滑体拉、压应力分布变化较大,滑坡整体应力都发生变化,应力变化受降雨影响比较明显。滑体前缘应力主要受库水变动的影响较大,滑体中后部分在降雨作用下拉、压应力发生明显变化。降雨结束时,滑体中最大主应力范围为-0.381 0～0.076 4 MPa,最大值出现在滑体后缘,比较工况1、2、3计算结果可知,降雨对该滑坡应力场的影响较库水变动作用大。滑体最大主应力见图7。

图7 滑体最大主应力图单位:kPa

4.2 位移计算结果

蓄水至175 m后(工况1),滑体中后部发生较大水平位移,最大水平位移为214.5 mm,滑坡位移较大的区域为滑体中后缘,位移产生的原因主要是库水对滑体前部的浮托作用,使滑体抗滑力减小,同时由于滑体中偏后部较为陡峭,导致其水平位移增大。水位由175 m缓至145 m时(工况2),在滑体中后部发生较大水平位移,最大水平位移值为215.2 mm;滑体后部水平位移在8.4～215.2 mm范围内;此工况比工况1所得的位移略大,影响范围主要集中在滑坡体前缘,说明库水变化对该滑坡位移变形有一定影响,主要由于水位下降时,滑坡体前缘产生的变形。库水位由175 m缓降至145 m又遇到50 a一遇暴雨时 (工况3),滑体中后部水平位移很大,最大水平位移226.3 mm;滑体后部水平位移值在30.9～226.3 mm范围内,从计算结果可以看出降雨作用对该滑坡的位移变形有较大影响,主要影响滑体的中后部。水平位移分布见图9。

图8 水平位移分布图单位:m

综合工况1～3的数值计算分析结果,可知工况3为对该滑坡稳定性最不利工况。提取工况3中主滑剖面上的上中下 3个监测点ZG287、ZG289、ZG290的位移,并分析监测点变形速率等信息,然后根据这些信息拟合相应的数学公式。由监测曲线(图4)可以看出,滑坡每年的主要变形发生在5～9月,这与在每年4、5月份以后,滑坡区进入雨季,降雨量增大有关,说明降雨是影响该滑坡变形的主要因素,再由计算所得各点水平位移变化速率(见图9～11)可知,滑坡变形趋势逐渐减慢,累计位移是逐渐增大的,滑坡整体处于基本稳定状态。