基于FLAC3D強(qiáng)度折減法的某水電站明渠邊坡穩(wěn)定性評價

鄭穎悟，藺全奎，顏英軍

(1.陜西核工業(yè)工程勘察院，西安 710054；2.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

邊坡穩(wěn)定性一直是地質(zhì)工程領(lǐng)域的一個重要研究方向，人們通常采用穩(wěn)定性系數(shù)(K)來評價其穩(wěn)定性狀況[1]。邊坡穩(wěn)定性分析的方法有很多，主要有基于剛體極限平衡理論的條分法和基于變形理論的有限元法、拉格拉日有限差分法等。前者包括Fellenius法、Bishop法、Spencer法、不平衡推力法、Morgenstern-Price法等[2]，上述方法所需的分析條件很難滿足邊坡真實(shí)的工程地質(zhì)條件；基于變形理論的強(qiáng)度折減法因克服了傳統(tǒng)極限平衡法的諸多缺陷，如該方法不僅滿足邊坡力學(xué)平衡條件，而且考慮了邊坡巖土體的應(yīng)力、應(yīng)變特征，從而避免了剛體極限平衡分析法中將邊坡變形體視為剛體而過于簡化的缺點(diǎn)，使得計(jì)算結(jié)果更加精確合理[3-4]，因此該方法在邊坡穩(wěn)定性分析中日益受到重視[5]。本文結(jié)合某大型水電站導(dǎo)流洞出口明渠邊坡穩(wěn)定性的研究課題，采用FLAC3D對導(dǎo)流洞出口明渠邊坡的應(yīng)力、應(yīng)變以及穩(wěn)定性狀況進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果與邊坡實(shí)際狀況較為吻合，說明采用FLAC3D法對邊坡穩(wěn)定性分析具可靠性和實(shí)用性。

1 強(qiáng)度折減法的基本原理

基于強(qiáng)度折減的有限差分分析方法是用于邊坡穩(wěn)定分析的一種較新的方法，其基本原理是將邊坡坡體巖土體的強(qiáng)度參數(shù)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ同時除以一個折減系數(shù)ω[6]，得到一組新的巖土體強(qiáng)度參數(shù)c1、φ1，即經(jīng)過折減后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為：

c1=c/ω

(1)

(2)

然后將c1、φ1作為新的計(jì)算參數(shù)輸入，再進(jìn)行試算，當(dāng)計(jì)算滿足一定的收斂條件后[7-8]，對應(yīng)的ω被稱為邊坡坡體的穩(wěn)定性系數(shù)。此時邊坡巖土體達(dá)到極限狀態(tài)，并發(fā)生剪切破壞，同時可以得到坡體的滑動面。

2 邊坡工程地質(zhì)條件

邊坡巖體風(fēng)化程度較弱，卸荷裂隙發(fā)育程度不高；一般巖體弱風(fēng)化帶在30～40 m范圍，局部巖體發(fā)育有深為0.4 m左右的卸荷裂隙。邊坡巖體中主要發(fā)育5組Ⅳ～Ⅴ級優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面。① 似層面：產(chǎn)狀N15°～30°E/NW∠75°～83°，與河流流向近平行，局部微張；② 陡傾坡外結(jié)構(gòu)面：產(chǎn)狀N62°W/SW∠80°～83°，平直粗糙，長大裂隙，同組發(fā)育多條，屬區(qū)域性節(jié)理；③ 陡傾坡內(nèi)結(jié)構(gòu)面：產(chǎn)狀N75°W/SW∠82°～88°切層節(jié)理，同組發(fā)育多條；④ 緩傾坡外傾下游結(jié)構(gòu)面：產(chǎn)狀N71°W/SW∠12°，平直粗糙；⑤ 緩傾坡外傾上游結(jié)構(gòu)面：產(chǎn)狀N37°E/SE∠14°，平直粗糙。該明渠邊坡典型的工程地質(zhì)剖面如圖1所示。

3 邊坡穩(wěn)定性分析及評價

3.1 模型的建立

根據(jù)明渠邊坡的工程地質(zhì)條件，結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬的基本要求，建立幾何尺寸435 m×235 m×30 m數(shù)值模型。模型的力學(xué)邊界都采用兩邊側(cè)面(X方向)、前后緣側(cè)面(Z方向)水平約束，底面(Y方向)固定，地表為自由面。整個三維模型網(wǎng)格采用四面體，四面體邊長5.0 m，共劃分24 134個節(jié)點(diǎn)和10 426個單元，數(shù)值模型如圖2所示。

3.2 屈服準(zhǔn)則及巖土體參數(shù)

摩爾-庫倫屈服函數(shù)破壞包絡(luò)線可表示為[9]：

(3)

圖1 導(dǎo)流洞明渠邊坡典型工程地質(zhì)剖面圖

圖2 明渠邊坡FLAC3D模型圖

本次模擬采用巖土體通用的彈塑性本構(gòu)模型，破壞準(zhǔn)則采用摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則，采用關(guān)聯(lián)流動法則求解邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。為準(zhǔn)確、可靠地進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評價，科學(xué)合理地選取巖土體參數(shù)至關(guān)重要。結(jié)合現(xiàn)場巖體直剪試驗(yàn)和巖土體的參數(shù)反演，邊坡各巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 明渠邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)表

3.3 邊坡穩(wěn)定性評價

(1) 邊坡應(yīng)力應(yīng)變特征

邊坡巖土體的應(yīng)力分布特征反應(yīng)了邊坡變形破壞規(guī)律，有助于更切合實(shí)際的分析邊坡的穩(wěn)定性。從圖3可知，邊坡最大主應(yīng)力等值線與坡面近似平行，且量值隨深度的增加而增大，坡腳附近最大主應(yīng)力顯著增高，且越接近地面增幅越明顯，坡體表面最大主應(yīng)力為0.03 MPa(相當(dāng)于臨空面的切向應(yīng)力)，坡底最大主應(yīng)力4.67 MPa；從圖4可知，最小主應(yīng)力愈接近地表，量值愈小，坡體表面為零，在坡腳形成了一剪應(yīng)力增高帶，有可能形成從此處開始向邊坡上部貫通的潛在滑動面。坡腳附近轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，量值為0.03 MPa，因而這一帶是邊坡應(yīng)力差最高的部位。

圖3 明渠邊坡最大主應(yīng)力圖

圖4 明渠邊坡最小主應(yīng)力圖

在明渠邊坡形成過程中，由于應(yīng)力狀態(tài)的上述變化，邊坡將發(fā)生不同程度和不同規(guī)模的變形。從圖5可知，該邊坡水平向位移主要集中在坡體中部，從坡面向坡體逐步減小，當(dāng)進(jìn)入坡體新鮮巖體時，水平向位移變?yōu)?，風(fēng)化巖體水平向位移在1.0 cm左右，坡體水平方向變形主要發(fā)生在堆積體中，臨空面位移量值達(dá)到了7.6 cm。從圖6可知，該邊坡垂直向位移和水平向位移分布規(guī)律相似，即從坡面向坡體逐步減小，當(dāng)進(jìn)入坡體新鮮巖體時，垂直向位移變?yōu)?，風(fēng)化巖體垂直向位移在1.0 cm左右，坡體垂直方向變形主要發(fā)生堆積體中，臨空面位移量值達(dá)到了6.2 cm，另外在邊坡頂部平緩地帶，出現(xiàn)卸荷回彈現(xiàn)象，此時垂直向位移向上，量值在2.0 cm左右。說明邊坡在此處可能形成拉裂破壞帶，結(jié)合邊坡應(yīng)力分布特征，和邊坡坡腳剪應(yīng)力增高帶一起，形成邊坡的潛在滑移面。

(2) 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)圖7和8可以看出，隨著計(jì)算實(shí)步的增加，邊坡的剪應(yīng)變從坡腳逐步向上發(fā)展，到計(jì)算穩(wěn)定時，在明渠邊坡坡體中形成了一剪應(yīng)變貫通帶，剪應(yīng)變最大值為0.043，此剪應(yīng)變帶與明渠邊坡的堆積體和風(fēng)化巖體接觸界面基本相似；邊坡速度矢量沿坡面運(yùn)動，與水平面夾角15°，因此邊坡巖體的水平運(yùn)動特征對邊坡的穩(wěn)定性影響相對較大。

圖5 明渠邊坡水平向位移圖

圖6 明渠邊坡垂直向位移圖

圖7 強(qiáng)度參數(shù)未折減邊坡剪應(yīng)變特征圖

圖8 強(qiáng)度參數(shù)折減后邊坡剪應(yīng)變特征圖

計(jì)算結(jié)束后，該明渠邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.24，按水電邊坡穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)，其穩(wěn)定性好，不需要支護(hù)處理。從上述分析可知：應(yīng)用強(qiáng)度折減法分析邊坡的穩(wěn)定性，不僅可以分析邊坡應(yīng)力應(yīng)變特征，掌握邊坡破壞規(guī)律，而且可以在不指定滑裂面的情況下得到邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，減少了人為指定滑面造成的不確定因素，更真實(shí)地反映了邊坡滑動面和破壞部位。

(3) 與傳統(tǒng)條分法結(jié)果對比分析

為與強(qiáng)度折減法計(jì)算結(jié)果對比，采用Janbu法、規(guī)范推薦的不平衡推力法和傳遞系數(shù)隱式法計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，以上述有限差分自動搜索的剪應(yīng)變貫通帶作為邊坡的潛在滑面，共條分13塊(見圖9)，計(jì)算參數(shù)采用表1給定的值，最后其計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 計(jì)算結(jié)果表

從表2可以看出，不考慮地震和地下水的作用，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)在1.205～1.228之間，比有限差分法計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)偏小，即傳統(tǒng)的條分法評價邊坡穩(wěn)定性時偏保守。造成這種偏差的原因在于強(qiáng)度折減法不僅滿足邊坡的力學(xué)平衡條件，而且還考慮了巖土體的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系，即變形協(xié)調(diào)關(guān)系，更能符合邊坡實(shí)際的穩(wěn)定性狀況。

圖9 明渠邊坡剛體極限平衡法評價條分圖

4 結(jié) 語

(1) 本文運(yùn)用基于FLAC3D強(qiáng)度折減法計(jì)算明渠邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，其值為1.24，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；同時考慮了邊坡的應(yīng)力應(yīng)變特征，特別是邊坡剪應(yīng)變隨著計(jì)算實(shí)步增加，從坡腳逐步向上貫通，最后形成的潛在滑移面接近明渠邊坡堆積體與風(fēng)化巖體接觸面。

(2) 通過和傳統(tǒng)的剛體極限平衡條分法計(jì)算結(jié)果對比，表明基于FLAC3D強(qiáng)度折減法分析邊坡的穩(wěn)定性是有效的，能夠得到較準(zhǔn)確的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)和較合理的最危險滑動面位置，而傳統(tǒng)的條分法評價邊坡穩(wěn)定性時偏保守。

(3) 采用有限差分的強(qiáng)度折減法計(jì)算得出的位移、應(yīng)力以及應(yīng)變等值并不是邊坡的真實(shí)值，因此在穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算之前應(yīng)先模擬邊坡的應(yīng)力應(yīng)變場，并分析其分布特征，然后再進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

(4) 本文采用了FLAC3D默認(rèn)的收斂條件，即模型整體力平衡比率R﹤1.0×10-5，很多學(xué)者在強(qiáng)度折減法中的收斂條件還沒有行成一個共識，因此有待進(jìn)一步的研究。

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