浅析基于三维流固耦合的库水滑坡变形破坏机理研究.docVIP

浅析基于三维流固耦合的库水滑坡变形破坏机理研究 　　1 引言 　　近年来, 降雨, 尤其是持续一段时间的降雨是影响边坡稳定安全的重要因素之一, 对暴雨工况下土质边坡的暂态渗流场与稳定性进行了分析, 其研究中考虑了正负孔隙水压力, 研究结果表明, 暴雨入渗使负孔隙压力减小会导致边坡稳定性降低, 并有可能诱发边坡失稳破坏。 　　三峡库区滑坡由于内、外环境因素复杂, 且库水位变化幅度较大, 加之汛期降雨频繁, 极易诱发边坡失稳, 目前已有许多文献单独对库水位变化对滑坡的稳定性影响进行了分析: 刘才华等依托实例对库水位上升诱发滑坡失稳的机理进行了研究; 刘金龙等通过数值模拟了库水位变化对边坡稳定性的影响; 岳庆河 等从库水位回落的角度分析了土石坝边坡的稳定性。吴海燕等分析了降雨入渗对黄土边坡破坏面的形成和滑动机理, 并得出了一些实用的成果; 齐云龙 等综合地震和降雨两种外因, 对滑坡的稳定性进行了分析, 提出了滑坡防治建议; 娄一青 等对降雨条件下滑坡地下水的渗流特征进行了有限元模拟。以上的这些方法都是独立的从库水位变化或降雨入渗角度来分析边坡的稳定性,而实际中三峡库区滑坡的孕灾模式的是在二者共同作用下长期发展的过程, 所以很有必要分析二者综合作用下滑坡的变形破坏特征, 才能建立正确的预测模型和报警机制。 　　本文以三峡库区典型滑坡李家坡滑坡为研究对象, 采用能进行岩土体饱和非饱和流固耦合分析的有限元软件( Abaqus) 对其在水库水位变动、降雨两者联合作用条件下滑坡变形破坏过程进行三维模拟, 获得该滑坡位移场、应力场和塑性区, 建立该滑坡的数值预测模型。 　　2 李家坡滑坡地貌特征及有限元网格模型 　　李家坡滑坡位于巫山县城右岸, 滑坡距河口约31 4 km,滑坡剪出口位于高程135 m 以下 小于三峡水库正常蓄水位175 m 约40 m。滑坡体平面形态为舌形状, 顺向坡, 滑坡前缘较缓, 中部和后缘稍陡, 西高东低。斜坡形态呈凹形坡, 滑体后缘高程345 m, 前缘高程135 m 水位以下, 高程125 m,后缘呈园弧状, 以基岩为界, 右侧以陡坎临空面为界, 左侧以基岩山脊为界, 平均坡度15 度, 均宽320 m, 滑体长830 m,滑体面积251 6 104 m2,滑坡岩土体在库水位波动及降雨条件下, 会因不同程度的卸荷、加载而发生不同程度的弹塑性变形, 在该过程中滑坡岩土体会发生压剪和张拉变形破坏。一般采用的岩土屈服准则是广义米赛斯准则( Dr ucker2Pr ager 准则) 与莫尔-库仑准则, Dr ucker2 Pra ger 准则在主应力空间上的屈服面为一圆锥面, 在P平面上为圆形, 不存在尖顶处的数值计算问题; 虽然莫尔- 库仑准则的屈服面为不规则的六角形截面的角椎体表面, 在P平面上为不等角六边形, 存在尖顶和菱角, 给数值计算带来困难, 但由于数值计算模拟技术的进步可以对尖顶处进行较好的处理, 同时莫尔- 库仑准则在边坡工程中有广泛的应用基础和经验积累, 因此, 本次计算采用能反映压剪和张拉破坏的M ohr2Colum b 与拉破坏准则结合的复合准则进行滑坡在水库蓄水和降雨条件下的加载作用下的屈服破坏判断。 　　3 边界条件 　　李家坡滑坡的三维流固耦合数值分析主要采用饱和非恒定渗流与应力耦合理论进行, 本节以下将对计算中涉及的渗流场和应力场的确定进行简要说明。各渗流边界条件与应力边界条件 　　3. 1 渗流计算条件 　　( 1) 渗流初始边界条件的确定方法。李家坡滑坡坡内的渗流场主要受控与库区水位波动及降雨, 因此, 计算中对初始条件的确定主要采用现场水文监测数据确定初始地下水位, 并基于该初始地下水位确定滑坡初始渗流场的孔压分布特征。计算模型的边界条件采用与渗流速度来实现边界的透水条件。 　　( 2) 非恒定渗流边界条件的确定。降雨的强度及滑坡表层岩土体入渗率共同控制着雨水入渗及产流条件, 当降雨强度弱于滑坡表层岩土体的入渗率时, 雨水将全部入渗滑坡体,当降雨强度强于滑坡表层岩土体入渗率时, 雨水将会在坡面形成径流。然而, 降雨入渗坡体是个极其复杂的过程, 还受其他众多因素影响, 虽然目前研究成果较多, 但都无法精确确定不同降雨强度下入渗坡体的雨水量。因此, 本文选用常规方法确定降雨工况下坡体入渗雨量, 雨水的渗流速度v ( mm/ s)和降雨强度q( mm/ s) 存在关系, 根据该关系即可确定不同降雨工况下滑坡坡面入渗的边界条件。三峡库水位波动直接导致李家坡滑坡渗流场主要在在高程135~ 175 m 间变化显著, 因此, 库水作用下李家坡滑坡渗流场的变化可通过135~ 175 m 高程范围内坡体节点水头边界条件的变化来实现。本次数值模拟模型底边为不透水边