柴平稳，李 漪，李 柯，贺修安，刘胡杰

(1.国网经济技术研究院有限公司，北京 102209；2.湖北省电力勘测设计院有限公司，湖北 武汉 430040; 3.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

1 概述

山区修建变电站会形成一定的人工边坡，该类边坡属于永久性边坡，其具有工程性质差,强度低且不均匀等特点,在土质及地质结构方面与自然边坡存在着明显的区别,工程实践中，该类边坡也引起了诸多学者的关注[1]，李振团针对卡拉变电站自然边坡可能存在的变形失稳特征进行分析，然后对边坡加固措施作了一些初步的探讨[2]；唐朝晖以边坡填土性质及几何形状作为边坡稳定性的影响变量，对填土边坡稳定性的可靠度进行分析[3]；文高原等研究了人工夯实填土边坡在降雨前后的破坏模式[4]。

由于边坡的物理力学参数具有明显的不均匀性，现今难以用理论求解方法对其变形失稳特征进行分析，随着计算机技术的发展，数值模拟方法作为一种成本低和效果明显的计算方法被广泛应用于边坡稳定性评价，早期的研究中均采用单一的数值方法作为研究手段，如张龙利用颗粒流软件建立三维数值模型，研究重庆武隆鸡尾山高速远程滑坡可能的堆积形态及影响范围[5]；李龙起基于离散元颗粒流数值软件对含软弱夹层的类土质边坡破坏过程进行仿真模拟，通过监测坡体位移、 应力以及速度，综合分析了滑坡破坏模式及破坏规律[6]；陈鑫以离散元方法得到的结果为基础，对滑坡危险性进行评价[7]；Lu 和Zhou[8-9]也采用颗粒流方法研究了滑坡变形特性，不同数值计算方法具有不同的优劣性，基于非连续力学的颗粒流方法能够模拟滑坡变形后的大变形大位移，可以模拟滑坡可能失稳后的动态过程，但是对于边坡滑床而言，若仍然采用颗粒流方法去模拟，需要生成大量的颗粒，影响计算进度，和实际工程也相差较大，此时滑床适合采用连续介质力学去分析，随着研究的深入发展，兼具连续介质与离散元方法的数值计算方法开始出现，并逐渐成为岩土工程领域的热点研究手段，Gianvito[10]也将连续和非连续方法结合对滑坡变形特征进行研究；张铎等[11]以尾矿坝边坡为研究对象，对耦合和非耦合两种模型进行对比分析，研究表明耦合算法可以对边坡滑移带形成过程的细观力学特征，如力链分布、土体细观组构发展等进行分析，可以更细节的研究边坡破坏机理；严琼等[12]采用连续-离散耦合数值分析方法对某露天铁矿边坡开挖过程中其边坡应力应变特征进行分析，从宏观和细观角度对边坡的失稳机制进行了较为全面的探索；孙新坡等[13]基于离散元和有限差分耦合算法研究了岩土体动力学过程。鉴于以上情况，本文基于有限差分-颗粒流耦合数值模拟新技术，研究边坡的变形过程。首先根据边坡平面地形图建立边坡三维地质概化模型，然后将边坡残坡积层用颗粒流填充，最后建立三维连续-离散耦合数值模型，分析了边坡变形破坏特征，最后与现场监测数据进行对比，分析了该变电站边坡的失稳特征[14]。

2 某变电站边坡工程地质条件及失稳特征

2.1 地形地貌

某变电站站址原始地貌属于丘陵地貌，地势起伏较大。站址范围原为水泥有限责任公司场地，现已废弃。现地形为原场地开山堆填而成。整个站址东高西低，呈三级台阶状。边坡坡脚现自然标高374 m左右，场平标高364.5 m。场平后，边坡坡脚将再行向下开挖10 m左右，变电站东侧将形成最大高度约35 m的挖方边坡，该边坡整体表现为东高西低；坡脚高程364.5 m左右，后缘高程395 m左右，地表坡度从边坡后缘至前缘近似呈两段直线，边坡坡度在20°～45°之间，边坡前缘为拟修变电站，边坡所在场地如图1所示。

2.2 地层岩性

站址场地岩土分布主要为第四系全新统残坡积层，下伏基岩为三叠系上统沙镇溪组泥质粉砂岩。场地内岩土层特征按剖面图2中顺序由上而下叙述如下：残坡积层：黄色、黄褐色，稍湿，稍密～中密。主要成分为碎石土，占60%以上，碎石直径1 cm～20 cm，最大可达200 cm，一般粒径10 cm；粉质黏土占40%左右。泥质粉砂岩：黄色、青灰色，强风化，泥质结构，薄层～中厚层状构造，基岩面起伏较大，节理裂隙发育，岩体较破碎。为场地基岩，全场分布，层顶埋深0.70 m～13.40 m，层顶标高352.94 m～380.85 m，层厚1.00 m～6.00 m。

2.3 边坡变形特征分析及监测

边坡上覆土体为典型的残坡积物，岩体黏结强度较低，结构较为破碎，地层产状与边坡为顺向坡，前期的工程开挖为其提供了良好的临空条件，在降雨条件下，岩土体抗剪强度降低，边坡面向临空面的下滑力超过边坡抗滑力，使得边坡失稳。由于边坡高度较大，坡度较陡，岩体自身应力在挖方边坡形成后重新分布，坡顶形成张裂缝，加上各种外力的作用，该处边坡对工程建设可能造成地质灾害隐患。 该边坡体积量较大属于中型土质边坡，从现场调查来看，该土质边坡存在多处细小裂缝，土体内部孔隙发育，已经存在滑坡边缘位置出现较小型的滑塌，在降雨或人类工程活动等不确定的影响因素下，边坡可能发生更大体积的失稳破坏，边坡前缘为拟修变电站，针对该边坡，设置从坡顶至坡脚不同部位的监测点，其监测点布置平面图如图3所示，本次监测始于 2018年4月20日，截止于 2018年10月6日，共观测约6个月，累计观测 16期测量数据，图3中J11～J16为边坡监测点。

3 边坡耦合数值模型

3.1 连续-离散耦合原理

连续-离散耦合是对连续介质力学模型的进一步改进，即对岩土破坏大变形区域采用离散元进行精细化模拟，其余区域采用连续介质单元，整个模型以连续域为主体，离散域为附加体。

本次耦合方法采用有限差分FLAC软件和颗粒流PFC软件相结合进行分析，耦合的工作原理是通过将PFC的墙面(wall)上的接触力和力矩等价为墙面顶点的力，这些力再通过刚度分配原理传递给网格点或单元节点，力的计算是针对三角形墙面的三个网格顶点(见图4)。

(1)

在运算模式下，整个系统满足力与力矩平衡条件，有：

(2)

(3)

则切向单位矢量为：

(4)

3.2 边坡数值模型

具体建模步骤如下：根据滑坡工程地质平面图，提取等高线数据，然后进行差值离散化，建立研究区域三维曲面，根据该曲面形成三维地质体，然后利用钻孔数据拟合得到残坡积层和下层砂岩的三维曲面，将岩层曲面与地质体进行布尔运算，形成具有分组的三维地质模型，根据残坡积层模型三维边界，采用颗粒进行填充，最后建立耦合数值模型如图5所示。整个耦合模型长260 m，宽290 m，高220 m，滑体颗粒总数115 989个，滑床共生成单元22 148个，计算中对滑床底边界进行固定，设置重力加速度，让整个模型只受重力作用，并设置B11～B16共6个监测点，监测坡面不同部位形变量。

3.3 计算模型选择及参数设置

PFC中提供了多种颗粒相互接触的力学模型，本次计算选择应用较为广泛的平行黏结模型，平行黏结模型不仅能够表征颗粒间在法向和切向的接触关系，还能描述颗粒间的扭转特性，其基本力学关系如下:

1)力学平衡关系。

(5)

其中，ΔF，ΔU，K分别为接触力、接触位移和接触刚度；n,s分别为法向和切向。

2)力矩平衡关系。

(6)

其中，ΔM，Δθ分别为力矩和转角；J，I分别为转动惯量和惯性矩。

该模型可以在不同实体之间传递颗粒间力和力矩等多个力学参量，当应力超过了相应的黏结强度时，平行黏结断裂，可适用于模拟边坡失稳破坏动力学过程。另外，在计算有限单元的应力应变特征时，采用摩尔库仑准则，在选择耦合模型计算参数时，由于没有完整的理论能够从微观性质来有效匹配宏观行为，采用PFC用户手册中推荐的步骤来匹配参数性质，以减少迭代校核过程，再参考资料给的耦合计算方法，给出了自然工况下本文数值计算中的参数如表1，表2所示[15]。

表1 边坡PFC模型参数

表2 边坡基岩物理力学参数

4 结果分析

4.1 边坡破坏过程分析

图6表示的是边坡不同时步位移等值线变化云图，从100时步边坡位移云图可以看出，在重力作用下，边坡后缘处开始出现变形，变形量较小，此时基岩层无变形。当运行到200步时，变形范围扩大到坡中部位，颗粒位移级数进一步增大，此时基岩层受到滑坡变形的影响，存在微小变形；随着运算时步的增加，变形范围扩大至整个残坡积层，颗粒都有变形的迹象，基岩层也有一定位移量；当计算步数增大到一定时，颗粒位移继续增大，并有往下滚动的趋势，可以预见的是，残坡积层最后会沿着基覆界面堆积到坡脚处甚至更远的地方。

4.2 边坡监测变形量分析

根据现场位移监测点J11，J12，J13，J14，J15和J16监测数据与数值计算设置的相对应B11，B12，B13，B14，B15和B16监测点数据对比分析。得到了边坡不同部位位移特征，对比结果见图7，最大监测位移量统计见表3，结果表明：

1)耦合数值计算得到的坡顶及坡中位移量略大于现场监测结果，源于数值计算中离散颗粒的不均匀性，不规则的三维滑体边界下，颗粒大小不一，颗粒间存在间隙，一般而言，颗粒越小，越更能真实反映土体相互作用特征，但是过小的颗粒运算过于庞大，影响计算效率，另外颗粒本身具有一定的流动性，而真实的土体之间存在复杂的相互作用，其相互黏结，对彼此影响较大，而坡脚处的位移相差不大，总体上，无论是现场监测还是数值计算结果得到各监测点的变化量相差较小，边坡上位移监测点最终变化范围在2 mm～5 mm，反映了耦合模型的可靠性。

2)各个位移监测点显示滑坡运动主要分为初始变形阶段、匀速变形阶段和加速运动阶段，位移变化曲线近似呈S形，现场监测数据和耦合数值计算结果相近，验证了耦合模型模拟残坡积边坡失稳过程的可靠性。

3)分析坡体坡顶、坡中以及坡脚3个不同部位位移变化曲线可以得到，坡顶整体变形速率较大，位移大小近似与时间呈正相关，表明了边坡破坏的持续性特征；坡中位移时程关系具有较为明显的分段性，具有初始变形、匀速最后加速的三阶段特点，但位移最大值小于坡顶位移；坡脚位移时程关系显示，边坡前缘处在前期较长时间内处于缓慢变形阶段，在边坡整体变形较大时，边坡坡脚处位移量开始增大。

4)边坡各个部分变形在继续增大，表明边坡破坏的极大可能性，急需治理。

表3 监测点最大位移量统计

5 结论

具有残坡积层的边坡具有工程性质差,强度低且不均匀等特点,在土质及地质结构方面与自然边坡存在着明显的区别,难以准确预测预报，一旦发生失稳破坏，将极大的威胁到基础工程设施的安全运营，以某变电站边坡为研究对象，基于现场调查和数值模拟手段研究边坡变形破坏过程，本文研究得出以下结论：

1)在重力作用下，边坡变形破坏过程分阶段完成，边坡首先在坡顶位置处出现变形，随着运算时步的增加，边坡变形范围进一步扩大，最后整个残坡积层边坡均有变形迹象，另外，运算时步越大，离散域位移量以及连续域位移量均进一步增大。

2)通过现场位移量监测数据和耦合数值模拟结果对比发现，边坡变形趋势整体一致，位移时程曲线近似呈S型曲线，验证了耦合模型在研究边坡变形破坏过程中的可靠性。

3)进一步分析边坡不同坡体部位变形特征时，可以得到：坡顶位移量均大于坡中和坡脚位移量，其中坡顶变形速率较大，变形特征较为明显，坡中变形特征具有明显的分阶段特点，坡脚变形特征由缓慢变形变成加速变形，整体来看，边坡变形持续增大，需尽快治理。

4)本研究成果可为实际边坡研究提供参考意义。后续在其他工程项目上，可结合边坡暴雨工况、暴雨+地震工程工况的不同取值做进一步的研究。