基于UDEC的渗流诱发岩质边坡失稳分析

余业清 胡敬强 母昌平

(四川省冶金设计研究院)

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基于UDEC的渗流诱发岩质边坡失稳分析

余业清 胡敬强 母昌平

(四川省冶金设计研究院)

以某矿为工程背景，采用理论分析和数值模拟计算相结合的方法，对受渗流载荷作用下的露天边坡稳定性进行了研究。结果表明：液体沿节理面以一定的水力坡度发生渗流并产生孔隙压力，节理渗流的下游出水点高于边坡坡脚时，边坡的稳定性大幅降低，边坡会发生失稳。

岩质边坡 渗流 UDEC 稳定性

自然条件下，岩体经过长期地质构造作用，内部产生复杂、多样的结构面。岩体的结构特性决定了岩体的力学性质，也是引起岩质边坡失稳破坏的重要因素。影响边坡稳定性的因素可分为内因和外因，内因主要是岩体的岩性和结构，外因包括地下水、人工开挖及地震作用等。

边坡的稳定性分析研究始于20世纪20年代，其分析方法可概括为确定性方法和非确定性方法两类[1]。确定性方法以极限平衡分析法和数值计算为代表；非确定性方法包括分析几何法、模糊数学法、非线性理论和人工智能法等。目前工程实践中主要应用确定性方法。随着计算机技术的快速发展，离散单元法[2-3]、有限单元法、有限差分法及边界单元法等数值计算方法在边坡稳定性分析中的运用日趋广泛。

1 UDEC程序简介

通用离散元程序(UDEC，Universal Distinct Element Code)是1985年由Cundall博士和Itasca公司基于离散单元法理论开发的工程计算应用程序，是处理不连续介质的二维离散元程序，主要用于模拟非连续介质承受静载或动载作用下的响应，如节理岩体的破坏等。UDEC还可用于模拟通过孔隙水、节理面流体等对模型的影响，包括3种流体分析模型：基本算法、稳态流动算法和经验算法，模拟承压水和自流水。

1.1 UDEC渗流应力完全耦合分析

UDEC程序可用于分析不渗水岩块中水流沿裂隙的流动。裂隙的贯通率决定了流体在裂隙中的流动性，裂隙贯通率取决于裂隙的力学变形，而裂隙中流体的压力又会影响裂隙的力学变形。因此，节理岩体中渗流分析是固-液耦合[4-6]分析。UDEC程序中固-液力学效应如图1所示。

1.2 节理剪切本构模型

针对岩体中的不连续面，UDEC中开发了4种节理本构模型。对于大部分模型分析，Mohr-Coulomb本构模型(完全弹塑性)是最为适宜的，能很好地模拟岩(土)体的运动规律[7-8]。UDEC程序中的Mohr-Coulomb本构模型，节理应力包括法向应力和切向应力。节理应力和位移均假设为线性。法向应力为：

图1 节理岩体中固-液相互作用

Δσn=knΔun,

(1)

式中,kn为刚度参数；Δσn,Δun分别为节理面正交方向的应力和位移。

切向应力主要受内摩擦角和黏聚力影响，可描述为：

(2)

τs=sign(Δus)τmax|τs|≥τmax,

(3)

2 裂隙岩体渗流模型

渗流模型是节理岩体渗流分析的基础[9-11]。裂隙岩体渗流模型包括双重介质模型和非双重介质模型两类。双重介质模型把岩体看作孔隙和裂隙组成的双重介质孔隙结构，孔隙含水率大而导水性差，裂隙含水率低而导水性好，介质之间通过水流交换而相互联系。根据水交替方程，该模型又可分为稳态渗流模型和非稳态渗流模型。非双重介质模型侧重于研究裂隙的导水性，研究过程考虑孔隙和裂隙系统之间的水交替作用，包括连续介质模型和离散介质模型。自然条件下的岩体富含结构面，其孔隙渗流为典型的孔隙-裂隙双重介质模型。

渗流计算是渗流理论在工程中应用的具体形式。随着计算机技术的发展，数值模拟已成为渗流计算的主要手段，常用的数值模拟方法包括有限差分法、有限单元法、离散单元法、边界单元法及电网络法等。

3 渗流诱发边坡失稳分析

云南某露天矿上部岩层风化较为严重，节理裂隙发育。矿区雨季降水量大，渗流已对边坡的稳定构成重要威胁。风化层厚度12 m(一个台阶)，岩性为闪长岩，坡面角70°，岩体体积模量16.7 GPa，剪切模量10.0 GPa。风化岩层主要包括两组节理，倾角分别为30°和80°，节理法向刚度和切向刚度为10 GPa/m，内摩擦角25°，浸水率108 MPa·s，流体密度1 000 kg/m3。深部岩体抗渗性好，本文只对最上面一个台阶进行分析，边坡分析模型如图2所示。右侧水位分3个阶段上升，水位高程分别为6，10和12 m。

图2 渗流诱发边坡失稳分析模型

图3为边坡无渗流影响时，在重力载荷下边坡的应力状态。从图3中可以看出，在重力作用下边坡应力呈层状分布，块体应力与其埋深相关。初始平衡计算中，计算模型不平衡力，边坡块体位移能够收敛，边坡不会失稳破坏。

图3 边坡初始应力状态

3.1 边坡右侧水位高度为6 m

在边坡模型初始平衡的基础上施加渗流载荷。边坡右侧水位高度为6 m时流体矢量图和节理空隙水压力如图4、图5所示。图4中水流沿节理渗透，形成一定的水流坡度，水流从坡脚渗出。图5中水沿节理流动，产生节理空隙水压力。水压力呈梯度变化，深部节理水压力大于上层节理水压。节理水压分布与渗流分布基本一致。最终边坡没有发生破坏，模型不平衡力和块体位移计算收敛。

图4 水位6 m时流体矢量图

3.2 边坡右侧水位高度为10 m

边坡右侧水位高度为10 m时，流体矢量和边坡位移和节理空隙水压力如图6、图7所示。图6中，水流沿节理裂隙渗流，下游渗出点最高位置高于坡脚。渗流产生的孔隙水压力影响范围增大，最大孔隙水压力达到0.146 5 MPa。在节理渗流、孔隙水压力和重力载荷作用下，边坡部分块体发生移动(见图7)。但是，边坡不平衡力和块体位移最终计算收敛，边坡未发生失稳。

图5 水位6 m时孔隙水压力

图6 水位10 m时流体矢量和边坡位移

图7 水位10 m时孔隙水压力

3.3 边坡右侧水位高度为12 m

边坡右侧水位高度上升至12 m，流体矢量和边坡破坏图和节理空隙水压力分别如图8、图9所示。图8中，边坡右侧水位上升至坡顶，节理渗流以一定坡度从坡顶贯穿至坡底，下游渗出点高于边坡坡脚约2 m，边坡在渗出点位置发生破坏。节理渗流所产生的空隙水压力影响范围进一步扩大至边坡坡脚以上(见图9)，最大孔隙水压力大达到0.166 5 MPa。

4 结 论

(1)采用UDEC程序分析渗流对边坡稳定性影响，可以直观、有效地模拟流体沿节理裂隙的流动和渗流产生的空隙水压力。

(2)液体沿岩质边坡节理产生渗流。液体沿着节理裂隙以一定的水力坡度流动，同时产生孔隙水压力。孔隙水压力分布与分析点对应水位高度相关，模型右下角最大，向上和向右两个方向逐渐减小。

图8 水位12m时流体矢量和边坡破坏

图9 水位12m时孔隙水压力

(3)边坡稳定性受到渗流影响很大，主要体现在节理渗流和孔隙水压力的变化，节理渗流的下游出水点高于边坡坡脚时，边坡的稳定性大幅降低，边坡趋于失稳。

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Buckling Analysis on the Rock Slope Induced by Seepage Based on UDEC

Yu Yeqing Hu Jingqiang Mu Changping

(Sichuan Metallrugical Design & Research Institute)

Taking a mine as the engineering background, the slope stability of open pit mine under the action of seepage load is researched based on combing with the theoretical analysis method and numerical simulation method. The results show that, the seepage phenomenon is occurred and pore pressure is produced by the liquid at a certain hydraulic gradient along the joint surface, when the downstream water point of joint seepage is higher than the slope foot, the slope stability will reduced greatly, slope instability will happen.

Rock slope, Seepage, UDEC, Stability

2014-10-19)

余业清(1980—)，男，硕士，工程师，610041 四川省成都市武侯区人民南路四段20号。