基于3DEC及CATIA的湿陷性黄土高边坡冲沟模拟分析

2020-05-20郝枫楠端木灵子

河南水利与南水北调 2020年4期

□郝枫楠端木灵子孙凯

（1黄河勘测规划设计研究院有限公司；2河南省城市水资源环境工程技术研究中心）

0 前言

在中国北部区域，例如东北、西北、华北等地，广泛分布着湿陷性黄土，分为自重湿陷性和非自重湿陷性黄土。其特点是在自重或附加应力作用下，受水浸泡后，土体结构被破坏，进而发生显著的附加变形。因此，在湿陷性黄土地基上进行工程建设，应采取一定的地基处理措施，以防止地基湿陷对建筑产生危害。

3DEC 是三维离散单元法程序（Three Dimension Distinct Element Code）的缩写，是一款基于离散单元法作为基本理论以描述离散介质力学行为的计算分析程序。一般来说，本身承袭了UDEC的基本核心思想，其本质是对二维空间离散介质力学描述向三维空间延伸，目前是主流的岩石力学分析软件，能够较为准确地模拟建筑物的开挖、回填，衬砌、锚固等一系列的力学行为，被广泛应用于采矿、地下空间、水利工程等领域。

1 概述

南水北调中线一期穿黄工程位于郑州市以西约30 km处。南岸连接明渠是一条深挖方渠道，其长度约为5 km，位于邙山黄土丘陵区，该区域具有典型的湿陷性。地面高程约为131～163 m，渠底高程111～112 m，边坡高度为20～52 m。地下水位高程约102～139 m。每10 m 高差设置一级马道，马道宽度为20 m，边坡坡比为1∶0.70或1∶1，边坡采用浆砌石或者混凝土骨架植草进行防护。

2016年的一场突破历史极值的暴雨使得南岸深挖方渠段各级马道及边坡均有不同程度的受损，主要体现在暴雨后马道出现多处局部塌陷，边坡产生贯穿性冲沟，边坡产生连通式的洞穴导致边坡有泥浆冒出。若再有一场大雨，很有可能会导致边坡滑坡及浆砌石护坡倒塌，对边坡稳定造成不利影响。

2 模型的简化与建立

本次模拟的断面位于K3+800，为渠道的右岸，断面地层分界及边坡。该断面处的边坡共分四级，前三级边坡均有较宽的平台约20 m，而120 m 高程平台的宽度比较小，约12 m。因此考虑边坡几何形状、坡面防护、地层开挖时的揭露情况，以及已有冲坑冲沟的位置。本次计算模型范围选择130 m平台以下的两级边坡，包含为⑨夹、⑨-2 和⑨下三层地层，均为黄土状粉质壤土。模型的建立采用CATIA 软件，按实际地层逐个建立。模型范围为竖向边坡底部高程为95 m，顶部高程为130 m；左边以130 m 平台的最左端，右边则选取了部分河床底部；沿渠道轴线方向为消除边界影响，取30 m长。

3 边界条件及网格

三维建模采用法国达索公司的CATIA 软件，模型导入3DEC 采用FLAC3D 和3DEC 前处理辅助程序V1.0。利用STP几何格式文件，直接把各地层模型转换后导入3DEC。边界条件采用辊轴支座，分别在X方向0.00 m、-78.00 m，Y方向0.00 m、30.00 m，Z方向95 m高程处设置。岩块参与计算时，采用可变形的块体，内部剖分网格采用四面体自动生成网格，单元尺寸控制为中间部分1.50 m，两侧为3 m大小，如图1。

图1 四面体网格模型图

4 计算工况及过程

由于冲沟的形成和强降雨或长期降雨有关，因此本计算仅考虑降雨工况，地下水位较低，计算中未考虑。计算前提需假定130 m高程平台有连续的降雨过程，并且坡体内部有一定的渗透通道。降雨在开始阶段会有一部分产生下渗，一部分产生坡面径流。随着径流的不断冲刷和下渗水的作用，表面逐渐形成坑状积水，积水深度达到一定程度后便会逐渐加大下渗雨水量，从而也会加大坑内土的淘刷和冲蚀，进而形成连通的下渗和冲蚀通道，并逐渐扩大落水洞的空腔。

计算过程采用逐步计算，总计算共30 000 步，记录落水洞具有特征性的一些转折点，共计9个特征时刻，如图2所示。

图2 Step（500、1 000、2 000、4 000、6 000、8 000、10 000、20 000、30 000时）落水洞缝隙的宽度等值线图（m）

由以上计算特征时刻点土体内裂缝的宽度等值线图可知，首先在雨水的径流冲刷及下渗水流的冲蚀下，坡顶面逐渐形成了一个微小的冲坑，宽度约0.05 cm。随着降雨的持续，小冲坑的尺寸逐渐扩大至0.07～0.10 cm，并在渗透通道的中上部出现一个稍明显的孔洞，其尺寸规模也随着降雨的持续逐渐扩大。然后，顶部的冲坑和内部的孔洞也逐渐扩大至0.40 cm，此时在渗透通道的末端，也就是渗流逸出部位产生了一定程度的冲刷。不久冲坑的宽度发展至0.90～1.70 cm，并且顶部的冲坑深度开始有了明显的变化，顶部冲坑和内部孔洞之间的通道逐渐打开，直到最后两个孔洞连通一起，形成漏斗形状且深度较深的冲坑，洞口处宽度最大，随着冲刷的程度逐渐由2.40、3.50、5.80 cm，一直发展到9.60 cm。

5 结果分析

由模型计算可知，冲坑、冲沟的形成是一个渐进的、缓慢的过程，冲坑、冲沟的形成与坡面防护、坡面雨水下渗量、坡脚反滤等因素有关。同时原状土内部已有的孔洞和裂隙也是冲坑、冲沟形成的主要诱因。若存在连通或半连通的渗流通道则会加剧冲坑、冲沟的形成，并且伴随着多次降雨过程，冲坑、冲沟的范围和规模也会越来越大。由于斜坡面有浆砌石护面，最终导致边坡的掏空、乃至垮塌。

结合地质情况从理论上分析可知，在强降雨或长期降雨时，大量地表水沿黄土节理、裂隙下渗至下部土层，导致土体饱和软化，在动水压力和静水压力的共同作用下，最初形成冲坑、冲沟等现象。之后可能形成横向、纵向贯通的落水洞或边坡局部垮塌。最后，坡体在强降雨或长期降雨的影响下，受水体浸泡的土体重量急剧增大，导致边坡发生大规模破坏现象。由于黄土斜坡上部第四系全新统和上更新统黄土垂直节理发育，在雨季尤其是暴雨和连阴雨季节，雨水会沿着垂直裂隙下渗，使裂隙在动水冲蚀和搬运作用下不断扩大、塌落形成贯通性冲沟（落水洞）。在长期持续水动力作用下，贯通性冲沟沿坡体向下发展、扩大，加剧破坏。

由此可以看出，模型的计算过程与土体力学理论分析基本一致，能够较好的反映实际冲沟的形成过程。