CN114297864A - 一种受陡缓倾角控制的碎裂松动岩体边坡稳定性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种受陡缓倾角控制的碎裂松动岩体边坡稳定性分析方法，其特征在于：收集研究区岩体结构发育特征，建立坝肩边坡的二维数值计算模型；随机结构面特征参数获取及模拟过程，在UDEC程序中将调查获得的陡缓倾角组合长大裂隙数据信息导入离散元模型，输入岩体力学参数和结构面强度参数，计算碎裂边坡稳定性；模拟分析天然条件下边坡变形特征，同时分析边坡失稳破坏模式。与传统的构建方式对比，基于UDEC软件充分考虑岩体结构特征以及陡缓倾角对边坡的影响的数值计算结果同实际更加的契合、精准，可以很好的模拟节理化岩体、碎裂结构岩质边坡的变形和破坏过程分析。

Description

一种受陡缓倾角控制的碎裂松动岩体边坡稳定性分析方法

技术领域

本发明涉及一种受陡缓倾角控制的碎裂松动岩体边坡稳定性分析方法，属于岩土工程及地质灾害监测预警领域。

背景技术

碎裂松动岩体的稳定性研究对水工建筑布置具有显著影响，是拟建水电站的主要工程地质问题之一，也是建坝适宜性评价的主要内容之一。对碎裂松动岩体边坡稳定性分析的目前主要的思路如下：基于现场调查与室内分析获取的工程地质结构模型，以刚体极限平衡法、离散单元法和有限差分法为主要理论支撑、数值模拟为主要分析手段，通过建立工程地质计算模型和数值分析概念模型，进行边坡稳定性计算与分析。具体步骤为：(1)通过野外对边坡地形地貌、岩体结构与变形破坏现象的调查与分析，判断边坡可能的变形破坏模式，并对边坡稳定性进行定性评价；(2)对边坡可能存在的大型块体失稳进行分析，并通过刚体极限平衡分析法对其稳定性进行评价；(3)借助通用离散单元法程序UDEC，对坝肩边坡的未来演化发展开展数值模拟，通过对不同迭代时步下斜坡的位移云图、位移矢量图、变形速度矢量图等计算结果进行对比分析，确定坝肩边坡岩体未来的变形破坏模式与主要变形破坏范围；(4)基于有限差分法，对边坡概念模型进行应力、应变特征的变形稳定性计算与分析，确定边坡演化发展与工程岩体开挖过程中的变形破坏模式，并确定潜在滑动面。

UDEC(Universal Distinct Element Code)是一款基于离散单元法理论的计算分析程序，源于对拉格朗日求解模式FLAC方法的完美沿承，UDEC必然具备连续介质力学范畴内的普遍性分析能力，而离散单元法的核心思想更是赋予UDEC在处理非连续介质环节上的本质优势，特别适合于固体介质在荷载(力荷载、流体、温度等)作用下静、动态响应问题的分析，如介质运动、大变形、或破坏行为甚至是破坏过程研究。

UDEC已经在工程，咨询，教学和研究中应用了近二十年，利用显式解题方案为岩土工程提供精确有效的分析，显式解题方案为不稳定物理过程提供稳定解，并可以模拟对象的破坏过程，该软件特别适合于模拟节理岩石系统或者不连续块体集合体系在静力或动力荷载条件下的响应。UDEC软件的设计思想是解决一系列的工程问题，例如，矿山、核废料处理、能源、坝体稳定、节理岩石地基、地震、地下结构等问题的研究。

UDEC在岩土工程应用中，基本涵盖FLAC程序全部应用行业，但本质上较之FLAC更有解决优势。主要集中在介质的变形、渐进破坏问题上，例如大型高边坡稳定变形机理、深埋地下工程围岩破坏、矿山崩落开采等。伴随分析功能的逐渐丰富，UDEC更是成为复杂行业问题研究的首选工具，如岩体结构渗透特征(裂隙流)、动力稳定性、爆破作用下介质破裂扩展、冲击地压、岩体强度尺寸/时间效应和多场耦合(水—温度—力耦合)等问题。

道路、桥梁、水电站等工程建设过程中，经常出现岩质边坡，岩质边坡通常具有独特的非连续性、各向异性和非均质性等特性。岩质边坡区别于常见的土质边坡，其通常以结构面间的剪切破坏为主，破坏主要由于外荷载、渗流等因素的叠加作用在软弱节理间率先失效，但由于其在空间的独特分布规律，导致岩质边坡失稳破坏模式多样。对于普通裂隙岩体而言，无法针对每一条结构面进行精准的量测，因此，一种准确反映诸多无序结构面在坡体结构中的空间分布规律的模型提出显得尤为重要。

随机结构面生成的过程中，首先需要了解结构面的空间分布规律及相关参数。目前常用的做法师，运用先进的三维地形非接触测量技术来获取地层表面的确定性结构面及相关参数，如：ShapeMatrix3D结构面识别系统。然后通过赤平投影法及内聚理论进行结构面优势方向分组。再进一步通过数值反分析，得到基于不同概率密度分布函数的相关参数，并用这些参数生成随机结构面。将随机生成的结构面与确定性结构面一起加入到块体切割合并过程，找出关键块体，确定随机方法的可行性，并且对其生成关键块体的体积与结构面离散程度的关系进行研究。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种受陡缓倾角控制的碎裂松动岩体边坡稳定性分析方法。借助离散单元法的UDEC数值计算软件开展数值计算，计算过程中陡缓倾角长大裂隙通过现场调查直接确定，其余岩体结构特征采用概率分布模型，生成随机分布的结构面，以此提高碎裂松动岩体边坡稳定性分析效率和精度。

本发明的技术方案：一种受陡缓倾角控制的碎裂松动岩体边坡稳定性分析方法，包括以下步骤：

步骤一：收集研究区岩体结构发育特征，通过统计分析寻找出陡缓倾角组合成长大裂隙控制结构面，及各类结构面的统计分布规律；结合现场工程地质勘察结果，建立坝肩边坡的二维数值计算模型；

步骤二：随机结构面特征参数获取及模拟过程，通过调查获取确定性结构面的倾向、倾角的信息，再对确定性结构面通过内聚理论进行分组，确定每组的统计参数，代入分析计算公式，解析出概率密度分布函数统计参数特征值；再根据结构面分布统计体的密度，模拟出结构面数量N，运用概率分布密度函数模拟出随机结构面的统计参数特征值，输入UDEC程序中，生成随机分布结构面；

步骤三：在UDEC程序中将调查获得的陡缓倾角组合长大裂隙数据信息导入离散元模型，输入岩体力学参数和结构面强度参数，计算碎裂边坡稳定性；

步骤四：在UDEC程序中模拟分析天然条件下边坡变形特征，包括位移场和塑性区变化情况，同时分析边坡失稳破坏模式。

上述的受陡缓倾角控制的碎裂松动岩体边坡稳定性分析方法，所述步骤二具体如下：

(1)岩体结构面模拟过程中，采用Beacher圆盘模型，通过圆盘中心的空间坐标(x₀,y₀,z₀)来确定结构面的位置，及圆盘与直角坐标系的夹角α,β来确定结构面倾向倾角，圆盘半径r用于确定结构面的大小，岩体结构面模型按照如下表达式计算：

A(x-x₀)+B(y-y₀)+c(z-z₀)＝0 (式1)

(x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²<r (式2)

式中：A＝sinαsinβ；B＝sinαcosβ；C＝cosα；

(2)随机结构面模拟过程中，首先选取确定性结构面统计参数特征值中的最大和最小值，生成平均密度分布函数，然后加入Monte Carlo随机数，生成随机结构面空间产状，具体如下：

令F(θ)＝μ,

取反函数，解方程得到：

θ′＝(θ_max-θ_min)μ+θ_min,0≤θ≤π (式5)

式中：θ′、

为随机结构面空间产状特征值，μ、v为(0，1)范围内Monte Carlo随机数。

上述的受陡缓倾角控制的碎裂松动岩体边坡稳定性分析方法，所述步骤三具体如下：

(1)导入陡-缓倾角组合长大裂隙坐标信息(x_i,y_i)及倾向、倾角，将陡-缓倾角组合长大裂隙结构面设置弱接触；

(2)Crack添加节理，将随机分布模型所得随机结构面空间产状特征值θ′、

等分布特征参数输入；

(3)输入岩体力学参数γ，C，

及长大裂隙、结构面强度参数C，

Kn，Ks。

(4)设定块体位移监测，使用“cell-space detection”模式跟踪位移及下落块体的潜在接触情况。

上述的受陡缓倾角控制的碎裂松动岩体边坡稳定性分析方法，所述步骤四具体如下：

(1)模型计算采用弹塑性模型，屈服条件遵循莫尔—库伦准则；力学边界通过固定边界的形式进行约束，即采用约束速度的方式，分别将模型底部竖直方向(Y方向，yvel＝0)、两侧水平方向(X方向，xvel＝0)的速度设置为零；

(2)utility访问不同变量，监测即将运动的块体垂直和水平位移；设置重力9.81；run-solve自动检测平衡；Slove工具实现岩体稳定性评价计算；

(3)计算达到稳定状态后，得到岩体周边的位移及塑性区变化情况，通过不同时间步位移云图及塑性区云图分析边坡失稳模式。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明提供了一种考虑受陡-缓倾角组合长大裂隙控制及岩体结构面随机分布规律的碎裂松动岩体边坡稳定性分析方法。2)该方法详细描述了如何将现场调查统计的结构面信息通过圆盘模型和双平均密度分布方法生成随机结构面空间分布特征的过程，结构面统计效率提升约90％，统计精度提升约85％。3)基于随机分布模型所获取的特征参数值，通过坝肩边坡离散元地质模型，可以获得考虑陡-缓倾角组合长大裂隙对碎裂岩质边坡的稳定性的影响，以及岩体结构面随机分布特征对碎裂岩质边坡稳定性的影响，其位移精度提升至厘米级，局部位移特征更加明显。

同时通过块体单元接触方式的设置模拟碎裂松动岩体边坡的变形和运动趋势，对坝肩边坡的未来演化发展的过程与变形特征进行模拟分析，与传统的构建方式对比，基于UDEC软件充分考虑岩体结构特征以及陡缓倾角对边坡的影响的数值计算结果同实际更加的契合、精准，可以很好的模拟节理化岩体、碎裂结构岩质边坡的变形和破坏过程分析。

附图说明

图1是某水电站中坝址左坝肩边坡全貌图；

图2是陡-缓倾角组合长大裂隙失稳模式图；

图3是UDEC数值计算概化模型图；

图4是UDEC模拟迭代至30万步X方向位移云图；

图5是UDEC模拟迭代至30万步Y方向位移云图；

图6是迭代至30万时步边坡变形前后对比图；

图7迭代至60万步X方向位移云图

图8是迭代至60万步Y方向位移云图；

图9迭代至60万时步边坡变形前后对比图；

图10岩质斜坡岩体演化过程中变形破裂与破坏特征。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

本发明的实施例1：一种受陡缓倾角控制的碎裂松动岩体边坡稳定性分析方法，如图1-10所示，包括以下步骤：

步骤一：收集研究区岩体结构发育特征，通过统计分析寻找出陡缓倾角组合成长大裂隙控制结构面，及各类结构面的统计分布规律；结合现场工程地质勘察结果，建立坝肩边坡的二维数值计算模型；图1是通过无人机获取的水电站坝肩边坡全貌，能够清晰的得知各个平硐调查点的位置及地形地貌特征；图2是通过现场调查发现的陡倾和缓倾长大裂隙组合失稳模式，缓倾角裂隙产状为N10°W/NE∠24°，C1结构面为破碎夹屑型，张开度约1-2cm，两侧岩体错动破碎，架空张开形成空腔；f2为陡倾裂隙，断层带糜棱化严重，局部错动、张开，夹较多块石；图3是根据工程地质勘察资料构建的二维有离散元模型，通过现场调查得到的结构面倾向、倾角等信息，借助内聚理论和圆盘模型获取的随机结构面参数特征已导入模型，并自动生成随机结构面。

步骤二：随机结构面特征参数获取及模拟过程，通过调查获取确定性结构面的倾向，倾角的信息；再对确定性结构面通过内聚理论进行分组，确定每组的统计参数，代入分析计算公式，解析出概率密度分布函数统计参数特征值；再根据结构面分布统计体的密度，模拟出结构面数量N，及运用概率分布密度函数模拟出随机结构面的统计参数特征值，输入UDEC程序中，生成随机分布结构面；

所述步骤二具体如下：

(1)岩体结构面模拟过程中，采用Beacher圆盘模型，通过圆盘中心的空间坐标(x₀,y₀,z₀)来确定结构面的位置，及圆盘与直角坐标系的夹角α,β来确定结构面倾向倾角，圆盘半径r用于确定结构面的大小，岩体结构面模型按照如下表达式计算：

A(x-x₀)+B(y-y₀)+c(z-z₀)＝0 (式1)

(x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²<r (式2)

式中：A＝sinαsinβ；B＝sinαcosβ；C＝cosα。

(2)随机结构面模拟过程中，首先选取确定性结构面统计参数特征值中的最大和最小值，生成平均密度分布函数，然后加入Monte Carlo随机数，生成随机结构面空间产状，具体如下：

令F(θ)＝μ,

取反函数，解方程得到：

θ′＝(θ_max-θ_min)μ+θ_min,0≤θ≤π (式5)

式中：θ′、

为随机结构面空间产状特征值，μ、v为(0，1)范围内Monte Carlo随机数。

图4-9是计算到不同时间步时边坡的变形特征，随着时间步的增加，边坡后缘X方向位移量显著增加，最大增加至约1m，并出现明显的拉张裂隙；Y方向出现明显下挫，下错高度约1.5～4m。

步骤三：在UDEC程序中将调查获得陡缓倾角组合长大裂隙导入离散元模型，计算碎裂边坡稳定性；

所述步骤三具体如下：

(1)导入陡-缓倾角组合长大裂隙坐标信息(x_i,y_i)及倾向、倾角，将陡-缓倾角组合长大裂隙结构面设置弱接触；

(2)Crack添加节理，将随机分布模型所得随机结构面空间产状特征值θ′、

等分布特征参数输入；

(3)输入岩体力学参数γ，C，

及长大裂隙、结构面强度参数C，

Kn，Ks。

所述步骤四具体如下：

(1)模型计算采用弹塑性模型，屈服条件遵循莫尔—库伦(Mohr-Coulomb)准则；力学边界通过固定边界的形式进行约束，即采用约束速度的方式，分别将模型底部竖直方向(Y方向，yvel＝0)、两侧水平方向(X方向，xvel＝0)的速度设置为零；

(2)utility访问不同变量，监测即将运动的块体垂直和水平位移。setting设置重力9.81。run-solve自动检测平衡；Slove工具实现岩体稳定性评价计算；

(3)计算达到稳定状态后，得到岩体周边的位移及塑性区变化情况，通过不同时间步位移云图及塑性区云图分析边坡失稳模式。

步骤四：在UDEC程序中模拟分析天然条件下边坡变形特征，包括位移场和塑性区变化情况，模拟边坡移动情况，得到模拟结果。图10是岩质斜坡在形成演化过程中出现的变形特征，a.出现明显的拉剪裂隙，此时处于斜坡变形的初始阶段；b.开始有明显的下错，变形还在逐步累积，此时处于变形发育阶段；c.水平方向垂直方向均出现明显位移变化，整体有向临空方向滑动的趋势，此时处于强烈变形阶段。

通过本方法对边坡变形的特征收集后再分析，能够更准确的分析变形过程以及边坡稳定性。

Claims (4)

1.一种受陡缓倾角控制的碎裂松动岩体边坡稳定性分析方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：收集研究区岩体结构发育特征，通过统计分析寻找出陡缓倾角组合成长大裂隙控制结构面，及各类结构面的统计分布规律；结合现场工程地质勘察结果，建立坝肩边坡的二维数值计算模型；

步骤二：随机结构面特征参数获取及模拟过程，通过调查获取确定性结构面的倾向、倾角的信息，再对确定性结构面通过内聚理论进行分组，确定每组的统计参数，代入分析计算公式，解析出概率密度分布函数统计参数特征值；再根据结构面分布统计体的密度，模拟出结构面数量N，运用概率分布密度函数模拟出随机结构面的统计参数特征值，输入UDEC程序中，生成随机分布结构面；

步骤三：在UDEC程序中将调查获得的陡缓倾角组合长大裂隙数据信息导入离散元模型，输入岩体力学参数和结构面强度参数，计算碎裂边坡稳定性；

步骤四：在UDEC程序中模拟分析天然条件下边坡变形特征，包括位移场和塑性区变化情况，同时分析边坡失稳破坏模式。

2.根据权利要求1所述的受陡缓倾角控制的碎裂松动岩体边坡稳定性分析方法，其特征在于：所述步骤二具体如下：

(1)岩体结构面模拟过程中，采用Beacher圆盘模型，通过圆盘中心的空间坐标(x₀，y₀，z₀)来确定结构面的位置，及圆盘与直角坐标系的夹角α，β来确定结构面倾向倾角，圆盘半径r用于确定结构面的大小，岩体结构面模型按照如下表达式计算：

A(x-x₀)+B(y-y₀)+c(z-z₀)＝0 (式1)

(x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²<r (式2)

式中：A＝sinαsinβ；B＝sinαcosβ；C＝cosα；

(2)随机结构面模拟过程中，首先选取确定性结构面统计参数特征值中的最大和最小值，生成平均密度分布函数，然后加入Monte Carlo随机数，生成随机结构面空间产状，具体如下：

令F(θ)＝μ，

取反函数，解方程得到：

θ′＝(θ_max-θ_min)μ+θ_min，0≤θ≤π (式5)

式中：θ′、

为随机结构面空间产状特征值，μ、v为(0，1)范围内Monte Carlo随机数。

3.根据权利要求1所述的受陡缓倾角控制的碎裂松动岩体边坡稳定性分析方法，其特征在于：所述步骤三具体如下：

(1)导入陡-缓倾角组合长大裂隙坐标信息(x_i，y_i)及倾向、倾角，将陡-缓倾角组合长大裂隙结构面设置弱接触；

(2)Crack添加节理，将随机分布模型所得随机结构面空间产状特征值θ′、

等分布特征参数输入；

(3)输入岩体力学参数γ，C，

及长大裂隙、结构面强度参数C，

Kn，Ks。

(4)设定块体位移监测，使用“cell-space detection”模式跟踪位移及下落块体的潜在接触情况。

4.根据权利要求1所述的受陡缓倾角控制的碎裂松动岩体边坡稳定性分析方法，其特征在于：所述步骤四具体如下：

(1)模型计算采用弹塑性模型，屈服条件遵循莫尔—库伦准则；力学边界通过固定边界的形式进行约束，即采用约束速度的方式，分别将模型底部竖直方向(Y方向，yvel＝0)、两侧水平方向(X方向，xvel＝0)的速度设置为零；

(2)utility访问不同变量，监测即将运动的块体垂直和水平位移；设置重力9.81；run-solve自动检测平衡；Slove工具实现岩体稳定性评价计算；

(3)计算达到稳定状态后，得到岩体周边的位移及塑性区变化情况，通过不同时间步位移云图及塑性区云图分析边坡失稳模式。

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