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恶林
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1 第 32 卷第 6 期 2015 年 12 月计算力报 ChnJunCmpunMhn V.32,N.6 Dmb 董联杰文章编号 : ) 层状反倾边坡变形特征及影响因素分析李明霞 *1, 董联杰 2 1. 华北水利水电大, 郑州 4011;2. 浙江华东建设工程有限公司, 杭州 ) 摘要 : 借助金沙江某水电站左岸边坡岩体参数, 利用离散元软件 UDEC/3DEC 对层状反倾边坡的主控影响因素边坡高度边坡坡度层面倾角层面力参数坡面与层面夹角等 ) 进行多工况数值模拟分析, 揭示了不同影响因素下层状反倾边坡倾倒变形的条件及破坏特征计算结果表明各影响因素均对边坡倾倒变形有显著影响, 边坡层面力参数的影响尤为显著 ; 边坡在坡角 β<40 层面倾角 γ < 时发生倾倒破坏的特征并不明显, 当边坡坡角 β>40 层面倾角 γ > 时, 随着各影响因素的不同组合与变化, 边坡倾倒变形趋势显著增加, 边坡的破坏模式主要表现为延性弯曲倾倒和脆性折断倾倒破坏 ; 坡面与层面夹角的变化对边坡倾倒变形及边坡潜在破坏模式均有显著影响, 当坡面与层面夹角 Ψ 在 0 ~90 时, 随 Ψ 值的增大边坡潜在破坏模式由典型的弯折倾倒破坏模式向圆弧形滑动破坏模式转变关键词 : 层状反倾边坡 ; 影响因素 ; 倾倒变形 ; 破坏模式中图分类号 :TU45;O317 文献标志码 :A d: /jx 引言层状反倾边坡是指岩层走向与边坡走向接近一致, 而倾向与坡面倾向相反的边坡, 倾倒变形破坏是岩质边坡的一种典型破坏失稳形式倾倒变形对边坡岩体结构的要求是普遍发育的反倾层面或反倾结构面, 边坡变形时除了沿着反倾结构面错动外, 边坡上部的浅表层可能会向临空方向产生弯曲折断, 熟称点头现象 [1] 倾倒变形按照其力模式可以分成块状倾倒弯曲倾倒和块状 - 弯曲组合式倾倒 [2,3] 层状反倾边坡的倾倒变形目前常见于我国的西部水电项目开发中, 如锦屏一级水电站左岸边 [4-7] 坡等鉴于倾倒变形的复杂性和在边坡工程中的重要性, 众多者对其变形机理与影响因素进行了研究, 尽管目前层状反倾边坡倾倒变形机理的研究取得了较多的成果 [8-11], 工程应用也较为广泛, 但由于其变形破坏机理过程比较复杂, 一般连续力理论不能完全解释实际的工程现象, 且该类型边坡没有单一的滑动基准面目前仍无确定性方法预测边坡倾倒变形是会持续缓慢变形还是会转化为大规模的崩塌破坏本文利用离散元程序 UDEC/3DEC 对影响层状反倾边坡倾倒变形的各个影响因素进行了分析, 并以此为依据对层状反倾边坡倾倒变形的条件及破坏模式进行了分析 2 计算模型的建立及参数的选取影响反倾岩质边坡倾倒变形及稳定性的影响因素有很多, 根据边坡所处地质环境水文环境及工程因素不同, 影响因素也是各有不同, 但总体而言, 影响反倾岩质边坡变形的因素有,1) 边坡的几何形状边坡坡高坡角 ) 2) 层面结构及力参数层面倾角层面厚度层面产状和岩层强度 ) 等利用离散元 UDEC/3DEC 对影响层状反倾边坡倾倒变形的各类因素进行数值分析, 其中各种不同工况的参数都以金沙江某水电站左岸典型反倾边坡力试验报告参数为准进行计算表 1 和表 2), 计算模型如图 1 所示, 其中 h 为边坡坡高, β 为边坡坡角,γ 为边坡反倾层面倾角,T 为边坡反倾层面厚度, 为边坡反倾层面黏聚力,Φ 为边坡反倾层面摩擦角, 基本模型取边坡坡高 h=100 m, 边收稿日期 : ; 修改稿收到日期 : 作者简介 : 李明霞 * 1975-), 女, 硕士, 高级工程师基金项目 : E-m: @qq.m). 图 1 边坡计算模型 UDEC) 1 CunmdkpUDEC)

2 832 计算力报第 32 卷坡坡角 β=60 边坡反倾层面倾角 γ=70 边坡反倾层面黏聚力 =0.15 MP, 边坡反倾层面摩擦角 Φ=45 模型中在边坡上等间距布置了编号为 1~4 的 4 个监测点, 以便分析各因素影响下各个监测点位移值的变化, 在本次数值分析中岩体采用 Mh-Cumb 弹塑性本构方程, 具体岩体力参数与结构面力参数列入表 1 和表 2 Tb.1 容重体积模量 /KN m -3 ) /GP 表 1 边坡岩体力参数 Mhnpmkp 泊松比摩擦角 / 黏聚力 /MP 抗拉强度 /MP 表 2 边坡结构面力参数 Tb.2 Pmmhnuu pnhp 综合变模量 /GP 法向刚度 /GP 切向刚度 /GP /MP Φ / 边坡影响因素分析 1 坡高影响分析首先分析坡高的不同对边坡倾倒变形及稳定性的影响, 计算模型取基本模型, 边坡坡高 h 分别取 m,75m,100 m,125 m,1 m 和 175 m, 其他因素不变, 模型中岩体与结构面力参数按表 1 和表 2 选取图 2) 显示了不同坡高影响下, 边坡安全系数的变化, 图 2b,) 显示了不同坡高影响下, 边坡顶部监测点 4) 和中部监测点 2) 的位移值在强度折减计算中的结果比较, 图 2d) 显示了不同坡高与不同层面倾角共同变化时对边坡倾倒变形的影响图 3 显示了不同坡高影响下边坡倾倒破坏形态, 可以看出 1) 边坡坡高对倾倒变形边坡的稳定性存在较为显著的影响, 边坡的安全系数随着坡高增大而呈现减小趋势, 当坡高达到一定量级以后, 再增加坡高安全系数减小的幅度相对较小图 2)); 尽管随着边坡高度的增加, 边坡的倾倒变形特征明显增强, 但是在层面倾角 γ < 时, 随着坡高的变化, 边坡的倾倒变形特征并不明显, 当层面倾角 γ 坡高 h 100 m 时, 随着坡高的增大, 边坡的倾倒变形特征越来越显著图 2d)), 岩体层面错动现象也越来越显著, 边坡上部岩体产生垂直于层面发展的张性破裂, 且随着坡高的增大, 裂纹分布由坡表向坡内扩大串通, 边坡的破坏范围和深度呈现增大趋势, 边坡潜在破坏模式为弯折倾倒破坏图 3) 2) 坡高较大边坡的倾倒变形要明显大于坡高较低边坡的倾倒变形图 2b,)), 以坡高 75 m 和 1m 的边坡为例, 当岩体和结构面参数折减图 2 不同坡高影响下边坡的各参数值比较 2 Cmpnvupmundhnundnphgh

3 第6期董联杰,等:层状反倾边坡变形特征及影响因素分析倍时,二者在坡顶的变形差异可以相差接近 8~10 倍,这种差异性表明一些较高的倾倒变形边大而呈现减小趋势图 4 )),随着边坡坡角的增坡可以经历较大的变形而继续保持稳定动现象也越来越显著,随着坡角的增大,裂纹分布 2 坡角影响分析计算模型取基本模型,边坡坡角 β 分别取 30 由坡表向坡内扩大串通,边坡的破坏范围和深度呈显示了不同坡角影响下,边坡安全系数的变化, 倾角γ < 时,边坡的倾倒变形特征并不明显,当加,边坡表现出明显的倾倒变形特性,岩体层面错现增大趋势和 70 其他因素不变,计算模型中的岩体与结构面力参数按表 1 和表 2 选取图 4 ) 2)在同一层面倾角下,边坡倾倒变形趋势随着边坡坡脚的增大呈现增大趋势,当边坡反倾层面图 4 b, )显示了不同坡角影响下,边坡顶部监测岩层倾角γ > 时,边坡的倾倒变形趋势随坡角点 4)和中部监测点 2)的位移值在强度折减计算中的结果比较,图 4 d)显示了不同坡角与不同层面倾角共同变化时对边坡倾倒变形的影响图 5 显示了不同坡角影响下边坡倾倒破坏形态,可以看出 1)边坡坡角对倾倒变形边坡的稳定性也存在较为显著的影响,边坡的安全系数随着坡角的增的增加而呈现显著增加趋势,坡角每增加 10 倾倒变形发育深度增加约 12% 在同一边坡坡角下,当边坡坡角β <40 时,边坡的倾倒变形特征并不明显,边坡不易发生倾倒变形破坏;当坡角 β > 40 边坡反倾层面倾角 γ > 时,随着坡角的增大,边坡表现出越来越显著的倾倒变形特征图 3 不同坡高下边坡倾倒破坏形态 3 Dump ng d n p u m ph gh 图 4 不同坡角影响下边坡的各参数值比较 4 Cmp n d n png h pp m

4 834 计算力 3 反倾层面倾角影响分析计算模型仍然取基本模型,边坡反倾层面倾角 γ 分别取和 80 其他因素不变,计算模型中的岩体与结构面力参数按表 1 和表 2 选取图 6 )显示了不同反倾层面倾角影响下, 边坡安全系数的变化,图 6 b, )显示了不同反倾层面倾角影响下,边坡顶部监测点 4)和中部监测点 2)的位移值在强度折减计算中的结果比较, 报第32卷坡的倾倒变形趋势并不显著,但是层面倾角 γ > 边坡坡角β >40 时,边坡的倾倒变形趋势随着层面岩层倾角的增加而呈现显著增大趋势,边坡表现出较为明显的倾倒变形特征 2)在同一开挖坡角下,当岩层倾角 γ < 时,随岩层倾角的增加边坡倾倒趋势并不明显,其层面裂隙处于压应力状态,变形深度也较浅,仅仅表现在坡顶及坡表面局部范围,当岩层倾角 γ > 图 6 d)显示了不同反倾层面倾角与不同坡角共同时,边坡的倾倒变形趋势随岩层倾角的增加而呈现显著增加趋势,岩体倾倒变形的发展形式以层倾层面倾角影响下边坡倾倒破坏形态,计算结果内错动为主,张性破裂面主要发生在边坡岩体的浅如下表部,而层内剪切位移变形的发育范围较之张性破变化时对边坡倾倒变形的影响,图 7 显示了不同反 1)边坡反倾层面倾角对倾倒变形边坡的稳定性存在较为显著的影响,边坡的安全系数随着反倾层面倾角的增大而呈现减小趋势,边坡的破坏范围和深度呈现增大趋势;在层面倾角 γ < 时,边裂更深,在同一岩层倾角下,当边坡坡角 β <40 时,边坡不易发生倾倒变形破坏;当坡角 β >40 边坡反倾层面倾角γ > 时,随着坡角的增大,边坡表现出越来越显著的倾倒变形特征图 5 不同坡角下边坡倾倒破坏形态 5 Dump ng d n p u m png 图 6 不同层面倾角影响下边坡的各参数值比较 6 Cmp n d n bdd n h pp m

5 第6期董联杰,等:层状反倾边坡变形特征及影响因素分析 4 层面力参数影响分析计算模型取基本模型,分析以下两种工况, 1)边坡层面摩擦角 Φ 取和其他因素不变 2)边坡层面黏聚力取 MP, MP, MP, MP 和 MP,其他因素不变,计算模型中的岩体与结构面 835 响下边坡倾倒破坏形态计算结果显示,边坡层面内摩擦角和黏聚力对倾倒变形边坡的稳定性存在尤为显著的影响,边坡的安全系数随着层面内摩擦角和黏聚力的增大而呈现近线性增大趋势图 8), 当层面内摩擦角 Φ <40 或者层面黏聚力 <0. 1 力参数按表 1 和表 2 选取,分别计算层面内摩擦 MP时,边坡变形值急剧增加,且当层面倾角 γ > 时,是边坡倾倒发生的优势倾倒区间,随着边坡影响,图 8 显示了不同层面内摩擦角和黏聚力的影深度呈现显著线性增大趋势,如图 10所示角和层面黏聚力变化对反倾边坡倾倒变形破坏的响下,边坡安全系数的变化图 9 显示了不同层面内摩擦角与不同反倾层面倾角不同层面黏聚力与不同反倾层面倾角共同变化时对边坡倾倒变形的影响图 10 显示了不同层面内摩擦角和黏聚力影层面内摩擦角和黏聚力的减小,边坡的破坏范围和 5 坡面与层面夹角敏感性分析利用三维离散元程序 3DEC 分析坡面与层面夹角对倾倒变形边坡稳定性的影响,计算模型如图 11 所示,其中边坡坡高h =125m,边坡坡角β =60 图 7 不同层面倾角下边坡倾倒破坏形态 7 Dump ng d n bdd n m png 图 8 不同层面摩擦角粘聚力的影响下边坡安全系数的变化 8 Chng p n d n bdd n nng h n y 图 9 不同层面摩擦角粘聚力与不同结构面倾角对边坡倾倒的影响 9 D n bdd n h nw hd n nng b n pdump ng qu y

6 计 836 算力图 10 不同层面内摩擦角/黏聚力影响下边坡破坏形态 10 D n bdd n h n n n nng u p 报第32卷图 11 三维边坡计算模型示意图 11 Dmn n p hm d g m u nmd 图 12 坡面与层面夹角影响下的边坡安全系数 12 S pndbdd n y pund h n un 边坡反倾结构面倾角 γ =70 边坡层面黏聚力 =0. 15 MP,边坡层面摩擦角 Φ =45 Ψ 表示坡面与层面夹角,在分析中 Ψ 分别取和 180 等,其他因素不变,边坡岩体力参数与结构面参数同样列入表 1 和表 2,计算结果如下 1)当坡面与层面夹角 Ψ 从 0 ~90 变化时, 边坡的安全系数随着 Ψ 值的增大而呈现显著增大趋势,当 Ψ =90 即层面走向与坡面垂直时,边坡的安全系数最大,边坡不出现倾倒变形破坏模式, 而当 Ψ =0 即层面走向与坡面平行时,边坡的安全系数最小,边坡处于倾倒变形破坏的最不利状态 2)随着坡面与层面走向夹角 Ψ 由 0 向 90 增大,边坡潜在破坏模式由典型的弯折倾倒破坏模式向圆弧形滑动破坏模式转变,且随着 Ψ 的增大, 层面力参数对边坡变形响应和稳定性的影响作用呈现逐步减弱趋势如图 12 和图 13 所示 4 结论 1)边坡坡高坡角层面结构力参数层面倾角层面产状岩层强度)及坡面与层面夹角等因素均对边坡倾倒变形有显著影响,相比较而言, 边坡层面力参数的影响尤为显著无论各种因图 13 坡面与层面夹角影响下的边坡速度矢量 13 S pndbdd nv d g m yv pund h n un 素如何组合变化,边坡在坡角 β <40 层面倾角 γ < 时,发生倾倒破坏的特征并不明显,当边坡坡角β >40 层面倾角γ > 时,随着各影响因素的不同组合与变化,边坡倾倒变形趋势显著增加, 破坏模式主要表现为延性弯曲倾倒和脆性折断倾倒 2)坡面与层面夹角对边坡倾倒变形有显著影响,当 Ψ 在 0 ~90 时,随 Ψ 值的增大,边坡的安全系数呈现显著增大趋势,边坡潜在破坏模式也由典型的弯折倾倒破坏模式向圆弧形滑动破坏模式转变,层面力参数对边坡变形响应和稳定性的影响作用呈现逐步减弱趋势参考文献 R n ): [ 1] 陆兆臻.工程地质原理[M].北京:中国水利水电出版社, LU Zhzhn. P n p Eng n ng G gy[m ]. B ng: Ch n W & Pw P, j [ 2] 黄润秋. 20 世纪以来中国的大型滑坡及其发生机制 [ J].岩石力与工程报, 2007, 26 32):

7 第 6 期董联杰, 等 : 层状反倾边坡变形特征及影响因素分析 837 HUANG Run-qu.SnwnhnuyChn gnddndphgn[j].chnjun Rk Mhn nd Engnng,2007, 2632): nChn)) [3] Gdmn R E,ByJ W.Tppng kp [A].PdnghSpyCnnnRk EngnngundnndSp [C].Cd,1976. [4] 徐佩华, 陈剑平, 黄润秋. 锦屏 Ⅰ 级水电站解放沟左岸边坡倾倒变形机制的 3D 数值模拟 [J]. 煤田地质与勘探,2004,324):40-4XU P-hu,CHENJnpng,HUANG Run-qu.3D nummun JnpngIhydpwnnhbnkh dhpppngdmnmhnm[j].c Ggy & Expn,2004,324):40-4n Chn)) [5] 李小根, 董联杰, 李震. 基于 GIS 的滑坡三维可视化系统研究 [J]. 华北水利水电大报自然版 ), 20142):73-75.LI Xḡn,DONG Ln-j,LI Zhn.Thhydpwnundgundnnpny[J].Jun Nh Chn Unvy W Rund E PwNuSn),20142):73-75.n Chn)) [6] 程东幸, 刘大安, 丁恩保. 层状反倾岩质边坡影响因素及反倾条件分析 [J]. 岩土工程报,2005,2711): CHEN Dnḡxng,LIU D-n,DING En-b.Anynnunndppng ndnppngkp[j].chnjun Ghn Engnng,2005,2711): nChn)) [7] 李小根, 周进, 黄志全, 等. 基于数字高程模型的水库三维可视化分析 [J]. 华北水利水电大报,2010 1):88-91.LIXḡn,ZHOU Jn,HUANG Zhqun,.Anynh-dmnnv vuznbd n dgvn md[j]. Jun Nh Chn Unvy W RundEPw,20101):88-91.nChn)) [8] 韩贝传, 王思敬. 边坡倾倒变形的形成机制与影响因素分析 [J]. 工程地质报,1999,73): HANB-hun,WANGS-jnMhnmppngdmnpndnynunng n[j].jun Engnng Ggy, 1999,73): nChn)) [9] NhSL,HungO,EvnSG.Lg-b nd duppng k p[j].cndn GhnJun,2002,394): [10] 朱继良, 黄润秋, 王运生. 某水电站洼里滑坡的成因机制及其稳定性研究 [J]. 中国地质灾害与防治报, 2004,151):57-60.ZHUJ-ng,HUANG Run-qu, WANG Yun-hnSudyn mn mhnm ndbywnddnhydpw n[j].thchnjungghzdndcn,2004,151):57-60.nchn)) [11] 伍法权. 云母石英片岩斜坡弯曲倾倒变形的理论分析 [J]. 工程地质报,1997,54): WU -qun. Thnybndngndppngdmnnpm-quzh[J].Jun EngnngGgy,1997,54): nChn)) Anynnunnddmnhpp LIMng-x *1, DONGLn-j 2 1.NhChnUnvyWRundEPw,Zhngzhu4011,Chn; 2.ZhjngHudngCnunEngnngC.,LTD,Hngzhu310012,Chn) Ab:Bdnhk mpmbnkpjnhvhydpwn,h nunphgh png dpngy mhnpmyndng bwnyndpnbyndpppwnyzdwhhgnnȳ ung UDEC.Thuhwhhhbvhvnunnhbynd ppp,hnunmhnpmypuygnn;i undwhnhpnghn40 nddpngyhnhundh ppnbvu,whnhpngmhn40 nddpngymhn hundhppndgnny,pumddjunn;hng bwnyndphgnunnhbyndppp,hp umdnnmdjunn-hpddnguwhnnghngbwn yndpwhnngwhv0 ~90. Kywd:pp;nun;djunn;umd

解放军理工大学学报自然科学版

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