基于流固耦合的强震大型滑坡水力激发效应研究.pdf

54水科学与工程技术2023年第4期基于流固耦合的强震大型滑坡水力激发效应研究周先强（福建省水投勘测设计有限公司，福州3 50 0 0 1）摘要：为研究地震作用下滑坡的动力响应规律，通过有限元法实现动力和渗流的耦合，建立滑坡数值模型。对是否考虑地下水工况下的滑坡加速度和位移响应规律进行计算，研究孔隙水压力的分布情况，并对软弱层带的有效应力和孔压响应进行分析。结果表明：水位对滑坡加速度响应的主要影响在上硬层，有水位工况下的上硬层加速度峰值相较于无水位工况下的提高3 倍。地下水的存在，使得滑坡对垂直波更为敏感。存在地下水时，上硬层对地震波的响应更为剧烈。孔压主要分布在软弱层带附近位置，软弱层带中后段孔隙水压力大于上覆应力，即超孔压会引起方向向上的内力，对滑坡造成托顶效应，有可能导致滑坡灾害发生，存在一定安全隐患。关键词：地震动；流固耦合；滑坡；动力响应中图分类号：P641D0I:10.19733/ki.1672-9900.2023.04.15Study on hydraulic excitation effect of large landslide with strongearthquake based on fluid-structure coupling(Fujian Water Investment Survey and Design Co.Ltd,Fuzhou 350001,China)Abstract:In order to study the dynamic response law of landslide under earthquake,the coupling of dynamic and seepagewas realized by finite element software,and the numerical model of landslide was established.The law of landslideacceleration and displacement response under groundwater condition is calculated,the distribution of pore water pressure isstudied,and the response of effective stress and pore pressure in the weak zone is analyzed.The results show that the maininfluence of water level on the acceleration response of landslide is in the upper hard layer.The peak value of accelerationin the upper hard layer with water level is three times higher than that in the condition without water level.The existence ofgroundwater makes landslides more sensitive to vertical waves.In the presence of groundwater,the upper hard layerresponds more vigorously to seismic waves.The pore pressure is mainly distributed near the soft zone.The pore waterpressure in the middle and back section of the weak zone is greater than the overlying stress,that is,the excess porepressure will cause the internal force in the upward direction,resulting in the top-up effect on the landslide,which maylead to the occurrence of landslide disasters,and there are certain safety risks.Key words:ground motion;fluid-structure coupling;landslide;dynamic response为研究地震作用下滑坡的动力响应规律，本文通过有限元法实现动力和渗流的耦合，建立滑坡数值模型。通过前人试验研究验证模型参数的正确性，对是否考虑地下水工况下的滑坡加速度和位移响应规律进行计算，研究孔隙水压力的分布情况，并对软弱层带的有效应力和孔压响应进行分析。1流固耦合模型1.1基本理论本文基于完全非线性的有限差分法，通过有限收稿日期 2 0 2 2-11-11【作者简介】周先强（19 8 7 一），男（汉族），福建宁化人，工程师，主要从事工程地质方向研究。E-mail：40 2 46 548 2 q.c o m文献标识码：BZHOU Xianqiang元法实现动力和渗流的耦合进行分析。边坡土体模型选用Finn模型，在动力作用下，相对于摩尔-库伦模型而言，Finn模型增加动态孔隙水压力程序，能够模拟材料孔隙水压力的积累及超孔隙水压力的形成 5。本文在进行非完全流固耦合分析时考虑到力学时标与扩散时间之间的联系和流体的扰动属性，对流固刚度比进行合理选择。在地震作用下，相对总体计算过程而言其力学计算时间较短，因此强震作用下可不考虑边坡渗流的作用，进行不排水计算分析。当模型整体失衡时，在耦合计算时需要流固刚度比。文章编号：16 7 2-9 9 0 0(2 0 2 3)0 4-0 0 54-0 42023年第4期本文研究的滑坡类型属于刚性骨架，即流固刚度比小于1，固体刚度远大于流体刚度，因此可以对流体与固体的完全耦合进行忽略。1.2模型尺寸和监测点布置本文通过有限元法建立滑坡数值模型，该模型长度设置为450 0 m，倾角18 高度为2 40 0 m，其中，滑坡的软弱层带的厚度约5m。根据相关地质勘察报告，该滑坡主要土体为白云岩，因此，将白云岩作为滑坡数值模型的整体。通过孔隙介质体来对软弱层带进行简化，该孔隙介质体仅需要设定角砾岩带参数，对下部地层的水文条件进行忽略。而软弱层带与地下水位线之间的坡体区域认为均达到饱和状态。根据实际滑坡情况，并参考相关文献，设置模型底部为固定端，模型两侧为法向固定，模型上部为自由端，地震波由模型底部进行输入。此外，为在流固耦合分析过程中保证计算精度的前提下兼顾计算效率，在网格划分时对软弱层带及坡面位置进行局部加密，共划分出3 4551个10 节点的有限元网格。为了更好地观测地震作用下滑坡的动力响应规律和变形特性，在模型中总共布置有15个监测点进行监测。其中，监测点J1J6共6 个监测点设置在沿软弱层带分布，相邻监测点间距设置为50 0 m,对J1、J3 和J6监测点位置每个位置处再布置有3 个垂直监测点，垂直间距为2 0 m，即K1K9。此外，将观测点分为3 个区，以便更好地观测软弱层带的孔隙水压力变化情况。1.3模型参数设定与验证模型上下硬层的泥质砂岩本构模型为弹性模型，弹性模量为5.8 10 4MPa。渗流计算过程中的材料颗粒通常认为是不可压缩的，并假设坡体为各向同性材料模型。通过下式可计算出材料的剪切模量和体积模量：G=E2(1+u)EK=3(1-2M)式中G为泥岩的剪切模量;K为泥岩的体积模量。依据相关模拟方案的参数设定 6 和实际工程经验，本文采用的主要材料泥质砂岩和软弱层带的模型输人参数如表1。周先强：基于流固耦合的强震大型滑坡水力激发效应研究1.0拟与室内试验的二整伪快报室内试验0.8孔压比曲线对比情况。从图1可看20.6出出，本文数值模拟0.4F结果与前人试验0.2研究结果趋势和0.00数值都较为接近，随着动力持续时间的增加,并未出现明显差异，进而证明本文在参数选取和本构模型选择方面合理、正确。利用上述模型对地震荷载施加前的竖向应力和孔压进行计算，计算结果显示，竖向应力分布主要受高度影响，主要分布在滑坡底部，未出现明显波动，在坡脚处存在少量的应力集中现象，软弱层带的应力约在13 17 MPa之间。由于软弱层带下方设置为不排水条件，因此不存在孔压，而在软弱层带上方，孔压亦随水位以下的深度分布。1.4加载方案制定地震作用下，地震波的吸收是通过模型四周的自由场边界来完成的。局部阻尼系数取0.0 15，局部阻尼可消耗模型中的地震能量。模型的自振频率为0.25Hz,在地震作用下可能会发生共振。动荷载施加位置位于模型底部，输人荷载为加速度时程。可通过下式对滑坡滑动方向地震波进行(1)换算：(2)an(t)=aew(t)sina+ans(t)cos式中a(t)为滑坡滑动方向的水平加速度;w(t)为清平波东西加速度分量;ew(t)为清平波南北加速度分量。为了对地震作用下模型进行优化，减小计算时间提高计算效率，截取天然波主震部分为模型输人55通过利用表表1软弱层带和白云岩数值模型输入参数1数据进行动三轴名称模型试验的模拟，围压内摩擦角/)和循环偏应力均内聚力/MPa选择为 10 0 kPa,干密度/kg/m)与室内试验条件孔隙率/%完全相同，将模拟渗透系数/(cm/s)抗拉强度/MPa结果与前人试验剪切模量/MPa结果 7 进行对比，体积模量/MPa1.2102图1展示数值模5动力持时/s图1动三轴试验孔压比曲线软弱层带泥质砂岩Finn弹性24410.3217220026501826.21061x10-12110322.6x1042.8x104101520(3)56地震波，即1 3 3 3 s段的地震波进行输人分析。2结果与讨论2.1滑坡动力响应5无水位工况下滑坡加速度响应情况如图 2。图 2(a)为垂直波作用下的-10%0响应曲线，图2(b)为水平波作用下的10r响应曲线。从图25可看出，相较于上(.s.w)/率硬层，滑坡下硬层在地震作用下的加-5速度响应更为强烈，变化幅值更大，-10L0最大幅度在动力时间1 5 s左右。对比图2无水位工况下加速度响应曲线图 2(a)和图 2(b),10r同一动力持续时间(zs.)/率和位置处，水平波造成的坡体加速度变化相较于垂直波-5H更甚。-10%有水位工况下0滑坡加速度响应情况如图3。图3(a)10为垂直波作用下的5(zs.)/率响应曲线，图3(b)为水平波作用下的响应曲线。从图3-5可看出，在两种地-100震波作用下，其上硬层的加速度振幅图3 有水位工况下加速度响应曲线和峰值均大于下硬层，这一点与无水位工况下的现象恰好相反。对比图3和图4 发现，水位对滑坡加速度响应的主要影响在上硬层，有水位工况下的上硬层峰值相较于无水位工况提高3 倍之多，可见地下水对坡体动力响应影响程度之巨。此外，地下水的存在，使得水平波和垂直波之间的差异减小，滑坡对垂直波更为敏感。周先强：基于流固耦合的强震大型滑坡水力激发效应研究0.06况下滑坡在两种wu/10上硬层卡硬层A5动力持时/s(a)垂直波上硬层下硬层5动力持时/s(b)水平波上硬层卡硬层5动力持时/s(a)垂直波上硬层卡硬层5动力持时/s(b)水平波2023年第4 期图4 和图50.08r展示有无水位工方向地震波作用0.00下的瞬时位移情-0.08F况。从图4 可看-0.0%出，无论是垂直波还是水平波，0.08r下硬层的位移变1015101510151015上硬层卡硬层5动力持时/s(a)垂直波上硬层20卡硬层化幅度和峰值均0.06F大于上硬层。对0.00比图 4(a)和图 4位(b)发现,水平波-0.08造成的滑坡瞬时-0.06位移相较于垂直波而言更大。从图4无水位工况下瞬时位移相应曲线图5 中可看出，200.08r亦呈现出上文规0.06律，即存在地下u/水时，上硬层对0.00地震波的响应更0.08为剧烈，上硬层-0.0%的位移变化幅值和峰值均大于下硬层。此外，无地0.08r20下水存在时，滑0.06F坡位移对水平波更为敏感，而存0.00在地下水时，滑-0.08坡对垂直波更为-0.0%敏感。2.2超空隙水压图5 有水位工况下瞬时位移相应曲线20力积累与激发从上节可看出，在有水位工况下，滑坡对垂直地震波更为敏感，因此，选用垂直地震波作为输入波，对孔隙水压力分布情况进行分析。孔压主要分布在软弱层带附近位置，最大孔压在B区域监测点J3附近，相较于无震工况下的孔压分布，最大孔压位置并未发生改变。随着动力持续时间的增加,孔压持续增大,最大增加到约3 0 MPa,相10510动力持时/s(b)水平波上硬层下硬层5动力持时/s(a)垂直波上硬层下硬层5动力持时/s(b)水平波151510151015202020202023年第4 期较于为施加地震荷载作用前的4 MPa，地震无疑大大增加滑坡孔压的大小。60r软弱层孔压（监测点J3）上硬层应力（监测点K5）下硬层应力（监测点K6）ed/40200图6 展示地震荷载作用下软弱层带孔压响应随动力持续时间的变化情况。从图6 可看出，上下硬层的应力较为接近，且随动力持续时间的增加变化趋势亦未出现明显差异。随着动力持续时间的增加，软弱层孔压不断波动，较大的两次波动发生在4 s和1 2 s时刻，在4 s左右时,由于振动张拉导致孔压出现下降,而在1 2 s时刻附近，由于振动冲压导致孔压出现上升，此时软弱层孔压达到峰值，接近于上下硬层的孔压。2.3有效应力为进一步研究地震作用下的滑坡动力响应规律，更为真实地模拟地震动环境，进行双向地震动模拟。302010-10-20-30-400图7 软弱层带有效应力响应图7 展示了双向地震动作用下软弱层带有效应力的相应情况。从图7 可看出，在地震荷载施加初期，软弱层带有效应力数值较小且起伏不大，表现较为稳定,出现缓慢降低趋势,在7.5 s之后开始发生较大波动，主要表现在中前段监测点J5位置处，中后段即监测点J1位置处在1 2 s时刻左右发生较大突变，有效应力大小出现较大增加。在动力施加时段周先强：基于流固耦合的强震大型滑坡水力激发效应研究7200振动振动V20张拉冲压导致导致孔压孔压-40下降上升510动力持时/s图6 软弱层带孔压响应后段中后段中段中前段前段5动力持时/s57内，有效应力峰值最大的为软弱层带中前段即J5监测点位置处。在J1位置处孔隙水压力大于上覆应力，因此数值表现为负，而软弱层带中后段有效应力绝对值最小,有效应力较低。此外,从数值上看，滑坡中后段有效应力为负，超孔压会引起方向向上的内力，对滑坡造成托顶效应，有可能导致滑坡灾害发生，存在一定安全隐患。-603结语15201015为研究地震作用下滑坡的动力响应规律，本文通过有限元法实现动力和渗流的耦合，建立滑坡数值模型。对是否考虑地下水工况下的滑坡加速度和位移响应规律进行研究，计算孔隙水压力的分布情况，并对软弱层带的有效应力和孔压响应进行分析。得出主要结论如下：(1)考虑地下水情况下，上硬层的加速度振幅和峰值均大于下硬层。水位对滑坡加速度响应的主要影响在上硬层，有水位工况下的上硬层加速度峰值相较于无水位工况下的提高3 倍多，地下水的存在，使得水平波和垂直波之间的差异减小，滑坡对垂直波更为敏感(2)存在地下水时,上硬层对地震波的响应更为剧烈，上硬层的位移变化幅值和峰值均大于下硬层。(3)孔压主要分布在软弱层带附近位置，施加地震未改变最大孔压位置。滑坡孔压峰值约3 0 MPa，相较于为施加地震荷载作用前的4 MPa，地震无疑大大增加滑坡孔压的大小。(4)在地震荷载施加初期,软弱层带有效应力出现缓慢降低趋势。有效应力峰值最大的为软弱层带中前段，中后段孔隙水压力大于上覆应力，超孔压会引起方向向上的内力，对滑坡造成托顶效应，存在一定安全隐患。20参考文献：1】陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例M.北京：中国水利水电出版社,2 0 0 9.2崔圣华,裴向军,黄润秋.大光包滑坡启动机制:强震过程滑带非协调变形与岩体动力致损 J.岩石力学与工程学报，2019,38(2):237-253.3朱凌,裴向军,崔圣华,孟祥瑞.基于动三轴试验的大光包滑坡层间错动带动力特性研究 J.工程地质学报,2 0 1 8,2 6(3)647-654.（责任编辑：尹健婷）