地震作用下陡岩崩塌颗粒离散元数值模拟研究_石崇

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用颗粒离散元模拟了节理岩质边坡破坏过程；贺续 分析了节理的分布形式对边坡稳定性及破坏 模式的影响；C. H. Zhang 等 [18]应用离散元分析了 不同地震输入、输入机制和参数条件对高陡岩质边 坡动响应及崩塌模式的影响。 江坪河水电站厂房后陡岩边坡的卸荷裂隙发 育、断层以小角度倾向坡内，在地震等荷载作用下 可能发生失稳崩塌破坏。本文以工程地质原型分析 为手段，先借助单一块体的倾覆分析建立了结构面 深度与地震倾覆稳定性的关系；其次，通过杆件推 导出地震波传播时的接触力转化关系，在此基础上
第 32 卷
增1
石
崇等：地震作用下陡岩崩塌颗粒离散元数值模拟研究
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利用颗粒离散元方法进行了地震陡岩崩塌灾害分
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引
言
析，得到了一些边坡动稳定性的结论。可为崩塌失 稳边坡的稳定性研究及灾害预测提供理论依据
水电工程中存在大量地质条件复杂、安全影响 因素众多的高陡岩质边坡，在地震动荷载作用下工 程控制难度大，稳定问题突出，其潜在的失稳过程 急剧、短促、猛烈，灾难规模大，已成为水电工程 建设成败的关键技术问题之一
， ， ，2
(1. Key Laboratory of Geomechanics and Embankment Engineering，Ministry of Education，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China；2. Institute of Geotechnical Research，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China)
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图1
陡岩边坡现场照片
Fig.1 Site photo of steep slope
在模拟 2.1 地形地貌 陡岩位于厂房后边坡之上、冲沟两侧，距离厂 房较近。 最低处高程约为 380 m， 陡岩段坡高 100～ 120 m， 垂直河流方向发育。 陡岩临空面倾角接近垂 直，地形地貌如图 2 所示。
Abstract：Based on analysis of high-steep slope at Jiangping River hydropower project，the block overturning analysis method is used to determine the potential damage zone under seismic loading，and then wave propagation equation and boundary condition equation are derived. The collapse disaster of high-steep slope is studied according to two-dimensional granular flow method. The results show that the stability of slope can be determined by particle trajectories with the collapse hazard analysis of granular discrete element method. Then the path of destruction can be studied. By modifying the properties of boundary particles，the incident seismic wave and transmitting boundary condition can be simulated，so it will maximally simulate the coupling process of loading， rock properties and the development of disaster. It also shows that the development of longitudinal unloading fissures whose dip angle is approximately equal to slope free surface is the controlling factor to the stability of high-steep slope under seismic loads，and local collapse and block instability may occur on the superficial slope. The process of collapse starts from the partial avalanche of surface rock mass when an earthquake occurs，then it extends rapidly along the fissures until it gets up to the upper rock under high-intensity earthquake. The scale of collapse is mainly decided by the depth of development of fissures. Therefore，the proposed method can provide a theoretical basis for the stability study of high-steep slope as well as the disaster prediction. Key words：rock mechanics；avalanche disaster；high-steep slope；granular discrete element；seismic loads
收稿日期：2011–09–15；修回日期：2011–12–01 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50911130366)； “十一五”国家科技支撑计划基金资助项目(2008BAB29B01)；高等学校博士学科点专项科研基 金(20090094120017) 作者简介：石 崇(1978–)，男，2008 年于河海大学岩土工程专业获博士学位，现任讲师，主要从事岩石力学与工程方面的教学与研究工作。 E-mail ： scvictory@
第 32 卷 增 1 2013 年 1 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.32 Supp.1 Jan.，2013
地震作用下陡岩崩塌颗粒离散元数值模拟研究
石 崇 1 2，王盛年 1 2，刘
， ，
琳1
，2
(1. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2. 河海大学 岩土工程科学研究所，江苏 南京 210098)
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(3) 底部水平卸荷裂隙以上的岩块视为一个整 体； (4) 只考虑水平方向地震的作用。 取陡岩卸荷裂隙以上单位厚度岩块进行力学分 析，设岩体裂隙深度(岩块水平宽度)为 b，竖直高度 为 h，倾角为 。岩块重力为 G 和地震静力为 F 均 通过重心，则地震工况下陡岩的受力分析如图 3 所 示。 对点 O 求矩： ① 倾覆力矩 M 为
块体接触时容易出现接触非线性引起的不收敛及 DDA 法[14]完全将岩体离散化、与实际岩体情况不符 的问题，优越性显著，已成为模拟固体力学运动过 程的一种有效手段。S. D. Pont 和 E. Dimnet[15]认为 材料是规则颗粒集合的离散体，通过颗粒随机产生 模拟了岩质边坡的塌方灾害；李新坡和柯思明 文
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2
江坪河水电站边坡陡岩工程概况
江坪河水电站位于湖北省鹤峰县溇水干流上，
。加强对高陡岩质
距鹤峰县城约 93 km。坝址控制流域面积 2 140 km2， 正常蓄水位 470.0 m，总装机容量为 450 MW，额定 水头 153.0 m，属一等大(I)型工程。厂房后陡岩边坡 因临空面倾角接近垂直(见图 1)，风化卸荷裂隙发 育，在不利地质条件及复杂外部荷载如降雨、地震 等荷载作用下可能发生失稳破坏，威胁厂房的安全 运营。
600 陡岩 500 高程/m 400 300
输水发电系统
地面岸坡 式厂房
溇水ห้องสมุดไป่ตู้
后边坡
图2 project
江坪河水电站陡岩地形地貌
Fig.2 Topography of steep slope in Jiangping River hydropower
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岩石力学与工程学报
2013 年
2.2 地质构造 陡岩边坡岩性主要为强风化和弱风化的厚层灰 岩和泥灰岩、白云质灰岩。岩体风化为裸露的较坚 硬完整的
厚层灰岩，强风化岩体水平深度 5～
10 m，断层与层面以小角度倾向坡内，组成不稳定 楔体的可能性不大。在各类结构面中，顺坡向陡倾 角卸荷裂隙发育，其深度为 1～10 m，是影响陡岩 边坡稳定的控制性结构面。 2.3 影响稳定的外界因素 江坪河水电站坝址区场地地震基本烈度为 6 度，50 a 超越概率 10%地震峰值加速度为 0.05 g， 在地震荷载作用下风化卸荷带发生局部崩塌、块体 失稳的可能性较大。 根据当地水文局提供的降雨观测数据统计，在 江坪河库区 3 a 平均最大降雨量为 46 mm/h。降雨可 能在裂隙内形成一定的水压力，但由于岩体破碎， 裂隙渗透性大，地震动荷载作用下不考虑降雨引起 的动水压力影响。
边坡稳定性问题的分析研究，为边坡预测预报及整 治提供岩体力学依据，对于保证水电工程的顺利开 展和充分发挥作用具有至关重要的意义。 地震作用下岩质边坡稳定性涵盖地震学、地质 学、岩体力学等诸多学科。历经几十年的研究，目 前常采用的研究方法有拟静力法、 Newmark 分析 法、动力有限元时程分析法、动力有限元强度折减 法等[4-9]，这些方法均以连续性介质力学为基础。对 存在节理、裂隙的不连续岩体，离散单元法优势则 更加突出。如 R. J. Allison 和 O. G. Kimber[10]用块体 单元法分析了节理裂隙在岩体破坏中控制作用；C. Wang 等[11]对存在大量节理裂隙的边坡稳定性问题 进行了数值模拟；C. L. Tang 等[12]研究了地震作用 下介质内摩擦角和黏结强度对滑坡稳运动特征的影 响。近几年发展起来的颗粒离散元法，由于对每个 颗粒应用牛顿第二定律，在接触位置应用力–位移 定律并不断更新，颗粒不受变形量的限制，在研究 边坡崩塌等大变形问题时，克服了块体元