邊坡變形FLAC3D模型的預(yù)測研究與應(yīng)用
——以貴州省道坪鎮(zhèn)火鬧山邊坡為例

陳子江

(貴州地礦基礎(chǔ)工程有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

中國的地質(zhì)災(zāi)害總體特征主要是數(shù)量較多、分布廣泛，集中在5月至8月的汛期[1]。貴州屬于地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量多和規(guī)模大[2]的省份之一。其中，連續(xù)的強(qiáng)降雨是誘發(fā)的主要因素。

根據(jù)邊坡變形的情況，通過數(shù)學(xué)方法建立模型，預(yù)報未來的變形發(fā)展趨勢，為最終邊坡工程的施工和治理提供較直觀的決策依據(jù)。因此，有很多數(shù)學(xué)方法和理論應(yīng)用到邊坡變形預(yù)測中，常用的方法有：時間序列分析模型[3]、灰色預(yù)測模型[4]、FEA[5]法、FDM[6]法等，不同的數(shù)學(xué)方法針對不同的實(shí)際問題，研究的方向和方法均有不同，但最終目的就是有效地對變形體監(jiān)測的結(jié)果進(jìn)行處理。選取有效的模型[7]方法才能使預(yù)測結(jié)果較為準(zhǔn)確地反映實(shí)際變形的趨勢。

本文以貴州省道坪鎮(zhèn)火鬧山邊坡工程項目為例，對邊坡變形的規(guī)律進(jìn)行綜合分析，提出在邊坡變形階段采用邊坡發(fā)展趨勢的預(yù)測模型。

1 FLAC3D預(yù)測模型理論分析

受降雨的影響，邊坡產(chǎn)生了滑移變形，這時需要找到有效的預(yù)測邊坡變形的模型，進(jìn)行應(yīng)力變形方面的分析，就要從數(shù)值法的角度去考慮。常用的方法有：有限元法、離散元法和快速拉格朗日分析法，其中快速拉格朗日分析法是一種較新的數(shù)值法，它吸取了其他數(shù)值分析方法的優(yōu)點(diǎn)并克服了它們的缺點(diǎn)，使它不僅能處理一般較大的變形問題，還能夠模擬巖土體沿著某一軟弱面而產(chǎn)生的滑動及變形狀態(tài)，模擬出邊坡的破壞及滑動狀態(tài)。

FLAG3D[8]是顯示的三維有限差分程序，利用顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)求解運(yùn)動方程，它將要計算的面域[9]分為一個一個的單元，利用節(jié)點(diǎn)來連接各個單元。將節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加載，關(guān)于時間步長的有限差分的形式就替代了原有的運(yùn)動方程。在小時間步長中，相鄰的節(jié)點(diǎn)將受到最近的有載荷的節(jié)點(diǎn)的影響，這就需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)的變化速度和步數(shù)時間，得到單元之間的相對位移，根據(jù)相對位移就可計算出對應(yīng)的應(yīng)變單元，然后可以根據(jù)材料本身對應(yīng)的本構(gòu)模型計算應(yīng)力單元。時間步長的不斷增加，這個過程將覆蓋整個范圍，直到不平衡力不再產(chǎn)生影響從而讓計算結(jié)束?；诶窭嗜辗ǖ腇LAG3D適用于絕大多數(shù)的工程力學(xué)問題，尤其適用于大變形分析、土質(zhì)的或巖石的三維結(jié)構(gòu)模擬受力和塑性破壞[10]、流動分析等；在施工情況下的數(shù)值模擬巖土工程，應(yīng)用在基坑、邊坡、隧道等工程中，因而得到國內(nèi)外廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。

2 FLAC3D模型建立

通過對研究區(qū)域邊坡及周邊采用地質(zhì)測繪和地質(zhì)調(diào)查相結(jié)合的方法，采用地質(zhì)的鉆探資料、現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)等相結(jié)合的手段，根據(jù)邊坡工程的實(shí)際地質(zhì)情況及國家和地方經(jīng)驗(yàn)的相關(guān)規(guī)范，并進(jìn)行綜合考慮，最終選取了邊坡巖土體在試驗(yàn)段的物理力學(xué)參數(shù)，為下一步對坡體穩(wěn)定性評價影響做好了充足準(zhǔn)備。

該試驗(yàn)段邊坡高度約100 m，寬約400 m，長約370 m。將所研究的邊坡分為4個臺階，坡角取值為53°，邊坡下部的坡度較緩，邊坡中上部位的坡度較陡。研究區(qū)區(qū)域揭露的地層由第三系和第四系的坡積粘土，含碎石的粘土、紅黏土，震旦系上統(tǒng)燈影組強(qiáng)風(fēng)化白云巖、中風(fēng)化白云巖組成。該研究區(qū)邊坡的地層主要劃分如下：

1)紅黏土層；2)震旦系上統(tǒng)燈影組(Z2dn)強(qiáng)風(fēng)化白云巖；3)震旦系上統(tǒng)燈影組(Z2dn)中風(fēng)化白云巖。

模型采用FLAC3D中提供的四面體單元函數(shù)進(jìn)行劃分，根據(jù)研究區(qū)邊坡特點(diǎn)，對邊坡細(xì)化了表面的網(wǎng)格，這樣大大的提高了對用有限元進(jìn)行分析的精度，揭示了研究區(qū)邊坡的變形發(fā)展的規(guī)律，試驗(yàn)段邊坡三維數(shù)值[11]計算模型見圖1。

圖1 三維數(shù)值計算模型圖

在圖1中，根據(jù)軟件計算將試驗(yàn)段邊坡共劃分的單元是12578個，節(jié)點(diǎn)是2988個，從而建立了試驗(yàn)段邊坡三維模型。結(jié)合地質(zhì)條件確定所模擬的三維模型邊界條件描述為：所參與計算的模型，設(shè)為自由邊界的區(qū)域?yàn)檫吰碌谋砻?，設(shè)為固定約束邊界的區(qū)域位于模型底部，設(shè)為單向邊界的區(qū)域環(huán)繞在模型四周。在進(jìn)行初始力學(xué)邊界的條件賦值中，不對其構(gòu)造應(yīng)力進(jìn)行考慮，而對自重應(yīng)力作用下的初始應(yīng)力作為考慮的重要對象。

2.1 自然狀態(tài)的情況

根據(jù)FLAC3D軟件計算所得自然狀態(tài)條件下邊坡滑動安全系數(shù)為1.64，處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。其中，圖2為邊坡在自然狀態(tài)下的位移云圖正面圖；圖3為邊坡在自然狀態(tài)下的位移云圖側(cè)面圖；圖4為邊坡在自然狀態(tài)情況下的最大主應(yīng)力圖；圖5為邊坡在自然狀態(tài)情況下剪應(yīng)變增量云圖。

由圖2的位移云圖正面圖和圖3位移云圖側(cè)面圖可以看出：邊坡在坡頂強(qiáng)風(fēng)化白云巖和中風(fēng)化白云巖交界處附近位移最大，并從坡頂往下逐漸減少，坡腳位移量最小。

圖2 自然狀態(tài)下位移云圖正面圖

圖3 自然狀態(tài)下位移云圖側(cè)面圖

從圖4最大主應(yīng)力圖可以看出：應(yīng)力集中區(qū)主要集中在邊坡坡表中風(fēng)化白云巖巖層(FLAC3D 中以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù))。在坡頂出現(xiàn)拉應(yīng)力分布區(qū)，其應(yīng)力值和邊坡高度成正比。

圖4 自然狀態(tài)下最大主應(yīng)力圖

從圖5可以看出：邊坡剪應(yīng)變增量坡頂是最大的，處于較為軟弱的狀態(tài)，并隨著深度的加深逐漸減少。

圖5 自然狀態(tài)下剪應(yīng)變增量云圖

2.2 暴雨狀態(tài)的情況

采用飽和容重及飽和力學(xué)參數(shù)進(jìn)行暴雨狀態(tài)下有限元分析。計算所得暴雨狀態(tài)條件下邊坡滑動安全系數(shù)為1.38，處于穩(wěn)定的狀態(tài)。圖6為邊坡在暴雨狀態(tài)下的位移云圖正面圖，圖7為邊坡在暴雨狀態(tài)下的位移云圖側(cè)面圖，圖8為邊坡在暴雨狀態(tài)下的最大主應(yīng)力圖，圖9為邊坡在暴雨狀態(tài)下剪應(yīng)變增量云圖。

圖6 暴雨狀態(tài)下位移云圖正面圖

圖7 暴雨狀態(tài)下位移云圖側(cè)面圖

由圖6的位移云圖正面圖和圖7位移云圖側(cè)面圖可以看出：從邊坡頂部到邊坡的底部位移的趨勢呈明顯的漸變趨勢，在坡腳附近的下部即深色的區(qū)域，位移等值線隨上部區(qū)域的變化而急劇變化。也可看出位移分層現(xiàn)象十分明顯，說明在一定范圍內(nèi)，該位置的位移急劇增加，是整個邊坡位移的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

從圖8的最大主應(yīng)力圖可以看出：邊坡最危險的滑動面最大可能出現(xiàn)在邊坡位移突變的地方。

圖8 暴雨狀態(tài)下最大主應(yīng)力圖

從圖9的剪應(yīng)變增量圖可以看出：邊坡的表面順著層面出現(xiàn)了一個貫通的剪切破壞面，處于較為軟弱的狀態(tài)，進(jìn)一步確定了該層面為潛在的滑動面。

圖9 暴雨狀態(tài)下剪應(yīng)變增量云圖

2.3 巖土體的物理、力學(xué)參數(shù)

當(dāng)粘土浸水膨脹后，大大地降低了顆粒間的凝聚力，從而使抗剪阻力降低，邊坡的穩(wěn)定性受到破壞；風(fēng)化作用使邊坡的巖石強(qiáng)度降低的同時，也使巖體內(nèi)的可溶性礦物質(zhì)析出，加大巖體的裂隙，使巖體的抗剪力大大降低，遇水從而產(chǎn)生滑移變形。根據(jù)FLAC3D軟件所演示的自然和暴雨兩種情況，其巖土體的物理、力學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表1。

表1 自然和暴雨狀態(tài)下巖土體的物理、力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

從表1可以看出，粘土、強(qiáng)風(fēng)化白云巖和中風(fēng)化白云巖在暴雨情況下，相比自然情況，粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ減小，重度γ增大，進(jìn)一步說明邊坡的穩(wěn)定性受到了很大的影響。

3 案例分析

3.1 研究區(qū)情況

研究區(qū)域主要為開采磷礦的采場和排土場，多條施工道路及進(jìn)出場道路，貫穿整個研究區(qū)。為了保證礦山正常開采及邊坡治理工程的順利開展，監(jiān)測雨季來臨時邊坡的穩(wěn)定性不產(chǎn)生較大的破壞，確保相應(yīng)路段的正常、安全運(yùn)行。具體的現(xiàn)場照片見圖10。

圖10 研究區(qū)域全景照

研究區(qū)域?qū)儆趤啛釒貪駳夂颍合募径嗄巷L(fēng)，秋東季多北風(fēng)。年最高氣溫34 ℃，最低氣溫-5 ℃，年平均氣溫約15 ℃，年降雨量714.8～1375.4 mm，年平均降雨量1135.1 mm。5月至8月為雨季，降雨量占年降雨量的70%以上。本區(qū)域潮濕多雨，相對濕度一般為80%左右，最高100%，最低50%，因此邊坡的穩(wěn)定性受雨季影響較大。

3.2 監(jiān)測點(diǎn)分布情況

根據(jù)研究區(qū)域邊坡的巖土特性及邊坡變形的關(guān)聯(lián)性，在邊坡施工和可能產(chǎn)生影響范圍區(qū)域布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，對邊坡的變形進(jìn)行監(jiān)測，以掌握邊坡的變形趨勢，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出邊坡預(yù)測變形及沉降的趨勢。研究區(qū)域邊坡監(jiān)測點(diǎn)分布情況見圖11。從圖11可看出，結(jié)合邊坡地質(zhì)情況、現(xiàn)場施工道路情況等，在研究區(qū)域共布置監(jiān)測點(diǎn)8個。

圖11 監(jiān)測點(diǎn)位分布圖

3.3 降雨量情況

因此，在監(jiān)測啟動前，收集本研究區(qū)域的歷年降雨量數(shù)據(jù)就顯得尤為重要。工作實(shí)施前到氣象部門收集到研究區(qū)所屬地區(qū)近10年降雨量和雨日數(shù)氣候變化進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到降雨量曲線圖與雨日數(shù)曲線圖，見圖12。從統(tǒng)計圖可知，研究區(qū)域在每年雨季5月至8月期間降雨量相較于其他月份明顯偏高，有極端強(qiáng)降水的概率，可能導(dǎo)致研究區(qū)域誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的趨勢。

圖12 近10年各月平均降雨量

本次監(jiān)測從2016年4月中旬開始，參考研究區(qū)域近10年降雨量的統(tǒng)計分析，對邊坡進(jìn)行暴雨狀態(tài)的模擬，建立模型，指導(dǎo)在該時間段進(jìn)行加密監(jiān)測。

3.4 監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)分析

以監(jiān)測點(diǎn)QB3在Z軸方向的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，提取第1-12期的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見表2。

從表2可看出，研究區(qū)邊坡變形大致分為以下三個階段：

表2 研究區(qū)監(jiān)測點(diǎn)QB3號點(diǎn)第1-12期變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

第一階段，4月13日至4月24日這段時間，監(jiān)測間隔時間為5天，以小雨天氣為主，根據(jù)暴雨狀態(tài)的模型圖，土體在吸收水分處于非飽和狀態(tài)，此時邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)；

第二階段，從4月24日開始監(jiān)測時間改為3天監(jiān)測一次，至4月30日這段時間以中雨天氣為主，土體在雨水浸潤膨脹后，變形突然加速，監(jiān)測數(shù)據(jù)由-1.7 mm增大到-28.1 mm，邊坡接近臨界狀態(tài)；4月30日至5月12日這段時間，天氣以多云為主，邊坡進(jìn)入穩(wěn)定期；

第三階段，5月13日開始出現(xiàn)暴雨天氣，至5月15日的監(jiān)測中，監(jiān)測數(shù)據(jù)由-29.3 mm增大到-86.6 mm，邊坡失穩(wěn)滑移，監(jiān)測點(diǎn)QB3前12期沉降監(jiān)測結(jié)果見圖13。

圖13 監(jiān)測點(diǎn)QB3號點(diǎn)第1-12期沉降監(jiān)測結(jié)果

從圖13可看出：在邊坡初始變形到邊坡失穩(wěn)階段，采用快速拉格朗日有限差分法建立FLAC3D邊坡三維模型，模擬暴雨情況下邊坡滑動狀態(tài)，驗(yàn)證了建立的模型與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果是相互吻合的，因此采用FLAC3D模型在邊坡初始變形到邊坡失穩(wěn)階段，作為指導(dǎo)監(jiān)測的手段是可行的。

4 結(jié)論

本文以貴州省道坪鎮(zhèn)火鬧山邊坡工程項目作研究，探討了邊坡變形趨勢的相關(guān)內(nèi)容、邊坡預(yù)測模型對邊坡變形預(yù)測的研究。主要結(jié)論如下：

(1)通過對邊坡的有限元計算，邊坡的不穩(wěn)地部位是滑坡坡頂紅黏土到表層中風(fēng)化白云巖層，形成潛在的滑動面，從邊坡在剪應(yīng)力集中部位可能剪出，造成最終邊坡滑動位移。利用FLAC3D軟件對研究區(qū)建立三維模型，模擬了自然和暴雨兩種不同狀態(tài)下的邊坡變形情況，得到不同條件下的邊坡的變形和最大剪應(yīng)力分布的變化情況，從實(shí)際效果中可以看出，F(xiàn)LAC3D軟件將邊坡的應(yīng)力變化和位移的情況較好地顯示出來，分析結(jié)果結(jié)合實(shí)際邊坡變形的情況吻合較好。

(2)根據(jù)邊坡變形的時間與規(guī)律，在邊坡初始變形到邊坡失穩(wěn)階段，采用快速拉格朗日有限差分法建立FLAC3D邊坡三維模型。通過降雨量分析，模擬暴雨情況下邊坡滑動狀態(tài)，通過選取研究區(qū)沉降量最大的監(jiān)測點(diǎn)QB3的數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證建立的模型與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果反映的變化規(guī)律是相符合的，表明利用FLAC3D軟件建立的邊坡三維模型進(jìn)行預(yù)測是可行的。

綜上所述，通過將邊坡變形過程建立預(yù)測模型進(jìn)行處理分析，得到與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果反映的變化規(guī)律是相符合的，說明達(dá)到對邊坡變形的預(yù)測要求。