基于PFC2D的山区中小型水库滑坡堵江模拟研究

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(成都市勘察测绘研究院，四川成都610081)

中国西南地区降雨量充沛，但多为丘陵地区，山河相间，地层岩性导致土壤蓄水能力差，造成西南山区区域性缺水。山区中小型水库可有效解决缺水问题，同时发挥防洪、发电的作用。然而水库的修建也改变了地质环境，蓄水造成大量的岸坡失稳，最直接的影响是滑坡失稳造成的堵江问题，改变水库库容，形成涌浪，危及人民生命财产安全，影响山区中小型水库的调度和使用。研究滑坡堵江的案例也逐年增长，但研究方法较为单一，通常都是采用经验法[1-2]。滑坡堵江数值模拟的研究常用FLAC3D分析滑坡体的变形特征，或用UDEC模拟滑坡的破坏过程，预测堰塞坝的高度[3-4]。有学者用ABAQUS/Explicit动力有限元分析滑坡的堵江过程[5]。也有学者选用PFC颗粒流软件模拟土质滑坡的破坏过程[6-8]。本文采用经验法和PFC2D颗粒流程序预测某中型水库黄角树滑坡的堵江高度，为此类问题的研究提供参考和借鉴。

1 工程概况[9-11]

黄石盘水库位于四川省南江县恩阳河左岸，河水最大深度约9 m，水库正常蓄水位372.0 m，总库容11 233×104m3，死水位357.0 m，汛期限制水位357.0 m。黄角树滑坡为一古滑坡，覆盖层主要为第四系残坡积、崩坡积碎石土，滑坡堆积块碎石土等，基岩为侏罗系蓬莱镇组砂泥岩互层。通过调查及对钻孔揭露的地层分析，古滑带为基覆交界面，古滑坡处于稳定状态，但前缘堆积体向临空方向发生了变形，钻孔勘察确定其存在潜在滑带，堆积体平均厚度约8 m，分布在高程353～385 m处，变形方向为SW64°，根据现场调查滑坡体地表裂隙分布情况，分析得出变形体的破坏模式为分块下滑，将变形体分为a、b、c、d区，分别对应a、b、c、d剖面，见图1。

图1 前缘变形体裂隙分布

2 堵江预测分析

2.1 经验法预测

常用的堵江预测方法为滑距推算法，选择河谷宽度相对较小的b剖面进行分析计算，各参数取值及计算结果见表1。

表1 滑距推算法堵江预测

注：V——滑坡体积；L1——滑坡前缘到江对岸的距离；B——河流的宽度；Lmax——最大滑距；f——动摩擦系数；h1——滑体的平均厚度；H——滑坡后缘最高点和滑程上计算点的垂直落差；Hd——堵江高度

2.2 颗粒流PFC2D预测

PFC2D颗粒流是依据颗粒之间的碰撞和摩擦产生的力和力矩计算颗粒间的相对运动，没有固定的本构模型，完全按照牛顿第二定律计算运动的形态，可以给不同的区域赋予不同的参数，利用此功能可以模拟坡体内的稳定水位，在水位线以下的区域颗粒间的连接参数强度较低，颗粒间可以破裂，相对于UDEC和3DEC的块体不能破裂，PFC2D用于模拟土质滑坡具有相对更好的效果，然而模拟岩制滑坡的破坏效果不如前二者。

2.2.1模型建立

根据四川省水利院提供的恩阳河凤仪乡段的洪峰资料，按照P=1%的洪峰概率来计算，1965年从9月4日14时至次日14时，水位由371 m下降至358 m，最快的下降速率为13 m/d。选择该工况条件计算各块体的稳定性，通过Geo-studio软件计算分析，从SEEP中导出地下水位线，以模拟过程中，滑坡稳定性系数最低时刻的地下水水位作为最危险水位，在PFC2D建模中以此为界区分饱和土体和非饱和土体的参数值，模拟变形体失稳堵江的堆积形态。

本次计算模型中，碎石土颗粒采用半径R=0.25～0.75 m，服从高斯分布，平均半径0.5 m；考虑到变形体是含块石的碎石土，因此在剖面中随机选取位置加入适当的块石模型，块石模型用半径R=0.1～0.3 m的更小颗粒充填，并赋予较高的黏结强度参数。

其中a剖面模型颗粒数为4 417，碎石土颗粒数为3 439；其中b剖面模型颗粒数为7 287，碎石土颗粒数为6 041；其中c剖面模型颗粒数为6 940，碎石土颗粒数为6 126；其中d剖面模型颗粒数为3 471，碎石土颗粒数为2 266。

根据导出的地下水水位建立PFC2D模型，见图2，图中黄色部分为非饱和带，青色部分为地下水位以下饱和带，红色部分为块石，d剖面模型包括既有抗滑桩，模拟比例为1∶500。

a) a剖面

b) b剖面

c) c剖面

d) d剖面图2 滑坡体不同剖面PFC2D模型

2.2.2参数取值[12-16]

颗粒流软件的参数采用的是颗粒之间的微观参数，在实际的岩土体中并不存在这种参数，但两者之间存在一定的联系，目前尚没有成熟的理论和方法确定宏观参数和微观参数间的关系，本次模拟参数采用试算的方法获取，以SEEP导出的临界水位线作为参数分界点，水位线以上为非饱和土体，以下为饱和土体，分别赋予不同的强度参数，通过计算其位移量，找到最合适的参数组合，当模拟结果为微小位移且不发生大面积破坏时，该参数即认定为本次模拟的微观参数取值。再用其进行最危险工况下的模拟。本次模拟对微观参数进行适当的标定见表2。

表2 微观力学参数取值

2.2.3堆积形态模拟结果

当水库蓄水之后死水位为357 m，高于原河道的353 m水位，因此，若变形体失稳造成的堰塞坝最低高程超过357 m，则会影响到水库的正常运行，属于完全堵江，若最低高程小于357 m，则属于不完全堵江。库水位13 m/d下降工况下的模拟结果见图3。

a) a剖面

b) b剖面

c) c剖面

d) d剖面图3 库水位13 m/d下降工况下各断面模拟结果

在该工况下，模拟结果显示4个区域均形成SW岸低NE高的堰塞坝，以b区最为突出，b区的模拟结果则是NE岸高，SW岸堆积形态较平缓的堰塞坝，其他3个区域均为坡度较陡的堰塞坝。变形体各区根据PFC2D的颗粒位移量计算结果见表3。

表3 颗粒流模拟结果

模拟分析的结果属于不完全堵江，一次形成了4座暗坝，形成顺序为c、a、b、d区，见图10。

图4 库水位13 m/d下降工况堵江预测

2.3 综合评价

选用经验法预测滑坡堵江具有较高的效率，仅需要获取各项计算数值即可，利用公式计算，用时不超过20 min，且具有大量的工程实例作为参考和佐证；而PFC2D颗粒流模拟则需要先建立模型，通过反演试算参数的方法确定其参数，最后模拟计算其破坏过程，前后所需的时间较多，本次模拟使用内存4 G的笔记本电脑，仅模拟一次堵江的全过程尚需2 h，因此时间效率上不如经验法。经验法的预测堵江高度结果为351.5 m，颗粒流模拟结果为353 m，相差不大，且颗粒流模拟结果更加保守，从保护人民生命财产角度考虑，其安全度更高，说明颗粒流PFC2D用于模拟山区中小型滑坡堵江，具有一定的合理性及适用性，为解决相关问题提供参考。

3 结语

本文研究黄角树滑坡前缘变形体的破坏模式，通过滑距推算法和颗粒流PFC2D法预测前缘变形体在水库运行工况下失稳破坏造成的堵江高度，得出以下几点结论。

a) 经验法和颗粒流模拟法预测黄角树滑坡前缘变形体失稳堵江形成堰塞坝的最低高度分别为351.5、353 m，结果较为相近，均属于不完全堵江，使黄石盘水库造成库容减少。

b) 颗粒流PFC2D模拟预测山区中小型水库滑坡堵江高度，具有一定的适用性，模拟效果较经验法更为直观，对于岩质边坡则不宜使用，且无法模拟动态水位是其不足之处，但该方法对于解决同类问题具有一定的参考和借鉴意义。

c) 颗粒流模型对计算机要求高，效率不如经验法，模拟结果较经验法偏保守，对治理方案设计要求高，从保护人民生命财产安全的角度考虑，其较为保守的模拟结果有一定的益处。